集成運放放大器基礎(chǔ)

1、1.1集成運算放大器概述集成運算放大器概述 最初應(yīng)用于模擬計算機對模擬信號進(jìn)最初應(yīng)用于模擬計算機對模擬信號進(jìn)行加、減、微分、積分等數(shù)學(xué)運算而得行加、減、微分、積分等數(shù)學(xué)運算而得名，隨著工藝水平和設(shè)計能力的提高，名，隨著工藝水平和設(shè)計能力的提高，集成運放在性能和品種方面都得到迅速集成運放在性能和品種方面都得到迅速發(fā)展，已成為一種通用性很強的功能部發(fā)展，已成為一種通用性很強的功能部件，廣泛應(yīng)用于信息處理、自動控制、件，廣泛應(yīng)用于信息處理、自動控制、測量儀器及其他電子設(shè)備等領(lǐng)域。測量儀器及其他電子設(shè)備等領(lǐng)域。第一章集成運算放大器基礎(chǔ)第一章集成運算放大器基礎(chǔ)各類集成運放的性能特點各類集成運放的性能特點

2、一、高精度型一、高精度型性能特點：性能特點： 漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑漂移和噪聲很低，開環(huán)增益和共模抑制比很高，誤差小。制比很高，誤差小。二、低功耗型二、低功耗型性能特點：性能特點：靜態(tài)功耗一般比通用型低靜態(tài)功耗一般比通用型低 1 2 個數(shù)量個數(shù)量級級( (不超過毫瓦級不超過毫瓦級) )，要求電壓很低，要求電壓很低，有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。有較高的開環(huán)差模增益和共模抑制比。三、高阻型三、高阻型性能特點：性能特點： 通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸通常利用場效應(yīng)管組成差分輸入級，輸入電阻高達(dá)入電阻高達(dá) 1012 。高阻型運放可用在測量放大器、采樣高阻型運放可用在測量放大器、采

3、樣-保持電路、帶保持電路、帶通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)阻很高的電路中。通濾波器、模擬調(diào)節(jié)器以及某些信號源內(nèi)阻很高的電路中。四、高速型四、高速型大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，大信號工作狀態(tài)下具有優(yōu)良的頻率特性，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至轉(zhuǎn)換速率可達(dá)每微秒幾十至幾百伏，甚至高達(dá)高達(dá) 1 000 V/ s，單位增益帶寬可達(dá)，單位增益帶寬可達(dá) 10 MHz，甚至幾百兆歐。，甚至幾百兆歐。性能特點：性能特點：常用在常用在A / D 和和 D / A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、高速采樣樣-保持電路、模擬乘法器和精度比較器等電路中。保持電路、模擬乘法器和精度比較

4、器等電路中。五、高壓型五、高壓型性能特點：性能特點： 輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，輸出電壓動態(tài)范圍大，電源電壓高，功耗大。功耗大。六、大功率型六、大功率型性能特點：性能特點：可提供較高的輸出電壓較大的輸出電可提供較高的輸出電壓較大的輸出電流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。流，負(fù)載上可得到較大的輸出功率。1.2集成運放的主要技術(shù)指標(biāo)集成運放的主要技術(shù)指標(biāo)集成運算放大器的符號集成運算放大器的符號+A反相輸入端反相輸入端同相輸入端同相輸入端輸輸 出出 端端一、開環(huán)差模電壓增益一、開環(huán)差模電壓增益 Aod一般用對數(shù)表示，定義為一般用對數(shù)表示，定義為 UUUAlg20-Ood單位：分貝單位：分貝理想情

5、況理想情況 Aod 為無窮大；為無窮大； 實際情況實際情況 Aod 為為 100 140 dB。運算放大器的符號運算放大器的符號二、輸入失調(diào)電壓二、輸入失調(diào)電壓 UIO三、輸入失調(diào)電壓溫漂三、輸入失調(diào)電壓溫漂 UIO 定義：定義：為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的為了使輸出電壓為零，在輸入端所需要加的補償電壓。補償電壓。一般運放：一般運放：UIO 為為 1 10 mV；高質(zhì)量運放：高質(zhì)量運放：UIO 為為 1 mV 以下。以下。定義：定義：TUUddIOIO 一般運放為一般運放為 每度每度 10 20 V；高質(zhì)量運放低于每度高質(zhì)量運放低于每度 0.5 V 以下以下；四、輸入失調(diào)電流四、輸入

