9.3 集成运放在信号处理方面的应用


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9.3 集成运放在信号处理方面的应用

在自动控制和调节系统以及数据采集处理系统等多种场合中，经常要对信号进行比较、幅度鉴别、滤波、采样与保持、波形的变化与整形等不同处理。

9.3.1 有源滤波电路

有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。它能选出所需要的频率范围内的信号，使其顺利通过；而对于频率超出此范围的信号，使其不易通过。

不同的滤波器具有不同的频率特性，大致可分为低通、高通、带通和带阻4种。

仅由无源元件R、C构成的滤波器叫做无源滤波器。无源滤波器的带负载能力较差，这是因为无源滤波器与负载间没有隔离，当在输出端接上负载时，负载也将成为滤波器的一部分，这必然导致滤波器频率特性的改变。此外，由于无源滤波器仅由无源元件构成，无放大能力，所以对输入信号总是衰减的。

由无源元件R、C和放大电路构成的滤波器叫做有源滤波器。放大电路广泛采用带有深度负反馈的集成运算放大器。由于集成运算放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使滤波器输出和输入间有良好的隔离，便于级联，以构成滤波特性好或频率特性有特殊要求的滤波器。

如图9-27所示的是无源滤波器及其幅频特性。

在图9-27（a）中

（9.3.1）

在图9-27（b）中

（9.3.2）

它们的截止角频率均为。

无源滤波电路主要存在如下问题：

（1）电路的增益小，最大仅为1。

（2）带负载能力差。如在无源滤波电路的输出端接一负载电阻R_L，如图9-27（a）、（b）虚线所示，则其截止频率和增益均随R_L而变化。以低通滤波电路为例，接入R_L后，传递函数将成为

（9.3.3）

式中：，，。

可见增益，而截面频率。为了克服上述缺点，可将RC无源网络接至集成运放的输入端，组成有源滤波电路。

（a）低通滤波电路（b）高通滤波电路

（c）低通幅频特性（d）高通幅频特性

图9-27 无源滤波器及其幅频特性

1．低通滤波电路

一阶低通有源滤波器可以分为反相输入和同相输入两种电路形式，如图9-28（a）、（b）所示。由于有源滤波器加入了深度负反馈，使运放工作在线性状态，虚断路、虚短路和虚地的原则及其分析方法均适用。为了方便起见，在推导滤波器的频率特性时，假设输入、输出信号为正弦稳态，电压、电流用相量表示，电容用复数阻抗表示，根据电路结构即可列出滤波器的频率响应表达式。注意，导出的频率特性是有源滤波器本身的特性，只与电路结构和参数有关，而与输入、输出信号的形式、种类无关。

输出电压为（9.3.4）

而

所以传递函数为

（9.3.5）

（a）RC接同相输入端（b）RC接反相输入端

图9-28 低通滤波电路

低通滤波器的通带电压放大倍数是当工作频率趋近于零时，其输出电压U_o与其输入电压U_i的比值，记作A_up；截止角频率是随着工作频率的提高，电压放大倍数（传递函数的模）下降到时对应的角频率，记作，如图9-29（a）所示。

，（9.3.6）

，（9.3.7）

（a）理想特性（b）一阶实性低通幅频特性

图9-29 低通滤波电路的幅频特性

一阶有源低通滤波器的幅频特性与理想特性相差较大，滤波效果不够理想，采用二阶或高阶有源滤波器可明显改善滤波效果。如图9-30所示的电路为用两级RC低通滤波电路串联后接入集成运算放大器构成的二阶低通有源滤波器及其幅频特性。

图9-30 二阶低通有源滤波器及其幅频特性

2．高通滤波电路

高通滤波器和低通滤波器一样，也有一阶和高阶。将低通滤波器中的电阻R和电容C对调即成为高通滤波器，如图9-31所示。

以图9-31（a）为例进行讲解。

，

所以

则（9.3.8）

式中：A_up为通带电压放大倍数

（9.3.9）

通带截止角频率

（a）同相输入（b）反相输入

图9-31 高通滤波电路

其幅频特性如图9-32所示。

（a）理想幅频特性（b）实际高通幅频特性

图9-32 高通滤波器的幅频特性

同样的方法可以得到图9-32（b）的特性。

（9.3.10）

式中：，。

为了使有源滤波器的幅频特性更加接近理想特性，即在通频带以内特性曲线更平缓，在同频带以外特性曲线衰减更陡峭，可以采用二阶或高阶有源滤波器。

3．带通滤波电路和带阻滤波电路

将截止频率为的低通滤波电路和截止频率为的高通滤波电路进行不同的组合，就可获得带通滤波电路和带阻滤波电路。如图9-33（a）所示，将一个低通滤波电路和一个高通滤波电路“串联”组成带通滤波电路，>的信号被低通滤波电路滤掉，＜的信号被高通滤波电路滤掉，只有当＜＜时信号才能通过，显然，只有当＞时才能组成带通电路。图9-33（b）为一个低通滤波电路和一个高通滤波电路“并联”组成的带阻滤波电路，＜信号从低通滤波电路中通过，＞的信号从高通滤波电路通过，只有＜＜的信号无法通过，同样，只有当＜时才能组成带阻滤波电路。

