章集成运算放大器第2节3滤波器课件

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1、章集成运算放大器第2节3滤波器课件16.1 集成运算放大器的简单介绍 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用16.3 运算放大器在信号处理方面的应用16.4 运算放大器在波形产生方面的应用章集成运算放大器第2节3滤波器课件集成运算放大器：集成运算放大器：是一种是一种高放大倍数、高输入高放大倍数、高输入 电阻、低输出电阻电阻、低输出电阻的直接耦的直接耦合放大电路合放大电路电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路 输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。中间级应有足够大的电压放

2、大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数尽量减小零点漂移尽量减小零点漂移,尽量提高尽量提高KCMRR , 输入阻抗输入阻抗 ri尽可能大尽可能大16.1 16.1 集成运算放大器的简单介绍集成运算放大器的简单介绍章集成运算放大器第2节3滤波器课件电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路偏置电路输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。中间级应有足够大的电压放大倍数中间级应有足够大的电压放大倍数章集成运算放大器第2节3滤波器课件电路方框图电路方框图中间级中间级输入级输入级输出级输出级偏置电路

3、偏置电路 输出级主要提高带负载能力，给出输出级主要提高带负载能力，给出足够的输出电流足够的输出电流io ，输出阻抗，输出阻抗 ro小。小。章集成运算放大器第2节3滤波器课件F007F007（5G245G24）外引线图）外引线图 反相反相输入端输入端 同相同相输入端输入端输出端输出端A Ao o1 11 15 54 43 32 26 67 7+15V+15V-15V-15V接接 线线 图图顶顶 视视 图图CCVEEVOUTININ章集成运算放大器第2节3滤波器课件 ri 高高:几十几十k 几百几百k 运放的特点：运放的特点：理想运放：理想运放： ri KCMRR很大很大KCMMRR ro 小：几

4、十小：几十 几百几百 ro 0 A o 很大很大:104以上以上 107Ao 运放的特点和符号运放的特点和符号运放符号：运放符号： u u+ uo A0 u u+ uo A0 u u+ uo 章集成运算放大器第2节3滤波器课件运算放大器的传输特性运算放大器的传输特性)(ioufu+UO(sat)-UO(sat)线性区线性区饱和区饱和区饱和区饱和区uuou)(uuAuuoo线性区很线性区很窄窄, ,所以所以运放在线运放在线性区工作性区工作, ,通常引入通常引入深度电压深度电压负反馈负反馈章集成运算放大器第2节3滤波器课件16.2 16.2 运算放大器在信号运算方面的应用运算放大器在信号运算方面的

5、应用(1) 反相比例运算放大器反相比例运算放大器_+ + RFR1RPuiuoi1iFib-ib+虚地点虚地点i1=iF+ ib-=iF , ib- =0 ib+ =0u+ =0 u=u+=0平衡电阻平衡电阻( (使输入端使输入端对地的静态电阻相对地的静态电阻相等等):R):RP P=R=R1 1/R/RF F2o1iRuRu F电压放大倍数电压放大倍数:1210uRRuuA iF章集成运算放大器第2节3滤波器课件_+ + RFR1RPuiuoi1i2ib-ib+例题例题1. R1=10k , RF=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo ，RP应为多大？应为多大？Au=-（

6、RF/R1）=-20/10=-2uo= Au ui=(-2)(-1)=2VRP=R1/RF=10/20=6.7 k 章集成运算放大器第2节3滤波器课件反相比例运算放大器反相比例运算放大器输入电阻及反馈方式：输入电阻及反馈方式：ri=R1输入电阻输入电阻(小小):uo_+ + RFR1RPuii1iFib-ib+反馈电阻反馈电阻反馈式：反馈式：电压并联负反馈电压并联负反馈i1=iF+ ib- ib-= i1-iF章集成运算放大器第2节3滤波器课件(2) 同相比例运算放大器同相比例运算放大器u-= u+= uiib+ =0ib- =0_+ + RFRfRPuiuoiFifAu=1+RFRfiF=i

7、fR RP P=R=Rf f/R/RF F1i2ioRuRuu Ffi12ou)RR1(u Ff)章集成运算放大器第2节3滤波器课件_+ + RFRfRPuiuoiFif例题例题2. Rf=10k , RF=20k , , ui =-1V=-1V。求。求: :uo ，RP应为多大？应为多大？uo= Au ui=(3)(-1)=-3VRP=Rf/RF =10/20=6.7 k Au=1+ =1+20/10=3RFRf章集成运算放大器第2节3滤波器课件电压串联负反馈电压串联负反馈同相比例运算放大器同相比例运算放大器输入电阻及反馈方式：输入电阻及反馈方式：_+ + RFRfRPuiuo输入电阻输入电

