模电第二章 集成运算放大器的线性应用基础.ppt

第二章 集成运算放大器的线性应用基础 本章重点介绍集成运算放大器的模型、电压传输特性、线性和非线性应用以及非理想特性对实际应用的限制。 2.1 集成运算放大器的符号、模型和电压传输特性 一、集成运算放大器的符号 二、集成运算放大器模型（电压放大器为主） 三、集成运算放大器的电压传输特性 若输入差模电压定义为反相， 即： 2.2 深度负反馈—扩展线性放大范围 一、引入深度负反馈的意义： 反相输入组态分析： 引入深度负反馈后的闭环放大倍数为： 同相输入组态分析： 引入深度负反馈后的闭环放大倍数为： 2.3 几种基本运算电路 一、比例运算放大器 同相比例放大器的特点： 反相比例放大器的特点： 问题：1）分析运放A1、A2 的功能各是什么？ 例 2.3.4 问题：分析运放在不同输入下的输出关系。 例2.3.4 试设计一个相加器，完成uo= -(2ui1+3ui2)的运算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均≥100kΩ。 解：由戴维南定理对电路等效为： 例∶电路如图（参数见图） 2.4 有源RC滤波器 滤波器是具有频率选择功能的电路，允许一定频率范围内的信号通过，而对不需要的频率范围内的信号实现有效抑制和衰减。 2.5 非理想特性对实际应用的限制 器件的许多非理想因素影响电路的特性，因此根据电路和信号的需要选择器件的型号。 根据以上分析，运算放大器的一般选择原则： 4、有源带阻滤波器（陷波器） 功能：用来滤除某一不需要的频率 1）用低通和高通滤波器并联组成带阻滤波器 传递函数为： 典型电路为无源双T网络加运算放大器。无源双T网络是典型的由低通(R–2C–R)和高通(C–R/2–C)组合构成的带阻滤波器，但其Q值很低。加之反馈后，Q值有了很大的提高。 2）用带通和相加器组成带阻滤波器 用带通滤波器和相加器组成带阻滤波器 带阻滤波器的传递函数 5、全通滤波器—移相器 功能：对频率没有选择，但可以实现相位校正或相位均衡。 幅频特性为： 一阶全通滤波器的电路如图： 6、由积分器和相加器构成的二阶有源状态变量滤波器 特点：可以同时实现高通、带通、低通和带阻。 二阶高通滤波器的传递函数： 有： 由此构成的信号流图： 一个原点零点，因此是带通滤波器。 该式没有零点，因此是低通滤波器。 结论：根据以上分析，该滤波器三个不同的输出端分别对应高通、带通和低通，实现了多种滤波功能。 滤波器参数和元件关系分析如下： 对比 例2.4.4 设计多功能滤波器，要求 f0=2kHz，Q=2，A=1.5。 解： 1）选择: Rf = R1 = 10 kΩ 2）选择: R3 和 R2 选 R3 =30 kΩ，则 R2 =10 kΩ。 3）根据反相积分器传递函数 选 C =0.01μF 7、模拟电感电路 运用运放和 RC 电路，产生等效的模拟电感。 称等效电感或模拟电感。 可以产生模拟电感的频变负阻电路 设 则 即模拟电感为 故上述电路也称频变负阻电路。 若 则 选择器件的两个主要因素：精度和速度 精度指标：开环增益、共模抑制比、输入阻抗、失调电压、失调电流、输入偏流、噪声等。 速度指标：频带宽度、压摆率。 五、微分器 微分器：输出电压与输入电压的微分成正比。 积分器的传输函数为： 传输函数的幅相特性为： S域表达式： 频域表达式： 微分器的时域分析： 输入电压与输出电压的关系为： 微分器的问题：微分器的高频增益大，因此噪声经过微分器会放大；其次输入信号的跃变会导致运放饱和，且微分器的工作稳定性不好。 一般用积分器代替微分器。 例： 六、电压-电流变换（V/I）和电流-电压变换（I/V） 1、电压-电流变换（V/I） 功能：电压信号转换成电流信号。 电压-电流变换电路 如图： 则： 结论：负载电流IL与输入电压ui成正比，与负载ZL无关。 2、电流-电压变换（I/V） 功能：将微弱的电流信号转换成电压信号。 电流-电压变换电路 对运算放大器的要求是输入电阻要趋向无穷大，输入偏流IB要趋于零。则光电流将全部流向反馈电阻Rf，输出电压uo=-Rf·i1。运算放大器CA3140的偏流IB=10-2 nA，故其就比较适合作光电流放大器。 例2.3.9 仪用放大器又称数据放大器，电路如图。求输出电压。 电路特点：A1、A2组成同相比例放大器，输入电阻大，且电路对称， A3组成相减电路。 输出电压： 由“虚短路”和“虚断路”有： 输出电压： 总增益： 通过对RG 的调节，可以获得不同的增益。 例2.3.10 运放电路如图。求输出 电压与输入电压的关系。 解： 由“虚地”、“虚断路”有： 电路特点：电路增益和输入电阻要求都比较高时，各电阻的