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1、第第8 8章章 集成运算放大器集成运算放大器学习要点学习要点 集成运算放大器是一个具有很高放大倍数的、直接耦合的集成运算放大器是一个具有很高放大倍数的、直接耦合的多级放大电路。多级放大电路。 集成电路具有成本低、体积小、重量轻、耗能低、可靠性集成电路具有成本低、体积小、重量轻、耗能低、可靠性高等一系列优点。高等一系列优点。 8.1 集成运算放大器电路概述集成运算放大器电路概述8.1.1 集成电路及集成运放的基本知识集成电路及集成运放的基本知识 集成电路集成电路(IC)(IC)是是6060年代初期发展起来的一种新型电子器件。年代初期发展起来的一种新型电子器件。它采用半导体制造工艺，在一小块硅单晶
2、片上制成许多晶体管、它采用半导体制造工艺，在一小块硅单晶片上制成许多晶体管、电阻、电容，同时把它们连接成具有特定功能的电子线路。电阻、电容，同时把它们连接成具有特定功能的电子线路。 1. 集成电路及种类集成电路及种类 按照集成电路的构成原理和功能，可划分成数字集成电路按照集成电路的构成原理和功能，可划分成数字集成电路与模拟集成电路两类。前者主要用来产生或处理各种数字信号；与模拟集成电路两类。前者主要用来产生或处理各种数字信号；后者主要用于产生、放大和加工各种模拟信号以及完成模拟与数后者主要用于产生、放大和加工各种模拟信号以及完成模拟与数字信号之间的相互转换。字信号之间的相互转换。 2 . 集成
3、运算放大电路集成运算放大电路 线性集成运算放大器也称为集成运算放大器，简称集成运放线性集成运算放大器也称为集成运算放大器，简称集成运放或运放。其实质是一种高增益的并带有深度负反馈的多级直接耦或运放。其实质是一种高增益的并带有深度负反馈的多级直接耦合放大电路。合放大电路。 输入级一般是具有晶体管恒流源的双端输入输入级一般是具有晶体管恒流源的双端输入差动放大电路，差动放大电路，其输入电阻高、共模抑制比高、零点漂移小。其输入电阻高、共模抑制比高、零点漂移小。 运算放大器种类很多，内部电路各不相同，但就基本组成都运算放大器种类很多，内部电路各不相同，但就基本组成都分来说又互相类似，都包含有偏置电路、输
4、入级、中间级、输出分来说又互相类似，都包含有偏置电路、输入级、中间级、输出级四大部分。级四大部分。 中间级的主要作用是进行电压放大，使集成运放具有很高的中间级的主要作用是进行电压放大，使集成运放具有很高的电压放大倍数。电压放大倍数。 输出级多采用射极输出器或互补对称射极输出电路，有较大输出级多采用射极输出器或互补对称射极输出电路，有较大的输出功率和较强的带负载能力。的输出功率和较强的带负载能力。 1.集成运放的符号集成运放的符号1）线性放大区：）线性放大区：2. .集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性2）非线性放大区：）非线性放大区：8.1.2 集成运放的特性分析集成运放的特性分析 输
5、出端输出端反相输入端反相输入端同相输入端同相输入端00()oiduA uA uu图中图中A和和B两点之间，两点之间，图中图中A和和B两点以外，输出电压和输入两点以外，输出电压和输入电压不成线性关系。电压不成线性关系。1.集成运放的参数集成运放的参数8.1.3 集成运放的参数和使用注意事项集成运放的参数和使用注意事项1 1）差模输入电阻）差模输入电阻r ridid：是集成运放没有外接反馈电阻的开环情况下，从两：是集成运放没有外接反馈电阻的开环情况下，从两个输入端看进去的等效电阻。个输入端看进去的等效电阻。 2 2）开环输出电阻）开环输出电阻r ro o：是指运放在没有外接反馈电阻的开环情况下的输
