第7章 集成運(yùn)放的應(yīng)用Ⅰ(信號(hào)的運(yùn)算和處理) 70頁(yè).ppt

2020年1月27日星期一 1 第7章集成運(yùn)放的應(yīng)用 信號(hào)的運(yùn)算和處理 7 1概述 7 2基本信號(hào)的運(yùn)算電路 7 3模擬乘法器的應(yīng)用 7 4有源濾波電路 7 5電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中所用放大電路 2020年1月27日星期一 2 ri大 幾十k M 運(yùn)放的特點(diǎn) KCMRR很大 ro小 幾十 幾百 A很大 104 107 7 1概述 理想運(yùn)放的特點(diǎn)1 開(kāi)環(huán)差模增益Aod 2 差模輸入電阻rid 3 輸入偏置電流IB1 IB2 04 輸出電阻r0 05 共模抑制比KCMRR 6 頻帶寬度BW 7 輸入失調(diào)電壓 輸入失調(diào)電流均為零 7 1 1理想運(yùn)放的特性 2020年1月27日星期一 3 7 1 2理想運(yùn)放的兩個(gè)工作區(qū) 2020年1月27日星期一 4 例 設(shè)電源電壓 VCC 10V 運(yùn)放的AOd 106 求ui ui 0 01mV時(shí) 運(yùn)放處于線性區(qū) Aod越大 線性區(qū)越小 當(dāng)AOd 時(shí) 線性區(qū) 0 怎樣使理想運(yùn)放工作在線性區(qū) 在輸出與輸入之間加深度負(fù)反饋 2020年1月27日星期一 5 虛斷路 虛短路 虛斷路的概念 1 開(kāi)環(huán)增益Aod 2 差模輸入電阻rid iN iP 2020年1月27日星期一 6 1 輸入信號(hào)加在反相輸入端 7 2基本運(yùn)算電路 7 2 1比例運(yùn)算電路 1 特點(diǎn) 2 同相端通過(guò)R2接地 以保證運(yùn)放工作于對(duì)稱狀態(tài) R2 Rf R1 3 Rf與R1組成反饋網(wǎng)絡(luò) 且為電壓并聯(lián)負(fù)反饋 一 反相比例運(yùn)算電路 2020年1月27日星期一 7 i1 if 虛地 2 分析 2020年1月27日星期一 8 1 uo與ui反相 反相放大器 2 Auf只與Rf R1有關(guān) 且有三種情況 3 當(dāng)Rf R1時(shí) uo ui 此時(shí)運(yùn)放相當(dāng)于作變號(hào)運(yùn)算 閉環(huán)增益 3 討論 2020年1月27日星期一 9 二 同相比例運(yùn)算電路 uo uN uP ui 1 輸入信號(hào)加在同相輸入端 反饋網(wǎng)絡(luò)加在反相輸入端 2 不存在 虛地 特點(diǎn) 2020年1月27日星期一 10 1 uo與ui同相 且uo ui 2 若令Rf 0或R1 則Auf 1即uo ui 跟隨器 閉環(huán)增益 討論 2020年1月27日星期一 11 另一種同相比例運(yùn)算電路 如果令 分壓 2020年1月27日星期一 12 三 電壓跟隨器 電壓并聯(lián)負(fù)反饋 輸入電阻大 輸出電阻小 作用與分立元件的射極輸出器相同 但是電壓跟隨性能好 2020年1月27日星期一 13 7 2 2加減運(yùn)算電路 一 反相求和運(yùn)算電路 虛地 用疊加原理如何 2020年1月27日星期一 14 通過(guò)電流相加的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓相加 討論 2020年1月27日星期一 15 增加一個(gè)輸入支路 構(gòu)成同相求和電路 二 同相求和運(yùn)算電路 解出 2020年1月27日星期一 16 信號(hào)分別從同相輸入端和反相輸入端加入 也稱差動(dòng)輸入 特點(diǎn) 三 減法運(yùn)算電路 差動(dòng)輸入 電路不存在 虛地 現(xiàn)象 2020年1月27日星期一 17 解出 如果令 分析 閉環(huán)增益 2020年1月27日星期一 18 四 三運(yùn)放電路 2020年1月27日星期一 19 ui1和ui2為差模輸入信號(hào) uo1和uo2也是差模信號(hào) Rw的中點(diǎn)為交流零電位 A3減法運(yùn)算電路 