16.2运放在信号运算方面的应用
运算放大器工作原理及应用
运算放大器工作原理及应用
运算放大器是一种基本的放大器电路，其主要作用是将输入信号放大并输出。
它采用了差分放大电路，将两个输入信号进行放大和差分运算，并输出放大后的差分信号。
运算放大器具有以下几个重要特点：
1. 高增益：运算放大器具有非常高的增益，通常在几千到几百万倍之间，使得输入信号可以得到大幅度放大。
2. 差分输入：运算放大器有两个输入端，称为非反相输入端（+）和反相输入端（-）。
它可以对这两个输入信号进行差分放大，从而实现对输入信号的放大和运算。
3. 可调增益：运算放大器具有可调增益的特性，可以通过外部电阻进行调节，以满足不同的放大需求。
4. 高输入阻抗和低输出阻抗：运算放大器的输入阻抗非常高，几乎不消耗输入信号的能量；而输出阻抗非常低，可以驱动各种负载。
运算放大器广泛应用于各种电子电路中，例如：
1. 仪器测量：运算放大器可以对微弱的传感器信号进行放大和处理，从而实现精确的测量和控制。
2. 运算放大器放大电路：在电路中，运算放大器可以用于对电
压、电流、频率等信号进行放大。
3. 模拟计算机：运算放大器可以用于实现各种模拟计算机的基本运算，例如加法、减法、乘法等。
4. 滤波器：运算放大器可以与电容、电感等元件组成滤波电路，用于对信号进行滤波和去噪。
总之，运算放大器是一种非常重要的放大器电路，具有高增益、可调增益、差分输入和广泛的应用领域。
它在电子工程中有着非常重要的作用。
运算放大器在信号处理中的应用
输出阻抗
输出阻抗是指运算放大器输 出端对负载的阻碍程度，低 输出阻抗可以提高放大器的 带负载能力。
带宽增益积
带宽增益积是指运算放大器 的开环增益与带宽的乘积， 它决定了放大器在处理高速 信号时的性能。
不同类型运算放大器特点比较
通用型运算放大器
具有适中的性能指标和广泛的应用范围，适 用于一般信号处理场合。
通信系统中应用案例
模拟调制与解调
运算放大器可用于实现模拟信号的调制和解调， 如振幅调制（AM）、频率调制（FM）等。
混频器与解调器
在通信系统中，运算放大器可作为混频器或解调器 ，实现信号的频谱搬移和检测。
信号整形与恢复
针对通信系统中因传输损耗引起的信号失真 ，运算放大器可用于信号的整形和恢复，提 高信号质量。
理想运算放大器的带宽无穷大 ，使得放大器能够处理任意频
率的信号。
实际运算放大器参数
输入阻抗
实际运算放大器的输入阻抗虽 然很高，但并非无穷大，通常
在几百千欧至几兆欧之间。
输出阻抗
实际运算放大器的输出阻抗很 低，但并非零，通常在几欧至 几百欧之间。
开环增益
实际运算放大器的开环增益很 高，但并非无穷大，通常在几 万至几百万之间。
ADC/DAC转换实现
根据具体应用场景选择合适的ADC/DAC芯片，设计相应的 电路和程序，实现模拟信号与数字信号之间的转换。
数字滤波器设计与实现
数字滤波器类型
包括低通、高通、带通和带阻等类型，可根据需求选择合适的滤波 器类型。
数字滤波器设计
根据滤波器类型和性能指标，设计相应的数字滤波器算法，如IIR、 FIR等。
REPORTING
音频信号处理案例
音频放大
运算放大器的作用
运算放大器的作用
运算放大器是一种电子装置，主要用于放大电路中的信号。
它可以增大输入信号的幅度，使其达到足够大的数值以便后续处理。
运算放大器通常由多个晶体管以及其他电子元件组成。
运算放大器在电子电路中有广泛的用途。
首先，它可以在放大器中起到放大输入信号的作用。
通过调节运算放大器的增益，可以将输入信号放大到所需的幅度。
这对于各种电子设备和系统中的信号处理过程非常重要。
其次，运算放大器在模拟计算器和模拟电脑中也是必不可少的部分。
它们可以进行各种数学运算，如加法、减法、乘法和除法，以及其他复杂的运算。
通过使用运算放大器，可以实现高精度和快速的模拟计算。
另外，运算放大器还可以用于信号滤波。
在许多电子设备中，可能会出现各种噪声和杂散信号，这会对正常的信号处理和识别造成干扰。
运算放大器可以通过滤除或衰减这些噪声信号，提高信号的质量和准确性。
此外，运算放大器还可以用于自动控制系统中的反馈机制。
通过将输出信号与期望信号进行比较，并通过运算放大器将误差信号放大到合适的幅度，可以实现对系统状态的监测和调节。
这种反馈控制可以提高系统的稳定性和精度。
总之，运算放大器在电子电路中起着至关重要的作用。
它们可以放大输入信号、进行模拟计算、滤波信号以及实现反馈控制。
这些功能使得运算放大器成为许多电子设备和系统中不可或缺的组成部分。
运算放大器 应用场景
运算放大器应用场景
一、运算放大器在信号处理中的应用
在信号处理中，运算放大器可以用来放大、滤波和反相等操作。
例如，在音频放大器的电路中，运算放大器可以将音频信号的电压进行放大，从而增强声音的音量。
此外，运算放大器还可以用来对信号进行滤波，以消除噪声和杂波。
二、运算放大器在测量仪器中的应用
在测量仪器中，运算放大器可以用来进行电压、电流和温度等参数的测量。
例如，在电压表中，运算放大器可以将被测电压信号放大，从而使电压表能够准确地显示电压值。
