1第三章集成運算放大器電子技術第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)第一節(jié)差分放大電路第三章集成運算放大器第三節(jié)運算放大器的線性應用第四節(jié)運算放大器的非線性應用第五節(jié)運算放大器的選用及使用注意問題第一節(jié)差分放大電路一、直接耦合方式二、差分放大電路5一、直接耦合方式耦合——級與級之間的連接方式。阻容耦合直接耦合變壓器耦合耦合方式光電耦合輸出端輸入端A1AnA2

多級放大電路——選擇多個基本放大電路，合理連接。第一節(jié)差分放大電路6

優(yōu)點：各級直流狀態(tài)獨立，設計調(diào)試方便。缺點：①不利于集成化：C容量大,制做困難。②低頻特性差：C對變化緩慢的低頻信號容抗大，低頻信號大部分衰減在C上，不向后級傳遞。1.阻容耦合方式CE1C1RB1RB2RERCT1+UccuO–+uI–+uO1uI2CE2C3R'B1R'B2RE2RC2T2C2第一節(jié)差分放大電路72.直接耦合方式

T2的基極電阻為T1的RC1,省去RB2。T1和T2的直流相互流通。

RB1RC1RS+UCCRC2RLT1T2UsuO–+uI–+前級輸出端直接接到后級輸入端。RB2第一節(jié)差分放大電路8

優(yōu)點：①低頻特性好：可放大變化緩慢的信號。②利于集成化：沒有大容量C，易于集成。缺點：①各級直流狀態(tài)相互影響，設計調(diào)試不便。②存在溫度漂移（零點漂移）現(xiàn)象。第一節(jié)差分放大電路9

uOtO3.零點漂移現(xiàn)象

（1）零點漂移現(xiàn)象：輸入信號為零時，輸出電壓不為零,且緩慢變化(偏離初始值)的現(xiàn)象。

ui=0–+直接耦合放大電路mVuO–+

對于阻容耦合:電容對漂移信號容抗大，漂移被隔在本級，不被放大。對于直接耦合:使漂移信號逐級被放大。第一節(jié)差分放大電路10

（3）危害：當漂移電壓和信號電壓頻率相近時（變化緩慢），難以分辨，有用信號被淹沒。（4）抑制方法：直流反饋：Q點穩(wěn)定電路差分放大電路（2）產(chǎn)生原因：溫度影響、管子老化，電源電壓波動。

主要是溫度變化引起半導體器件參數(shù)的變化，導致Q點的變化。第一節(jié)差分放大電路11T1T2

電路對稱雙端輸入—雙端輸出接法公用發(fā)射極電阻RE（一）電路組成二、差分放大電路RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2＋uo－uI2-+uI2-+uI＋－

雙電源

——

UCC一定時，RE過大，使ICQ過小，Q點偏低，接入電源UEE補償直流壓降。第一節(jié)差分放大電路121.抑制零漂原理無信號、無溫度影響時：

無信號、受溫度影響后：

（1）電路對稱性，使每管零漂電壓在輸出相互抵消。

Ta?iC1、?iC2

?uC1=?uC2

?uC1、?uC2uO=?uC1-?uC2

uO=UCQ1-UCQ2＝0ICQ1ICQ2(二)工作原理uI2uI1＋uO－-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2討論有無輸出電壓？漂移電壓在輸出端如何抵消？

=(UCQ1-?uC1)-(

UCQ2-?uC2)＝0第一節(jié)差分放大電路13（2）公用RE對零漂電壓有很強的負反饋。

uE＝2?iC1RE討論如果電路不對稱怎么辦？RE對漂移電壓為何有負反饋？ICQ1ICQ2uI2uI1＋uO－-UEEReT2T1RC1RC2+UCCRB1RB2

共模信號——大小相等，方向相同的信號。零漂電壓折合到輸入端，相當兩管輸入端加共模信號。

RE也稱共模反饋電阻。

第一節(jié)差分放大電路14實驗六、差分放大電路(無輸入)

實驗目的：差分放大電路抑制零漂的原理。建立電路：1.雙端輸入—雙端輸出接法。

2.無輸入信號狀態(tài)。EDA實驗

鏈接EDA6實驗步驟：1.用電壓表分別測量T1、T2的C極輸出電壓uC1與uC2

。2.測量無溫度影響時差分放大電路的輸出電壓

uo=UCQ1-UCQ2=0。3.測量受溫度影響后差分放大電路的輸出電壓

uo=?uC1-?uC2=0

。第一節(jié)差分放大電路15EDA實驗差分放大電路（無輸入信號）第一節(jié)差分放大電路16EDA實驗

結論:

實驗數(shù)據(jù)：uC1uC2uo溫度270C7.108V7.108V0V溫度800C7.045V7.045V0V1.無溫度影響時，差放的輸出電壓為零。2.受溫度影響后，每管的輸出電壓減小了，但差放的輸出電壓仍為零。第一節(jié)差分放大電路17iC1

uC1

2.對有用信號的放大作用

差模信號——大小相等，方向相反的信號。iC2iC1RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2∴?

uO＝?

uC1

－(－?

uC2)

＝2?