（a）带通滤波电路（b）带阻滤波电路

图9-33 带通滤波和带阻滤波电路的组成原理图

图9-34是典型的带通滤波电路和带阻滤波电路。

（a）带通滤波电路（b）带阻滤波电路

图9-34 带通滤波和带阻滤波的典型电路

9.3.2 采样保持电路

在数据采集和处理系统中，常常要利用计算机进行数据处理，因此需要将模拟量转换成数字量（即A/D变换）。采样保持电路简称S/H电路，多用于模/数转换电路（A/D）之前。由于A/D转换需要一定的时间，所以在进行A/D转换前必须对模拟量进行瞬间采样，并把采样值保存一段时间，以满足A/D转换电路的需要。

1．采样保持电路的工作原理

图9-35为采样保持电路的原理图，图9-36为工作波形图。在图9-35中，最简单的采样保持电路由接成同相跟随器的运放、模拟开关场效应管以及保持电容C组成。在电压型控制元件场效应管的输入端加入采样信号u_G，其波形图如图9-36所示。

采样控制信号u_G为一矩形波，使运放工作在采样和保持两种状态。在采样阶段，控制信号u_G出现时，电子开关接通，输入模拟信号u_i经电子开关使保持电容C迅速充电，电容电压即输出电压u_o跟随输入模拟信号电压u_i的变化而变化。采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。在保持阶段，u_G=0，电子开关断开，保持电容C上的电压因为没有放电回路而得以保持，直到下一次控制信号的到来，开始新的采样保持周期。

图9-35 采样保持电路的原理图图9-36 采样保持电路的工作波形图

2．集成采样保持器及其应用

集成采样保持器的典型型号为5G582，它是一种单片集成采样保持器的通用芯片。工作原理与图9-34的电路相类似，但是功能更加完善。集成采样保持器的品种很多，除了5G582外，还有快速采样保持器AD585，超高速采样保持器THS-0060S/H等型号。

9.3.3 电压比较器

前面介绍的各种集成运放电路，都是对模拟信号进行数学运算。本小节要介绍的集成运放电路将完成对模拟信号的处理。其工作特点是对输入的模拟信号进行鉴别和比较，视输入电压大于或小于所给定值来决定输出状态，这种电路称为电压比较器。

当集成运放对模拟信号进行运算时，因为输入、输出都是模拟量，因此要求集成运放工作在线性区。当集成运放运用在比较器中时，通常是工作在非线性区，因此它的输出只有高、低两种电平。电路的连接特点是运放一般处于开环状态，不引入深度负反馈。在电路分析时，将有别于前面的分析方法。

1．过零比较器

参考电压为零的比较器（也称作电平比较器）。按照输入方式的不同分为反相输入和同相输入两种过零比较器。如图9-37和图9-38所示。

（a）电路图（b）传输特性图

图9-37 反相输入（下行）过零比较器

（a）电路图（b）传输特性图

图9-38 同相输入（上行）过零比较器

以如图9-37所示反相输入过零比较器为例分析其工作原理。当u_i<0时，由于同相输入接地，且运放处于开环工作状态，净输入信号u_d=u_i=u_--u₊<0。因此，只要加入很小的输入信号u_i，便足以使输出电压达到运放的正向饱和值，即u_o=U_om。同理，u_i>0时，u_o=-U_om。当输入信号u_i从小于零向大于零变化时，输出电压u_o从正饱和值U_om跃变到负饱和值-U_om；反之，当输入信号从u_i>0向u_i<0变化时，输出电压从u_o=-U_om跃变到u_o=U_om，其电压传输特性如图9-37（b）所示。

同理，同相输入过零比较器的工作原理与上述反相输入比较器类似。两者的区别在于：由于输入信号所接的输入端不同，图9-37加在反相端，图9-38加在同相端，故输出电压的极性相反。因此，当u_i<0到u_i>0变化时，前者输出从+U_om到-U_om，故称下行特性；后者从-U_om到+U_om，故称上行特性。由于比较器在输入电压u_i=0时，输出电压u_o发生跃变，因此称作过零比较器。

2．单限电压比较器

如图9-39（a）所示的电路为简单的单限电压比较器。图中，反相输入端接输入信号U_i，同相输入端接基准电压U_R。集成运放处于开环工作状态，当U_i＜U_R时，输出为高电位+U_om，当U_i＞U_R时，输出为低电位-U_om，其传输特性如图9-39（b）所示。

（a）电压比较器（b）传输特性

图9-39 简单的电压比较器

由图可见，只要输入电压相对于基准电压U_R发生微小的正负变化时，输出电压U_o就在负的最大值到正的最大值之间作相应地变化。

比较器也可以用于波形变换。例如，比较器的输入电压U_i是正弦波信号，若U_R=0，则每过零一次，输出状态就要翻转一次，如图9-40（a）所示。对于图9-39所示的电压比较器，若U_R=0，当U_i在正半周时，由于U_i＞0，则U_o=-U_om，负半周时U_i＜0，则U_o=U_om。若U_R为一恒压，只要输入电压在基准电压U_R处稍有正负变化，输出电压U_o就在负的最大值到正的最大值之间作相应地变化，如图9-40（b）所示。