在电流表中，运算放大器可以将电流信号转换为电压信号，然后进行放大和显示。
三、运算放大器在控制系统中的应用
在控制系统中，运算放大器可以用来进行反馈控制和比例控制。
例如，在温度控制系统中，运算放大器可以将被控温度信号与设定温度信号进行比较，然后控制加热器的加热功率，从而使被控温度保持在设定温度范围内。
四、运算放大器在滤波器中的应用
在滤波器中，运算放大器可以用来进行低通滤波、高通滤波、带通
滤波和带阻滤波等。
例如，在语音通信系统中，运算放大器可以用来进行语音信号的滤波，以提高语音的清晰度。
五、运算放大器在信号发生器中的应用
在信号发生器中，运算放大器可以用来产生正弦波、方波和三角波等信号。
例如，在音频合成器中，运算放大器可以用来产生各种音调和音色的声音信号，从而实现音乐合成和声音效果的生成。
运算放大器是一种非常重要的电子元件，它在电子电路设计、控制系统和测量仪器等方面都有着广泛的应用。
在日常工作和生活中，我们常常会用到运算放大器，因此对于运算放大器的原理和应用有一定的了解是非常有必要的。
运放的几种用法
运放的几种用法运放是一种常见的电子器件，被广泛用于电子电路中。
它可以实现信号放大、滤波、比较、计算等功能。
在本文中，将介绍运放的几种常见用法。
1. 信号放大：运放最常见的用途之一是信号放大。
在很多电子电路中，信号往往需要经过放大才能达到适当的幅度。
运放可以根据电路中的反馈电路，自动调整输出信号的增益，从而实现信号的放大。
2. 滤波：滤波是信号处理中的一个重要环节。
运放可以被用来实现各种滤波器，例如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。
利用运放的高增益和频率响应特性，可以设计出各种滤波器电路，对特定频率范围内的信号进行滤波处理。
3. 反相放大：反相放大是运放的又一常见用法。
通过将输入信号经过一个反相电路接入运放的负反馈输入端，输出信号的相位将与输入信号相反。
这种放大方式可以用来增强信号的幅度，或者改变信号的相位。
4. 非反相放大：与反相放大相反，非反相放大将输入信号经过一个非反相的电路接入运放的非反馈输入端，输出信号的相位与输入信号相同。
这种放大方式可以用来放大信号的幅度，同时保持相位不变，适用于需要得到与输入信号相同相位的放大信号的情况。
5. 比较器：运放还可以被用作模拟信号的比较器。
通过将两个信号分别输入运放的两个输入端，运放输出将根据输入信号的大小关系产生高电平或低电平的输出信号。
比较器常用于电压或电流的判断、开关、自动控制等应用中。
6. 特殊应用：除了以上常见的用法，运放还可以用于各种特殊应用。
例如，运放可以通过组合、调整电阻和电容等辅助元件，实现各种数学计算功能，如加法、减法、乘法、除法等。
此外，运放还可以被用作振荡器、自激振荡器、调制解调器等特殊电路中的核心元件。
综上所述，运放在电子电路中有许多常见的用法，包括信号放大、滤波、反相放大、非反相放大、比较器等。
此外，运放还可以应用于各种特殊的电路设计中。
运放的使用极大地丰富了电子电路的功能，并广泛应用于各个领域，如通信、自动控制、仪器仪表、无线电频率等。
运放的原理和应用
运放的原理和应用1. 什么是运放运放（Operational Amplifier，简称Op-Amp）是一种电路元件，是基本的模拟电子电路中的重要器件，广泛应用于各个领域中。
运放具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗等特点，可以对电压、电流和功率等信号进行放大、滤波、求和、积分等处理。
2. 运放的原理运放可以看作是差分放大器、共尺寸器、输出级放大器和偏移电源构成的模块化集成电路。
其核心原理是通过高增益差分放大器将输入信号放大，再通过后级输出级放大器将放大后的信号输出。
3. 运放的基本参数运放的性能能力可以通过以下几个基本参数来描述：•增益（Gain）：运放的放大倍数，一般可以分为直流增益和交流增益。
•输入阻抗（Input Impedance）：运放对输入信号的阻碍程度。
•输出阻抗（Output Impedance）：运放输出信号时对外部电路的阻碍程度。
•带宽（Bandwidth）：运放能够有效放大信号的频率范围。
•输入偏置电流（Input Bias Current）：运放输入端的偏置电流大小。
4. 运放的应用领域运放作为一种重要的电路元件，被广泛应用于各个领域中。
下面列举了运放在不同领域中的一些典型应用：4.1 模拟电路中的应用•放大电路：运放可以作为信号放大器，将微弱的信号放大到合适的电平，以便后续电路进行处理。
•滤波电路：运放可以用于设计各种滤波器电路，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
•信号调理电路：运放可以用于放大、求和、积分、微分等处理信号的电路中。
•抑制噪声电路：运放可以用于设计噪声抑制电路，提高信号与噪声的比值，以获取清晰的信号。