6、出：是指运放在没有外接反馈电阻的开环情况下的输出电阻。电阻。 3 3）开环电压放大倍数）开环电压放大倍数A A0 0：指输出端开路、没有外接反馈电阻的开环情况：指输出端开路、没有外接反馈电阻的开环情况下，输入信号为很小的低频电压信号时，集成运放的电压放大倍数。下，输入信号为很小的低频电压信号时，集成运放的电压放大倍数。 4 4）共模抑制比）共模抑制比K KCMRRCMRR：表示运放对共模信号的抑制能力：表示运放对共模信号的抑制能力 5 5）最大差模输入电压：运放两输入端间所能承受的最大差模输入电压值。）最大差模输入电压：运放两输入端间所能承受的最大差模输入电压值。 6 6）最大共模输入电压：当
7、加在运放输入端的共模电压超过一定范围时，）最大共模输入电压：当加在运放输入端的共模电压超过一定范围时，运算放大器失去抑制共模信号的能力，同时失去差模放大能力。运算放大器失去抑制共模信号的能力，同时失去差模放大能力。 7 7）最大输出电压）最大输出电压U UOMOM：是在一定的电源电压下，运放的最大不失真输出电：是在一定的电源电压下，运放的最大不失真输出电压的峰一峰值。压的峰一峰值。 8 8）输入失调电压）输入失调电压U UOSOS：将输入电压为：将输入电压为0 0时，不等于时，不等于0 0的输出电压折算到运放的输出电压折算到运放输入端的有效输入电压，称为输入失调电压。输入端的有效输入电压，称为
8、输入失调电压。 9 9）输入偏置电流）输入偏置电流I IB B: :运放在输出电压为运放在输出电压为0 0时，同相输入端和反相输入端的时，同相输入端和反相输入端的偏置电流的平均值偏置电流的平均值 1010）输入失调电流）输入失调电流I IOSOS：运放两输入端的偏置电流之差的绝对值。：运放两输入端的偏置电流之差的绝对值。 2. 使用时易出现的问题和解决措施使用时易出现的问题和解决措施1）工作时产生自激振荡）工作时产生自激振荡 用示波器接在输出端有时可看到频率较高的且近似为正弦的用示波器接在输出端有时可看到频率较高的且近似为正弦的波形，偶尔也出现低频振荡的情况。消除自激振荡的办法通常是外波形，偶
9、尔也出现低频振荡的情况。消除自激振荡的办法通常是外接接RC消振电路或消振电容。消振电路或消振电容。 2）消振后如输入电压为）消振后如输入电压为0时输出电压仍不为时输出电压仍不为0 必须调零。调零时应将电路接成负反馈闭环，将必须调零。调零时应将电路接成负反馈闭环，将2个插入端接个插入端接地，调节集成运放外接的调零电位器地，调节集成运放外接的调零电位器RP，使输出电压为零。，使输出电压为零。 3）漂移现象严重）漂移现象严重 如果折合到输入端的输出漂移量和温漂的指标属于同一数量级，如果折合到输入端的输出漂移量和温漂的指标属于同一数量级，那将是正常的现象，但如果漂移量过大，则在运放本身完好的条件那将是
10、正常的现象，但如果漂移量过大，则在运放本身完好的条件下应该注意以下几方面的问题：下应该注意以下几方面的问题： 接线是否有虚焊，运放是否自激振荡或受强电磁场的干扰；接线是否有虚焊，运放是否自激振荡或受强电磁场的干扰； 输入回路的保护二极管是否受到光的照射；输入回路的保护二极管是否受到光的照射； 运放是否靠近发热元件；运放是否靠近发热元件； 调零电位器动端的接触是否良好以及它的温度系数是否和运放所调零电位器动端的接触是否良好以及它的温度系数是否和运放所要求的一致。要求的一致。1. 集成运放的理想化集成运放的理想化 分析运放的应用电路时，首先将集成运放当作理想运算放大分析运放的应用电路时，首先将集成