uC1

討論差模信號有輸出嗎？

（1）采用差模輸入方式

另一管iC2

uC2

＋uo－uI2-+ui2-+uI＋－輸入端有差別輸出才有變動第一節(jié)差分放大電路18（2）公用RE無負反饋作用

經(jīng)RE

的iC的增量和減量抵消，RE上無差模信號電壓。討論RE對有用信號有負反饋嗎？

iC2iC1RR-UEERET2T1RC1RC2+UCCRB1RB2＋uo－uI2-+uI2-+uI＋－

雙入—雙出差動電路的放大能力只相當單管的放大能力。差模放大倍數(shù)第一節(jié)差分放大電路19＋uI－思考題RaRbU＋－baT2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uo－怎么辦？RL+UCCRB2RCRB1

如果雙端輸出差分電路后面要接輸入有一端接地的放大電路，而雙端輸出沒有接地端。20（三）輸入、輸出方式零漂小，廣泛應用。信號源和負載不能接“地”端。雙入單出單入雙出單入單出雙入雙出1.雙端輸入—雙端輸出T2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uO－＋uI－第一節(jié)差分放大電路21

靜態(tài)時輸出端直流電位不為零。無法利用電路的對稱性抑制零漂。僅靠RE負反饋作用。2.雙端輸入—單端輸出

用于將差模信號轉換為單端輸出信號，以便與負載和后級放大器有公共端接“地”。uO1＋－uI＋－uO2＋－-UBB+UCCT2T1RC1RC2RB1RB2第一節(jié)差分放大電路223.單端輸入—雙端輸出uI＋－-UBB+UCCT2T1RC1RC2RB1RB2+uO-

信號源有一端接“地”,用于將單端輸入信號轉換為單端輸出信號，作為下一級差放的差模輸入信號。4.單端輸入—單端輸出

輸入、輸出信號都有一端接“地”。第一節(jié)差分放大電路23RaRbU＋－ba差分放大電路（四）應用舉例橫風傳感器橫風風速模擬電信號消除干擾、噪聲、漂移物理變化量電路信號處理橫風傳感器電路框圖第一節(jié)差分放大電路24第一節(jié)差分放大電路RaRbU＋－baT2T1+UCCRCRCRBRB-UEERE＋uo－橫風傳感器信號處理電路橫風傳感器電路25歸納3.抑制零點漂移的最好方法：差分放大電路。1.直接耦合放大電路的零點漂移現(xiàn)象：輸入信號為零時，輸出電壓不為零,且緩慢變化。

2.零點漂移主要原因：晶體管的溫漂導致Q

點的變化。4.差分放大電路工作原理。5.差分放大電路的四種接法：根據(jù)輸入端和輸出端接地情況不同。第一節(jié)差分放大電路第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)二、集成運算放大器的符號二、主要參數(shù)三、電壓傳輸特性四、理想運算放大器27集成電路簡介1.什么是集成電路

集成電路——集元器件、電路、系統(tǒng)為一體的新型電子器件。

優(yōu)點：體積小、功耗低、可靠性高、成本低。第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)282.分類

集成運算放大器就是模擬集成電路的基礎電路模擬集成：集成運算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源等數(shù)字集成：集成門電路、集成觸發(fā)器集成運算放大器的概念1.什么是集成運算放大器高增益多級直接耦合放大器

初期，用于信號的數(shù)字運算。目前，應用于信號的產(chǎn)生、放大、交換、處理、測量等。第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)29偏置電路輸入級中間級輸出級輸入端輸出端2.電路的框圖及組成

第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)30

結論：集成運放具有電壓放大倍數(shù)大，輸入電阻高（幾百千歐），輸出電阻低（幾百歐），零漂小等優(yōu)點。中間級——進行電壓放大，要求電壓放大倍數(shù)大，采用共射電路。輸出級——要求Ro小，帶負載能力強。供給負載較大功率，采用互補對稱的射極輸出器。偏置電路——建立Q點，采用恒流源電路。輸入級——要求減少零點漂移，提高Ri，采用差分放大電路。第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)31第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)管腳功能－15V負電源10kΩ調(diào)零電位器41567231kΩ輸出端＋15V正電源同相輸入端反相輸入端一、集成運算放大器的符號32反相輸入端同相輸入端輸出端反相輸入端與輸出端反相同相輸入端與輸出端同相

從外部看,是一個雙端輸入、單端輸出的差動放大電路

∞+_+

u+

u-

uOA_+

u+

u-

uO符號第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)331.開環(huán)電壓放大倍數(shù)

Auo2.共模抑制比KCMRR二、主要參數(shù)運放F007的AO約為100db(105倍)。無外加反饋時，差模放大倍數(shù)越大越好

為了綜合考察對差模信號的放大能力和對共模信號的抑制能力，引入新參數(shù)。KCMR=差模Ad共模AC運放F007的

KCMRR約為80db

u+

u-

uO∞+_+第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)344.開環(huán)輸出電阻rO3.開環(huán)輸入電阻rid(差模輸入電阻

)

rid越大，從信號源流入的電流越小。精度越高，運放F007的rid約為1~2MΩ。rO越小，運放帶負載能力越強。精度越高，運放F007的rO約為500Ω。5.輸入失調(diào)電壓Uio