4.2 仪器测量中的应用•运算放大器作为传感器信号放大器，将微弱的传感器信号放大到能够被测量设备读取的电平。
•通过运算放大器将传感器信号参与运算，实现对测量值的处理、滤波等。
•运放可以用于设计放大、求和、积分等信号处理电路，用于提高测量仪器的性能。
运算放大器的作用
运算放大器的作用运算放大器是一种特殊的放大器芯片，用于将微弱的输入信号放大到适合于后续处理的级别。
它在各种电子设备中广泛应用，包括通信系统、音频设备、仪器仪表和自动控制系统等。
运算放大器具有以下主要的作用：1. 放大信号：运算放大器主要作为信号的放大器使用。
它能够将微弱的输入信号放大到较高的电压或电流级别，以便于后续的处理和分析。
由于运算放大器本身具有高增益和高输入阻抗，所以能够实现对信号的精确放大。
2. 实现数学运算：运算放大器可以通过不同的电路连接方式，实现各种数学运算功能。
例如，通过负反馈电路连接，可以实现加法、减法、乘法和除法等运算。
这种能力使得运算放大器可以广泛应用于信号处理、控制系统和计算设备等领域。
3. 产生参考电平：运算放大器可以通过调整反馈电阻的比例，产生一个固定的参考电平。
这个参考电平可以作为其他电路的输入参考，用于比较、测量和判断等操作，从而实现更加精确的信号处理和控制。
4. 调节电压和电流：运算放大器可以通过负反馈电路实现对电压和电流的调节。
通过调整反馈电阻、输入电阻和输入电压等参数，可以实现对输出电压和电流的精确控制。
这种能力使得运算放大器在自动控制系统、调节电路和功率放大器等应用中非常重要。
5. 提供高输入阻抗：运算放大器具有非常高的输入阻抗，通常在百万到千万欧姆的范围内。
这种高输入阻抗可以有效减少输入信号源和电路之间的负载效应，从而保持输入信号的稳定性和精确性。
同时，高输入阻抗还能够避免对输入信号源的损耗，提高了系统的灵敏度和测量范围。
总的来说，运算放大器在电子设备中的作用是非常重要的。
它不仅可以实现信号的放大和精确处理，还能够提供参考电平、调节电压和电流，并具有高输入阻抗等特性。
这些功能使得运算放大器成为现代科技领域中不可或缺的一部分，并在各种应用场合中发挥着至关重要的作用。
运放的各种用法
运放的各种用法
运放是指运放放大器，它是一种电子元件，可以放大电信号。
它常用于音频放大、电路缓冲以及信号放大等应用。
以下是运放的一些常见用法：
1. 音频放大：运放可以用于放大音频信号，例如在音响系统中，将低电平的音频信号放大到适宜的电平。
2. 滤波器：运放可以用于构建滤波器电路，实现对特定频段的信号进行放大或削弱，用于音频均衡或降噪等应用。
3. 比较器：运放可以用作比较器，将输入信号与参考电压进行比较，并输出高或低电平信号，常用于与其他电路的逻辑判断。
4. 仪器放大器：运放可以用作仪器放大器，放大微弱的信号以便于观测、测量。
例如用于放大心电图、体温计等传感器信号。
5. 双运放电压跟随器：双运放电压跟随器可以用来提供稳定的电源电压，适用于需要稳定电压的电路。
6. 缓冲器：运放可以用作电路缓冲器，将输入电路和输出电路隔离，避免对输入电路造成负载。
7. 数模转换器：运放可以用于将模拟信号转换成数字信号，常用于模拟信号的数字化处理。
需要注意的是，运放应用的具体方法和电路设计会受到具体要求的影响，因此在实际中需要根据具体情况进行选择和设计。
运放的作用
运放的作用运放，即运算放大器，是一种常用的电子器件，具有放大、滤波、积分、微分等功能，广泛应用于电子测量、信号处理、控制系统等领域。
运放是一种特殊的差分放大电路，由于其内部电路结构和工作方式的特殊性，使得它具备了许多非常有用的功能和特性。
首先，运放可以实现信号放大。
运放的一个重要特点是具有高增益，可以将微弱的输入信号放大到较大的电压范围，从而使得原本难以读取的信号变得更加明确和可靠。
这使得运放在信号处理、数据采集等领域中发挥着重要的作用，例如在音频放大器、生物电信号放大器、测量仪器中广泛应用。
其次，运放可用于滤波。
运放内部具有多种电容和电阻元件，可以构成各种类型的滤波电路，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
通过适当的电路设计和参数选择，可以实现对不同频率信号的滤波作用，从而提取出感兴趣的频段信号，对噪声干扰进行抑制，使得信号质量得到改善。
此外，运放还具备微分和积分功能。
通过合理设计电路，可以实现对输入信号的微分和积分运算。
微分电路可以实现对信号的斜率变化进行放大，使得输入信号中的快速变化部分得到突出，常用于控制系统中的速度闭环控制，例如电机控制、机器人控制等。
积分电路则可以实现对信号的累加处理，常用于信号测量、数据积分等场合。
此外，运放还可以实现电压比较和开关功能。
通过连接适当的电阻和电路，可以使得运放的输出与内部参考电压进行比较，从而实现信号的判断和控制。
在自动控制系统中，常用于阈值判断、开关控制等功能。
总之，运放是一种非常重要和实用的电子器件，具有放大、滤波、积分、微分、比较等多种功能，广泛应用于电子测量、信号处理、控制系统等领域。
通过合理的电路设计和参数选择，可以根据具体需要实现不同的功能和特性，提高系统性能和信号质量。