11、运放当作理想运算放大器；然后判断其中的集成运放工作在线性区还是非线性区。在此基器；然后判断其中的集成运放工作在线性区还是非线性区。在此基础上分析具体电路的工作原理，其它问题也就迎刃而解。础上分析具体电路的工作原理，其它问题也就迎刃而解。 2.分析方法分析方法1）工作在线性区时：）工作在线性区时：虚短：虚短：8.1.4 集成运放的理想化及分析方法集成运放的理想化及分析方法 实际上完全理想化的集成运算放大器是不存在的。但是只要满实际上完全理想化的集成运算放大器是不存在的。但是只要满足一定的条件，实际运算放大器可视为理想运算放大器。用理想运足一定的条件，实际运算放大器可视为理想运算放大器。用理想运算
12、放大器分析实际运放电路既简单又方便，且误差很小。算放大器分析实际运放电路既简单又方便，且误差很小。虚断：虚断：u+=u- id=01）工作在非线性区时：）工作在非线性区时：虚断：虚断：输出电压只取两个值：输出电压只取两个值： id=0和和和和OMOMUU 8.2 8.2 负反馈的概念及应用负反馈的概念及应用8.2.1 反馈的基本概念反馈的基本概念1. 反馈的定义反馈的定义 反馈是一个非常重要的概念，它在电和非电领域都得到了广泛的反馈是一个非常重要的概念，它在电和非电领域都得到了广泛的应用。通常自动控制和自动调节系统都是基于反馈原理构成的；在放应用。通常自动控制和自动调节系统都是基于反馈原理构成
13、的；在放大电路中适当引入反馈、可以改善放大电路的性能大电路中适当引入反馈、可以改善放大电路的性能 反馈是一个广义的概念，通常是指将一个系统（电的或非电的）的全反馈是一个广义的概念，通常是指将一个系统（电的或非电的）的全部或部分输出量反送回系统的输入端，与系统的输入量相叠加，以改部或部分输出量反送回系统的输入端，与系统的输入量相叠加，以改善系统性能的措施。善系统性能的措施。通常情况下，若电路中存在反馈，我们称该电路处于闭环状态；若电通常情况下，若电路中存在反馈，我们称该电路处于闭环状态；若电路中不存在反馈，我们称该电路处于开环状态。路中不存在反馈，我们称该电路处于开环状态。 根据反馈信号对输入信
14、号的作用不同，反馈可分为正反馈和根据反馈信号对输入信号的作用不同，反馈可分为正反馈和负反馈两大类型。负反馈两大类型。 2. 正、负反馈及其判别正、负反馈及其判别瞬时极性法：瞬时极性法： 反馈信号反馈信号增强增强输入信号的叫做输入信号的叫做正正反馈，而反馈，而削弱削弱输入信号的叫输入信号的叫做做负负反馈。反馈。 在应用瞬时极性法判别反馈的类型时，可先任意设定输入信在应用瞬时极性法判别反馈的类型时，可先任意设定输入信号的瞬时极性为正或为负（在电路图上以或标记）。然后，沿号的瞬时极性为正或为负（在电路图上以或标记）。然后，沿反馈环路逐步确定反馈信号的瞬时极性，再根据它对输入信号的作反馈环路逐步确定反
15、馈信号的瞬时极性，再根据它对输入信号的作用（增强或削弱），即可确定反馈类型。用（增强或削弱），即可确定反馈类型。 1）正、负反馈）正、负反馈2）正、负反馈的判断）正、负反馈的判断 如图放大电路中，如图放大电路中，R RF F跨接在输出和反相输入端之间，故将输出跨接在输出和反相输入端之间，故将输出电压返送回输入端而引入反馈。电压返送回输入端而引入反馈。3） 极性判断举例极性判断举例 若设输入信号瞬时极性为正若设输入信号瞬时极性为正（以（以“”标记），则输出信号标记），则输出信号瞬时极性为负（以瞬时极性为负（以“”标记），标记），经经R RF F反送回输入端，反馈信号瞬反送回输入端，反馈信号瞬时极
16、性为负，即与输入信号瞬时时极性为负，即与输入信号瞬时极性相反。极性相反。 这说明，若输入信号使反相输入端电位瞬时升高，则由于反这说明，若输入信号使反相输入端电位瞬时升高，则由于反馈，使反相输入端电位瞬时降低，即反馈信号馈，使反相输入端电位瞬时降低，即反馈信号消弱消弱了输入信号的作了输入信号的作用故可判定为用故可判定为负负反馈。反馈。 为便于分析，通常将反馈放大器划分为基本放大器、反馈网络、为便于分析，通常将反馈放大器划分为基本放大器、反馈网络、采样网络、求和网络四部分。采样网络、求和网络四部分。 3. 反馈方式及其判别反馈方式及其判别 采样网络可以采样网络可以对输出电压对输出电压采样，即将采样