6、失調(diào)電流 IIO五、輸入失調(diào)電流溫漂五、輸入失調(diào)電流溫漂 IIO當(dāng)輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流當(dāng)輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流之差，即之差，即定義：定義：B2B1IOIII 一般運放為一般運放為 幾十幾十 一百納安；高質(zhì)量的低于一百納安；高質(zhì)量的低于 1 nA。定義：定義：TIIddIOIO 一般運放為一般運放為 每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。每度幾納安；高質(zhì)量的每度幾十皮安。六、輸入偏置電流六、輸入偏置電流 IIB七、差模輸入電阻七、差模輸入電阻 rid八、共模抑制比八、共模抑制比 KCMR定義：定義：輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電流的輸出電壓等于零時，兩個輸入端偏置電

7、流的平均值。平均值。)(21B2B1IBIII 定義：定義：IdIdidIUr 一般集成運放為幾兆歐。一般集成運放為幾兆歐。定義：定義：ocodCMRlg20AAK 多數(shù)集成運放在多數(shù)集成運放在 80 dB 以上，高質(zhì)量的可達(dá)以上，高質(zhì)量的可達(dá) 160 dB。九、最大共模輸入電壓九、最大共模輸入電壓 UIcm輸入端所能承受的最大共模電壓。輸入端所能承受的最大共模電壓。十、最大差模輸入電壓十、最大差模輸入電壓 UIdm 反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。反相輸入端與同相輸入端之間能夠承受的最大電壓。十一、十一、 3 dB帶寬帶寬 fH表示表示 Aod 下降下降 3 dB 時的頻率。一

8、般集成運放時的頻率。一般集成運放 fH 只只有幾赫至幾千赫。有幾赫至幾千赫。十二、十二、 單位增益帶寬單位增益帶寬 BWGAod 降至降至 0 dB 時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍時的頻率，此時開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)等于數(shù)等于 1 。十三、十三、 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR 額定負(fù)載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，額定負(fù)載條件下，輸入一個大幅度的階躍信號時，輸出電壓的最大變化率。單位為輸出電壓的最大變化率。單位為 V / s 。在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集在實際工作中，輸入信號的變化率一般不要大于集成運放的成運放的 SR 值。值。其他技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸其他

9、技術(shù)指標(biāo)還有：最大輸出電壓、靜態(tài)功耗及輸出電阻等。出電阻等。理想運算放大器理想運算放大器理想運放的技術(shù)指標(biāo)理想運放的技術(shù)指標(biāo)開環(huán)差模電壓增益開環(huán)差模電壓增益 Aod = ；輸出電阻輸出電阻 ro = 0；共模抑制比共模抑制比 KCMR = ；差模輸入電阻差模輸入電阻 rid = ；UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0；輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB = 0； 3 dB 帶寬帶寬 fH = ，等等。，等等。1.3集成運放的工作特點集成運放的工作特點輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即系，即)(odO uuAu

10、 u uOu i i+Aod理想運放工作在線性區(qū)特點：理想運放工作在線性區(qū)特點：1. 理想運放的差模輸入電壓等于零理想運放的差模輸入電壓等于零0)(odO Auuu即即 uu“虛短虛短”集成運放的電壓集成運放的電壓和電流和電流一是一個有源器件；二一是一個有源器件；二 具有兩種工作狀態(tài)具有兩種工作狀態(tài)2. 理想運放的輸入電流等于零理想運放的輸入電流等于零由于由于 rid = ，兩個輸入端均沒有電流，即，兩個輸入端均沒有電流，即0 ii“虛斷虛斷”理想運放工作在非線性區(qū)時的特點理想運放工作在非線性區(qū)時的特點傳輸特性傳輸特性+UOPPuOu+ u O UOPP理想特性理想特性集成運放的傳輸特集成運放