运算放大器在实际中的应用
运算放大器在实际中的应用运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的集成电路，广泛应用于各种电子设备和系统中。
它可以对电压、电流和功率进行放大、滤波、求和、积分、微分等运算，是现代电子技术中不可或缺的关键元件之一。
本文将从不同领域的实际应用中，介绍运算放大器的重要作用。
一、信号放大与测量运算放大器最常见的应用就是作为信号放大器。
在测量领域中，运算放大器可以将微弱的信号放大到足够的幅度，以便被后续的电路或仪器进行处理和分析。
例如，在传感器信号采集中，运算放大器可以将传感器输出的微弱电压信号放大到可测量的范围，提高系统的灵敏度和测量精度。
二、滤波器运算放大器还可以用于构建各种滤波器电路，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
滤波器可以滤除不需要的频率成分，提高信号的质量和可靠性。
在音频领域，运算放大器被广泛应用于音频放大器、音频滤波器和音频调节器等电路中，使音乐和语音信号更加纯净和清晰。
三、比较器运算放大器还可以作为比较器使用，用于比较两个输入信号的大小。
当一个输入信号的电压高于另一个输入信号时，输出信号为高电平；反之，输出信号为低电平。
比较器常用于电压判别、开关控制、电路保护等应用中。
例如，在电源管理中，运算放大器可以监测电池电压，当电池电压过低时，触发报警或切断电路以保护电池和设备。
四、积分与微分运算运算放大器还可以实现积分和微分运算。
通过将电容和电阻与运算放大器相结合，可以构建积分器和微分器等电路。
在控制系统中，积分器可以用于控制系统的稳定性和抑制噪声；微分器可以用于快速响应和抑制低频干扰。
例如，在自动控制系统中，运算放大器可以作为PID控制器的核心部件，实现对温度、湿度、速度等参数的精确控制。
五、运算放大器的反馈电路运算放大器的反馈电路是其应用中的重要组成部分。
通过巧妙地构建反馈电路，可以改变运算放大器的增益、频率响应和稳定性等特性。
什么是运放的作用
什么是运放的作用运放（Operational Amplifier，简称Op Amp）是一种功能强大的电子器件，广泛应用于各个领域，如电子测量、通信系统、控制系统等。
它有着重要的作用，本文将从多个角度介绍运放的作用。
1. 信号放大作用运放最基本的作用就是对信号进行放大。
它能够将微弱的输入信号放大到更大的幅度，以便输出设备进一步处理。
运放可以实现高增益、低失真的放大，使得电路具有更好的灵敏度和准确性。
2. 信号滤波作用在电子系统中，常常需要对信号进行滤波以去除噪声或者选择感兴趣的频率分量。
运放可通过配合外部电容和电感等元件，实现低通、高通、带通和带阻等不同类型的滤波功能。
这样可以使得信号经过滤波后更加清晰、稳定，提高系统的性能。
3. 信号积分与微分作用运放可以被用来实现信号的积分和微分运算。
通过选择适当的电容或电感元件，并与运放组合成电路，可以对信号进行积分或微分运算。
这对于信号处理、控制系统和通信系统等方面具有重要意义，能够实现对信号的时域或频域特性的改变。
4. 比较器作用运放还可以被用作比较器。
它可以将输入信号与设定的阈值进行比较，并输出一个二进制的高（1）或低（0）电平。
这种比较器的应用十分广泛，比如电压检测、电平切换等场合。
5. 集成功能作用如今的运放已经成为了一种高度集成的电子器件，它不仅能完成上述的基本功能，还内置了许多其他功能，如多路开关、数字封锁等。
这种集成功能使得运放能够在更多的应用场景中发挥作用，提高整个系统的可靠性和性能。
综上所述，运放作为一种功能强大的电子器件，在信号放大、滤波、积分与微分、比较和集成功能等方面都有着重要的作用。
随着技术的进步和创新，运放的应用范围将更加广泛，为各个领域的电子系统带来更加优异的性能和功能。
什么是运算放大器它在电子电路中的作用是什么
什么是运算放大器它在电子电路中的作用是什么运算放大器（Operational Amplifier，简称OP-AMP）是一种集成电路芯片，广泛应用于电子电路中。
它以高增益和宽带宽特性而著称，可以在信号处理、信号放大、滤波和数学运算等方面起到重要的作用。
运算放大器的基本结构包括差分输入级、电压放大级和输出级。
差分输入级负责对输入信号进行差分放大，电压放大级负责对差分放大后的信号进行进一步放大，输出级负责将放大后的信号驱动至负载端。
运算放大器的作用主要体现在以下几个方面：1. 信号放大：运算放大器以其高增益特性，可以对微弱的输入信号进行放大，使其达到可以被后续电路处理的水平。
这在信号传输和处理中非常重要，在各类电子设备中广泛应用。
2. 数学运算：运算放大器可以通过反馈电路实现各种数学运算，如加法、减法、乘法、除法等。
通过合理的电路设计和连接方式，可以将运算放大器构成运算器、积分器、微分器等基本数学模块，方便实现各种复杂的信号处理算法。
3. 滤波器：运算放大器可以与电容、电感和电阻等元件组成电路，实现各种滤波功能。