17、，即将u uo o作为反馈网络的输入，得作为反馈网络的输入，得到的反馈信号与到的反馈信号与u uo o成一定函数关系，这种反馈称为成一定函数关系，这种反馈称为电压反馈电压反馈；也可以；也可以对对输出电流输出电流i io o作为反馈网络的输入信号，得到的反馈信号与作为反馈网络的输入信号，得到的反馈信号与i io o成一定成一定函数关系，此种反馈称为函数关系，此种反馈称为电流反馈电流反馈。 1）电压反馈与电流反馈）电压反馈与电流反馈2）串联反馈与并联反馈）串联反馈与并联反馈 在求和网络中，反馈信号和输入信号以在求和网络中，反馈信号和输入信号以电流并联电流并联方式叠加，来影方式叠加，来影响基本放大电
18、路的输入电流，这样的反馈称为响基本放大电路的输入电流，这样的反馈称为并联反馈并联反馈；反馈信号和；反馈信号和输入信号以输入信号以电压串联电压串联方式叠加，来影响基本放大器的输入电压，这样方式叠加，来影响基本放大器的输入电压，这样的反馈称为的反馈称为串联反馈串联反馈。 综合采样和叠加的两种情况，可将反馈分为四种组态（方式）：综合采样和叠加的两种情况，可将反馈分为四种组态（方式）：电压串联电压串联，电压并联电压并联，电流串联电流串联，电流并联电流并联。 3）电压反馈和电流反馈的判别方法：）电压反馈和电流反馈的判别方法： 输出端短路法输出端短路法 将被采样的一级放大器的输出端交流短路（即令将被采样的
19、一级放大器的输出端交流短路（即令u uo o0 0），若反馈作用），若反馈作用消失，则为电压反馈，否则为电流反馈。消失，则为电压反馈，否则为电流反馈。 左图：将出口（左图：将出口（R RL L两端）交流电路，使输出电压两端）交流电路，使输出电压u uo o为零，但输出为零，但输出电流电流i io o仍然流过取样电阻仍然流过取样电阻R RE2E2，产生电压降并经过，产生电压降并经过R RF F返送回放大器的输返送回放大器的输入端，即反馈依然存在，故可判定为入端，即反馈依然存在，故可判定为电流电流反馈。反馈。 右图：将出口交流短路，使输出电压右图：将出口交流短路，使输出电压u uo o为零，则电阻
20、为零，则电阻R R2 2接地。与接地。与R R1 1并联，反馈作用消失，故可判定为并联，反馈作用消失，故可判定为电压电压反馈。反馈。 串联反馈和并联反馈可以根据电路结构确定：当反馈信号和输入信号串联反馈和并联反馈可以根据电路结构确定：当反馈信号和输入信号接在放大器的接在放大器的同一点同一点（另一点往往是接地点）时，一般可判定为（另一点往往是接地点）时，一般可判定为并联并联反馈反馈；而接在放大器的；而接在放大器的不同点不同点时，一般可判定为时，一般可判定为串联串联反馈。反馈。 4）串联反馈和并联反馈的判别方法：）串联反馈和并联反馈的判别方法： 左图：左图：反馈信号和输入信号都接在晶体管的基极和地
21、之间，故为反馈信号和输入信号都接在晶体管的基极和地之间，故为并联反馈。并联反馈。 右图：右图：输入信号接在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而输入信号接在集成运算放大器的同相输入端和地之间，而反馈信号反馈到集成运算放大器的反相输入端和地之间，不再同一点，反馈信号反馈到集成运算放大器的反相输入端和地之间，不再同一点，故为串联反馈。故为串联反馈。 8.2.2 反馈的一般表示法反馈的一般表示法1. 反馈的方框图表示法反馈的方框图表示法 方框中的方框中的A A表示基本放大器的转移函数，或称为反馈放大器表示基本放大器的转移函数，或称为反馈放大器的开环放大倍数，的开环放大倍数，F F表示反馈网络的反馈系