11、的傳輸特性性理想運放工作在非線性區(qū)特點：理想運放工作在非線性區(qū)特點：當(dāng)當(dāng) u+ u 時，時，uO = + UOPP當(dāng)當(dāng) u+ u 時時, uO = UOPP1. uO 的值只有兩種可能的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，在非線性區(qū)內(nèi)，( (u+ u ) )可能很大，即可能很大，即 u+ u 。 “虛地虛地”不存在不存在2. 理想運放的輸入電流等于零理想運放的輸入電流等于零0 ii“虛斷虛斷”實際運放實際運放 Aod ，當(dāng)，當(dāng) u+ 與與 u 差值比較小時，仍有差值比較小時，仍有 Aod (u+ u )=UOPP，運放工作在線性區(qū)。，運放工作在線性區(qū)。例如：例如：F007 的的 Uopp = 14 V

12、，Aod 2 105 ，線性，線性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍V70102V 145odOPP AUuuuOu+ u O實際特性實際特性非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)線性區(qū)但線性區(qū)范圍很小。但線性區(qū)范圍很小。集成運放的傳輸特性集成運放的傳輸特性集成運放使用中的集成運放使用中的幾個具體問題幾個具體問題集成運放參數(shù)的測試集成運放參數(shù)的測試使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象使用中可能出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象1. 不能調(diào)零不能調(diào)零調(diào)零電位器故障；調(diào)零電位器故障；電路接線有誤或有虛焊；電路接線有誤或有虛焊；反饋極性接錯或負(fù)反饋開環(huán)；反饋極性接錯或負(fù)反饋開環(huán)；集成運放內(nèi)部損壞；集成運放內(nèi)部損壞；重新接通即可恢復(fù)為

13、輸入信號過大而重新接通即可恢復(fù)為輸入信號過大而造成造成“堵塞堵塞”現(xiàn)象現(xiàn)象原因原因2. 漂移現(xiàn)象嚴(yán)重漂移現(xiàn)象嚴(yán)重存在虛焊點存在虛焊點運放產(chǎn)生自激振蕩或受強電磁場干擾運放產(chǎn)生自激振蕩或受強電磁場干擾集成運放靠近發(fā)熱元件集成運放靠近發(fā)熱元件輸入回路二極管受光照射輸入回路二極管受光照射調(diào)零電位器滑動端接觸不良調(diào)零電位器滑動端接觸不良集成運放本身損壞或質(zhì)量不合格集成運放本身損壞或質(zhì)量不合格原因原因3. 產(chǎn)生自激振蕩產(chǎn)生自激振蕩消振消振措施措施按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)按規(guī)定部位和參數(shù)接入校正網(wǎng)絡(luò)防止反饋極性接錯防止反饋極性接錯避免負(fù)反饋過強避免負(fù)反饋過強合理安排接線，防止雜散電容過大合理安排接線，防

14、止雜散電容過大集成運放的保護(hù)集成運放的保護(hù)1. 輸入保護(hù)輸入保護(hù)( (a) ) 反相輸入保護(hù)反相輸入保護(hù)( (b) ) 同相輸入保護(hù)同相輸入保護(hù)+V+AR1VD1VD2RFR VuOuI保護(hù)元件保護(hù)元件保護(hù)元件保護(hù)元件uO+AR1RFVD1VD2uI保護(hù)元件保護(hù)元件輸入保護(hù)輸入保護(hù)2. 電源極性錯接保護(hù)電源極性錯接保護(hù)保護(hù)元件：保護(hù)元件：VD1 、VD23. 輸出端錯接保護(hù)輸出端錯接保護(hù)保護(hù)元件：穩(wěn)壓管保護(hù)元件：穩(wěn)壓管 VDZ1、VDZ2+AVD1VD2+AR1VDZ1VDZ2RFuOuIR 利用穩(wěn)壓管保護(hù)運放利用穩(wěn)壓管保護(hù)運放電源接錯保護(hù)電源接錯保護(hù)R2 = R1 / RF由于由于“虛斷虛斷