根据不同的电路连接方式和参数设置，可以设计出低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等不同类型滤波器，对不同频率的信号进行筛选和处理。
4. 线性调节器：运算放大器通常具有高输入和高输出阻抗，可以将输入信号以较低的输出阻抗驱动至后续电路。
这对于电压和电流的线性调节非常有帮助，能够提高信号传输的质量和稳定性。
除了以上几个基本作用，运算放大器还可以用于比较器、振荡器、模数转换器等应用中。
通过改变反馈电路的连接方式和参数设置，可以使运算放大器具备不同的功能，满足不同的电路设计需求。
综上所述，运算放大器作为一种重要的电子元件，具有信号放大、数学运算、滤波和线性调节等多种作用。
它在电子电路中的应用非常广泛，为各类电子设备的正常运行和优化性能提供了有效的支持。
通过合理的使用和设计，可以充分发挥运算放大器的特性，实现更加精确和高效的信号处理。
运算放大器在信号运算方面的运用
运算放大器在信号运算方面的运用
集成运算放大器与外部电阻、电容、半导体器件等构成闭环电路后，能对各种模拟信号进行比例、加法、减法、微分、积分、对数、反对数、乘法和除法等运算。
运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。
所以，它的输出电压和输入电压的关系基本打算于反馈电路和输入电路的结构和参数，而与运算放大器本身的参数关系不大。
转变输入电路和反馈电路的结构形式，就可以实现不同的运算。
1、比例运算
（1）反相比例运算
图1 反相比例运算电路反相比例运算电路的输出电压和电压增益分别为
因存在“虚短”和“虚断”现象，故有U_=U+=0，即反相输入端电压近似为零，此现象称反相输入端“虚地”，此为反相输入的重要特点。
（2）同相比例运算
图2 同相比例运算电路同相比例运算电路的输出电压和电压增益分别为
，称电压跟随器。
2、加法运算
（1）反相加法运算
反相加法运算电路的输出电压为（2）同相加法运算
同相加法运算电路的输出电压为3、减法运算
减法运算电路的输出电压为
4、积分运算
积分运算电路的输出电压为
5、微分运算
微分运算电路的输出电压为。
运算放大器在信号运算方面的应用
运算放大器在信号运算方面的应用
第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成，这个放大器可以执行加与减的工作。
运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字，用来进行加、减、乘、除的运算，同时也成为实现模拟计算机（analog computer）的基本建构方块。
然而，理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。
今日的运算放大器，无论是使用晶体管（transistor）或真空管（vacuum tube）、分立式（discrete）元件或集成电路（integrated circuits）元件，运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。
早期的运算放大器是使用真空管设计，现在则多半是集成电路式的元件。
但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时，常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。
1960年代晚期，仙童半导体推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器，型号为μA709，设计者则是鲍伯·韦勒（Bob Widlar）。
但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代，741有着更好的性能，更为稳定，也更容易使用。
741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征，历经了数十年的演进仍然没有被取代，
很多集成电路的制造商至今仍然在生产741。
直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。
应用
运算放大器是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。
集成运放在信号运算方面的应用电子技术
集成运放在信号运算方面的应用 - 电子技术一、加法器图Z0613 电路具有对输入信号相加的功能。
依据抱负运放的基本特点可得：明显，电路可将输人信号按肯定的比例进行相加运算，故称之为加法器。
当R1 = R2 = R3 = Rf时，上式简化为UO = －（ Ui1+Ui2+Ui3 ）二、微分器电路如图Z0614所示，依据U+ = U-及Ii＝0可得：U+ = U- ＝0iC＝if因，故有：可见输出电压与输入电压的微分成比例，实现了微分运算。
三、积分器积分运算电路如图Z0615所示。