2020年1月27日星期一 20 減法運(yùn)算電路 2020年1月27日星期一 21 是一種高增益 高輸入電阻和高共模抑制比的直接耦合放大器 一般具有差動(dòng)輸入 單端輸出的形式 用于弱信號(hào)放大 調(diào)節(jié)Rw可以改變放大器的增益 討論 精密放大器 2020年1月27日星期一 22 利用反相求和以實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算 第1級(jí)反相比例 第2級(jí)反相求和 即 當(dāng)時(shí) 得 例電路如圖 設(shè)A1 A2為理想運(yùn)放 求輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系 解 用疊加 2020年1月27日星期一 23 例電路如圖 設(shè)A1 A2為理想運(yùn)放 試求輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的函數(shù)關(guān)系 解電路中A1 A2為理想運(yùn)放 由輸入端虛短的條件有VP1 VN1 Vi1 VP2 VN2 Vi2 各電流值為 又 得 2020年1月27日星期一 24 7 2 3微積分運(yùn)算電路 uN uP 0 1 微分運(yùn)算電路 虛地 2020年1月27日星期一 25 若輸入 則 移相 應(yīng)用舉例 2020年1月27日星期一 26 應(yīng)用舉例 積分運(yùn)算電路 1 輸入方波 輸出是三角波 to時(shí)刻電容電壓為0 2020年1月27日星期一 27 2 輸入直流電壓 輸出將反向積分 一定時(shí)間TM后輸出飽和 積分停止 U 積分時(shí)限 定時(shí) 2020年1月27日星期一 28 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 7 2 4對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路 2020年1月27日星期一 29 uO是ui的對(duì)數(shù)運(yùn)算 三極管的發(fā)射結(jié)有 注意 ui必須大于零 電路的輸出電壓小于0 7伏 利用虛短和虛斷 有 利用三極管實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算 2020年1月27日星期一 30 指數(shù)運(yùn)算電路相當(dāng)于反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 指數(shù)運(yùn)算電路 2020年1月27日星期一 31 1理想運(yùn)算放大電路的兩個(gè)重要結(jié)論是 a 虛地與反相b 虛短與虛地c 虛短與虛斷d 斷路和短路2集成運(yùn)放一般分為兩個(gè)工作區(qū) 它們是 工作區(qū) a 線性與非線性b 正反饋與負(fù)反饋c 虛短和虛斷3施加深度負(fù)反饋可使運(yùn)放進(jìn)入 使運(yùn)放開(kāi)環(huán)或加正反饋可使運(yùn)放進(jìn)入 a 非線性區(qū)b 線性工作區(qū)4集成運(yùn)放能處理 a 交流信號(hào)b 直流信號(hào)c 交流信號(hào)和直流信號(hào)5由理想運(yùn)放構(gòu)成的線性應(yīng)用電路 其電路放大倍數(shù)與運(yùn)放本身的參數(shù) a 有關(guān)b 無(wú)關(guān)c 有無(wú)關(guān)系不確定 課堂練習(xí) 2020年1月27日星期一 32 7 2 5實(shí)際運(yùn)放電路的誤差分析 共模抑制比KCMR為有限值的情況 輸入失調(diào)電壓VIO 輸入失調(diào)電流IIO不為零時(shí)的情況 2020年1月27日星期一 33 1 共模抑制比KCMR為有限值的情況 同相比例運(yùn)算電路 閉環(huán)電壓增益 理想情況 越大 誤差越小 2020年1月27日星期一 34 2 輸入失調(diào)電壓VIO 輸入失調(diào)電流IIO不為零時(shí)的情況 輸入為零時(shí)的等效電路 2020年1月27日星期一 35 解得誤差電壓 當(dāng)時(shí) 可以消除偏置電流引起的誤差 