磁針1507模電12 INA 濾波器 0130

主講教師：元增民2015級注冊電氣工程師考培電工與模數(shù)電技術(shù)參考書目[1]張炳達(dá)，注冊電氣工程師執(zhí)業(yè)資格考試公共/專業(yè)基礎(chǔ)考試復(fù)習(xí)教程，天津大學(xué)出版社，2013年[2]元增民，模擬電子技術(shù)簡明教程，清華大學(xué)出版社，2014年[3]元增民，電工技術(shù)，國防科大出版社，2011年[4]謝慶等，注冊電氣工程師(供配電)執(zhí)業(yè)資格考試基礎(chǔ)考試歷年真題詳解，人民交通出版社，2014年本課件補充的知識點都來自于參考書[2]、[3]，特此一并注明。本節(jié)要務(wù)OPA應(yīng)用及濾波器1.乘除法及乘方開方電路2.儀表放大器INA3.比較器4.濾波器模擬電子技術(shù)第十二次課8.2.2模擬乘法器1.模擬乘法器(a)模擬乘法電路(b)乘法電路符號圖8.2.3模擬乘法電路工作原理省略rb'b有

設(shè)β2=β1=β，則圖8.2.3所示電路輸出電壓與輸入電壓關(guān)系(8.2.3)將對數(shù)、反對數(shù)及加減電路綜合起來，也能實現(xiàn)乘除法。2.模擬除法器及開方器圖8.2.5模擬開方器電路圖8.2.4模擬除法器電路1)模擬除法器從OPA同相比例電路看2)模擬開方器令ui2=uo，式(8.2.4)變?yōu)?8.2.4)(8.2.5)從OPA乘法電路看2/5/2023198頁題2-22圖仿真題2-22如題2-22圖所示模擬乘法器和運放器都是理想的，已知ui1>0，電路輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系應(yīng)為

。A.B.C.D.解uo1=ui2=kuoui1，從中求出為除法運算器，選D圖8.3.1測量放大器原始電路2.信號處理特征：CMRR=1，一放對差模信號ud和共模信號uc“一視同仁”地加以放大，貌似公允，實質(zhì)上良莠不分，共模抑制任務(wù)完全交給二放。8.3集成運算放大器線性應(yīng)用(3)----儀表放大器INA(8.3.1)1.電路結(jié)構(gòu)特征：兩個同相比例電路加一個減法器總電壓放大倍數(shù)(InstrumentAmplifier)圖8.3.2測放原始電路在差模輸入電壓下的表現(xiàn)——接地沒用圖8.3.3測放原始電路在共模輸入電壓下的表現(xiàn)——離不開接地此接地對差模信號無用，但為共模放大提供方便——有害！圖8.3.4測量放大器工作原理

