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1、第四章 集成运算放大器运算放大器的特点：把输入、放大、输出和各种保护电路及反馈电路集成在一个芯片上4-1 运算放大器的基本结构与分析模型运算放大器的工作原理：是一种实现高增益的集成差分放大电路器件，放大倍数在105以上。4-1-1运算放大器的基本结构运算放大器结构如下：输入隔离与保护电路中间放大与补偿输出驱动与保护1、输入隔离与保护电路2、中间放大与补偿电路3、输出驱动与保护电路1、输入隔离与保护电路功能：提供信号输入通道结构：采用差分式目的：1、提高对输入噪声和电路噪声的抑制能力。2、实现直流信号的放大能力 3、保护电路是为防止过高的输入信号损坏放大器。4、在报证高增益的的条件下，只有差分电
2、路才能处理直流信号，同时有效的提高输入电阻，才能使运算放大器接近理想输入特性。2、中间放大与补偿电路组成：由多级放大电路和专门的补偿电路组成。作用：1、在有效的抑制噪声的前提下，提高运算放大器的电压增益能力，使其接近理想特性。2、为保证良好的线性特性，在中间放大电路中设置了补偿电路。3.中间放大与补偿电路组成:由多级放大电路以及专门补偿电路组成.作用:(1)有效抑制噪声 (2)提高电压增益能力,接近理想特性(放大倍数为无穷大).#同时为了保证放大器具有良好的线性特性,在中间设置线性、温度、电源抑制等补偿电路。运算放大器LM324P190页图4-1-2输入端之间具有极高的电阻T1和T4之间具有一
3、定电位，可以提供基极电流基极电流由外电路提供输出端采用达林顿管 T11和T12T10是个自举电路，使输出端电位和T9输出的电位按比例变化，即当T10发射极电位上升时，T10基极电位也随之上升。T12和T13之间的电阻的作用：保护输出端不会出现大电流。4-1-2 运算放大器电路模型电路符号：等效电路：V+V-K（V+-V-）1.理想运算放大器的行为特性输入输出的关系：VO=K（V+-V-）其中K是电压放大倍数，也叫做开环放大倍数开环放大倍数：运算放大器的输入输出之间没有电路连接时所具有是放大倍数。理想运放在输入为0时输出也为0。理想情况下：输入阻抗为输入阻抗为 输出阻抗为输出阻抗为0 0 开环放
4、大倍数开环放大倍数K=K=即v+=v-v+=v-，i+=i-=0i+=i-=02.参数分析当输入与输出相比很小，趋向于无穷大时，v+=v-v+=v-，称之为称之为虚短虚短v+=v-v+=v-，i+=i-=0i+=i-=0，称之为称之为虚地虚地.i+=i-=0i+=i-=0，称之为称之为虚断虚断.二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路_+R2R1RPuiuou-=u+=ui反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。电压串联负反馈。输入电阻高。虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反负反馈引到反相输入端，信号从同相端相输入端，信号从同相端输入。输入。虚开路虚开路电路的输入和
5、输出信号具有相同的电位，因此叫做同相放大器.放大倍数只能大于.-运算放大器基本电路组态分析运算放大器有两种组态：放大型和振荡型.分析基本要领：理想运放定义行为特性实际运放的参数特性电路参数分析-放大型组态V2和V1是输入信号，VO是输出信号，Z1、Z2、Z3、Z4为各支路的阻抗21 VOZ3Z1Z2Z41.电路行为特性分析（V1-V2）/Z1+（VO-V-）/Z2=0（V2-V+）/Z3=V+/Z4VO=（Z1+Z2）/Z1*Z4/（Z4+Z3）*V2-Z2/Z1*V12.参数分析Z1、Z2、Z3、Z4各支路的阻抗性质不同，电路会有不同的功能选择电路参数时注意输入偏置电流对电路特性的影响根据运
6、算放大器的实际参数确定电阻的阻值范围V1=VI，Z1=R1，Z2=RF，V2=0，Z3=R2，Z4=代入上式：VO=（R1+RF）/R1*/（+R2）*0-RF/R1*VIVO=-（RF/R1）*VI输入与输出信号相位相反，叫反相器。反相器放大倍数可以大于1，也可以小于1。当反相器放大倍数小于1时，叫做衰减电路。理想放大器（K=）实际放大倍数是有限值RF/R1RF是输入输出之间的连接电阻。输入与输出之间具有电路连接的结构叫做反馈结构。具有反馈结构放大器的放大倍数叫做闭环放大倍数。运算放大器和三极管、场效应管组成的放大器行为特性相同：对输入的电压信号放大，并具有非线性特征运算放大器和三极管、场效
