4.1信號運算電路4.2信號測量電路4.3信號處理電路4.4信號產生電路(第五章講)4.5集成串聯型穩壓電路第4章集成運算放大器的應用14.1.1比例運算電路作用：將信號按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。電路結構：引入深度電壓并聯負反饋或電壓串聯負反饋。這樣放大倍數與運放本身無關，只與反饋系數即外部元件有關。4.1信號運算電路2i1=i21）放大倍數虛短虛斷1.反相比例運算電路結構特點：負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。電壓并聯負反饋uo_++R2R1RPuii1i2總電流反饋電流凈輸入電流32）電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻----使輸入端對地的靜態電阻相等，保證靜態時輸入級的對稱性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2為保證一定的輸入電阻，當放大倍數大時，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數較大時，該電路結構不再適用。RP=R1//R24電位為0，虛地輸出電阻小；共模電壓為0；“虛地”是反相輸入的特點。_++R2R1RPuii1i23）反饋方式電壓并聯負反饋輸出電阻很小，輸入電阻也不大。5反相比例電路的特點1）共模輸入電壓為0，因此對運放的共模抑制比要求低。2）由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。接近恒壓源。3）由于并聯負反饋的作用，輸入電阻小，因此從信號源取的電流較大。對信號源要求較高。5）在放大倍數較大時，該電路結構不再適用。4）輸入和輸出反相。62.同相比例運算電路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反饋方式：電壓串聯負反饋，輸入電阻高。虛短虛斷結構特點：負反饋引到反相輸入端，信號從同相端輸入。udiuf7同相比例電路的特點3）共模輸入電壓為ui，因此對運放的共模抑制比要求高。1）由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是0，因此帶負載能力強。2）由于串聯負反饋的作用，輸入電阻大。4）輸入與輸出同相，放大倍數大于等于1。8_++uiuo此電路是電壓串聯負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。3.電壓跟隨器結構特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。94.1.2加法和減法運算電路作用：將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。類型：同相加法與反相加法。電路結構：引入深度電壓并聯負反饋或電壓串聯負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環放大倍數無關，與輸入電壓和反饋系數有關。101.反相加法運算R12_++R2R11ui2uoRPui1實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，以適應不同的需要。11i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1可用疊加原理虛地122.同相加法運算實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，以適應不同的需要。_R1RF++ui1uoR21R22ui213先求u+與輸出關系，則有：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+與ui1

和ui2的關系如何？流入運放輸入端的電流為0（虛斷）疊加原理14-R1RF++ui1uoR21R22ui2R′左圖也是同相求和運算電路，如何求同相輸入端的電位？提示：1.虛斷：流入同相端的電流為0。2.節點電位法求u+。u+15_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：3.減法運算電路：雙端輸入差動放大器16_++R2R1R1ui2uoR2ui1差動放大器放大了兩個信號的差，實現了減法運算。該電路的特點：由于采用雙端差動輸入，故具有高共模抑制比；但是由于有并聯負反饋存在，故它的輸入電阻不高。17減法運算用疊加原理求解反相比例運算_++R2R1R1ui2uoR2ui118同相比例運算_++R2R1R1ui2uoR2ui119_++R2R1R1ui2uoR2ui1減法運算用疊加原理求解20取R2=R1減法電路既可以得到兩個信號的差，又放大兩個信號的差。(5)減法運算21例

：

A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為0~+5V，現有信號變化范圍為-5V~+5V。試設計一電平抬高電路，將其變化范圍變為0~+5V。+5V-5V+5V+2.5V電平抬高電路A/D計算機uiuouo=0.5ui+2.5（V）實現此功能的方法很多22uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k23i1iFui-++RR2Cuo1.反相積分運算由于是反相積分故為負4.1.3積分和微分運算電路24tui0tuo0U-UomTM積分時限如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經過一定的時間后輸出飽和。恒流充電，故積分效果好。幾乎線性，不是指數充電。25tui0tuo0輸入方波，輸出是三角波也可以構作同相微分和同相積分電路，則輸出為正，輸入與輸出同相。波型變換26其他一些運算電路：對數與指數運算電路、乘法與除法運算電路等，由于課時的限制，不作為講授內容。積分電路的主要用途1.在電子開關中用于延遲。2.波形變換。例：將方波變為三角波。3.A/D轉換中，將電壓量變為時間量。4.移相等。27比例-積分運算電路uoCFuiR2R1++––++–RFifi1電路的輸出電壓上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分PI調節器,常用于控制系統中,以保證自控系統的穩定性和控制精度。改變RF和CF，可調整比例系數和積分時間常數,以滿足控制系統的要求。—PI調節器28u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若輸入：則：2.反相微分運算290tuo0tuiui–++uoRR2i1iFC反相微分運算30比例-微分運算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分控制系統中，PD調節器在調節過程中起加速作用，即使系統有較快的響應速度和工作穩定性。—PD調節器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiC314.2.1電壓表電路4.2信號測量電路1.直流電壓表電路IG正比于UX虛短虛斷_++RFRGF輸入電阻大，相當于電壓表的內阻是。若：RF=10，表頭的滿偏電流IGmax=100A，則：滿偏電壓