信號處理特征：一放對差模信號ud加以放大，對共模信號uc，Rg相當(dāng)斷開，蛻化為電壓跟隨器，減輕了二放的共模抑制任務(wù)。一放差模電壓放大倍數(shù)一放對共模信號相當(dāng)電壓跟隨器，其共模電壓放大倍數(shù)一放共模抑制比(8.3.2)總電壓放大倍數(shù)圖8.3.5AD623型測量放大器電路基本工作原理AD623電壓放大倍數(shù)為根據(jù)所需要的電壓放大倍數(shù)A可計算需要接入的電阻2023/2/5濾波器概念、種類和幅頻特性濾波器：一種根據(jù)頻率選擇信號的電路。圖9.1.1五種濾波器的理想幅頻特性曲線低通濾波器(LPF)：0~fH的低頻信號允許通過，f>fH的高頻信號被衰減。高通濾波器(HPF)：fL~∞的高頻信號允許通過，f<fL的低頻信號被衰減。帶通濾波器(BPF)：fL~fH的中頻信號允許通過，f<fL及f>fH的信號被衰減。帶阻濾波器(BEF)：f<fL和f>fH的信號允許通過，fL~fH的中頻信號被衰減。全通濾波器(APF)：所有頻率的信號都允許通過，指定頻率的信號發(fā)生相移。前四種濾波器，看重的是幅頻特性，全通濾波器看重的則是相頻特性。濾波器分RC電路組成的無源濾波器和外加OPA的有源濾波器兩種。9.1濾波器9.1無源濾波器9.1.1一階RC低通濾波器及高通濾波器1.一階RC低通濾波器依RC串聯(lián)分壓，圖9.1.2所示RC電路輸出電壓、幅頻及相頻特性圖9.1.2一階RC低通濾波器(滯后移相器)(9.1.1)(9.1.1a)φ(ω)=-arctan(ωRC)(9.1.2)頻率越高，A(ω)越小，故為低通濾波。通常幅頻特性的低頻段需要詳細(xì)考究，高頻段只要粗略觀察。頻率取對數(shù)，能使低頻段展開、高頻段壓縮。放大器、濾波器的幅頻特性一般是頻率的冪函數(shù)ωm。頻率取對數(shù)，則有x=lgω，幅頻特性取對數(shù)，則有L=lg(ωm)=mlgω=mx，就把冪函數(shù)轉(zhuǎn)換為線性函數(shù)，使幅頻特性具有漸近線而顯得舒展優(yōu)美。頻率取對數(shù)，還能使相頻特性曲線具有點對稱性。如此真是一箭三雕。頻率及幅頻特性都取對數(shù)的幅頻特性曲線叫做對數(shù)幅頻特性曲線。頻率橫軸取對數(shù)，縱軸用角度的相頻特性曲線叫做半對數(shù)相頻特性曲線。對數(shù)幅頻特性曲線與半對數(shù)相頻特性曲線合稱為波德圖。圖9.1.2一階RC低通濾波器(滯后移相器)(9.1.1a)φ(ω)=-arctan(ωRC)(9.1.2)圖9.1.3一階RC低通濾波器的波德圖L(x)=20lg|A(ω)|=-10lg(1+102x)(9.1.1b)φ(x)=-arctan10x(9.1.2a)一階RC低通濾波器的對數(shù)幅頻特性曲線有漸近線顯得舒展，半對數(shù)相頻特性曲線點對稱。頻率變化10倍，對數(shù)頻率x變化1，叫做10倍頻程，用dec表示設(shè)ω0=1/RC，則ωRC=ω/ω0設(shè)x=lg(ω/ω0)，則有ω/ω0=10x然后就把A(ω)、φ(ω)轉(zhuǎn)換為圖9.1.3一階RC低通濾波器的波德圖對數(shù)幅頻特性中頻段與漸近線交點處的頻率ω0=1/RC叫轉(zhuǎn)折頻率。漸近線斜率為-20dB/dec時，ω0處的增益下降3dB。以增益下降3dB作為上限頻率條件，20dB/dec時上限頻率與轉(zhuǎn)折頻率重合

ωH=ω0=1/RCfH=f0=1/2πRC例

要求一階RC低通濾波器上限頻率fH=15kHz，C=0.1μF，則

R=1/(2πfHC)=1/(6.283×15000×0.1/1000000)=106.1Ω頻率變化10倍，對數(shù)頻率x變化1，叫做10倍頻程，用dec表示(9.1.3)2.一階RC高通濾波器依RC串聯(lián)分壓，圖9.1.4所示RC電路輸出電壓、幅頻及相頻特性圖9.1.4一階RC高通濾波器(超前移相器)(9.1.4)φ(ω)=90o-arctan(ωRC)(9.1.5)圖9.1.5一階RC高通濾波器的波德圖L(x)=20lg|A(ω)|=20x-10lg(1+102x)(9.1.4a)φ(x)=90o-arctan10x(9.1.5a)對數(shù)幅頻特性漸近線的斜率為20dB/dec，仍以-3dB點作為下限頻率條件ωRC=ω/ω0lg(ωRC)=x，ωRC=10xωL=ω0=1/RCfL=f0=1/2πRC(9.1.6)低通濾波器的上限頻率和高通濾波器的下限頻率統(tǒng)稱為截止頻率。電壓下降到原值的0.707倍時，功率下降一半。故按照電壓下降到原值的0.707倍時得到的上、下限頻率也叫做半功率頻率(點)。9.1.2帯通濾波器圖9.1.6帶通濾波器幅頻特性曲線1.串并聯(lián)型RC帶通濾波器穩(wěn)態(tài)時分壓比諧振頻率諧振頻率下的RC串并聯(lián)電路分壓比

F0=1/3圖9.1.7正分壓比RC串并聯(lián)帶通濾波器(9.1.7)(9.1.7a)(9.1.8)偏離諧振頻率時分母中的虛部不再為0，故分壓比將小于1/3。

RC串并聯(lián)電路ωRC=1諧振時，RC串聯(lián)阻抗Zrcs、RC并聯(lián)阻抗Zrcp及總阻抗Z計算如下再次說明諧振時Zrcp=0.5Zrcs，串聯(lián)分壓比Zrcp/(Zrcp+Zrcs)=0.5Zrcs/(0.5Zrcs+Zrcs)=1/3。等值RC串并聯(lián)電路諧振分壓比1/3的另一種解釋