8、阻(高高)输入电压输入电压:u+- u- = ui - uo RfRf +RF章集成运算放大器第2节3滤波器课件_+ + RFRfRPuiuoAu=1+RFRf当当RF=0时时,Au=1uo=ui(3) 电压跟随器电压跟随器此电路是电压并此电路是电压并联负反馈，输入电联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，阻大，输出电阻小，在电路中作用与分在电路中作用与分离元件的射极输出离元件的射极输出器相同，但是电压器相同，但是电压跟随性能好。跟随性能好。章集成运算放大器第2节3滤波器课件(4) 差动放大器差动放大器_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1)uu(RRu1i2i12o ib+ =0ib- =0u

9、i2R2 R1 + R2 u+ =u- = u+ u- =uo R1 + ui1 R2 R1 + R2 uo R1 + ui1 R2 R1 + R2 ui2R2 R1 + R2 =章集成运算放大器第2节3滤波器课件以上电路的比较归纳：以上电路的比较归纳：1.它们都引入电压负反馈，因此输出电它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。阻都比较小。2.关于输入电阻关于输入电阻 反相输入的输入电阻小，反相输入的输入电阻小， 同相输入的输入电阻高。同相输入的输入电阻高。3.以上放大器均可级联以上放大器均可级联,级联时放大倍数级联时放大倍数分别独立计算。分别独立计算。章集成运算放大器第2节3滤波器课件例

10、题例题3. R1=10k , R2=20k , , ui 1=-1V=-1V， ui 2=1V =1V 。求求: :uo uo_+ + R2R1R1R2ui1_+ + ui2_+ + R2R1RPuo= (uo2- uo1)=(20/10)3-(-1) =8VR2R1uo1= ui1=-1Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3V章集成运算放大器第2节3滤波器课件例题例题3. 若若ui1=sin t V， ui 2=1V =1V ，求，求: :uo uo1= ui1= sin t Vuo2= ui2(1+R2/R1)=3Vuo= (uo2 - uo1)=(20/10)(3- sin t )=6

11、 - 2 sin t VR2R1章集成运算放大器第2节3滤波器课件(5) 反相求和算：反相求和算：_+ + RFR1R2ui2uoRPui1i1i2iF虚地虚地uo =-(ui1 R1 RF +ui2 R2 RF )若若R1 =R2 =R, uo = -(ui1 R RF +ui2 )取取RP= R1/ R2/RFuo_+ + RFR1RPui0uu ib+ =0ib- =0,i1 + i2= iFui1 R1 =ui2 R2 +-uo RF 章集成运算放大器第2节3滤波器课件(6) 同相求和运算：同相求和运算：Au= RFRf1+uo = Au u+ =( )( + ) RFRf1+R2 R

12、1 + R2 ui1R1 R1 + R2 ui2取取R1/R2=RF/Rf当当R1 = R2 时时, uo = ( )(ui1 + ui2)RFRf1+12RfRF+u i1uoR1R2ui2-u+ _+ + RFRfRPuiuo章集成运算放大器第2节3滤波器课件(7) 微分运算：微分运算：u-= u+= 0RuioF dtduCii1 F1ii dtduRCuio u i+uoRR2i1iFCib- =0章集成运算放大器第2节3滤波器课件)90tsin(RC tcosRCuo tui0tuo0tsinui 例：例：,求求uo。dtduRCuio u i+uoRR2i1iFC90章集成运算放大

13、器第2节3滤波器课件(8) 反相积分运算反相积分运算Ruii1 dtduCioF dtuRC1uioF1ii i1iFu i-+RRPCuoucuc = -uoib+ =0ib- =0,iF =Cducdt-CduodtuiR=u-= u+= 0章集成运算放大器第2节3滤波器课件反相积分器：反相积分器：如果如果u i=直流电压直流电压U,输出将反相积分，输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。经过一定的时间后输出饱和。 t0oUdtRC1utui0UMomUTRC1U URCUTomM tuo0-UomTM积分时限积分时限 dtuRC1uio= t URC设设Uom=15V,U=+3V, R

14、=10k ,C=1 ,C=1 F F=0.05秒秒章集成运算放大器第2节3滤波器课件 dtuRC1uio反相积分器：反相积分器：如果如果ui =-U=-3V，画出，画出uo的波形图。的波形图。tui0tuo0+Uom-U t0o(-U)dtRC1u= t URC0.05秒秒设设Uom=15V,U=3V, R=10k ,C=1 ,C=1 F F章集成运算放大器第2节3滤波器课件应用举例：输入方波，输出是三角波。应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo0章集成运算放大器第2节3滤波器课件运算电路要求运算电路要求1.熟记前熟记前8种基本运算电路的电路图及放大倍种基本运算电路的电路图及放大倍数