此時(shí) 當(dāng)電路為積分運(yùn)算時(shí) 即換成電容C 則 時(shí)間越長(zhǎng) 誤差越大 且易使輸出進(jìn)入飽和狀態(tài) 引起的誤差仍存在 2020年1月27日星期一 36 減小誤差的方法 輸入端加補(bǔ)償電路 利用運(yùn)放自帶的調(diào)零電路 2020年1月27日星期一 37 功能 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘 其中K為乘積系數(shù) 量綱 V 1 符號(hào) 7 3模擬乘法器及其應(yīng)用 7 3 1模擬乘法器簡(jiǎn)介 2020年1月27日星期一 38 理想模擬乘法器應(yīng)具備如下條件 1 ri1和ri2為無(wú)窮大 2 ro為零 3 K值不隨信號(hào)幅值而變化 且不隨頻率而變化 4 當(dāng)vx或vY為零時(shí)vo為零 電路沒(méi)有失調(diào)電壓 電流和噪聲 2020年1月27日星期一 39 對(duì)于差放有 7 3 2模擬乘法器的基本工作原理 書p339 乘法 2020年1月27日星期一 40 7 3 2模擬乘法器的應(yīng)用 1 相乘運(yùn)算電路 模擬相乘電路 立方運(yùn)算電路 2 乘方運(yùn)算電路 平方運(yùn)算電路 3 除法運(yùn)算電路 據(jù)虛斷 如果令K R2 R1則 工作 保證負(fù)反饋 條件 4 開(kāi)方運(yùn)算電路 v1必須為負(fù)值 二極管作用 防止出現(xiàn)閉鎖現(xiàn)象 5 開(kāi)立方運(yùn)算電路 2020年1月27日星期一 44 7 4有源濾波電路 濾波電路的種類 低通濾波電路高通濾波電路帶通濾波電路帶阻濾波電路 一階有源濾波電路 二階有源濾波電路 按階次 2020年1月27日星期一 45 7 4 1基本概念 1 基本概念 濾波器 使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制或衰減無(wú)用頻率信號(hào)得電子裝置 有源濾波器 由有源器件構(gòu)成的濾波器 電路傳遞函數(shù)定義 時(shí) 有 其中 模 幅頻響應(yīng) 特性 相位角 相頻響應(yīng) 拉氏變換 2020年1月27日星期一 46 2 分類 按幅頻特性分 低通 LPF 用于工作信號(hào)為低頻 或直流 并且需要削弱高次諧波或頻率較高的干擾和噪聲等場(chǎng)合 整流后濾波 高通 HPF 用于信號(hào)處于高頻 并且需要削弱低頻的場(chǎng)合 阻容放大器的耦合 帶通 BPF 用于突出有用頻段的信號(hào) 削弱其它頻段的信號(hào)或干擾和噪聲 載波通信 帶阻 BEF 用于抑制干擾 全通 APF 2020年1月27日星期一 47 無(wú)源濾波電路 由無(wú)源元件R L C組成的濾波電路 有源濾波電路 由晶體管和R C網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路 4 由集成運(yùn)放 工作在線性區(qū) 和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波電路的優(yōu)點(diǎn) 1 體積小 重量輕 不需要加磁屏蔽 2 電路中的集成運(yùn)放可以加串聯(lián)負(fù)反饋 使ri高 ro低 3 除起有源濾波作用外 還可以放大 而且放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié) 3 無(wú)源濾波電路和有源濾波電路 2020年1月27日星期一 48 1 RC無(wú)源一階低通濾波電路 7 4 2低通濾波電路 一階RC無(wú)源濾波電路 缺點(diǎn) 帶負(fù)載的能力差 例如R 27k RL 3k 對(duì)于直流而言 uo只有ui的十分之一 而當(dāng)RL斷開(kāi)時(shí) uo ui 為了提高帶負(fù)載的能力 此時(shí)可以加電壓跟隨器 以提高帶負(fù)載的能力 2020年1月27日星期一 49 傳遞函數(shù) 其中 特征角頻率 故 幅頻相應(yīng)為 2 RC有源一階低通濾波電路 2020年1月27日星期一 50 3 壓控電壓源二階低通濾波電路 壓控電壓源電路 VCVS 