6 模拟信号运算与处理电路

第6章 集成运放的基本应用比例运算 模拟信号运算电路 求和运算 积分、微分运算 对数和指数运算 信号检测处理电路 有源滤波器 电压比较器 测量放大器器

6.1.1 比例运算电路比例运算电路有3种形式：反相输入、同相输入和差动输入

作用：将信号按比例放大。 类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联 负反馈。这样输出电压与运放的开环 放大倍数无关，与输入电压和反馈系 数有关。

一、反相放大器(反相比例放大器) 1、基本电路if vs

v+ = 0Rf – +

i1 R1iI R2

v+ =v–vo

v– = 0(虚短)

又 iI = 0vs R1 vo Rf

i1 = if(虚断) vo vi Rf R1

平衡电阻的作用：静态时，使 输入级偏流平衡，并让输入级 的偏置电流在运放两个输入端 的外接电阻上产生相等的压降

R2:平衡电阻。 R2 = R1 // Rf 若R1 = Rf vo = –vs 此为反相器。

输出电阻：Ro=0; 输入电阻:Ri=R1 (从输入和地向里看)

Auf

vo vi

Rf R1

由上式可知：电路实现了比例运算，其运算精度取 决于电阻阻值的精度。 由于“虚地”的特点，反相比例运算电路中集成运 放的同相输入端和反相输入端电压均基本上等于零。也 就是说，集成运放承受的共模输入电压很低，因此反相 比例运算电路选择运放时对共模抑制比和最大共模输入 信号不必提出很高的要求。

二、同相放大器(同相比例放大器)利用虚短和虚断的结论：if iI R1 vvs R2 v+ Rf –

v – = v+ = vs 由于 if = i1vo +vo R1 R f vs R1Rf R1 )vs

v o (1

输入电阻为：Ri =

输出电阻为：Ro=0

但是电路有共模信号输入

Auf

vo vi

1

Rf R1

由上面分析可知：输出电压与输入电压成比例，且相

位相同。R1=∞,或者Rf=0,则电压放大倍数等于1,这时 电路称为电压跟随器。 同相比例电路有输入电阻高的特点，但输入共模信号 电压高，对集成运放的共模抑制比和最大共模输入信号 要求也高。选用芯片时要注意。

三、电压跟随器

_ui

+

uo

结构特点：输出电压全 部引到反相输入端，信 号从同相端输入。电压 跟随器是同相比例运算 放大器的特例。

+

此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输 出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出 器相同，但是电压跟随性能好。

uo u u ui

四、差动比例运算电路(减法电路) R2

u u uo u u u i1 R1 u R2

ui1 ui2 R1

_

+

uo

R2ui2 u R1

+R1 R2

解出：uo R2 R1 ( u i 2 u i1 )

6.1.2 求和运算电路(加减运算电路)作用：将若干个输入信号之和或之差按比 例放大。类型：同相求和和

反相求和。 方法：可用虚短、虚断的概念来分析，也可 用叠加定理

一、反相加法器ui1

R11

R2

ui2

R12

_ +

+

uo

RP R11 // R12 // RF

RP

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。

ui1

R11

iF_+

R2

u u 0i11 i12 i Fuo

i11ui2

R12

+

i12

RP

u o (

R2 R11

ui1

R2 R12

ui 2 )

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。

二、同相加法器R1 + RF

ui1ui2

R21 R22

uo

+

R1 // RF R21 // R22

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。

R1 R21 R22 -

RF

ui1

+

+

uo

此电路如果以 u+ 为输入 ， 则输出为：u o (1 RF R1 )u

ui2

流入运放输入端的电流为0(虚开路)u R 22 R 21 R 22 u i1 R 21 R 21 R 22 ui2

uo (1

RF R1

)(

R12 R11 R12

ui1

R11 R11 R12

ui 2 )

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 单独调整。

R1R21 R22 -

RF

ui1 ui2

+ R´

+

uo

左图也是同相求和运算 电路，如何求同相输入 端的电位？

提示：1. 虚断路：流入同相端的 电流为0。

2. 节点电位法求u+。

例：设计一个加减运算电路， RF=240k ,使uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3 解: (1) 画电路。

双运放的加减运算电路ui1 ui2R1 RF1

u o1 R F 1 (

u i1 R1

ui2 R2

)

R2

+ R3

+

uo1 ui3

R4 R5

RF2

+ R6

+

uo

R3 R1 // R2 // RF1 , R6 R4 // R5 // RF 2

R F 1 u i1 u i 2 u i3 uo RF 2 ( ) RF 2 ( ) R4 R5 R2 R5 R 4 R1 u o1 u i3

6.5

电压比较器

功能： 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。

特性： 运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。

运放工作在非线性状态基本分析方法1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。 2. 运放工作在非线性状态的分析方法：

若U+>U若U+<U-

则UO=+UOM;则UO=-UOM。

虚断(运放输入端电流=0) 注意：此时不能用虚短！

2.1单门限电压比较器一、 过零比较器: (门限电平=0) uo

ui

+

+

+UOM

uo

0 -UOM uo

ui

+

+

ui

uo0 -UOM

+UOM ui

例题：利用电压比 较器将正弦波变为 方波。

uit

ui

+

+

uo+Uom

uo-Uom

t

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rxcm.html