由于差分放大電路的不對稱，輸入電壓為零時，輸出電壓不為零。靜態(tài)時保證輸出電壓為0的補償電壓加一理想電壓源，幾毫伏級

uIO

uO=0∞+_+第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)35三、電壓傳輸特性1.線性區(qū)

uo與ui成線性關系

uo＝Auo(u+－u-)2.非線性區(qū)（飽和區(qū)）uo

與ui不是線性關系uo有兩種可能uo＝＋UOm

高電平uo＝－UOm

低電平＋UCC－UEE電壓傳輸特性uOui=u+-u-O線性區(qū)因Auo=∞ui很小，要加負反饋不加反饋，或加正反饋第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)非線性區(qū)366.最大輸出電壓UOPP

失真不超過允許值時的最大輸出電壓，一般用峰－峰值表示，也稱為動態(tài)輸出范圍。運放F007的UOPP約為±12~±13V。第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)37集成運放的理想化條件:③開環(huán)輸出電阻

rO→0。①開環(huán)電壓放大倍數(shù)AuO→∞。②差模輸入電阻rid→∞。④共模抑制比KCMRR→∞。四、理想運算放大器

u+

u-

uO∞+_+

集成運放可視為一個理想電壓放大器

uO＝AuO(u+－u-)

第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)382.“虛斷”的概念

i＋＝i－＝0

即:iI＝0

因rid=∞,iI近似為零。1.“虛短”的概念

u+

＝u-

即u+

－u-＝0線性區(qū)分析依據(jù)iI

因AuO=∞，uO＝AuO(u+－u-)，

ui很小即可產(chǎn)生uO。

u+

u-

uO∞+_+rid

運用兩個重要依據(jù)，可大大簡化運放電路的分析第二節(jié)運算放大器的電壓傳輸特性和主要參數(shù)第三節(jié)運算放大器的線性應用一、反相輸入運算電路二、同相輸入比例運算電路三、加法運算電路四、減法運算電路五、積分運算電路六、微分運算電路七、PI調(diào)節(jié)器八、交流電壓表電路九、電壓源和電流源十、有源低通濾波器十一、電流、電壓轉換電路十二、精密放大電路41集成運放應用電路的分類

有無外加反饋，組成不同功能的應用電路引入負反饋不加反饋單限電壓比較器加正反饋滯回電壓比較器非正弦波發(fā)生器有源濾波低通高通帶通帶阻運算電路比例運算反相同相加減運算積分運算微分運算對數(shù)和指數(shù)運算乘除運算反饋網(wǎng)絡負反饋應用開環(huán)應用正反饋應用

uO

u+

u-∞+_+第三節(jié)運算放大器的線性應用42加減運算

ui多路輸入反相端——反相求和

ui多路輸入同相端——同相求和

ui多路輸入兩輸入端——加減法二、三極管比例運算

ui反相端入——反相比例

ui同相端入——同相比例電容C電阻R負反饋元件微分運算——

R換C積分運算——RF換成C對數(shù)運算指數(shù)運算→組合運算

乘法器

冪運算

除法運算取決于反饋元件的性質第三節(jié)運算放大器的線性應用43第三節(jié)運算放大器的線性應用

運放的線性應用主要實現(xiàn)各種模擬信號的比例、加減、微分、積分、對數(shù)、指數(shù)等運算，以及有源濾波、信號檢測、采樣保持等。用途十分廣泛。

線性區(qū)

uo與ui成線性關系

uo＝Auo(u+－u-)＋UCC－UEE電壓傳輸特性uOui=u+-u-O線性區(qū)因Auo=∞ui很小，要加負反饋44一、反相輸入運算電路從反相輸入端輸入信號12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+加平衡電阻R2（補償電阻）。為使輸入級兩差分放大管對稱,負反饋電阻深度負反饋

放大倍數(shù)取決于反饋網(wǎng)絡，與基本放大電路無關什么負反饋？電壓并聯(lián)負反饋？第三節(jié)運算放大器的線性應用452.“虛斷”的概念

i＋＝i－＝0

即:iI＝0

因rid=∞,iI近似為零。1.“虛短”的概念

u+

＝u-

即u+

－u-＝0線性區(qū)分析依據(jù)iI

因AuO=∞，uO＝AuO(u+－u-)，

ui很小即可產(chǎn)生uO。

u+

u-

uO∞+_+rid

運用兩個重要依據(jù)，可大大簡化運放電路的分析第三節(jié)運算放大器的線性應用復習46從反相輸入端輸入信號根據(jù)u-=u+=0,“虛地”。根據(jù)i+=i-

=iI=0，則:i1=iF+iI≈iF。電壓放大倍數(shù)：12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+iFi1iI負號表示uO與ui反相第三節(jié)運算放大器的線性應用47[例3-3-1]已知：

R1=10kΩ,RF=50kΩ，若ui=-1V，試計算:輸出電壓uO。解：第三節(jié)運算放大器的線性應用12uI–+∞+_+RFR2R1uO–+iFi1iI48uI–+uO–+iFi1iI12∞+_+RFR2R1二、同相輸入運算電路從同相輸入端輸入信號加平衡電阻R2（補償電阻）。根據(jù)u-=u+=0,i+=i-