Uxmax=IGmaxRF=1mV32電路的優點：(1)量程由表頭的滿偏電流IG和電阻RF決定。RF選用小電阻，能測量較小的電壓；(2)輸入電阻高，對被測電路影響小；(3)測量值與表頭內阻RG無關，表頭的互換性好；(4)RF小，可以做得較精密。因此能較準確地測量小電壓。UX=UF=RF

IG33電壓表擴大量程_++RFRGFIG1mV表頭分壓電阻的計算取R1=100kR2=900kΩ,R3=1MΩR1R2R31mV10mV100mV342.交流電壓表電路_++D2D1D4D3uxuoRF整流橋把交流變成直流;ux>0時，電流由輸出端經D2、表頭、D4和電阻RF入地，uo>0;ux<0時，電流經由電阻RF、D1、表頭和D3流入輸出端，uo<0;表頭電流方向不變。表頭指示值與反饋電阻無關，即表頭的內阻和二極管的非線性電阻不會影響測量精度。35_++RFRGF1mV表頭10010A10100A11mA表頭的滿偏電壓UG=IGRF=1mV4.2.2電流表電路+RU–=UF=IGRF

，U–=U+=IXRIGIX1.直流電流表電路362.交流電流表電路_++D2D1D4D3ix交流電流表電路與交流電壓表電路類似，但被測電流從反相端引入。流過表頭的電流為被測正弦電流ix的全波整流平均值Iav。37_++RFRGF3.電阻表IGRUsRXUX1mV表頭384.2.3測量放大器電路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+39uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短：虛斷：40因具有差動輸入結構，故有高共模抑制比。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+41例

:由三運放放大器組成的溫度測量電路。uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+US=+5VRRRRtuiRt：熱敏電阻集成化:儀表放大器選擇合適的電阻，使輸出電壓與溫度之間有某一比例關系，由此可實現溫度測量及控制。測溫電橋42Rt=f(T°C)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+US=+5VRRRRtui43

4.3信號處理電路4.3.1RC有源濾波電路

濾波器是一種選頻電路。它能選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。

無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。

有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。缺點：低頻時體積大，很難做到小型化。優點：體積小、效率高、頻率特性好。按頻率范圍的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通和帶阻等。441.有源低通濾波器uiuoRFuCCR++–R1+–++––設輸入為正弦波信號,則有45若頻率為變量，則電路的傳遞函數其模為幅頻特性0|Auf0||T(j)|O46當

>0時，|T(j)|衰減很快顯然，電路能使低于0的信號順利通過，衰減很小，而使高于0的信號不易通過，衰減很大，稱一階有源低通濾波器。為了改善濾波效果，使>

0時信號衰減得更快些，常將兩節RC濾波環節串接起來，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++–R1+–ui+–RC一階二階幅頻特性0|Auf0||T(j)|O472.有源高通濾波器uiuoRFCR++–R1+–+–設輸入為正弦波信號，則有48可見，電路使頻率大于0的信號通過，而小于0的信號被阻止，稱為有源高通濾波器。若頻率為變量，則電路的傳遞函數其模為幅頻特性0|Auf0||T(j)|O49++uouiURuoui0+Uo(sat)-Uo(sat)UR當ui<UR時,uo=+Uo(sat)當ui>UR時,uo=-Uo(sat)

1.任意電壓比較器（單閾值比較器，UR不為零）a.反相端輸入信號UR：參考電壓ui

：被比較信號4.3.2電壓比較器50uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)URUR：參考電壓ui：被比較信號

++uouiUR–特點：運放處于開環狀態。當ui>UR時,uo=+Uo(sat)當ui<UR時,uo=-Uo(sat)

b.同相端輸入信號傳輸特性51uoui0+Uo(sat)-Uo(sat)++uoui2.過零比較器(UR=0時)++uouiuoui0+Uo(sat)-Uo(sat)傳輸特性曲線ui>0則輸出為正，反之為負。ui<0則輸出為正，反之為負。52++uouitui例：利用電壓比較器將正弦波變為方波。uot+Uom-Uom方波與正弦波同相。問：若反相輸入則如何？可實現過零檢測53++uouiRRLDCuo1uo2例：畫出輸出電壓uO1，uO2，uO的波形。tuituo1tuo2tuo54++uiuoui0+UZ-UZ改進電路++uiuoUZRR′電壓比較器的另一種形式

——將雙向穩壓管接在負反饋回路上uoUZR注意此電阻不可少(用穩壓管進行限幅)55單閾值比較器的特點:1.電路簡單。2.當Ao不夠大時，輸出邊沿不陡。3.容易引入干擾。uiuo飽和區線性放大區+Uo(sat)-Uo(sat)tuiuo過零附近仍處于放大區t561.下行遲滯比較器分析1.因為有正反饋，所以輸出飽和。2.當uo正飽和時(uo=+Uo(sat))：U+3.當uo負飽和時(uo=–Uo(sat))：－++uoRR2R1ui特點：電路中有正反饋。a.參考電壓為零3.遲滯比較器（雙閾值比較器)57分別稱UH和UL上下門限電壓。稱(UH-UL)為回差電壓。當ui增加到UH時，輸出由Uo(sat)跳變到-Uo(sat)