15、公式。数公式。2. 以上基本运算电路级联后输出的计算。以上基本运算电路级联后输出的计算。3. 会用会用 ib- =0, ib+ =0, u+ = u- 分析给定运算电分析给定运算电路的路的 放大倍数。放大倍数。章集成运算放大器第2节3滤波器课件 16.3 16.3 运算放大器在信号处运算放大器在信号处 理方面的应用理方面的应用滤波电路的种类滤波电路的种类:按信号性质按信号性质: 模拟滤波器模拟滤波器和数字滤波器和数字滤波器按电路功能按电路功能: 低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器按所用元件按所用元件: 无源滤波器和无源滤波器和有源滤波器有源滤波器1

16、6.3.1、 概述概述按阶数按阶数: 一阶一阶,二阶二阶 高阶高阶 章集成运算放大器第2节3滤波器课件)j (Ui )j (Uo 传递函数：传递函数：ioioioUU)j (U)j (U)j (T ioUU)j (T 幅频特性幅频特性io)( 相频特性相频特性filter传递函数、幅频特性传递函数、幅频特性章集成运算放大器第2节3滤波器课件滤波器分类滤波器分类(按频率特性进行分类按频率特性进行分类)： ioUU ioUU ioUU ioUU低通低通高通高通带通带通带阻带阻章集成运算放大器第2节3滤波器课件RCR一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器(无源无源)iU oU RC10 j1Rj1UUio

17、RCj11 0j11 CC0j11)j (T 传递函数传递函数20)(11)j (T 幅频特性幅频特性章集成运算放大器第2节3滤波器课件20)(11)j (T ioUU0 10.707 0截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差。、带负载能力差。2、无放大作用。、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。幅频特性、幅频特性曲线幅频特性、幅频特性曲线iU oU RCR章集成运算放大器第2节3滤波器课件通频带宽度通频带宽度(带宽带宽)ioUU0 10.707 0截止频率截止频率带宽带宽:0 - 0 设设R=10k ,C为下列各值时的为下列各值时的带宽带宽:C

18、 fo1 F 16Hz0.047 F 340Hz0.01 F 1600HzRC10 章集成运算放大器第2节3滤波器课件16.3.2 有源滤波器有源滤波器oF11URRRU UURR1RFC+-+iU oU 1.一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数RCiUCj1RCj1U iUCj11 RC传递函数中出现传递函数中出现 的一次项的一次项,故称为一故称为一阶滤波器阶滤波器章集成运算放大器第2节3滤波器课件幅频特性：幅频特性：201Fio)(11)RR1(UU )RC1(0 相频特性：相频特性：0arg RR1RFC+-+iU oU 幅频特性及幅频特性

19、曲线幅频特性及幅频特性曲线ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数RC章集成运算放大器第2节3滤波器课件1、0 时：时：)RR1(UU1Fio 有放大作用有放大作用3、运放输出，带负载能力强。运放输出，带负载能力强。2、0 时：时：21)RR1(UU1Fio 幅频特性与一阶无幅频特性与一阶无源低通滤波器类似源低通滤波器类似电路特点电路特点:章集成运算放大器第2节3滤波器课件2. 一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器oF11URRRU UUiUCj1RCj1U iUCj11 R1 RCRR1RFC+-+iU oU 低通低通RR1R

20、FC+-+iU oU 高通高通Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数1 RC章集成运算放大器第2节3滤波器课件幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线Cj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数1 RC幅频特性：幅频特性：201Fio)(11)RR1(UU 0 ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0RR1RFC+-+iU oU 章集成运算放大器第2节3滤波器课件3.二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器 UAUFoCj1UURUURUUoPPPi PPURCj11UCj1RCj1U o2oFio2j)(1AUU RR1RFC+-+iU oU CRP，AF=1

21、+RF/R1传递函数中出现传递函数中出现 的二次项的二次项,故称为二阶滤波器故称为二阶滤波器RC1)A3(21oF ，章集成运算放大器第2节3滤波器课件 ioUU 021 21 o 3dB21 幅频特性曲线幅频特性曲线章集成运算放大器第2节3滤波器课件R1= 时：时：AF=1o2oFio2j)(1AUU 2oio)(11UU o 时：时：21UUio RC+-+iU oU CR章集成运算放大器第2节3滤波器课件o 一阶低通和二阶低通一阶低通和二阶低通幅频特性曲线幅频特性曲线的区别的区别 ioUU 0-3dbAF理想低通理想低通一阶低通一阶低通二阶低通二阶低通阶数越高，阶数越高，幅频特性曲线幅频