=iI=0，則:u+=u-≈uIi1

≈

iF什么負反饋？電壓并聯(lián)負反饋第三節(jié)運算放大器的線性應用49iFi1uI–+uO–+iI12∞+_+RFR2R1從同相輸入端輸入信號電壓放大倍數(shù)：uO與uI同相第三節(jié)運算放大器的線性應用50同相比例電路電壓放大倍數(shù)：同相比例電路特例電壓跟隨器當R1=∞(斷開)或RF=0時uI–+uO–+∞+_+與分立元件的射極輸出器相比：4.具有良好的電壓跟隨和隔離作用。1.電壓放大倍數(shù)Auf=1。2.輸入電阻高。3.輸出電阻低。第三節(jié)運算放大器的線性應用51實驗七反相比例運算電路實驗目的：集成運放的運算功能。建立電路：1.取一個理想的運放、電阻、可變電阻組成反相比例運算電路

2.同相輸入端接地。

3.反相輸入端接2V電壓。實驗步驟：1.觀察輸出電壓和輸入電壓的大小。EDA實驗2.調(diào)整可變電阻的大小，再觀察兩者電壓。

鏈接EDA7第三節(jié)運算放大器的線性應用52EDA實驗反相比例運算電路第三節(jié)運算放大器的線性應用53

結論:

輸出電壓與輸入電壓成比例且具有反相的關系。實驗數(shù)據(jù)：輸出電壓（mV）輸入與輸出關系可變電阻100k?35%-350.0可變電阻100k?95%-950EDA實驗第三節(jié)運算放大器的線性應用54三、加法運算電路平衡電阻（補償電阻）在同一輸入端輸入多組信號第三節(jié)運算放大器的線性應用uO–+

uI3

uI2

uI1RFR1R3R2∞+_+R21255在同一輸入端輸入多組信號iFiIuO–+

uI3

uI2

uI1i1i2i3根據(jù)u-=u+,i+=i-

=iI=0，則:u+=u-≈0,

i1+i2+i3≈

iFRFR1R3R2∞+_+R212當：時：第三節(jié)運算放大器的線性應用56iFiIuO–+

uI3

uI2

uI1i1i2i3RFR1R3R2∞+_+R212[例3-3-2]已知：

R1=R2=R3=10kΩ,RF=50kΩ，ui1=0.5V，ui2=-1V，ui3=-0.8V。試計算:輸出電壓uO。解：第三節(jié)運算放大器的線性應用57運算放大器的串級應用解題思路R3RF2∞+_+A1∞+_+A2R1R2R4RF1

uI1

uI2uO1uO2–+求輸出電壓uO。1.先判別A1、A2電路。2.按順序（信號流經(jīng)），先算A1的uO1。3.其做為A2的uI2，再對A2進行運算。4.uO里含有與uI1、uI2的運算關系。第三節(jié)運算放大器的線性應用58[例3-3-3]已知：

R1=10kΩ,R2=50kΩ,R3=R4,RF1=10kΩ，RF1=500kΩ，

ui1=30mV，ui2=50mV。試計算:輸出電壓uO2。解：R3RF2∞+_+A1∞+_+A2R1R2R4RF1

uI1

uI2uO1uO2–+A1是同相輸入運算電路，A2是加法運算電路。第三節(jié)運算放大器的線性應用59兩個輸入端都輸入信號四、減法運算電路

uI1

uI2uO–+減數(shù)被減數(shù)根據(jù):u+=u-≈0,

i1=i2≈0輸出電壓為兩個輸入電壓之差

既能放大差模信號又能抑制共模信號差分輸入運算電路第三節(jié)運算放大器的線性應用12R1R3∞+_+RFR260[例3-3-4]已知：

R1=R2=4kΩ,R3=RF=20kΩ，RF1=500kΩ，

ui1=1.5V，ui2=1V。試計算:輸出電壓uO。解：A是減法運算電路。第三節(jié)運算放大器的線性應用

uI1

uI2uO–+12R1R3∞+_+RFR261根據(jù)u-=u+=0,“虛地”。根據(jù)i+=i-

=iI=0，則:i1=iF+iI≈iF12∞+_+R2R1uI–+uO–+iFi1iICF五、積分運算電路將反相輸入運算電路中RF用CF代替

電容上電壓等于其電流的積分1.uO與uI成積分關系第三節(jié)運算放大器的線性應用62延遲：

t=0時，uI由0跳變到-3V,uO隨著CF的充電，逐漸變?yōu)?6V，延遲了一段時間。方波變?nèi)遣ǎ翰煌瑫r間段里，uI正跳變或負跳變，uO充放電，變?nèi)遣ā?.應用

當為一階躍直流電壓時：ttOOuIuOttOOuOuI第三節(jié)運算放大器的線性應用63[例3-3-5]已知：

R1=1MΩ,CF=1μF,

U1=1V，試計算:t=0,0.02s,0.6s,1s時的輸出電壓uO各為多少？解：iFi1uI–+12∞+_+R2R1iICFuO–+

R1CF=1?106?10-6=1s當t=0時：uO=0V當t=0.6s時：uO=-0.6V；當t=1s時：uO=-1V。當t=0.02s時：第三節(jié)運算放大器的線性應用64iFi1iI12∞+_+R2R1CFuI–+uO–+六、微分運算電路將反相比例運算電路中R1用CF代替根據(jù)u-=u+=0,“虛地”。根據(jù)i+=i-