7、应管组成的放大器的3点区别：1.运算放大器的理想特性是建立在开环放大倍数和输入电阻的基础上，闭环放大倍数是运算放大器对输入信号的实际放大能力。2.运算放大器组成的电路只有线性工作区和饱和区，只要输出电压小于运算放大器允许输出的最大电压，就可以认为信号没有失真。3.运算放大器既可以放大交流信号，也可以放大直流信号。放大直流信号时，运算放大器的静态输出总是零，可以实现放大器之间的级联，形成高倍数的放大电路。4-2-2 振荡型组态（正反馈电路）V2和V1是输入信号，VO是输出信号，Z1、Z2、Z3、Z4为各支路的阻抗21 VOZ3Z1Z2Z41.电路行为特性分析（V1-V-）/Z1+（VO-V-）/
8、Z2=0（V2-V+）/Z3+（VO-V+）/Z4=0VO=Z4（Z1+Z2）/（Z1Z4-Z2Z3）*V2-Z2（Z4+Z3）/（Z1Z4-Z2Z3）*V12.参数分析Z1、Z2、Z3、Z4各支路的阻抗性质不同，电路会有不同的功能选择电路参数时注意输入偏置电流对电路特性的影响若Z1=Z2=Z3=Z4，输出为无穷大，电路要么出现饱和（纯电阻电路），要么出现振荡（带有L或C）。第六章 模拟信号处理电路在电子技术中把处理连续时间信号的电路叫做模拟信号处理电路一、模拟信号处理电路包括：放大电路、振荡电路、滤波电路、信号运算电路二、模拟信号处理电路缺陷：1、容易受外界环境干扰。2、由于电子元件的原因，
9、电路的设计参数将随时间发生变化。三、模拟信号处理电路的分析包括：1、电路行为特性分析，2、电路参数特性分析6-1 放大器电路6-1-1 同相放大器二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路_+R2R1RPuiuou-=u+=ui反馈方式：反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。电压串联负反馈。输入电阻高。虚短路虚短路虚开路虚开路结构特点：结构特点：负反馈引到反负反馈引到反相输入端，信号从同相端相输入端，信号从同相端输入。输入。虚开路虚开路1、电路的行为特性分析同相放大器具有信号电压的放大能力电压放大倍数大于或等于12、电路参数分析1）电路中的电阻理想运放：放大倍数与外电路的电阻有关，与放大器的自身
10、参数无关同相输入电阻R没有对放大器的放大行为产生影响。实际运放：V+=-i1*R V-=-i2*R1R2/(R1+R2)消除偏置电流产生的误差：R=R1R2/(R1+R2)若A大于10则可近似认为R=R1R2/(R1+R2)=R1R的作用是对输入端偏置电流所引起的电压起平衡作用，以保证输入失调电压在器件允许的范围内。2）对运算放大器的要求确定在什么情况下可以为理想运算放大器：闭环放大倍数远小于开环放大倍数。运算放大器设计输出的最高电压远小于器件饱和电压。信号的最大变化率小于运算放大器的跟踪速度。最高工作频率与增益的乘积满足器件的技术条件。6-1-2 反相放大器i1=i2uo_+R2R1RPui
11、i1i21.放大倍数放大倍数虚短路虚短路虚开路虚开路反相比例运算电路反相比例运算电路结构特点：结构特点：负反馈引到反相输负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。入端，信号从反相端输入。虚开路虚开路1、电路的行为特性分析反相放大器具有信号电压的放大能力电压放大倍数大于02、电路参数分析1）电路中的电阻理想运放：放大倍数与外电路的电阻有关，与放大器的自身参数无关同相输入电阻R没有对放大器的放大行为产生影响。实际运放：V+=-i1*R V-=-i2*R1R2/(R1+R2)消除偏置电流产生的误差：R=R1R2/(R1+R2)若A大于10则可近似认为R=R1R2/(R1+R2)=R1R的作用是对输入端
12、偏置电流所引起的电压起平衡作用，以保证输入失调电压在器件允许的范围内。2）对运算放大器的要求确定在什么情况下可以为理想运算放大器：放大倍数远小于1时，则Vi UH,就有就有 u-u+,在在 uc UH 时，时，u-UH,就有就有 u-u+,在在 uc UH 时，时，u-u+,uo 保持保持+UOM 不变；不变；uo 立即由立即由UOM 变成变成UOM V-=V+=FVO +RR1R2C+ucuo此时，此时，C 经输出端放电。经输出端放电。2.当当uo =-UOM 时，时，u+=ULuc降到降到UL时，时，uo上翻。上翻。UHuctUL当当uo 重新回到重新回到UOM 以后，电路又进入另一个以后