；－++uoRR2R1ui當ui減小到UL時，輸出由-Uo(sat)跳變到Uo(sat)。傳輸特性uoui0Uo(sat）-Uo(sat)UHUL小于回差的干擾不會引起跳轉(抗干擾)。正程逆程58tuiUo(sat)-Uo(sat)tuiUHUL例：下行遲滯比較器的輸入為正弦波時，畫出輸出的波形。－++uoRR2R1ui特點：上下限對稱；因為是反相輸入故輸出與輸入反相。因為有回差，所以抗干擾能力強。干擾跳變沿更陡59b.參考電壓不為零加上參考電壓后的上下限：－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL呈現不對稱性回差只與電源電壓及電阻R1和R2有關，而與參考電壓無關。60下行遲滯比較器兩種電路傳輸特性的比較:－++uoRR2R1uiuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL61例:

R1=10k，R2=20k，UOM=12V，UR=9V。當輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL5V10Vuit062首先計算上下門限電壓：－++uoRR2R1uiUR63+UOM-UOM根據傳輸特性畫輸出波形圖。uiuott10V5V002V－++uoRR2R1uiURuoui0Uo(sat)-Uo(sat)UHUL2V10V64c.加限幅的遲滯比較器電路在輸出端加上雙向穩壓管進行限幅。思考題：如何計算上下限？uoUZ－++RR2R1ui65－++RR2R1uiuoUZ另一種加限幅的遲滯比較器電路664.3.3半波精密整流電路-+RFuo+R1R2uo1uiD1D2反饋回路中接入二極管，可以對小于死區電壓的信號進行整流，從而提高測量精度。67-+RFuo+R1R2uo1uiD1D2當ui>0時，D1導通D2截止，uo=0。當ui<0時，D2導通D1截止，反相比例。tuituO00Um實際上當uo1-uo<UD

(D2死區電壓)時，D2仍截止。68則D2只有在時導通。當uo1

-uo≥UD

(D2死區電壓)時，D2才導通：當uo1-uo

<UD

(D2死區電壓)時，D2仍截止，電路如上圖，運放工作在開環狀態。uo1=Auouiuo=0

(虛地)-+RFuo+R1R2uo1uiD269模擬開關模擬輸入信號1.電路4.3.4采樣保持電路

SuC+–ui+–uo+–++–

采樣保持電路，多用于模-數轉換電路（A/D）之前。由于A/D轉換需要一定的時間，所以在進行A/D轉換前必須對模擬量進行瞬間采樣，并把采樣值保存一段時間，以滿足A/D轉換電路的需要。用于數字電路、計算機控制及程序控制等裝置中。采樣存儲電容控制信號電壓跟隨器702.工作原理1.電路采樣階段：

uG為高電平，S閉合(場效應管導通)，

ui對存儲電容C充電，uo=uC

=ui。保持階段：

uG為0，S斷開(場效應管截止)，輸出保持該階段開始瞬間的值不變。采樣脈沖uitouGto采樣速度愈高，愈接近模擬信號的變化情況。SuC+–ui+–uo+–++–uG714.4節在第五章講724.5集成串聯型穩壓電路穩壓管穩壓電路開關型穩壓電路線性穩壓電路常用穩壓電路(小功率設備)在小功率設備中常用的穩壓電路有穩壓管穩壓電路、線性穩壓電路和開關型穩壓電路等。其中穩壓管穩壓電路最簡單，但是帶負載能力差，一般只提供基準電壓，不作為電源使用。開關型穩壓電源效率較高，目前用的也比較多，但因學時有限，這里不做介紹。以下主要討論線性穩壓電路。73調整元件--T+_UI++UO比較放大基準取樣URFUO+_C2RL調整元件T--與負載串聯，通過全部負載電流。調整元件可以是單個功率管，復合管或用幾個功率管并聯。比較放大器--可以是單管放大電路，差動放大電路，集成運算放大器。基準電壓--可由穩壓管穩壓電路組成。取樣電路--取出輸出電壓UO的一部分和基準電壓相比較。因調整管與負載接成射極輸出器形式，為深度串聯電壓負反饋，故稱之為串聯反饋式穩壓電路。741.串聯式直流穩壓電路的基本形式由于采用了射極輸出器，所以帶負載的能力增強。Uo=UZ-UBETUORL+–+–UZUIiRiZiL兩個主要缺點：(1)穩壓效果不好，輸出電壓受穩壓管影響。(2)輸出電壓不可調。

改進的方法：在穩壓電路中引入帶電壓負反饋的放大環節。752.改進的串聯型穩壓電源UoVB2UBE2(=VB2-UZ）VC2Uo當UI增加或輸出負載變化使Uo升高時R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIVB2C2利用電壓負反饋穩定輸出電壓a.穩壓原理76b.輸出電壓可調R3T1T2UZRRW1RW2R1RWR2RLUO+_+_UIUB2（滑動頭