由图可得：从而可得：可见输出电压与输入电压的积分成比例，实现了积分运算。
四、对数及反对数运算器依据半导体PN结的伏安特性，可以实现对数及反对数运算。
图Z0616（a）为对数运算器电路。
在UCB≥ 0，UBE＞0的条件下，IC与UBE 相当宽的范围内有精确的对数关系。
即，从而有由代入上式则有：这表明该电路输出电压与输入电压的对数成比例，实现了对数运算功能。
同理，由图Z0616（b）可得：这表明该电路输出电压与输入电压的指数成比例，实现了指数运算功能，也即实现了反对数运算的功能。
利用前述几种运算器的组合还可以实现乘、除、乘方等运算。
这几种运算器都是模拟计算机中的基本单元。
例题：利用加法器和积分器求解微分方程：式中uo是由所产生的输出电压，设全部初始条件为零。
解：利用积分器解微分方程的思路是：把变量对时间的高次微商项多次积分，直至得到变量，同时通过选择电路参数满足方程式中所给系数。
本题；即对积分得，再积分得uo ，而又可由、 uo 及求和得到。
据此，原方程可变形为：两边积分有：接受求和积分器实现上式运算，电路如图Z0617所示。
图中A1为求和积分器，对方程右边三项积分后得出，A2对再次积分便得到 -uo，A3为反相器，输出即为uo在运算操作时，先将K1、K2接通一下，使C1、C2放电，从而实现初始条件。
当加入后，可用示波器观看uo 的波形，这就是所给微分方程的解。
16.3运算放大器在信号处理方面的应用
Ui
C
Uo
1 Uo j C 1 1 1 1 jRC Ui R 1 j j C 0
传 递 函 数
1 0 RC
T( j)
1 1 j 0
幅 频 特 性
T( j)
1 2 1 ( ) 0
幅频特性、幅频特性曲线
T( j)
Uo Ui
fo
16Hz 340Hz 1600Hz
1.一阶有源低通滤波器
RF R1
R1 U Uo R1 R F
Ui
R
+ +
C
Uo
1 jC U Ui 1 R jC
1 Ui RC 1 jC
U U
传 递 函 数
Uo
RF 1 (1 ) RC R1 1 jC Ui
§16.3 运算放大器在信号处理方面的应用 一、 有源滤波器 滤波电路的种类: 按信号性质: 模拟滤波器和数字滤波器 按所用元件: 无源滤波器和有源滤波器 按电路功能: 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器
按阶数:
一阶,二阶 … 高阶
传递函数、幅频特性
U i ( j)
filter
U o ( j)
传递函数中出现 的一次项,故称为一 阶滤波器
幅频特性及幅频特性曲线 传 RF 1 递 Uo (1 ) 函 RC R1 1 jC U i Ui 数
RF R1
R
+ +
C
Uo
Uo RF 幅频特性： U (1 R ) i 1
1 (0 ) RC
1 2 1 ( ) 0
集成运算放大电路在信号处理中的应用与分析
集成运算放大电路在信号处理中的应用与分析机制1006班刘珅 U3集成电路简称IC ，是在半导体制造工艺的基础上，将电路的有源器件、无源器件及其布线集中制作在同一块半导体基片上，形成紧密联系的一个整体电路。
其具有体积小，质量轻，可靠性高，寿命长，速度高，功耗低，成本低等特点，在当今信号处理方面应用极为广泛。
集成运算放大电路是一种具有高放大倍数、高输入阻抗、低输出电阻的直接耦合放大电路。
集成运算放大电路基本上又输入级、中间级、输出级、偏置电路四部分组成。
输入级是提供与输出端同相或者反相关系的两个输入端，通常采用差动放大电路；要求温漂要小，输入电阻要大。
中间级主要是完成电压放大任务，要求有较高的电压放大倍数；一般采用带有源负载的共射电压放大电路。
输出级是向负载提供一定的功率，属于功率放大，一般采用互补对称的功率放大器。
偏置电路是向各级提供稳定的静态工作电流，一般采用电流源。
下面，我们主要介绍一下集成运算放大电路线性及非线性应用，及其所构成的交流放大电路应用。
（一）集成运算放大电路的线性应用加上负反馈的集成运放电路可组成各种运算电路，由于工作在深度负反馈的条件下，所以运算电路的输入、输出关系基本取决于反馈电路和输入电路的结构与参数，而与运算放大器本身的参数无关。
故通过改变输入电路和反馈电路的形式及参数就可以实现不同的运算有源滤波电路典型的运用了集成运算放大电路的线性应用，用简单的RC低通电路与集成运算放大器就可以构成一阶有源低通滤波电路。
一阶有源低通滤波器通带内具有增益Auf，同时，采用同相输入比例运算电路，可将实际负载RL 与无源RC滤波电路隔开，从而使RL 对滤波器特性影响很小。
在一阶低通滤波电路的基础上，再 加一级RC 低通电路就构成二阶有源低通滤波电路。
如下图(a)所示。
但图中第一级RC 低通电路中 C 的下端不接地而接到集成运放的输出端，可在截止频率附近引入正反馈，使其幅频特性得到改善。
由于图中集成运放构成的同相比例运算电路实际上就是所谓压控电压源，故称图(a)所示电路为二阶压控电压源低通滤波电路的电压增益Auf=1+ RFR1即为滤波器的通带电压增益。
模电-3
