模電課件-第二章運放及應用

第二章

集成運放及其基本應用2.2理想運放在線性區(qū)常用電路2.3理想運放在非線性區(qū)常用電路2.1集成運算放大器2.1集成運算放大器集成運算放大器（集成運放、運放）：是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路。(a)雙列直插式(b)圓殼式(c)扁平式集成運放的外形：μA741外形圖：運放的電路符號：2.1.1集成運放的電壓傳輸特性同相輸入端反相輸入端輸出端正飽和區(qū)負飽和區(qū)線性區(qū)線性區(qū)電壓傳輸特性：差模輸入信號：開環(huán)電壓放大倍數：Auo非線性區(qū)2.1.2理想集成運放及不同工作區(qū)的特點理想運放的參數：（1）Auo＝∞；（2）輸入電阻Ri＝∞；（3）輸出電阻Ro＝0；（4）通頻帶fbw＝∞工作在線性區(qū)的特點：（1）虛短路uP＝uN（2）虛斷路iP＝0、iN＝0工作在非線性區(qū)的特點：（2）iP＝0、iN＝0

例如F007開環(huán)時Auo=105,－Uom=－10V,Uom=+10V,則差模輸入信號的線性區(qū)為-0.1mV~+0.1mV。如果外加負反饋,使閉環(huán)增益Au=100,則差模輸入信號的線性區(qū)為-100mV~+100mV。運放必須加負反饋才可以工作在線性區(qū)。

小結：如果運放應用電路中引入了負反饋，則在輸入信號一個較大范圍內，集成運放工作在線性工作區(qū)；分析集成運放線性應用電路時，注意應用“虛短”和“虛斷”兩個重要特點。若集成運放工作于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，則運放處于開關狀態(tài)，輸出電壓在正、負飽和值之間轉換。注意：不存在“虛短”現象，仍存在“虛斷”現象。2.2理想運放在線性區(qū)常用電路2.2.1基本運算電路1.比例運算電路2.加減運算電路3.積分、微分電路2.2.2有源濾波電路1.一階有源低通濾波電路2.一階有源高通濾波電路3.帶通濾波電路2.2.1基本運算電路1.比例運算電路1）同相比例運算電路又由“虛短”知：uP=uN=uiiN=0由“虛斷”知：特點：輸出與輸入同相且成比例輸入電阻很高輸出電阻很低為使兩個輸入端特性對稱，一般取R1=R2//Rf。同相比例運算電路實例：電壓跟隨器由前面的分析可知，當Rf=0或R2=時，有Au=12）反相比例運算電路一般取R1=R2//Rf由于“虛斷”，iP=iN=0，uP=0由于“虛短”，uP=uN=0——“虛地”由i1=if

，得求得特點：輸出與輸入反相且成比例輸入電阻等于R2輸出電阻很低若R2＝Rf，則為單位增益反相器。T型網絡反相比例運算電路聯立方程：u1uN=0求得：例：若下圖電路中各參數已知，求uo表達式解：這是一個二級放大電路，兩級之間不存在負載效應(若前級的輸出電阻為零，或后級的輸入電阻無窮大，則不存在負載效應），可分別計算各級的放大倍數。有加減運算電路：電路的輸出量反映多個輸入量相加或相減的結果。一般取：由于“虛斷”，i-=0所以：i1+i2+i3=iF又因“虛地”，u-

=0所以：當R1=R2=R3=R時，2.加減運算電路1）加法運算電路反相加法運算電路：由于“虛斷”，i+

=0，所以：解得：其中：由于“虛短”，u+=u-同相加法運算電路：2）減法運算電路兩種方案：利用加法電路和反相電路構成減法電路在運放的同相和反相輸入端分別輸入信號，實現減法運算。解得：例：用集成運放實現以下運算關系解：可用以下電路實現比較得：選RF1=20k，得：R1=100k，R3=15.4k；選RF2=100k，得：R4=100k，R2=10k。令：?。?.積分、微分運算電路1）積分運算電路電路的輸出量為輸入量對時間的積分。由于“虛斷”和，“虛地”，有τ=RC——積分時間常數例：若前述積分電路的輸入電壓為圖示方波，且已知電容的初始電壓為零，求uo的表達式和波形圖。解：tuoO可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位超前90

。因此，此時積分電路的作用是移相。tuiOUm例：若前述積分電路的輸入電壓為正弦波，求電路的輸出電壓uo。解：

式中K為積分常數。若只考慮uo中的變化分量，則波形如圖所示。由于“虛斷”和“虛地”，有2）微分運算電路電路的輸出量為輸入量對時間的微分。積分、微分電路的用途：波形變換、移項、控制電路等。01:04:04Multisim