22、数。表示反馈网络的反馈系数。 基本放大电路基本放大电路AdX oX 反馈网络反馈网络FfX iX + +输入信号输入信号输出信号输出信号反馈信号反馈信号2. 负反馈放大电路的一般表达式负反馈放大电路的一般表达式开环放大倍数：开环放大倍数：反馈系数：反馈系数：净输入信号：净输入信号：闭环放大倍数闭环放大倍数:dXoXAofXXFfidXXX iofXXA负反馈放大电路的一般表达式：负反馈放大电路的一般表达式：AFAAf1叫叫反馈深度反馈深度AF1 反馈深度是一个非常重要的概念，引入反馈后，放大电路反馈深度是一个非常重要的概念，引入反馈后，放大电路性能的改变几乎都与反馈深度有关。性能的改变几乎都与
23、反馈深度有关。其中其中 不难看出，若反馈深度大于不难看出，若反馈深度大于1 1，即为负反馈；其值越大，表，即为负反馈；其值越大，表明负反馈越强烈，或称负反馈越深。否则为正反馈。明负反馈越强烈，或称负反馈越深。否则为正反馈。8.2.3 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响在负反馈放大电路中，虽然反馈信号削弱了输入信号，使净输入信号减在负反馈放大电路中，虽然反馈信号削弱了输入信号，使净输入信号减小，放大倍数下降，但是利用负反馈却可以使其他指标得到改善。小，放大倍数下降，但是利用负反馈却可以使其他指标得到改善。1.稳定放大倍数稳定放大倍数1.1ffdAdAAFAA即闭环放大倍数的相对
24、变化率小于开环放大倍数的相对变化率。即闭环放大倍数的相对变化率小于开环放大倍数的相对变化率。 2.减小非线性失真减小非线性失真Xi加反馈前加反馈前AXo失真失真加反馈后加反馈后XfXiXdAF+改善改善XoXo3.展宽通频带展宽通频带由于电路总电容的影响，阻容耦合放大器的放大倍数，在高频和低频段由于电路总电容的影响，阻容耦合放大器的放大倍数，在高频和低频段都要下降。引入负反馈可以减小各种因素（当然也包括这些电容）的影都要下降。引入负反馈可以减小各种因素（当然也包括这些电容）的影响，使放大倍数在比较宽的频段上趋于稳定，即展宽了频带。响，使放大倍数在比较宽的频段上趋于稳定，即展宽了频带。4.对输入
25、输出电阻的影响对输入输出电阻的影响串联反馈，由于反馈电压和输入电压反极性串联叠加，使输入电流减小，串联反馈，由于反馈电压和输入电压反极性串联叠加，使输入电流减小，故可使输入电阻增大；并联反馈，由于反馈电流和净输入电流并联，使故可使输入电阻增大；并联反馈，由于反馈电流和净输入电流并联，使输入电流增加，故可使输入电阻减小。输入电流增加，故可使输入电阻减小。 电压反馈，由于对输出电压采样，反馈信号正比于输出电压。而反馈的电压反馈，由于对输出电压采样，反馈信号正比于输出电压。而反馈的作用是使输出电压趋于稳定，使其受负载变动的影响减小。即使放大器作用是使输出电压趋于稳定，使其受负载变动的影响减小。即使放
26、大器的输出特性接近理想电压源特性，故而使输出电阻减小；相反，电流反的输出特性接近理想电压源特性，故而使输出电阻减小；相反，电流反馈，放大器的输出特性接近理想电流源特性，故而使输出电阻增大。馈，放大器的输出特性接近理想电流源特性，故而使输出电阻增大。 负反馈对输入和输出电阻的影响，因反馈方式而异负反馈对输入和输出电阻的影响，因反馈方式而异 。对输入电阻的影响仅与输入端反馈的连接方式（叠加方式）有关对输入电阻的影响仅与输入端反馈的连接方式（叠加方式）有关 :对输出电阻的影响仅与输出端反馈的连接方式对输出电阻的影响仅与输出端反馈的连接方式(采样方式采样方式)有关有关 :8.3 8.3 模拟信号运算电