22、特性曲线越接近越接近理想滤波器理想滤波器章集成运算放大器第2节3滤波器课件16.4.3电压比较器电压比较器 16.4.4 迟滞比较器迟滞比较器 16.4.1 信号发生器信号发生器 16.4.2方波发生器方波发生器 16.4 16.4 运放在波形产生方面的应用运放在波形产生方面的应用 章集成运算放大器第2节3滤波器课件 16.5 16.5 运算放大器在波形产生运算放大器在波形产生方面的应用方面的应用即非线性应用，是指：由运放组成的即非线性应用，是指：由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关电路处于非线性状态，输出与输入的关系系uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。章集成运算放大器第2

23、节3滤波器课件16.4.1 限幅器限幅器tuiu0tUZ +UF-(UZ +UF)-+AuoR1RFuiDZR+1.双向稳压管接于输出端双向稳压管接于输出端R限流电阻限流电阻一般取一般取100 特点：电路中的运放处于线性放大状态，但外围电路特点：电路中的运放处于线性放大状态，但外围电路有非线性元件（二极管、稳压二极管）。有非线性元件（二极管、稳压二极管）。DZ双向稳压管双向稳压管UZ稳压值稳压值, UF正向压降正向压降章集成运算放大器第2节3滤波器课件uoui0传输特性传输特性DZ-+AuoR1RFui+2.双向稳压管接于负反馈回路上双向稳压管接于负反馈回路上+UOM-UOM章集成运算放大器第

24、2节3滤波器课件16.4.2 电压比较器电压比较器+uouiURuoui0+Uom-UomURUR为参考电压为参考电压当当ui UR时时 , uo = +Uom当当ui UR时时 , uo = -Uom 特点特点:运放处于运放处于 开环状态开环状态章集成运算放大器第2节3滤波器课件+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入电压比较器电压比较器(续续)章集成运算放大器第2节3滤波器课件uoui0+UOM-UOM+uoui过零比较器过零比较器: 当当UR =0时时+uouiuoui0+UOM-UOM电压比较器电压比较器(

25、续续)章集成运算放大器第2节3滤波器课件+uouituituo+Uom-Uom例题：利用电压比例题：利用电压比较器将正弦波变为较器将正弦波变为方波。方波。章集成运算放大器第2节3滤波器课件+uiuoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压uo UZuoui0+UOM-UOM+uoui忽略了忽略了UF章集成运算放大器第2节3滤波器课件电压比较器的另一种形式：电压比较器的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上将双向稳压管接在负反馈回路上+uiuo UZR R_uoui0+UZ-UZR =R章集成运算放大器第2节3滤波器课件16.4.3 迟滞比较器迟滞比较器1.迟滞比较器迟滞比较

26、器(下行下行)特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈, 运放处于非线性状态运放处于非线性状态1、因为有正反馈，所以输、因为有正反馈，所以输出饱和。出饱和。2、当、当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) ：Hom211+UURRRU 3、当、当uo负饱和时负饱和时(uo =-UOM) ：Lom211+UURRRU +uoRR2R1uiU+章集成运算放大器第2节3滤波器课件+uoRR2R1uiU+迟滞比较器迟滞比较器(下行下行)(续续)uoui0+Uom-UomU+HU+L设设ui , 当当ui = U+H , uo从从+UOM -UOM章集成运算放大器第2节3滤波器课件传输特性传输特性u

27、oui0+Uom-UomU+HU+LU+H上门限电压上门限电压U+L下门限电压下门限电压U+H - U+L称为回差称为回差om211URRR HU om211URRR LU 章集成运算放大器第2节3滤波器课件tuiU+HU+LtuoUom-Uom例例:设输入为正弦波设输入为正弦波, 画出输出的波形。画出输出的波形。+uoRR2R1uiU+章集成运算放大器第2节3滤波器课件R212om211HURRRURRRU R212om211LURRRURRRU 加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器(下行下行) ：+uoRR2R1uiUR上下限：上下限：uoui0U+HU+L传输特性传输特性

28、+UOM-UOM章集成运算放大器第2节3滤波器课件例题：例题：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当当输入输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。uoui0U+HU+L+uoRR2R1uiUR传输特性传输特性上下限：上下限：R212om211HURRRURRRU =10VR212om211LURRRURRRU =2V章集成运算放大器第2节3滤波器课件2V10Vuiuo+UOM-UOMuoui0U+HU+L传输特性传输特性+UOM-UOM+uoRR2R1uiUR章集成运算放大器第2节3滤波器课件+uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L+uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomU+HU+L迟滞比较器迟滞比较器(下行下行)两种电路两种电路传输特性传输特性的比较的比较:章集成运算放大器第2节3滤波器课件2.迟滞比较器迟滞比较器(上行上行)u+=0 时翻转，可以求出时翻转，可以求出上下门限电压。上下门限电压。0URRRuRRRom211i212 +uoRR2R1ui当当u+ u- =0 时时, uo= +UOM当当u+ U+H , 就有就有 u- u+ ,在在 uc U+H 时，时，u- RwcUOMuo0t- UOM