虛擬仿真實驗1：反相比例放大器01:04:04Multisim

虛擬仿真實驗2：同相比例放大器01:04:04

正弦穩(wěn)態(tài)電路中，電路輸出變量的幅值和相位與輸入信號的頻率有關，稱為電路的頻率響應或頻率特性。例如，電壓增益函數（電壓放大倍數）：2.2.2有源濾波電路1.電路頻率特性的一般概念

電路頻率特性函數定義為：01:04:04例：典型單管共射放大電路的幅頻特性和相頻特性OfflfhBWAum0.707Aum-90o-180o-270of0fh：高頻截止頻率（上限頻率）fl：低頻截止頻率（下限頻率）BW：通頻帶01:04:04對數頻率特性曲線（波特圖）對數幅頻特性：f，單位：赫茲,采用對數(lgf)刻度。縱坐標軸：橫坐標軸：單位：分貝(dB)對數相頻特性：f，單位：赫茲,采用對數(lgf)刻度?？v坐標軸：橫坐標軸：，采用線性刻度，單位：弧度或度。優(yōu)點：表示的頻率范圍寬變相乘為相加，作圖方便。01:04:04作用：選頻。分類：低通濾波器(LPF)、fcfO通阻ffcO通阻flfO通通阻fhfO通阻阻flfh高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)、帶阻濾波器(BEF)。2.濾波電路的作用和分類01:04:04

濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。

有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。它是在運算放大器的基礎上增加一些R、C等無源元件而構成的。01:04:04無源低通濾波器：電壓放大倍數為——截止頻率由對數幅頻特性知，具有“低通”的特性。電路缺點：電壓放大倍數低，只有１，且?guī)ж撦d能力差。解決辦法：利用集成運放與RC電路組成有源濾波器。3.一階有源低通濾波電路fc01:04:04電壓放大倍數：一階有源低通濾波器：由于“虛斷”，可求得電容電壓為進一步求得：01:04:04通帶電壓放大倍數：一階有源低通濾波器與無源低通濾波器的頻率特性相似；但通帶電壓放大倍數得到提高，帶負載能力增強。截止頻率：電壓放大倍數：01:04:044.一階有源高通濾波電路fc無源高通濾波器：01:04:04截止頻率：一階有源高通濾波器：電壓放大倍數：通帶電壓放大倍數：01:04:04帶通濾波器可由一個低通濾波器和一個高通濾波器串聯而成。低通高通f1fO低通ff2O高通阻阻f1f2fO通5.帶通濾波電路01:04:04有源帶通濾波器的典型電路：由于“虛斷”和“虛短”，可列出以下3個方程：取：其中：01:04:04——中心頻率以上方程聯立，求得電壓放大倍數：電路穩(wěn)定的條件：——Q：品質因數，：通帶電壓放大倍數可求得通頻帶：01:04:042.3理想運放在非線性區(qū)常用電路2.3.1單限比較器2.3.2滯回比較器電壓比較器將模擬量輸入電壓與參考電壓進行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。比較器中的集成運放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器。01:04:042.3.1單限比較器簡單過零比較器：電壓傳輸特性–Uom+UomuiuoO

當u+>u–

時，uo=+Uom

u+<u–

時，uo=–Uo

m

運放處于開環(huán)狀態(tài)即ui<0

時，uo=+Uo

m

ui

>0

時，uo=–

Uo

m1.過零比較器01:04:04輸出限幅過零比較器：電壓傳輸特性–UZ+UZuiuoO

ui>0

時，uo=+UZ

ui

<0

時，uo=–

UZ輸出端接有兩個背靠背的穩(wěn)壓管，起正負限幅作用；R為限流電阻，保護運放的輸出級。若輸出端的兩個穩(wěn)壓管不同，則輸出的正負電壓值不同。01:04:04電壓傳輸特性–UZ+UZui<UREF時，uo=+UZ

ui

>UREF

時，uo=–

UZ2.一般單限比較器參考電壓uiuoO

UREFuitOUREFOuot+UZ–UZt1t201:04:04uP解：由于“虛斷”，同相端輸入電流為零。例：電路如圖，求電壓傳輸特性曲線。運用疊加定理，求得令uP＝0，解得門限電壓為電壓傳輸特性+UZ-UZuiuoO

UTui<UT時，uP<0，

uo=–

UZ

ui

>UT

時，uP>0，

uo=+UZ01:04:042.3.2滯回比較器單限比較器抗干擾能力差，如右圖所示：滯回比較器可提高抗干擾能力，如右圖所示：01:04:04滯回比較器電路：u