i1 if
u+ = ui
i1 R1 + ui –
R2
i– u– – + u+ + i+
+ uo –
由虚短： u+ = u－
反相输入端不“虚地”
平衡电阻 R2=R1//RF
Auf uo R 1 F ui R1
电子与通信工程系
RF uo (1 )ui R1
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
中间级： T16 为射级输 出缓冲级， T17 构成以 T13 A 为有源负载的共射放大器。
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16.1 集成运算放大器的简单介绍
输出级： T23 构成以T13B 为有源负载的 射随器作为输出级的推动级，为消除 交越失真，在T23 射级电路中接有T19 、 T18 、R8 作为T14 、T26 的甲乙类偏置 电路，为互补推挽射级输出器。
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16.2运算放大器在信号运算方面的应用
电压跟随器
RF R1 + ui – – +
+
R2
+ uo –
此电路是同相比 例运算的特殊情况， 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。
Au=1 uo=ui
2 理想运放的符号：
u–
u+
+Uo(sat)
– +
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图16.2.1反相比例运算电路
结论：
① Auf为负值，即 uo与 ui 极性相反。因为 ui 加
在反相输入端。
② Auf 只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本 身参数无关。 ③ | Auf | 可大于 1，也可等于 1 或小于 1 。 ④ 因u–= u+= 0 ， 所以反相输入端“虚地”。
2 同相输入
2R2 vo vo2 vo1 (1 )(vS2 vS1 ) R1
显然调节R1可以改变放大器的增益。产品 数据放大器，如AD624等， R1有引线连出， 同时有一组组R1接成分压器形式，可选择连线 接成多种的R1阻值 。
课堂练习：求uo与ui1、ui2的运算关系式。
R1/K R1 ui1 – +
R1
ui2
R2 _
R1
+ +
RP uo2= ui2(1+R2/R1)=3V
R2 uo= R (uo2- uo1) 1 =(20/10)[3-(-1) ] =8V
16.2.3 积分和微分运算电路
1 积分运算电路 积分运算电路的分析方法与求和电路 差不多，反相积分运算电路如图16.2.5 所示。
uo uo uo
R3 RF RF (1 ) ui 2 ui 1 R1 R2 R3 R1
例题： R1=10k , R2=20k , ui 1=-1V， ui 2=1V 。 求:uo R2
ui1
_ + +
uo1= ui1=-1V
R1
_ + +
R2
uo
例16.2.1
求图16.2.12所示数据放大器的输出 表达式，并分析R1的作用。
图16.2.12 数据放大器原理图
解：vs1和vs2为 差模输入信号，为此vo1和vo2也是 差模信号，R1的中点为交流零电位。对A3是双 端输入放大电路。
所以
R2 vo1 (1 )vS1 R1 / 2 R2 vo 2 (1 )vS2 R1 / 2
例3(续)
uo = (ui /2)+2.5 = (ui +5) /2 ui
+5V 20k 20k 10k
V
20k
_ + +
_ 20k + uo1 10k + 5k
uo
uo1=－(10/20)(ui+5)=－(ui+5)/2
uo=－(20/20)uo1=－ uo1 =(ui+5)/2
图16.2.3 反相求和运算电路
16.2.3 减法运算电路
RF + ui1 + ui2 R2 – – R1 – + + R3
常用做测量 分析方法1： 放大电路 由虚断可得：
+ uo –
R3 u ui 2 R2 R3
R2 // R3 = R1 // RF
若 R1 = R2 ，R3 = RF RF 则：uo ( ui 2 ui 1 ) 由虚短可得： u u R1 若 R1 = RF R3 RF RF uo (1 ) ui 2 ui 1 则：uo ui 2 ui 1 R1 R2 R3 R1
16.2.1 比例运算电路 16.2.2 加法和减法运算电路 16.2.3 积分和微分运算电路
16.2.4 电压和电流转换电路
16.2.1 比例运算电路
1 反相输入
根据虚断I'i 0，故 V+0。且Ii If 根据虚短， V+ V- 0 Ii = (Vi－ V-)/R1 Vi/R1 Vo －If Rf =－Vi Rf /R1 闭环电压放大倍数 Auf= Vo /Vi =－Rf /R1 根据上述关系式，该电 路可用于反相比例运算。
t 积分饱和 u i = Ui > 0