=iI=0，則:i1=iF+iI≈iF1.uO與uI成微分關系第三節(jié)運算放大器的線性應用652.應用

方波變尖頂波。3.實用電路

測震儀用于測量物體振動的不同物理量。電磁傳感器（速度傳感器）微分器積分器放大器123V測量速度測量加速度測量位移第三節(jié)運算放大器的線性應用66七、PI調(diào)節(jié)器比例-積分運算電路。uO與uI成比例-積分關系

iFi1iI12∞+_+R2R1CFRFuI–+uO–+當uI為恒定值時：第三節(jié)運算放大器的線性應用67iFi1iI12∞+_+R2R1CFRFuI–+uO–+當uI為恒定值時：ttOOuOuI

當t=0時：C上電壓不能突變。反相比例運算電路。

當t>0時：C充電，積分運算起作用。第三節(jié)運算放大器的線性應用68i1uImAi∞+_+R1D1D2D4D3八、交流電壓表電路

在交流量的測量中，一般把交流信號整流變?yōu)橹绷骱?，再加到電壓表頭上去。待測交流信號表頭整流電橋交流電流只能單相流向表頭。ui正半周時的電流路徑:

輸出端→D2→表頭→D4→R1→地。ui負半周時的電流路徑:

地→R1

→D1→表頭→

D3→輸出端。與表頭內(nèi)阻、二極管非線性無關，精度高u-=u+=uI第三節(jié)運算放大器的線性應用69九、電壓源和電流源由運放接上適當負反饋。同相輸入式反相輸入式UZ-+UO+-1.電壓源電路+USRR1DZR2RF∞

++-+USRR1R2DZRF∞

++-UO+-UZ-+電阻匹配R2=R1//RF第三節(jié)運算放大器的線性應用70同相輸入式反相輸入式UZ-+UO+-+USRR1DZR2RF∞

++-+USRR1R2DZRF∞

++-UO+-UZ-+

引入電壓負反饋，輸出阻抗小，UO可看作恒壓，不受負載RL變化的影響。改變RF,可調(diào)UO

。第三節(jié)運算放大器的線性應用712.電流源電路ILUF+-USR1R2R'F∞

++-RLRFF反相輸入式

引入電流負反饋，輸出阻抗大，IO可看作恒流，不受負載RL變化的影響。因為u-≈0恒定電壓改變RF或R'F,可調(diào)IL

。72USR1∞

++-RLRFILFUF+-同相輸入式因為U-≈US=UF改變RF,可調(diào)IL

。第三節(jié)運算放大器的線性應用73十、有源低通濾波器

濾波器——選頻電路，選擇有用頻率的信號，抑制無用頻率的信號。種類：低通、高通、帶通、帶阻。

低通濾波器——讓輸入信號中的低頻成份順利通過，而抑制或衰減高頻成份的濾波電路。

高通濾波器——讓輸入信號中的高頻成份順利通過的濾波電路。帶通濾波器——只允許通過有用頻段信號。

帶阻濾波器——抑制已知干擾和噪聲。第三節(jié)運算放大器的線性應用74無源濾波：RC電路。有源濾波：RC電路＋集成運放。僅由無源元件R、C、L組成。

不僅有無源元件，也有有源元件（晶體管、場效應、集成運放）。優(yōu)點：①信號可被放大。②輸入、輸出阻抗易于匹配，頻率特性不受負載變化的影響。CF有源低通濾波器

由

RF和CFL組成的并聯(lián)電路代替反饋電阻。RFR1R2∞+_+uIuO第三節(jié)運算放大器的線性應用75CFRFR1R2∞+_+對直流信號：對交流信號：

對于低于截止頻率f0的諧波分量（直流和低次諧波分量）放大倍數(shù)較大。而對于高于f0的諧波分量放大倍數(shù)較小。

低通濾波器——低頻成份順利通過，高頻成份受到衰減。uIuO第三節(jié)運算放大器的線性應用76對交流信號：f0Of截止頻率：低通濾波器的幅頻特性CFRFR1R2∞+_+uiuO第三節(jié)運算放大器的線性應用771.希望抑制50Hz電源的干擾2.有用信號的頻率低于10Hz3.輸入信號的頻率為100Hz~120Hz，希望防止干擾信號的混入——帶阻濾波器?！屯V波器?！獛V波器。討論采用何種濾波器?第三節(jié)運算放大器的線性應用78[例3-3-6]已知：

R1=100kΩ,RF/CF=5,

f0=10Hz。試計算:

RF及CF。解：iFi1uI–+12∞+_+R2R1iICFuO–+第三節(jié)運算放大器的線性應用RF=5R1=500kΩ

79

在控制、遙控、遙測、近代生物物理合醫(yī)學等領域，常常需要將模擬信號進行轉換。

在控制系統(tǒng)中，為了驅動執(zhí)行機構（記錄儀、繼電器），需將電壓轉換成電流。

在監(jiān)測系統(tǒng)中，為了數(shù)字化顯示，需將電流轉換成電壓。

在整流電路中，需將交流信號轉換成直流信號。

在數(shù)字測量系統(tǒng)中，為了數(shù)字化顯示，需將模擬信號轉換成數(shù)字信號。十一、電壓、電流轉換電路第三節(jié)運算放大器的線性應用801.電壓—電流變換電路RL做為負反饋電阻。