2.電容三點式LC負(fù)分壓并聯(lián)諧振電路圖9.1.8并聯(lián)電容型負(fù)分壓比LC并聯(lián)諧振電路電感L1與電容C1的串聯(lián)阻抗L1C1串聯(lián)體與電容C2的并聯(lián)阻抗并聯(lián)諧振頻率穩(wěn)態(tài)時自電容C1上端引出電壓與輸入電壓的串聯(lián)分壓比并聯(lián)諧振頻率下的分壓比(9.1.9)(9.1.10)3.電感三點式LC負(fù)分壓并聯(lián)諧振電路圖9.1.9電感三點式負(fù)分壓比LC并聯(lián)諧振電路電感L1與電容C1的串聯(lián)阻抗L1C1串聯(lián)體與電感L2的并聯(lián)阻抗并聯(lián)諧振頻率以L1下端為基準(zhǔn)，自L1上端引出電壓與輸入電壓的串聯(lián)分壓比(9.1.12)(9.1.11)關(guān)于諧振濾波器特性的總結(jié)通過對幾種諧振濾波器分壓比的討論可以明確，諧振時濾波器呈現(xiàn)電阻性，其分壓比不是正實數(shù)就是負(fù)實數(shù)，相位移不是0o就是180o。因此，只要在振蕩電路方案設(shè)計時根據(jù)放大器開環(huán)放大倍數(shù)的符號和濾波器諧振分壓比的符號，按照正反饋要求合理選擇反饋信號與零輸入信號之間的相加反饋關(guān)系或相減反饋關(guān)系，就可以組合形成正反饋。只要組合形成正反饋，具體進(jìn)行電路調(diào)整時只需滿足幅度條件就可以使電路起振。9.1.3帯阻濾波器略，參見教科書8.4.1單限比較器(a)電路符號(b)芯片引腳圖8.4.1四電壓比較器LM339四電壓比較器LM339特性如下。1)集電極開路輸出。2)低飽和壓降，輸出電流1mA時飽和壓降僅140mV。3)電源電壓范圍為+36V或±18V，電源電流1~2mA。4)輸入共模電壓范圍允許-3V~+36V。LM339配用單+5V電源,其同相端電壓大于反相端時,比較器正向飽和,輸出電壓接近+5V,代表高電平1；同相端模擬電壓小于反相端時,比較器負(fù)向飽和,輸出電壓接近0V,代表低電平0，見圖8.5.2(b)。8.4集成運算放大器非線性應(yīng)用(a)應(yīng)用電路(b)I/O特性圖8.4.2LM339電壓比較器應(yīng)用電路

塑膜透明時，光電三極管受光多，集電極電流大，電阻壓降大，運放同相輸入端獲得電壓低。設(shè)塑膜透明時，運放同相輸入端獲得電壓為U1，塑膜有彩膜等遮擋透光少時，運放同相輸入端獲得電壓為U2，則U1<U2。調(diào)整電位器使其電壓為U=0.5(U1+U2)

，就能使LM339比較器在塑膜透明時輸出0，在塑膜有彩膜等遮擋透光少時輸出1。就是說，LM339比較器輸出0代表走袋快，輸出1代表走袋慢。8.4.2滯后比較器圖8.4.3對稱滯后比較器電路圖8.4.4對稱滯后比較器跳變回環(huán)圖8.4.5不對稱滯后比較器電路圖8.4.6不對稱滯后比較器跳變回環(huán)4.給集成運放增加功率放大級5.(1~5)V到(4~20)mA轉(zhuǎn)換電路電流放大倍數(shù)

取Re=250Ω，則當(dāng)ui=(1~5)V時，ic≈ie=(4~20)mA。該電路具有電流電壓轉(zhuǎn)換比不受晶體管β值溫度系數(shù)影響、運放芯片輸出電流小負(fù)擔(dān)輕的優(yōu)點。電壓放大倍數(shù)圖8.5.3(1~5)V轉(zhuǎn)(4~20)mA電路圖8.5.2帶BJT功放級的閉環(huán)運算放大電路ic≈ie=ui/Re如何記憶公式總是有學(xué)員問，哪些公式需要記憶？公式是知識點的精華，而且實用價值很高，當(dāng)然記得越多越好。作為老師，應(yīng)該告訴學(xué)生如何記公式。首先，眾多公式，應(yīng)該分個輕重緩急。重要公式，像模電的BJT輸入電阻計算公式，共射放大器自身電壓放