1、7 1概述 7 1 1电子信息系统的组成 图7 1 1电子信息系统示意图 7 1 2理想运放的两个工作区 一 理想运放的性能指标 开环差模电压增益Aod 输出电阻ro 0 共模抑制比KCMR 差模输入电阻rid UIO 0 IIO 0 UIO IIO 0 输入偏置电流IIB 0 3dB带宽fH 等等 理想运放工作区 线性区和非线性区 二 理想运放在线性工作区 输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大关系 即 理想运放工作在线性区特点 1 理想运放的差模输入电压等于零 即 虚短 动画avi 8 2 avi 2 理想运放的输入电流等于零 由于rid 两个输入端均没有电流 即 虚断 三 理想运放
2、的非线性工作区 UOM UOM 图7 1 3集成运放的电压传输特性 理想运放工作在非线性区特点 当uP uN时 uO UOM当uP uN时 uO UOM 1 uO的值只有两种可能 在非线性区内 uP uN 可能很大 即uP uN 虚地 不存在 2 理想运放的输入电流等于零 实际运放Aod 当uP与uN差值比较小时 仍有Aod uP uN 运放工作在线性区 例如 F007的UoM 14V Aod 2 105 线性区内输入电压范围 但线性区范围很小 7 2基本运算电路 集成运放的应用首先表现在它能够构成各种运算电路上 在运算电路中 集成运放必须工作在线性区 在深度负反馈条件下 利用反馈网络能够实现
3、各种数学运算 基本运算电路包括 比例 加减 积分 微分 对数 指数 7 2 1比例运算电路 R2 R1 RF 由于 虚断 i 0 u 0 由于 虚短 u u 0 虚地 由iI iF 得 反相输入端 虚地 电路的输入电阻为 Rif R1 图7 2 1 1 基本电路 电压并联负反馈 一 反相比例运算电路 引入深度电压并联负反馈 电路的输出电阻为 R0f 0 动画avi 8 1 avi 2 T型网络反相比例运算电路 图7 2 2T型网络反相比例运算电路 电阻R2 R3和R4构成T形网络电路 节点N的电流方程为 i4 i2 i3 输出电压 u0 i2R2 i4R4 所以 将各电流代入上式 二 同相比例
4、运算电路 R2 R1 RF 根据 虚短 和 虚断 的特点 可知 i i 0 又u u u 得 由于该电路为电压串联负反馈 所以输入电阻很高 Rif Ri 1 AodF 当图7 2 3RF 0或R1 时 如下图7 2 4所示 三 电压跟随器 Auf 1 u0 uI 集成电压跟随器性能优良 常用型号AD9620 计算方法小结 1 列出关键结点的电流方程 如N点和P点 2 根据虚短 地 虚断的原则 进行整理 7 2 2加减运算电路 一 求和运算电路 1 反相求和运算电路 由于 虚断 i 0 所以 i1 i2 i3 iF 又因 虚地 u 0 所以 当R1 R2 R3 R时 图7 2 7 2同相求和运算
5、电路 由于 虚断 i 0 所以 解得 其中 由于 虚短 u u 图7 2 9 7 2 3积分运算电路和微分运算电路 一 积分运算电路 由于 虚地 u 0 故 uO uC 由于 虚断 iI iC 故 uI iIR iCR 得 RC 积分时间常数 图7 2 16 动画avi 12 1 avi 积分电路的输入 输出波形 一 输入电压为阶跃信号 图6 3 2 t0 t1 UI 当t t0时 uI 0 uO 0 当t0 t t1时 uI UI 常数 当t t1时 uI 0 uo保持t t1时的输出电压值不变 即输出电压随时间而向负方向直线增长 问题 如输入波形为方波 输出波形为何波 二 输入电压为正弦波
6、 可见 输出电压的相位比输入电压的相位领先90 因此 此时积分电路的作用是移相 图7 2 17 注意 为防止低频信号增益过大 常在电容上并联电阻 如图7 2 16 二 微分运算电路 图7 2 18基本微分电路 由于 虚断 i 0 故iC iR 又由于 虚地 u u 0 可见 输出电压正比于输入电压对时间的微分 实现波形变换 如将方波变成双向尖顶波 1 基本微分运算电路 微分电路的作用 微分电路的作用有移相功能 2 实用微分运算电路 基本微分运算电路在输入信号时 集成运放内部的放大管会进入饱和或截止状态 以至于即使信号消失 管子还不能脱离原状态回到放大区 出现阻塞现象 图7 2 19实用微分运算
