模擬集成運(yùn)放的基本應(yīng)用-2

模擬電路基礎(chǔ)UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina模擬集成運(yùn)放

——基本應(yīng)用Ⅱ

UESTC模擬電路課程組實(shí)例引入---汽車?yán)缺O(jiān)測(cè)器§4.3

集成運(yùn)放組成的信號(hào)處理電路

-----------有源濾波電路一、概述二、低通濾波器三、高通、帶通、帶阻濾波器四、狀態(tài)變量型濾波器1參考資料：童詩(shī)白等，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社，第4版，p357--1.濾波使指定頻段的信號(hào)順利通過(guò)，其它頻率的信號(hào)被衰減。2.濾波電路的種類低通濾波器（LPF）通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率下降速率理想幅頻特性無(wú)過(guò)渡帶一、概述用幅頻特性描述濾波特性，要研究

、(fP、下降速率)。高通濾波器（HPF）帶通濾波器（BPF）帶阻濾波器（BEF））全通濾波器（APF））理想濾波器的幅頻特性阻容耦合選頻電路抗已知頻率的干擾f-φ轉(zhuǎn)換空載時(shí)帶負(fù)載時(shí)3.無(wú)源濾波電路和有源濾波電路

負(fù)載變化，通帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。

無(wú)源濾波電路的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波電路的濾波參數(shù)可以不隨負(fù)載變化，還可以有放大。無(wú)源濾波電路可用于高電壓大電流，如直流電源中的濾波電路；有源濾波電路是信號(hào)處理電路，其輸出電壓和電流的大小受有源元件自身參數(shù)和供電電源的限制。有源濾波電路

用電壓跟隨器隔離濾波電路與負(fù)載電阻4.教學(xué)基本要求：電路的識(shí)別，幅頻特性的分析計(jì)算二、低通濾波器

求解傳遞函數(shù)時(shí)，只需將放大倍數(shù)中的jω用s

取代即可；s

的方次稱為階數(shù)。頻率趨于0時(shí)的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)決定于RC環(huán)節(jié)表明進(jìn)入高頻段的下降速率為－20dB/十倍頻（1）一階電路1.同相輸入經(jīng)拉氏變換得電路的傳遞函數(shù)：一階電路1.同相輸入

（1）一階電路：幅頻特性

為了使過(guò)渡帶變窄，需采用多階濾波器，即增加RC環(huán)節(jié)。（2）簡(jiǎn)單二階LPF截止頻率fp≈0.37f0分析方法：電路引入了負(fù)反饋，具有“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)利用節(jié)點(diǎn)電流法求解輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。C1=C2（3）壓控電壓源二階LPF引入正反饋為使fp=f0，且在f=f0時(shí)幅頻特性按－40dB/十倍頻下降。f→0時(shí)，C1斷路，正反饋斷開(kāi)，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)。f→∞，C2短路，正反饋不起作用，放大倍數(shù)→0。

因而有可能在f=f

0時(shí)放大倍數(shù)等于或大于通帶放大倍數(shù)。對(duì)于不同頻率的信號(hào)正反饋的強(qiáng)弱不同。C1=C2壓控電壓源二階LPF的分析

列P、M點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電流方程，整理可得：2.反相輸入低通濾波器積分運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為加R2后

需有電阻構(gòu)成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定通帶放大倍數(shù)。12lg20RR-OOO三、高通、帶通、帶阻有源濾波器

與LPF有對(duì)偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得一階HPF、簡(jiǎn)單二階HPF、壓控電壓源二階HPF電路。2.帶通濾波器（BPF）3.帶阻濾波器（BEF）fH＜fLfH＞fL1.高通濾波器（HPF）討論一2、頻率趨于無(wú)窮大，電壓放大倍數(shù)趨于通帶放大倍數(shù)的濾波器有哪幾種？1、頻率趨于零，電壓放大倍數(shù)趨于通帶放大倍數(shù)的濾波器有哪幾種？3、頻率趨于零，電壓放大倍數(shù)趨于零的濾波器有哪幾種？4、頻率趨于無(wú)窮大，電壓放大倍數(shù)趨于零的濾波器有哪幾種？四、狀態(tài)變量型濾波器要點(diǎn)：將比例、積分、求和等基本運(yùn)算電路組合成自由設(shè)置傳遞函數(shù)、實(shí)現(xiàn)各種濾波功能的電路，稱為狀態(tài)變量型濾波器。通帶放大倍數(shù)決定于電阻組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。利用“逆運(yùn)算”方法。