15、”，i+= 0，i- = 0；由于由于“虛短虛短”， u = u+ = 0“虛地虛地”由由 iI = iF ，得，得Fo1IRuuRuu IFIofRRuuAu 反相比例運算電路反相比例運算電路由于反相輸入端由于反相輸入端“虛地虛地”，電路的輸入電阻為，電路的輸入電阻為 Rif = R1當(dāng)當(dāng) R1 RF 時，時，Auf = - -1單位增益倒相器單位增益倒相器電路為電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路為電壓并聯(lián)負(fù)反饋1.4集成運放的基本應(yīng)集成運放的基本應(yīng)用用同相比例運算電路同相比例運算電路R2 = R1 / RF根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的特點，可知的特點，可知i+ = i- - = 0；又又 u =

16、 u+ = uOF11uRRRu 所所以以IOF11uuRRR 所所以以IFIOf1RRuuAu 得：得：由于該電路為由于該電路為電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋，所以輸入電阻，所以輸入電阻很高；輸出電阻很低。很高；輸出電阻很低。當(dāng)當(dāng) RF = 0 或或 R1 = 時，時，Auf = 1電壓跟隨器電壓跟隨器差動比例運算電路差動比例運算電路差動比例運算電路差動比例運算電路11RR FFRR 在理想條件下，由于在理想條件下，由于“虛斷虛斷”，i+ = i = 0IF1FuRRRu OF11IF1FuRRRuRRRu 由于由于“虛短虛短”， u+ = u ，所以：，所以：IF1FOF11IF1FuRRR

17、uRRRuRRR 1FIIOfRRuuuAu 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)差 模 輸 入差 模 輸 入電阻電阻Rif = 2R1三種比例運算電路之比較三種比例運算電路之比較反相輸入反相輸入同相輸入同相輸入差分輸入差分輸入電電路路組組成成要求要求 R2 = R1 / RF要求要求 R2 = R1 / RF要求要求 R1 = R1 RF = RF電壓電壓放大放大倍數(shù)倍數(shù)uO與與 uI 反相，反相， 可大于、小于或等可大于、小于或等于于 1uO 與與 uI 同相，放大倍同相，放大倍數(shù)可大于或等于數(shù)可大于或等于 1RifRif = R1不高不高Rif 高高Rif = 2R1 不高不高Ro低低低低低低性能性

18、能特點特點實現(xiàn)反相比例運算；實現(xiàn)反相比例運算；電壓并聯(lián)負(fù)反饋；電壓并聯(lián)負(fù)反饋； “虛地虛地”實現(xiàn)同相比例運算；實現(xiàn)同相比例運算；電壓串聯(lián)負(fù)反饋；電壓串聯(lián)負(fù)反饋； “虛短虛短”但不但不“虛地虛地”實現(xiàn)差分比例運算實現(xiàn)差分比例運算( (減法減法) ) “虛短虛短”但不但不“虛地虛地”IFIOfRRuuAu IFIOf1RRuuAu 1FIIOfRRuuuAu ) )時時當(dāng)當(dāng)( ( , FF11RRRR fuA比例電路應(yīng)用實例比例電路應(yīng)用實例兩個放大級。結(jié)構(gòu)對稱兩個放大級。結(jié)構(gòu)對稱的的 A1、A2 組成第一級，互組成第一級，互相抵消漂移和失調(diào)。相抵消漂移和失調(diào)。A3 組成差分放大級，組成差分放大級，

19、將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。出。當(dāng)加入差模信號當(dāng)加入差模信號 uI 時，若時，若 R2 = R3 ，則，則 R1 的中點為交的中點為交流地電位流地電位，A1、A2 的工作情況將如下頁圖中所示。的工作情況將如下頁圖中所示。三運放數(shù)據(jù)放大器原理圖三運放數(shù)據(jù)放大器原理圖由同相比例運放的電壓由同相比例運放的電壓放大倍數(shù)公式，得放大倍數(shù)公式，得1212I1O1212/1RRRRuu I112O1)21(uRRu 則則同理同理I212I213O2)21()21(uRRuRRu 所以所以I12I2I112O2O1)21()(21(uRRuuRRuu 則第一級電壓則第一級電壓放大倍數(shù)為：放