7、电路 3 逆函数型微分运算电路 若将积分电路作为反馈回路 则可得到微分运算电路 公式推导过程略 推论 采用乘法运算电路作为运放的反馈通路 可实现除法运算采用乘方运算电路作为运放的反馈通路 可实现开方运算 比例积分运算电路 PI调节器 比例微分运算电路 PD调节器 比例 积分 微分运算电路 PID电路 2 集成指数运算电路 在集成运算电路中 利用二只双极性晶体管特性的对称性 消去IS对运算关系的影响 并且 采用热敏电阻补偿UT的变化 分析过程见教材P330 7 4有源滤波电路 7 4 1滤波电路的基础知识 作用 选频 一 滤波电路的种类 低通滤波器LPF 高通滤波器HPF 带通滤波器BPF 带阻
8、滤波器BEF 图7 4 1 二 滤波器的幅频特性 低通滤波器的实际幅频特性中 在通带和阻带之间存在着过渡带 过渡带愈窄 电路的选择性愈好 滤波特性愈理想 图7 4 2低通滤波器的实际幅频特性 三 无源滤波电路和有源滤波电路 1 无源低通滤波器 电压放大倍数为 通带截止频率 由对数幅频特性知 具有 低通 的特性 电路缺点 电压放大倍数低 只有 且带负载能力差 解决办法 利用集成运放与RC电路组成有源滤波器 图7 4 3 频率趋于零 电容容抗趋于无穷大 2 有源滤波电路 无源滤波电路受负载影响很大 滤波特性较差 为了提高滤波特性 可使用有源滤波电路 图7 4 4有源滤波电路 组成电路时 应选用带宽
9、合适的集成运放 四 有源滤波电路的传递函数 输出量的象函数与输入量的象函数之比 U I R C L的象函数表示方法 7 4 2低通滤波器 掌握有源滤波电路的组成 特点及分析方法 一 同相输入低通滤波器 1 一阶电路 用j 取代s 且令f0 1 2 RC 得出电压放大倍数 f0称为特征频率 通带电压放大倍数 可见 一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带截止频率相同 但通带电压放大倍数得到提高 缺点 一阶低通有源滤波器在f f0时 滤波特性不理想 对数幅频特性下降速度为 20dB 十倍频 解决办法 采用二阶低通有源滤波器 图7 4 6 电压放大倍数 2 简单二阶电路 可提高幅频特性的衰减斜率 用
10、j 取代s 且令f0 1 2 RC 输入电压经过两级RC低通电路 在高频段 对数幅频特性以 40dB 十倍频的速度下降 使滤波特性比较接近于理想情况 令电压放大倍数分母的模等于 可解出通带截止频率 fP 0 37f0 问题 在f f0附近 输出幅度衰减大 fP远离f0 引入正反馈 可以增大放大倍数 使fP接近f0滤波特性趋于理想 图7 4 10压控电压源二阶低通滤波电路 图7 4 9压控电压源二阶低通滤波电路 3 压控电压源二阶低通滤波电路 用j 取代s 且令f0 1 2 RC 二 反相输入低通滤波器 1 一阶电路 令信号频率 0 求出通带放大倍数 电路的传递函数 用j 取代s 且令f0 1
11、2 R2C 2 二阶电路 在一阶电路的基础上 增加RC环节 可使滤波器的过渡带变窄 衰减斜率的值加大 图7 4 12反相输入简单二阶低通滤波电路 为了发改善f0附近的频率特性 也可采用多路反馈的方法 图7 4 13无限增益多路反馈二阶低通滤波电路 分析过程 见教材P344 345 三 三种类型的有源低通滤波器 切比雪夫 Chebyshev 滤波器的品质因数Q 也称为滤波器的截止特性系数 其值决定于f fo附近的频率特性 按照f fo附近频率特性的特点 可将滤波器分为 巴特沃思 Butterworth 贝塞尔 Bessel 7 4 3其它滤波电路 一 高通滤波电路 高通滤波电路与低通滤波电路具有对称性 1 压控电压源二阶高通滤波电路 2 无限增益多路反馈二阶高通滤波电路 二 带通滤波电路 BPF 只允许某一段频带内的信号通过 将此频带以外的信号阻断 阻 阻 fp1 fp2 通 图7 4 17 三 带阻滤波器 BEF 在规定的频带内 信号被阻断 在此频带以外的信号能顺利通过 f2 f1 通阻通 图7 4 20