將低通環(huán)節(jié)加在負(fù)反饋通路來(lái)實(shí)現(xiàn)高通。

f→∞時(shí)C相當(dāng)于短路，A2輸出電壓→0，電路開(kāi)環(huán)，A1輸出電壓→±UOM，工作到非線性區(qū)；需引入負(fù)反饋決定通帶放大倍數(shù)。二階狀態(tài)變量濾波器的組成

通帶放大倍數(shù)決定一個(gè)電阻組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)算電路與有源濾波器的比較相同之處電路中均引入深度負(fù)反饋，因而集成運(yùn)放均工作在線性區(qū)。均具有“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，均可用節(jié)點(diǎn)電流法求解電路。不同之處運(yùn)算電路研究的是時(shí)域問(wèn)題，有源濾波電路研究的是頻域問(wèn)題；測(cè)試時(shí)，前者是在輸入信號(hào)頻率不變或直流信號(hào)下測(cè)量輸出電壓與輸入電壓有效值或幅值的關(guān)系，后者是在輸入電壓幅值不變的情況下測(cè)量輸出電壓幅值與輸入電壓頻率的關(guān)系。運(yùn)算電路用運(yùn)算關(guān)系式描述輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，有源濾波器用電壓放大倍數(shù)的幅頻特性描述濾波特性。雙T網(wǎng)絡(luò)A1、A2各組成什么電路？電路為L(zhǎng)PF討論二：圖示電路是哪種有源濾波器？§4.4集成運(yùn)放組成的信號(hào)產(chǎn)生電路

集成運(yùn)放作為高增益放大器，只要加入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)，利用反饋原理，滿足振蕩條件，就可以組成正弦波、方波、三角波和鋸齒波等各種振蕩電路。低頻和超低頻波形發(fā)生器，常采用集成運(yùn)放來(lái)構(gòu)成。振蕩電路按產(chǎn)生的波形特點(diǎn)可分為：正弦波信號(hào)發(fā)生器和非正弦波信號(hào)發(fā)生器，本節(jié)主要介紹正弦波振蕩電路。一、正弦波振蕩的條件和電路的組成二、RC正弦波振蕩電路三、LC正弦波振蕩電路四、石英晶體正弦波振蕩電路一、正弦波振蕩的條件和電路的組成1.正弦波振蕩的條件

無(wú)外加信號(hào)，輸出一定頻率一定幅值的信號(hào)。與負(fù)反饋放大電路振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電路中引入的是正反饋，且振蕩頻率可控。在電擾動(dòng)下，對(duì)于某一特定頻率f0的信號(hào)形成正反饋：

由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。。1.正弦波振蕩的條件

一旦產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，則電路的輸出量自維持，即幅值平衡條件相位平衡條件起振條件：

要產(chǎn)生正弦波振蕩，必須有滿足相位條件的f0，且在合閘通電時(shí)對(duì)于f=f0信號(hào)有從小到大直至穩(wěn)幅的過(guò)程，即滿足起振條件。AF=1AF>1起振維持振蕩自激振蕩電路的起振過(guò)程2.起振與穩(wěn)幅：輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。很多種頻率頻率逐漸變?yōu)閱我徽穹絹?lái)越大趨于穩(wěn)幅2.起振與穩(wěn)幅電路如何從起振到穩(wěn)幅？穩(wěn)定的振幅非線性環(huán)節(jié)的必要性！3.基本組成部分1)放大電路：放大作用2)正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件3)選頻網(wǎng)絡(luò)：確定f0，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩4)非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)幅1)是否存在主要組成部分；2)放大電路能否正常工作，即是否有合適的Q點(diǎn)，信號(hào)是否

可能正常傳遞，沒(méi)有被短路或斷路；3)是否滿足相位條件，即是否存在f0，是否可能振蕩

；4)是否滿足幅值條件，即是否一定振蕩。常合二為一4、分析方法相位條件的判斷方法：瞬時(shí)極性法

斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處給放大電路加f＝f0的信號(hào)Ui，且規(guī)定其極性，然后根據(jù)

Ui的極性→Uo的極性→Uf的極性若Uf與Ui極性相同，則電路可能產(chǎn)生自激振蕩；否則電路不可能產(chǎn)生自激振蕩。

在多數(shù)正弦波振蕩電路中，輸出量、凈輸入量和反饋量均為電壓量。極性？5.分類根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分為:1)RC正弦波振蕩電路：1兆赫以下2)LC正弦波振蕩電路：幾百千赫～幾百兆赫3)石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定二、RC