20、大倍數(shù)為：12Io2o121RRuuu 改變改變 R1，即可，即可調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。R1 開路時，得開路時，得到到單位增益單位增益。A3 為差分比例放大電路。為差分比例放大電路。當(dāng)當(dāng) R4 = R5 ，R6 = R7 時，得第時，得第二級的電壓放大倍數(shù)為二級的電壓放大倍數(shù)為46O2O1ORRuuu 所以所以總的電壓放大倍數(shù)總的電壓放大倍數(shù)為為)21(1246Io2o1o2o1oIoRRRRuuuuuuuuAu 求和電路求和電路求和電路的輸出量反映多個模擬輸入量相加的結(jié)果。求和電路的輸出量反映多個模擬輸入量相加的結(jié)果。反相輸入求和電路反相輸入求和電路F321/RRRRR 由于由于“虛斷

21、虛斷”，i = 0所以：所以：i1 + i2 + i3 = iF又因又因“虛地虛地”，u = 0所以：所以：FO3I32I21I1RuRuRuRu )(I33FI22FI11FOuRRuRRuRRu 當(dāng)當(dāng) R1 = R2 = R3 = R 時，時，)(I3I2I11FOuuuRRu 同相輸入求和電路同相輸入求和電路由于由于“虛斷虛斷”，i = 0，所以：，所以：RuRuuRuuRuu 3I32I21I1解得：解得：I33I22I11uRRuRRuRRu 其中：其中：RRRRR /321)(1 ()1 (I33I22I111F1FOuRRuRRuRRRRuRRu積分和微分電路積分和微分電路積分電

22、路積分電路RR 由于由于“虛地虛地”，u = 0，故，故uO = uC由于由于“虛斷虛斷”，iI = iC ，故，故uI = = iIR = iCR得：得：)0(d1)0(d1IOCCCCutuRCutiCuu = RC積分時間常數(shù)積分時間常數(shù)積分電路的輸入、輸出波形積分電路的輸入、輸出波形( (一一) )輸入電壓為矩形波輸入電壓為矩形波t0t1tuIOtuOOUI)(d10IIOttRCUtuRCu 當(dāng)當(dāng) t t0 時，時，uI = 0， uO = 0；當(dāng)當(dāng) t0 t1 時，時， uI = 0，uo 保持保持 t = t1 時的輸出電壓值不變。時的輸出電壓值不變。即輸出電壓隨時間而向負(fù)方向直

23、線增長。即輸出電壓隨時間而向負(fù)方向直線增長。 ( (二二) )輸入電壓為正弦波輸入電壓為正弦波tUu sinmI tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先可見，輸出電壓的相位比輸入電壓的相位領(lǐng)先 90 。因此，此時積分電路的作用是移相。因此，此時積分電路的作用是移相。 tuIOUm 2 3微分電路微分電路基本微分電路基本微分電路由于由于“虛斷虛斷”，i = 0，故，故iC = = iR又由于又由于“虛地虛地”， u+ = = u- - = 0= 0 ，故，故tuRCRiRiuCRddCO可見，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分?？?/p>

24、見，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。微分電路的作用：實現(xiàn)波形變換。微分電路的作用：實現(xiàn)波形變換。對數(shù)和指數(shù)運算電路對數(shù)和指數(shù)運算電路一、對數(shù)運算電路一、對數(shù)運算電路由二極管方程知由二極管方程知)1e (DSD TUuIi當(dāng)當(dāng) uD UT 時，時，TUuIiDeSD 或：或：SDDlnIiUuT 利用利用“虛地虛地”原理，可得：原理，可得：RIuUIiUIiUuuTRTTSISSDDOlnlnln 用三極管代替二極管可獲得較大的工作范圍。用三極管代替二極管可獲得較大的工作范圍。1.采用二極管和三極管的對數(shù)運算電路采用二極管和三極管的對數(shù)運算電路二、指數(shù)運算電路二、指數(shù)運算電路當(dāng)當(dāng) uI 0