uIi1iL根據(jù)

u-=u+=uI,i1

=iL

輸出電流iL與輸入電壓uI成正比，而與RL無關

負載無接地端,電路改接為負反饋RLR1∞+_+RLR1R2RFR3∞+_+正反饋第三節(jié)運算放大器的線性應用81因iL=i3-i2

注：負反饋深度要大于正負反饋深度。負反饋RLR1R2RFR3∞+_+i1iFiLi3正反饋第三節(jié)運算放大器的線性應用82uIiFi1∞+_+RFR2R1uO2.電流—電壓變換電路根據(jù)

u-=u+=0,i1

=iF

輸出電壓uI與輸入電流

iL成正比，而與RL無關第三節(jié)運算放大器的線性應用83

十二、精密放大電路1.用途與特點

要求：輸入阻抗大、輸出阻抗低、增益穩(wěn)定、抑制共模信號能力強。

經(jīng)傳感器采集的的信號很弱，等效電阻隨所測物理量而變，且干擾和噪聲嚴重，使放大電路不能正常工作。

特點：高增益、高輸入阻抗、高共模抑制比。第三節(jié)運算放大器的線性應用84

2.電路組成uI1uI2uOiRABuO1uO2RR1∞_+A2∞_+A1R1R4R4MR2R2R3R3∞_+A3同相放大器（電壓跟隨器）差分放大器同相放大器高輸入電阻加減運算第三節(jié)運算放大器的線性應用85

3.工作原理uI1uI2uOiRABuO1uO2R1R2R∞_+A2R1R4R4MR2R3R3∞_+A3∞_+A1根據(jù)

u-=u+=uI

第三節(jié)運算放大器的線性應用86(1)抑制共模信號uOiRABuO1uO2R1R2R∞_+A2R1R4R4MR2R3R3∞_+A3∞_+A1uI1uI2

大小相等、方向相同的信號(2)放大差模信號

大小相等、方向相反的信號第三節(jié)運算放大器的線性應用87

4.集成儀表用放大器（INA102）

輸入阻抗104MΩ、輸出阻抗0.1Ω、共模抑制比100db。第三節(jié)運算放大器的線性應用88數(shù)字式溫度計電路5.應用舉例R1R2Rw+UCCDuO1R4R5RW2uO2

測量范圍：-50?+1500C；分辯率0.10C測量電橋儀表用放大器及電壓跟隨器數(shù)字電壓表∞+_+A2∞+_+A1隔離改變Au溫度傳感器數(shù)字顯示第三節(jié)運算放大器的線性應用第四節(jié)運算放大器的非線性應用一、比較器二、方波發(fā)生器90

無外加反饋或加正反饋。

uO有兩種可能:UOH

高電平

-UOL

低電平無反饋正反饋反饋網(wǎng)絡第四節(jié)運算放大器的非線性應用

uO

uR

uI∞+_+∞+_+

uI

uR

uO概述

運放工作在非線性區(qū)91第四節(jié)運算放大器的非線性應用電壓傳輸特性1.線性區(qū)

uo與uI成線性關系

uo＝Auo(u+－u-)2.非線性區(qū)（飽和區(qū)）uo

與uI不是線性關系uo有兩種可能uo＝＋UOm

高電平uo＝－UOm

低電平＋UCC－UEE電壓傳輸特性uOui=u+-u-O線性區(qū)非線性區(qū)因Auo=∞ui很小，要加負反饋不加反饋，或加正反饋復習921.“虛斷”的概念

i＋＝i－＝0

即:iI＝0

因rid=∞,iI近似為零。非線性區(qū)分析依據(jù)

因uI＝u+－u-，當uI大于零或小于零時，分別接近正或負電源電壓。當uI過零時會產(chǎn)生跳變，不再存在u+≈u-

。2.無“虛短”的概念

u+

＝u-

＋UCC－UEEuOu＋-u－O線性區(qū)非線性區(qū)電壓傳輸特性第四節(jié)運算放大器的非線性應用93(一)概述2.用途

模數(shù)轉換、電平檢測、自動控制、組成各種非正弦波的產(chǎn)生和變換電路。電壓比較器是一種模擬信號處理電路。

對輸入信號進行鑒別和比較的電路，比較兩輸入電壓uI和參考電壓uR大小，確定輸出狀態(tài)。

uO

uR

uI∞+_+一、比較器1.電路功能第四節(jié)運算放大器的非線性應用94單限比較器滯回比較器窗口比較器3.電壓比較器種類R2R1

uO

uR

uI∞+_+

uIRR1R2

uO

±UZDZ∞+_+

uI

URL

UHLR2R1DZ

uOD1D2

uO2

uO1+∞_+A1+∞_+A2第四節(jié)運算放大器的非線性應用951.過零電壓比較器（1）電路組成：

UR＝0（二）單限比較器兩種類型UR＝0

過零比較器UR≠0

一般單限比較器參考量

UR=0模擬量

uI數(shù)字量

uO反相輸入式R2R1∞+_+第四節(jié)運算放大器的非線性應用96（2）工作原理當uI>0時，

uO低電平當uI=0時，uO發(fā)生跳變當uI<0時，uO高電平uO是高電平還是低電平，取決于輸入信號uI與參考量UR的比較閾值電壓UR參考量

UR=0模擬量

uI數(shù)字量

uOR2R1∞+_+第四節(jié)運算放大器的非線性應用97

（3）電壓傳輸特性O

uO

uI+UOS-UOSURUR——uO從一個電平躍變?yōu)榱硪粋€電平的臨界條件UR——閾值電壓（門限電平、轉折電壓）。

參考量

UR=0模擬量

uI數(shù)字量

uOR2R1∞+_+第四節(jié)運算放大器的非線性應用98（3）uI變化經(jīng)UR時，uO躍變的方向：是從高電平躍變?yōu)榈碗娖?，還是相反。畫電壓傳輸特性三要素（2）輸出電壓：