得濾波電路傳遞函數(shù) 二階 書352 式7 4 14 2020年1月27日星期一 51 稱為通帶增益 中頻 稱為特征角頻率 稱為等效品質(zhì)因數(shù) 則 用代入 可得頻率響應(yīng) 2020年1月27日星期一 52 歸一化的幅頻響應(yīng) 相頻響應(yīng) 電壓增益與通帶增益的比 2020年1月27日星期一 53 歸一化的幅頻響應(yīng)波特圖 2020年1月27日星期一 54 7 4 3高通濾波電路 1 RC有源一階高通濾波電路 2020年1月27日星期一 55 2 壓控電壓源二階高通濾波電路 將低通電路中的電容和電阻對(duì)換 便成為高通電路 傳遞函數(shù) 歸一化的幅頻響應(yīng) 2020年1月27日星期一 56 1 低通和高通串聯(lián) 必須滿足 7 4 4帶通濾波電路 低通特征角頻率 高通特征角頻率 2020年1月27日星期一 57 2 壓控電壓源二階帶通濾波電路 傳遞函數(shù) 得 7 4 34 2020年1月27日星期一 58 7 4 5帶阻濾波電路 1 低通和高通并聯(lián) 必須滿足 通帶外衰減速率慢 20dB 十倍頻程 與理想情況相差較遠(yuǎn) 一般用在對(duì)濾波要求不高的場(chǎng)合 2020年1月27日星期一 59 2 雙T有源二階帶阻濾波電路 雙T選頻網(wǎng)絡(luò) 2020年1月27日星期一 60 雙T有源二階帶阻濾波電路 2020年1月27日星期一 61 在電子信息系統(tǒng)中 通過(guò)傳感器或其它途徑所采集的信號(hào)往往很小 不能直接進(jìn)行運(yùn)算 濾波等處理 必須進(jìn)行放大 7 5電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中所用放大電路 7 5 1儀表用放大器集成儀表用放大器 也稱為精密放大器 用于弱信號(hào)放大 從傳感器所獲得的信號(hào)常為差模小信號(hào) 并含有較大共模部分 其數(shù)值有時(shí)遠(yuǎn)大于差模信號(hào) 因此 要求放大器應(yīng)具有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)的能力 1 特點(diǎn) 儀表用放大器除具備足夠大的放大倍數(shù)外 還應(yīng)具有高輸入電阻和高共模抑制比 2020年1月27日星期一 62 2 基本電路 2020年1月27日星期一 63 3 集成儀表用放大器 2020年1月27日星期一 64 4 應(yīng)用舉例 圖為采用PN結(jié)溫度傳感器的數(shù)字式溫度計(jì)電路 測(cè)量范圍為 50 150 分辨率為0 1 圖中R1 R2 D和Rwl構(gòu)成測(cè)量電橋 D為溫度傳感器 電橋的輸出信號(hào)接到集成儀表放大INAl02的輸人端進(jìn)行放大 A2構(gòu)成的電壓跟隨器 起隔離作用 電壓比較器驅(qū)動(dòng)電壓表 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化顯示 數(shù)字式溫度計(jì) 2020年1月27日星期一 65 設(shè)放大后電路的靈敏度為10mV 則在溫度從 50 變化到 150 時(shí) 輸出電壓的變化范圍為2V 即從 0 5 1 5V 當(dāng)INAl02的電源電壓為 18V時(shí) 可將INAl02的引腳 和 連接在一起 設(shè)定儀表放大器的電壓放大倍數(shù)為10 因而儀表放大器的輸出電壓范圍為 5 15V 根據(jù)運(yùn)算電路的分析方法 可以求出A1和A2輸出電壓的表達(dá)式為 改變Rw2滑動(dòng)端的位置可以改變放大電路的電壓放大倍數(shù) 從而調(diào)整數(shù)字電壓表的顯示數(shù)據(jù) 2020年1月27日星期一 66 某些傳感器屬于電容性傳感器 如壓電式加速度傳感器 壓力傳感器等 這類傳感器的阻抗非常高 呈容性 輸出電壓很微弱 它們工作時(shí) 將產(chǎn)生正比于被測(cè)物理量的電荷量 且具有較好的線性度 7 5 2電荷放大器 為了減少傳感器輸出電纜的電容對(duì)放大電路的影響 一般常將電荷放大器裝在傳感器內(nèi) 為了防止傳感器在過(guò)載時(shí)有較大的輸出 則在集成運(yùn)放輸入端加保