采用集成运算放大器组成的积分电路，由于充电 电流基本上是恒定的，故 uo 是时间 t 的一次函数， 从而提高了它的线性度。
例16.2.1:画出在
给定输入波形
作用下积分器
的输出波形。
设Uo(sat)=13V
+Uo(sat) Tm=? 阶跃输入信号 图16.2.6 积分器的输入和输出波形
16.2.4 电压和电流转换电路
1 电流-电压变换器
2 电压-电流变换器
1 电流-电压变换器
图16.2.8是电流-电压变换器。
由图可知
vO = －iS Rf
可见输出电压与输 入电流成比例。 输出端的负载电流
图16.2.8电流-电压变换电路
vO iS Rf Rf iO = － iS RL RL RL
U o ( sat )
1 U I Tm RC
Tm
RCU o( sat ) UI
= 6. 5ms
应用举例：输入方波，输出是三角波。
ui
0
t
uo
0
t
16.2.5 微分运算电路
if RF i1 C1 + ui – ui Ui
O
– +
+
R2
uo –
由虚短及虚断性质可得 u+= u-= 0, i1 = if uo dui C1 + dt RF
u ui 1 uR1 uo ui 1 ui 1 R1 R1 RF
输出与两个输入信号的差值成正比。
分析方法2：利用叠加原理 减法运算电路可看作是反相比例运算电路与同相 比例运算电路的叠加。 RF RF R1 uo ui 1 – + R1 + u+ + + RF uo ui1 + (1 uo )u ui2 R2 R – R1 3 – – R3 RF (1 ) ui 2 R1 R2 R3
若输入信号电压为恒定直流量，即 ui= Ui 时，则 Ui 1 U OM 0t R1C F uo U idt R1CF t Ui R1C F
ui
Ui
O
uo
+ Uo(sat)
ui = –Ui < 0
线性积分时间
线性积分时间
–Ui
t
O
输出电压随时 –Uo(sat) 间线性变化
16.2.2 加法和减法运算电路
1 反相加法运算电路 在 反相比例运算电路的基础上，增加一个
输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图
16.2.3。此时两个输入信号电压产生的电流都 流向R 。所以输出是两输入信号的比例和。 当R1 fR2 Rf 时，输出等于两输入反 相之和。
vo (iRf ii 2 ) RRf vo ( i1 vi1 f vi2 ) R1 vi2 R2 vi1 ( ) Rf (Ri1 Ri2 ) v1 v 2 Rf Rf ( vi1 vi2 ) R1 R2
图16.2.5 积分运算电路
vi 根据虚地有 i ，于是 R 1 vO vC iC dt C 1 vi dt 图 16.2. 5 积分运算放大电路 RC
（动画17-2-1）
当输入信号是阶跃直流电压VI时，即
1 VI vO vC vi dt RC t RC
若 RL 固定，则输出电流与输入电流成比例， 此时该电路也可视为电流放大电路。
2 电压-电流变换器
图16.2.9的电路为电压-电流变换器
图16.2.9 电压-电流变换器
由图可知
vS = iO R
1 或 iO vS R
所以输出电流与输入电压成比例。
电压-电流和电流-电压变换器广泛应用 于放大电路和传感器的连接处，是很有用的 电子电路。
根据虚断，Vi =V+ 根据虚短，Vi =V+ VV+= Vi = Vo R1 /(R1+ Rf) Vo Vi [1+(Rf /R1)] 闭环电压放大倍数 Auf= Vo /Vi =1+(Rf /R1) 根据上述关系式，该 电路可用于同相比例运算。 当R1=∞或Rf=0时，则 Auf= 1，即电压跟随器
KR2 uo1 ui2 R2
+
– +
+
uo
dui uo RFC1 uo dt
–Ui
t
O
t
例3. A/D变换器要求其输入电压的幅度为0～＋5V， 现有信号变化范围为－5V～＋5V。试设计一电平抬 高电路，将其变化范围变为0～＋5V。
ui
+5V
电平抬高电路
uoA/D计算机来自+5V +2.5V -5V
uo = (ui /2)+2.5 V
图16.2.2同相比例运算电路
结论：
① Auf 为正值，即 uo与 ui 极性相同。因为 ui 加
在同相输入端。 ② Auf只与外部电阻 R1、RF 有关，与运放本
身参数无关。 ③ Auf ≥ 1 ，不能小于 1 。 ④ u– = u+ ≠ 0 ，反相输入端不存在“虚地”现象。
当 R1= 且 RF = 0 时， uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。 RF 由运放构成的电压跟 R1 随器输入电阻高、输出 – – + + + + uo + 电阻低，其跟随性能比 + uo + + R2 ui射极输出器更好。 – – – ui – 例： 7.5k +15V 这是一电压跟随器，电源 经两个电阻分压后加在电压 – 15k + + 跟随器的输入端，当负载 + RL变化时，其两端电压 uo RL uo 15k 不会随之变化， uo =7.5V。 –