高、低電平UOS、-UOS。（1）閾值電壓：UR

uI=UR時，電路uO發(fā)生躍變。uI加反相端：uI<UR，uO高電平uI加同相端：躍變方向相反O

uO

uI+UOS-UOSUR第四節(jié)運算放大器的非線性應用99第四節(jié)運算放大器的非線性應用

（4）波形變換作用討論Ot

uI-UOS+UOSOt

uO參考量

UR=0模擬量

uI數(shù)字量

uOR2R1∞+_+O

uO

uI+UOS-UOSUR100實驗八過零電壓比較器實驗目的：過零電壓比較器的輸出波形。建立電路：1.建立過零電壓比較器電路

2.輸出端限幅電路。

3.輸入端二極管保護電路。

4.輸入正弦波。實驗步驟：1.用示波器觀察輸入、輸出波形及電壓的大小。

2.改變穩(wěn)壓管類型(如uA723—ZD2),

再觀察輸出波形及電壓。EDA實驗

鏈接EDA8第四節(jié)運算放大器的非線性應用101EDA實驗過零電壓比較器第四節(jié)運算放大器的非線性應用102EDA實驗

結論:輸入正弦形，輸出方波。實驗數(shù)據(jù)：輸入波形輸出波形第四節(jié)運算放大器的非線性應用1032.一般單限比較器閾值電壓當uI>UR

時，uO低電平-UOS當uI=UR

時，uO發(fā)生跳變當uI<UR

時，uO高電平+UOSO

uO

uI+UOSUR-UOS

UR

uI

uOR2R1∞+_+第四節(jié)運算放大器的非線性應用104②uO=±UOS，

輸出電壓幅度決定

①以UR為參照畫波形思路Ot

uOUROt

uI+UOSt1t2t3－UOS當uI>UR時，

uO低電平當

uI=UR

時，uO發(fā)生跳變當uI<UR

時，uO高電平波形圖第四節(jié)運算放大器的非線性應用105t1t2+UOSOt

uIOt

uOOt

uO-UOS+UOS-UOSUR（三）滯回比較器

單限比較器缺點:抗干擾能力差。

uO在閾值電壓附近微小變化，都引起uO跳變。當uI<UR

時，uO=+UOS

高電平當uI=UR

時，uO

跳變當uI>UR

時，uO=-UOS

低電平第四節(jié)運算放大器的非線性應用106

1.電路構成在單限比較器基礎上引入正反饋。兩種方式未加參考電壓UR加參考電壓UR（1）未加參考電壓UR時

輸出電壓±UO反饋到同相端，兩個閾值電壓±U+。R2R1

U+1

U+2討論能否產(chǎn)生兩個閾值電壓?兩個門限電壓不是同時產(chǎn)生!R

uO

uI∞+_+第四節(jié)運算放大器的非線性應用107（1）不加參考電壓的滯回比較器閾值電壓：

O

uO

uIUth1Uth22.工作原理R2R1R

uO

uI∞+_+

U+1

U+2第四節(jié)運算放大器的非線性應用108

當uI從小于Uth1開始增大時：uI<+Uth1，uO保持高電平uI>+Uth1

，uO保持低電平閾值電壓變?yōu)閁th2當uI從大于Uth2方向減小時：uI>

Uth2，uO保持低電平uI<

Uth2，uO保持高電平假設電源接通瞬間，uO高電平。閾值電壓為Uth1uI=+Uth1

，uO

跳變uI=

Uth2，uO跳變討論R2R1R

uO

uI∞+_+

Uth1

Uth2第四節(jié)運算放大器的非線性應用109在Uth1處發(fā)生躍變，Uth2不起作用。當uI從足夠高開始減小時：在Uth2處發(fā)生躍變，

Uth1不起作用。

當uI從足夠低開始增大時：曲線方向性分析O

uO

uIUth1+UOH－UOLUth2討論電壓傳輸特性第四節(jié)運算放大器的非線性應用110a→b

uI從足夠低開始增大時：在Uth1處發(fā)生躍變，Uth2不起作用。b→c

uI從足夠高開始減小時：在Uth2處發(fā)生躍變，Uth1不起作用。c→d

uI從足夠低開始增大時：在Uth1處發(fā)生躍變，Uth2不起作用。Uth2Uth1t1t2UOHOt

uIOt

uOOt

uOUOLUOHUOLabcd第四節(jié)運算放大器的非線性應用111UR參考電壓作用Uth

－UOL低電平

+UOH高電平共同作用疊加uO作用

uO

uIR1(2)加參考電壓UR時

∞+_+

Uth1

Uth2

URR2閾值電壓：

第四節(jié)運算放大器的非線性應用112

單限比較器和滯回比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，只能檢測一個電平。uI單方向變化時，uO躍變兩次，形似窗口。要判斷ui是否在兩個給定電平之間，怎么辦呢？窗口比較器單限比較器O

uO

uI+UZUT－UZ滯回比較器+UZO

uO

uIUT1－UZUT2O

uO

uIUOHURLUOLURH第四節(jié)運算放大器的非線性應用113傳感器溫度環(huán)境溫度大電路信號放電壓信號物理變化量比較器參考量警電路聲光報（四）實際電路舉例實用電路舉例一——火災報警電路第四節(jié)運算放大器的非線性應用114火災報警電路-Ucc+Ucc-Ucc