13、，电路又进入另一个周期性的变化。周期性的变化。电压增加，电阻增加，放大倍数下降，充满时电压增加，电阻增加，放大倍数下降，充满时V-=0V-=0，放电，直到，放电，直到V-=V+=0V-=V+=0。+RR1R2C+ucuo0UHuctULUOMuo0t-UOMT输出波形：输出波形：+RR1R2C+ucuoRC电路：电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。起反馈和延迟作用，获得一定的频率。下行迟滞比较器：下行迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的起开关作用，实现高低电平的转换。转换。+RR1R2C+ucuo方波发生器各部分的作用：方波发生器各部分的作用：2、参数分析分析脉冲周期、占空比、幅度等电路
14、元件参数之间的关系。具体公式P281页例题P281页 例6-2-16-3 模拟信号运算电路6-3-1 加法和减法电路对输入的电压信号进行数学运算，结果以信号波形方式输出一、加法电路一、加法电路1 1、反相加法电路、反相加法电路R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。i12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系，
15、调节方便。2 2、同相加法电路、同相加法电路实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。-R1RF+ui1uoR21R22ui2此电路如果以此电路如果以 u+为输入为输入 ，则输出为：，则输出为：-R1RF+ui1uoR21R22ui2u+与与 ui1 和和 ui2 的关系如何？的关系如何？注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。单独调整。流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）虚开路）参数分析反相求和要求两输入电阻相等或电阻之差
16、控制在误差范围内公式如P283页6-3-4 式6-3-5同相求和对两电阻的误差要求不严格_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：解出：二、单运放的减法运算电路的特例：差动放大二、单运放的减法运算电路的特例：差动放大器器双运放的加减运算电路双运放的加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6例：例：设计一个加减运算电路，设计一个加减运算电路，RF=240k，使使uo=10ui1+8ui2-20ui3解解:(1)画电路。画电路。系数为负的信系数为负的信号从反相端输号从反相端输入，系数为正入，系数为正的信号从同相的信号从同相端输入。端输入。-R3RF+ui1
17、uoR2R1ui2R4ui3(2)求各电阻值。求各电阻值。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3uo=10ui1+8ui2-20ui36-3-2 对数放大器电路应用：前置电路和实现模拟乘法或除法运算。特点：利用半导体器件的非线性和电路放大的特点。对数放大器是一种非线性放大器。i1iFtui0tuo0输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。ui-+RR2Cuo一、积分电路一、积分电路低通滤波器低通滤波器应用举例应用举例1 1：参数分析1、失调电压小。2、偏置电流小。3、时间常数RC尽可能大。4、电容值越大越好。其他一些运算电路：对数与指数运算电路、乘法其他一些运算电路：对数与指数
18、运算电路、乘法与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲与除法运算电路等，由于课时的限制，不作为讲授内容。授内容。积分电路的主要用途：积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。转换中，将电压量变为时间量。4.移相。移相。6-3-4 微分运算电路与积分运算电路微分运算电路与积分运算电路u=u+=0uit0t0uou i+uoRR2i1iFC若输入：若输入：则：则：二、微分电路二、微分电路 隔离直流电压信号隔离直流电压信号参数分析1、失调电压小。2、偏置电流小。3、时