27、路模拟信号运算电路集成运放适当引入反馈后，可以使得输入与输出之间具有某种特定的函集成运放适当引入反馈后，可以使得输入与输出之间具有某种特定的函数关系，即特定的模拟运算，如加、减、积分、微分等，这就构成了模数关系，即特定的模拟运算，如加、减、积分、微分等，这就构成了模拟运算电路，简称运算电路。拟运算电路，简称运算电路。 8.3.1 比例运算电路比例运算电路1. 反相比例运算电路反相比例运算电路1） 电路结构电路结构2） 输出电压输出电压11iRuRuuii 22RuRuuioofiouRRu12其中，平衡电阻其中，平衡电阻21/RRR 利用虚短和虚断法：利用虚短和虚断法：可见，输出可见，输出电压
28、与输入电压与输入电压成比例，电压成比例，比例系数是比例系数是负的；当取负的；当取R R1 1= =R R2 2时称为时称为反相器或反反相器或反号器。号器。根据欧姆定律：根据欧姆定律：2. 同相比例运算电路同相比例运算电路1） 电路结构电路结构2） 输出电压输出电压2RuuiofiouRRu）（121其中，平衡电阻其中，平衡电阻21/RRR 利用虚短和虚断法：利用虚短和虚断法：可见，输出可见，输出电压与输入电压与输入电压也成比电压也成比例，只是比例，只是比例系数是正例系数是正的，而且还的，而且还大于大于1。根据欧姆定律：根据欧姆定律：11100RuRuii3） 电压跟随器电压跟随器当当R R1
29、1=时，同相比例放大时，同相比例放大电路的电路的u uo o= =u ui i。即此时输出。即此时输出电压与输入电压大小相等、电压与输入电压大小相等、相位相同，相位相同，u uo o跟随跟随u ui i变化，变化，称为电压跟随器或同号器。称为电压跟随器或同号器。 电压跟随器电压跟随器 8.3.2 加法与减法运算电路加法与减法运算电路1. 反相加法运算电路反相加法运算电路1） 电路结构电路结构2） 输出电压输出电压 其中，取平衡电阻其中，取平衡电阻 R R=R Ri1i1/ R Ri2i2/R R2 2 利用虚短和虚断法：利用虚短和虚断法：根据欧姆定律：根据欧姆定律：i1i1i1Rui i2i2
30、i2Rui 2o2ofRuRuui， )(i2i2i1i12oRuRuRu 在测量和自动控制系统中，这个电路常用于对各种输入信号按不同在测量和自动控制系统中，这个电路常用于对各种输入信号按不同比例进行综合。这种电路调节输入信号与输出电压的比例系数很方便。比例进行综合。这种电路调节输入信号与输出电压的比例系数很方便。 2. 加、减法运算电路加、减法运算电路1） 电路结构电路结构2） 输出电压输出电压 ， 当选取当选取R Ri1i1= = R Ri2i2= =R Ri3i3= =R Ri4i4= =R R1 1、R R= =R R2 2时，时， )(i2i1i4i312ouuuuRRu也可以利用两
31、个运算放大器构成加、减运算电路，如下图所示。也可以利用两个运算放大器构成加、减运算电路，如下图所示。 图8-16 双运放加、减运算电路【例【例8-28-2】双运放加减电路如图】双运放加减电路如图8-168-16示。图中各电阻的阻值为示。图中各电阻的阻值为R Ri1i1=24K=24K，R Ri2i2=30K=30K， R Ri3i3=240K=240K，R Ri4i4=12K=12K，R R2121= =R R2222=240K=240K，试求输出电压，试求输出电压u uo o的的表达式，并配置平衡电阻。表达式，并配置平衡电阻。 解：第一个集成运放的输出电压：第一个集成运放的输出电压：输出电压
32、：输出电压： )810()(i2i12i2211i121o1uuuRRuRRuiii3i2i1i3i422o1i322o20810)(uuuuRRuRRu两个平衡电阻：两个平衡电阻： K6 .12/21i2i1RRRRK9 .10/22i4i3 RRRR8.3.3 积分与微分运算电路积分与微分运算电路1. 积分运算电路积分运算电路1） 电路结构电路结构2） 输出电压输出电压 根据欧姆定律：根据欧姆定律： 经过电容引入反馈经过电容引入反馈iiiRui 根据电容元件的伏安关系：根据电容元件的伏安关系：dtduCiof利用虚短、虚断法：利用虚短、虚断法：dtuCRuoii1 输出电压正比于输入电压对