A1R1R1R2R2

A2R3R4R6T蜂鳴器R5D

用兩個溫度傳感器檢測同一室內(nèi)溫度，分別放在金屬和塑料殼內(nèi)。正常情況下，發(fā)光二極管不亮，蜂鳴器不響；有火情時，報警。差分放大電路電壓比較電路聲光報警電路溫度傳感器1溫度傳感器2uI2uI1uO1uO2第四節(jié)運算放大器的非線性應用115火災報警電路討論哪種類型的電壓比較器？閾值電壓為多少？三極管工作在什么狀態(tài)？

一般單限比較器

UCC在R4上的分壓工作在開關狀態(tài)-Ucc+Ucc-Ucc

A1R1R1R2R2

A2R3R4R6T蜂鳴器R5D差分放大電路電壓比較電路聲光報警電路溫度傳感器1溫度傳感器2uI2uI1uO1uO2第四節(jié)運算放大器的非線性應用116恒溫控制系統(tǒng)框圖控制器執(zhí)行器加熱或降溫與設定值比較受控對象傳感器測量放大實用電路舉例二第四節(jié)運算放大器的非線性應用117恒溫控制系統(tǒng)原理圖第四節(jié)運算放大器的非線性應用118傳感器電路熱敏電阻第四節(jié)運算放大器的非線性應用119控制器和執(zhí)行器電路功率放大滯回比較第四節(jié)運算放大器的非線性應用1201.用途

輸入模擬信號輸出只有高電平和低電平兩種狀態(tài)（數(shù)字信號）。2.工作原理uI

>Uth

輸出低電平uI<Uth

輸出高電平(2)比較uI與Uth，確定uO狀態(tài)

電壓比較器

廣泛用于模數(shù)轉換、電平檢測、自動控制，組成各種非正弦波的產(chǎn)生和變換電路。反相輸入式無外加反饋或加正反饋。(1)工作在非線性區(qū)歸納第四節(jié)運算放大器的非線性應用121(2)滯回電壓比較器優(yōu)點：抗干擾性。構成：加正反饋。閾值電壓：Uth1、Uth2。傳輸特性：單方向跳變一次。3.種類(1)簡單電壓比較器（單限）構成：無反饋的運放。閾值電壓：Uth。傳輸特性：單方向跳變一次。單限比較器O

uO

uI+UZUth－UZ滯回比較器+UZO

uO

uIUth1－UZUth2122二、方波發(fā)生器

滯回電壓比較器＋RC電路

±UZDZ（一）電路組成RF

uOuC(u-)–+R3∞+_+UB–+滯回比較器負反饋網(wǎng)絡R1R2雙向限幅獲得合適的UOH、UOL。無論輸出高低電平：uO=±(UZ+UD)≈±UZ兩只反串穩(wěn)壓管：

一只擊穿工作UZ，

另一只正向導通UD

=

0.7VCRC電路第四節(jié)運算放大器的非線性應用123

閾值電壓：

uO通過RF對C充電，通過C放電，C上電壓按指數(shù)規(guī)率變化。比較器將uC與UB比較：

uC>UB

uO=-UZ為負值

uC<UB

uO=+UZ為正值（二）工作原理及波形分析

uO

±UZDZRFuC(u-)–+R3∞+_+UB–+R1R2C第四節(jié)運算放大器的非線性應用124

1.接通電源瞬間，假設uO高電平＝＋UZ時閾值電平為Uth1，uC=0。+UZ初始暫態(tài)時，uC=0穩(wěn)態(tài)時，uC→

+UZi充Ot

uCOt

uOUth1+UZ－UZ-UZ

當uC<Uth1時，uO高電平保持不變。

uC隨時間增長而升高，最終趨于+UZ

uC=0，uO通過RF向C充電，當uC>Uth1時，uO跳變?yōu)?UZ。

Uth1

uO

±UZDZRFR3∞+_+UB–+R1R2CuC(u-)–+第四節(jié)運算放大器的非線性應用125

uO

±UZDZRFR3∞+_+UB–+R1R2CuC(u-)–+

2.此時，uO低電平＝-UZ，UB=Uth2，uC=+uC，周而復始，產(chǎn)生自激振蕩。當uC>UTH2時，uO=-UZ保持不變。當uC<UTH2時，uO跳變?yōu)?UZ高電平。C通過RF放電，uC隨時間增長而下降，趨于-UZ。-UZi放穩(wěn)態(tài)時，uC→-UZ+UZUth2Uth1Ot

uCOt

uO－U