正弦波振蕩電路1.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)低頻段高頻段

在頻率從0～∞中必有一個(gè)頻率f0，φF＝0o。RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)當(dāng)f=f0時(shí)，不但φ=0，且最大，為1/3。1)是否可用共射放大電路？2)是否可用共集放大電路？3)是否可用共基放大電路？4)是否可用兩級(jí)共射放大電路？2.電路組成

應(yīng)為RC串并聯(lián)網(wǎng)路配一個(gè)電壓放大倍數(shù)略大于3、輸入電阻趨于無(wú)窮大、輸出電阻趨于0的放大電路。不符合相位條件不符合幅值條件輸入電阻小、輸出電阻大，影響f0

可引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使電壓放大倍數(shù)大于3，且Ri大、Ro小，對(duì)f0影響小3.

RC橋式正弦波振蕩電路（文氏電橋振蕩器）用同相比例運(yùn)算電路作放大電路。

因同相比例運(yùn)算電路有非常好的線性度，故R或Rf

用熱敏電阻，或加二極管作為非線性環(huán)節(jié)。文氏電橋振蕩器的特點(diǎn)？

以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路，一對(duì)頂點(diǎn)作為輸出電壓，一對(duì)頂點(diǎn)作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏電橋振蕩器。頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器

改變電容以粗調(diào)，改變電位器滑動(dòng)端以微調(diào)。

加穩(wěn)壓管可以限制輸出電壓的峰-峰值。同軸電位器討論一：合理連接電路，組成文氏橋振蕩電路一、概述二、單限比較器三、滯回比較器四、窗口比較器五、集成電壓比較器§4.5集成運(yùn)放組成的電壓比較器電路一、概述1.電壓比較器的功能：比較電壓的大小。輸入電壓是模擬信號(hào)；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況，為二值信號(hào)。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓(也稱門限電壓)。廣泛用于各種判決、報(bào)警等電路中。2.電壓比較器的描述方法

:電壓傳輸特性u(píng)O＝f(uI)電壓傳輸特性的三個(gè)要素：（1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL（2）閾值電壓UT（3）輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向3.幾種常用的電壓比較器（1）單限比較器：只有一個(gè)閾值電壓（3）窗口比較器：有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化時(shí)輸出電壓躍變兩次。（2）滯回比較器：具有滯回特性輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化使輸出電壓只躍變一次。回差電壓：4、集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)電路特征：集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或僅引入正反饋理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)：1)凈輸入電流為02)uP>uN時(shí)，

uO＝＋UOMuP<uN時(shí)，

uO＝－UOM無(wú)源網(wǎng)絡(luò)5、教學(xué)基本要求

1)電路的識(shí)別及選用；2)電壓傳輸特性的分析。二、單限比較器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI>0時(shí)uO＝－UOM;uI<0時(shí)uO＝＋UOM

集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)放的輸入級(jí)，需加輸入端限幅電路。二極管限幅電路使凈輸入電壓最大值為±UD1.過(guò)零比較器必要嗎？輸出限幅電路

為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。UOH＝＋UZ1＋UD2

UOL＝－(UZ2＋UD1)UOH＝

－

UOL＝UZUOH＝UZ

UOL＝－UD

不可缺少！為使UOL接近0，怎么辦？鍺管輸出限幅電路uO＝±UZ（1）保護(hù)輸出端（2）加速集成運(yùn)放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電壓比較器的分析方法：（1）寫出uP、uN的表達(dá)式，令uP＝uN，求解出的uI即為UT；（2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。2.一般單限比較器（1）若要UT<0，則應(yīng)如何？（2）若要改變曲線躍變方向，則應(yīng)如

何修改電路？（3）若要改變UOL、UOH呢？作用于反相輸入端三、滯回比較器1.閾值電壓2.工作原理及電壓傳輸特性

設(shè)uI＜－UT，則uN＜uP，

uO＝+UZ。此時(shí)uP＝+UT，增大

uI，直至+UT，再增大，

uO才從+UZ躍變?yōu)椋璘Z。

設(shè)uI＞+UT，則uN＞uP，

uO＝－UZ。此時(shí)uP＝－UT，減小

uI，直至－UT，再減小，

uO才從－UZ躍變?yōu)?UZ。1.若要電壓傳輸特性曲線左右移動(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？討論一：如何改變滯回比較器的電壓傳輸特性2.若要電壓傳輸特性曲線上下移動(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？3.若要改變輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓的躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？改變輸出限幅電路向左右移多少？四、窗口比較器當(dāng)uI>URH時(shí)，uO1=－uO2=UOM，D1導(dǎo)通，D2截止；uO=UZ。當(dāng)u