33、时间的积输出电压正比于输入电压对时间的积分，可以用来对输入信号进行积分运算。分，可以用来对输入信号进行积分运算。 2. 微分运算电路微分运算电路1） 电路结构电路结构2） 输出电压输出电压根据欧姆定律和电容元件的根据欧姆定律和电容元件的伏安特性及虚短、虚断法：伏安特性及虚短、虚断法：dtduRCRiuoif 该电路的输出电压正比于输入电压对时间的微分，可以用来对输入信该电路的输出电压正比于输入电压对时间的微分，可以用来对输入信号进行微分运算。号进行微分运算。RCRC 称为微分时间常数。称为微分时间常数。 基本反相积分运算电路的基础之上，对运算放大器外部电路和元件基本反相积分运算电路的基础之上，
34、对运算放大器外部电路和元件进行适当的调整还可构成其它形式的积分运算电路，如求和积分运算电进行适当的调整还可构成其它形式的积分运算电路，如求和积分运算电路、同相积分运算电路、差动积分运算电路等。路、同相积分运算电路、差动积分运算电路等。 积分和微分巧妙地利用了电容元件的伏安特性积分和微分巧妙地利用了电容元件的伏安特性 。实际电路中，可以。实际电路中，可以利用一些非线性器件的特殊的伏安特性可以实现其它运算关系。利用一些非线性器件的特殊的伏安特性可以实现其它运算关系。8.4 8.4 信号处理电路信号处理电路8.4.1 有源滤波电路有源滤波电路 滤波器是一种选频网络，它对于所选定的频率范围内的信号衰滤
35、波器是一种选频网络，它对于所选定的频率范围内的信号衰减较小，能使其顺利通过；而对于频率超出此范围的信号则衰减较减较小，能使其顺利通过；而对于频率超出此范围的信号则衰减较大，使其不易通过。大，使其不易通过。 不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为低通、高通、不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为低通、高通、带通和带阻四种带通和带阻四种, ,频率特性如图：频率特性如图： 1. 滤波电路及种类滤波电路及种类图图8-20 滤波器的频率特性滤波器的频率特性2. 低通滤波电路低通滤波电路1） 一阶有源低通滤波电路结构一阶有源低通滤波电路结构同相比例运算电路无源一阶低通滤波器2） 频率特性频率特性1
36、()1uumcAjAj1cRC其中：其中：iF1RRAum传递函数：传递函数：，幅频特性表达式：幅频特性表达式：21()1 ()uumcAjA幅频特性曲线：幅频特性曲线：0 段频率的信号段频率的信号: coiuu频率大于频率大于 段频率的信号段频率的信号: c0ou 即实现了低通滤波。即实现了低通滤波。 一阶有源低通滤波器的幅频特性与理想特性相差较大，滤波一阶有源低通滤波器的幅频特性与理想特性相差较大，滤波效果不够理想，采用二阶或高阶有源滤波器可明显改善滤波效果。效果不够理想，采用二阶或高阶有源滤波器可明显改善滤波效果。 3. 其它有源滤波电路其它有源滤波电路1） 高阶有源低通滤波电路高阶有源
37、低通滤波电路2） 一阶高通滤波电路幅频特性特性一阶高通滤波电路幅频特性特性3） 带通滤波电路带通滤波电路4） 带阻滤波电路带阻滤波电路将低通和高通滤波器串联。将低通和高通滤波器串联。将低通和高通滤波器并联。将低通和高通滤波器并联。8.4.2 电压比较器电压比较器 电压比较器要完成的功能是对两个模拟信号进行比较，然后按电压比较器要完成的功能是对两个模拟信号进行比较，然后按比较的结果去决定执行机构的动作。在电压比较器中，集成运放工比较的结果去决定执行机构的动作。在电压比较器中，集成运放工作在传输持性的非线性区域，这时电路处于开环或正反馈工作状态。作在传输持性的非线性区域，这时电路处于开环或正反馈工