19、间常数RC尽可能大。4、电容值越大越好。运算电路要求运算电路要求1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用会用“虚开路虚开路(ii=0)”和和“虚短路虚短路(u+=u)”分析给定运算电路的分析给定运算电路的 放大倍数。放大倍数。6-4 滤波电路1、任何一个满足一定条件的信号，都可以看成是由无限个正弦波迭加而成。2、组成信号的不同频率的正弦波叫做谐波成份或信号的频率成分。3、只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分的频率成
20、分通过的电路叫做滤波电路。6-4-1 基本概念1、基本原理：利用电路频率特性实现对信号中频率成分的选择。2、分类：a高通滤波器HP：允许信号中较高频率的成分通过。b低通滤波器LP：允许信号中较低频率的成分通过。c带通滤波器BP：允许信号中某个频率范围内的成分通过。3、增益幅度不为零的频率范围叫做通频带，增益幅度零的频率范围叫做阻带。P293页 图6-4-16-4-2 低通滤波器LP只允许低于截止频率的信号通过一、一阶有源低通滤波器一、一阶有源低通滤波器传递函数中出现传递函数中出现 的一次项，故称为的一次项，故称为一阶滤波器一阶滤波器。RR1RFC+-+幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：有
21、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。幅频特性与一阶幅频特性与一阶无源低通滤波器无源低通滤波器类似类似电路的特点：电路的特点：2.=o 时时1.=0 时时解出：解出：其中：其中：RR1RFC+-+CRP二、二阶有源低通滤波器二、二阶有源低通滤波器传递函数中出现传递函数中出现 的二次项，故称为的二次项，故称为二阶滤波器二阶滤波器。03dBR1=时时：AF=1 =o时：时：RC+-+CRP如何组成高通滤波器？将低通滤波器中的将低通滤波器中的R、C 对调，低通滤对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。波器就变成了高通滤波器。RCR1RF+-+低通滤波器低通滤波器R1RF+
22、-+高通滤波器高通滤波器R6-3 模拟信号的变换电路包括：信号调制、信号参数的提取、信号类型的转换调制包括：幅度调制、频率调制、键控频移调制信号参数的提取电路：最大值提取、有效值提取类型的转换电路：正弦波-方波转换、频率-电压的转换、电压-频率的转换6-5-1 模拟信号变换的基本概念信号的作用信号的作用，驮载信息或信号是信息的运输工具，信号转换的原因：信号转换的原因：信号传输的过程中会引起信号波形发生变化，这影响信息传输的正确性。信号转换的目的：信号转换的目的：是为了抵抗干扰和方便传输与处理。信号变换信号变换：把一种波形的信号转变为另一种波形的信号，在变换过程的前后，保持信息不变或不受破坏。一
23、、基本定义1、如果VA和vB满足 VB=F（VA）6-5-1就叫做信号VA到vB的变换2、如果VA和vB满足 VA=G（VB）6-5-2就叫做信号VB到vA的变换3、如果存在VB=F（G（VA）则把6-5-1和6-5-2叫做模拟信号的可恢复变换对。6-5-2 信号调制电路模块概念：对信号进行某种数学变换，以便于形成易于传输的新信号，在接收端再对所接收到的已调制信号进行反变换，恢复原有的信号。一、幅度调制电路AM特点：把一个低频信号用一个高频信号驮载起来，形成以低频信号为包络线的新的高频信号。数学表达式：vo(t)=vi(t)sin(t)用乘法器可以实现图6-5-1，vi叫调制信号，vm=sin
24、(t)叫载波信号工程中一般采用加入适当比例的直流信号的方法，数学模型:vo(t)=vom+kamvi(t)sin(t)vom是非零常数代表vi(t)=0时的AM调制输出信号幅度，kam比例常数，保证AM信号不会出现零。二、频率调制电路FM特点：输出信号的幅度不便，输出信号的频率随输入信号（调制）信号幅度的变化而变化。设vi(t)是任意波形的信号，vo(t)=Asin(t)若=2（f0+f),即vo(t)=Asin 2（f0+f)t则输出信号就是一个频率调制信号FM。工程中的调频信号为：vo(t)=vmcos 0t+kf02vi(t)dt+0 0叫做中心频率，vm叫做信号输出幅度最大值，kf是调频比例常数，0叫做初相