25、時，根據(jù)時，根據(jù)集成運放反相輸入端集成運放反相輸入端“虛地虛地”及及“虛斷虛斷”的的特點，可得：特點，可得：TTUuUuIIiIBEeeSSI 所以：所以：TUuRRIRiRiuIeSIO 可見，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)?？梢姡敵鲭妷赫扔谳斎腚妷旱闹笖?shù)。1.基本電路基本電路利用對數(shù)和指數(shù)電路實現(xiàn)的乘除電路利用對數(shù)和指數(shù)電路實現(xiàn)的乘除電路乘法電路的輸出電壓正比于其兩個輸入電壓的乘積，即乘法電路的輸出電壓正比于其兩個輸入電壓的乘積，即uo = uI1uI2求對數(shù)，得：求對數(shù)，得：I2I1I2I1Olnln)ln(lnuuuuu 再求指數(shù)，得：再求指數(shù)，得：I2I1lnlnOI2I1euuu

26、uu所以利用對數(shù)電路、求和電路和指數(shù)電路，可得乘法所以利用對數(shù)電路、求和電路和指數(shù)電路，可得乘法電路的方塊圖：電路的方塊圖：對數(shù)電路對數(shù)電路對數(shù)電路對數(shù)電路uI1uI2lnuI1lnuI2求和求和電路電路lnuI1+ lnuI2指數(shù)電路指數(shù)電路uO = uI1uI2同理：同理：除法電路的輸出電壓正比于其兩個輸入電壓除法電路的輸出電壓正比于其兩個輸入電壓相除所得的商，即：相除所得的商，即：I2I1Ouuu 求對數(shù)，得：求對數(shù)，得：I2I1I2I1Olnlnlnlnuuuuu 再求指數(shù)，得：再求指數(shù)，得：I2I1lnlnOeuuu 所以只需將乘法電路中的求和電路改為減法電路即所以只需將乘法電路中的

27、求和電路改為減法電路即可得到除法電路的方塊圖：可得到除法電路的方塊圖：對數(shù)電路對數(shù)電路對數(shù)電路對數(shù)電路uI1uI2lnuI1lnuI2減法減法電路電路lnuI1- - lnuI2指數(shù)電路指數(shù)電路I2I1Ouuu 模擬乘法器及其在運算電路中的應(yīng)用模擬乘法器及其在運算電路中的應(yīng)用模擬乘法器可用來實現(xiàn)乘、除、乘方和開方運算電路模擬乘法器可用來實現(xiàn)乘、除、乘方和開方運算電路在電子系統(tǒng)之中用于進(jìn)行模擬信號的處理。在電子系統(tǒng)之中用于進(jìn)行模擬信號的處理。模擬乘法器簡介模擬乘法器簡介輸出電壓正比于兩個輸輸出電壓正比于兩個輸入電壓之積入電壓之積uo = KuI1uI2uI1uI2uO模擬乘法器符號模擬乘法器符號

28、比例系數(shù)比例系數(shù) K 為正值為正值同相乘法器；同相乘法器；比例系數(shù)比例系數(shù) K 為負(fù)值為負(fù)值反相乘法器。反相乘法器。模擬乘法器有模擬乘法器有單象限、兩象限和四象限單象限、兩象限和四象限。變跨導(dǎo)式模擬乘法器的原理：變跨導(dǎo)式模擬乘法器的原理：一、恒流源式差動放大電路一、恒流源式差動放大電路I1becOurRu EQbbbe)1(IUrrT 當(dāng)當(dāng) IEQ 較小、電路參數(shù)對稱時，較小、電路參數(shù)對稱時，II21EQ 所以：所以：IUrT)1(2be IuURIuURuTTI1cI1cO2)1 (2結(jié)論：輸出電壓正比于輸入電壓結(jié)論：輸出電壓正比于輸入電壓 uI1 與恒流源電流與恒流源電流 I 的乘積。的乘

29、積。輸出電壓為：輸出電壓為：設(shè)想設(shè)想：使恒流源電流：使恒流源電流 I 與另一個輸入電壓與另一個輸入電壓 uI2 成正比，成正比，則則 uO 正比于正比于 uI1 與與 uI2 的乘積。的乘積。當(dāng)當(dāng) uI2 uBE3 時，時，eI2eBE3I2RuRuuI I2I1I2I1ecO2uKuuuURRuT 二、可控恒流源差分放大電路的乘法特性二、可控恒流源差分放大電路的乘法特性u uI1I1可正可負(fù)，但可正可負(fù)，但u uI2I2必必須大于零。故右須大于零。故右圖為兩圖為兩象限模擬乘法器象限模擬乘法器兩象限模擬兩象限模擬乘法器乘法器模擬乘法器在運算電路中的應(yīng)用模擬乘法器在運算電路中的應(yīng)用一、乘方運算電