38、作状态。 1. 电路和工作原理电路和工作原理图图8-26 简单电压比较电路及电压传输特性简单电压比较电路及电压传输特性基准电压基准电压usUREF时时uo=-UOM2. 阈值电压阈值电压 把比较器输出电压从一个电平跳变到另一电平时所对应的输入把比较器输出电压从一个电平跳变到另一电平时所对应的输入电压值称为阈值电压。电压值称为阈值电压。 3. 具有限幅措施的电压比较器具有限幅措施的电压比较器1）输入端加限幅措施）输入端加限幅措施2）输出端加限幅措施）输出端加限幅措施图图8-27 具有限幅措施的比较器具有限幅措施的比较器4. 电压比较器的简单应用电压比较器的简单应用电压比较器主要用于波形变换、整形
39、以及电平等方面电压比较器主要用于波形变换、整形以及电平等方面 。 【例】【例】图图8-28a所示电路是一个过零比较器，其传输特性如图所示电路是一个过零比较器，其传输特性如图8-28b所所示；设输入信号为正弦波示；设输入信号为正弦波 ，试画出输出电压波形。，试画出输出电压波形。 在输入电压过零时，电压比较器的输出即跳变一次，故为正、负在输入电压过零时，电压比较器的输出即跳变一次，故为正、负相间的方波电压。可见，电压半加器可以将模拟电压信号转变成数字相间的方波电压。可见，电压半加器可以将模拟电压信号转变成数字信号，常用于模信号，常用于模数转换的接口电路。数转换的接口电路。 本章小结本章小结1.1.
40、集成运算放大器集成运算放大器1）集成运算放大器是一种双端输入单端输出的多级直接耦合放大电）集成运算放大器是一种双端输入单端输出的多级直接耦合放大电路。且有输入电阻高、输出电阻低、电压放大倍数极高的特点。路。且有输入电阻高、输出电阻低、电压放大倍数极高的特点。 2.2.反馈的概念及应用反馈的概念及应用3 3）负反馈对放大电路）负反馈对放大电路性能的影响是多方面的，除了使放大倍数降低外，性能的影响是多方面的，除了使放大倍数降低外，还可以提高放大倍数稳定性，展宽频带，减小频率失真和非线性失真，还可以提高放大倍数稳定性，展宽频带，减小频率失真和非线性失真，还可以改变输入、输出电阻。还可以改变输入、输出
41、电阻。 2）应用电路分析师将集成运放理想化。）应用电路分析师将集成运放理想化。1）反馈是将系统输出量）反馈是将系统输出量 (电压或电流电压或电流)引回到输入端与输入量引回到输入端与输入量 (电压或电电压或电流流)相叠加以改善系统性能的一种技术相叠加以改善系统性能的一种技术 2）反馈有正、负反馈的区分和四种基本组态）反馈有正、负反馈的区分和四种基本组态 。1）模拟运算电路用来实现模拟信号的各种运算，其输出是输入信号的）模拟运算电路用来实现模拟信号的各种运算，其输出是输入信号的运算结果。电路中的运算放大器必须引入适当的负反馈，使之上作在线运算结果。电路中的运算放大器必须引入适当的负反馈，使之上作在
42、线性区域，输入与输出之间呈线性关系。性区域，输入与输出之间呈线性关系。2）基本运算包括比例、加、减、微分、积分以及它们的组合。根据负）基本运算包括比例、加、减、微分、积分以及它们的组合。根据负反馈集成运放电路分析方法，计算输出和输入之间的运算关系。反馈集成运放电路分析方法，计算输出和输入之间的运算关系。3.3.模拟信号运算电路模拟信号运算电路4.4.信号处理电路信号处理电路2）基本运算包括比例、加、减、微分、积分以及它们的组合。根据负）基本运算包括比例、加、减、微分、积分以及它们的组合。根据负反馈集成运放电路分析方法，计算输出和输入之间的运算关系。反馈集成运放电路分析方法，计算输出和输入之间的运算关系。信号处理电路包括有源滤波器、电压比较器等信号处理电路包括有源滤波器、电压比较器等 。