30、路一、乘方運算電路2OIKuu uIuO平方運算電路平方運算電路利用利用反函數(shù)型運算電路反函數(shù)型運算電路的基本原理，將模擬乘法的基本原理，將模擬乘法器放在集成運放的反饋通路中，便可構(gòu)成除法運器放在集成運放的反饋通路中，便可構(gòu)成除法運算電路。算電路。OI2O1uKuu 因為因為 i1 = i2 ，所以：，所以：OI222O11I1uuRKRuRu 則：則：2I1I12OuuKRRu 二、除法運算電路二、除法運算電路除法運算電路除法運算電路三、開方運算電路三、開方運算電路利用乘方運算電路作為集成運放的反饋通路，就可利用乘方運算電路作為集成運放的反饋通路，就可構(gòu)成開方運算電路。構(gòu)成開方運算電路。防止

31、閉鎖的平方根電路防止閉鎖的平方根電路I-U 變換：變換：變換：4231RRRR當(dāng)當(dāng) 時，有時，有2/ RuiILIU 電平移位電路：電平移位電路：峰值檢波：峰值檢波：精密半波整流：精密半波整流：非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路 矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路一、電路組成一、電路組成RC 充放電充放電回路回路滯回滯回比較器比較器滯回比較器：集成運放、滯回比較器：集成運放、R1、R2；充放電回路：充放電回路：R、C；鉗位電路：鉗位電路：VDZ、R3。二、工作原理二、工作原理設(shè)設(shè) t = 0 時，時，uC = = 0，uO = + UZ則則Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR

32、 OuOZU ZU tu+u 當(dāng)當(dāng) u = uC = u+ 時，時，t1t2Z211URRRu 則則當(dāng)當(dāng) u = uC = u+ 時，輸出又時，輸出又一次跳變，一次跳變， uO = + UZ輸出跳變，輸出跳變， uO = UZ2T2T三、振蕩周期三、振蕩周期電容的充放電規(guī)律：電容的充放電規(guī)律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 對于放電，對于放電，Z211)0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：解得：)21ln(221RRRCT 結(jié)論：改變充放電回路的時間常數(shù)及滯回比較器的電結(jié)論：改變充放電回路的時間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期。矩形波的幅度與阻，即可改變振蕩周期。

33、矩形波的幅度與R1、R2和和UZ有關(guān)。有關(guān)。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt3四、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路四、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路使電容的充、放電時間常數(shù)不使電容的充、放電時間常數(shù)不同且可調(diào)，即可使矩形波發(fā)生器的同且可調(diào)，即可使矩形波發(fā)生器的占空比可調(diào)。占空比可調(diào)。tOuCuOtOT1T2T充電時間充電時間 T1放電時間放電時間 T2)21ln()(221W1RRCRRT )21ln()(221W2RRCRRT 占空比占空比 DWW12RRRRTTD 一、電路組成一、電路組成三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路二、工作原理二、工作原理OuO1Z

34、U ZU tOuOomU omU t當(dāng)當(dāng) u+ = u = 0 時，滯回時，滯回比較器的輸出發(fā)生跳變。比較器的輸出發(fā)生跳變。o2121o211uRRRuRRRuA1 滯回比較器滯回比較器A2 反向積分電路反向積分電路設(shè)設(shè) t = 0 時，時，uO1 = + UZ uC = = 0三、輸出幅度和振蕩周期三、輸出幅度和振蕩周期Z21omURRU 解得三角波的解得三角波的輸出幅度輸出幅度當(dāng)當(dāng) u+ = u = 0 時，時，uO1 跳變?yōu)樘優(yōu)?- -UZ， uO 達(dá)到最大值達(dá)到最大值 Uom 。振蕩周期振蕩周期241Zom444RCRRUCURT OuOomU omU t鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路

35、一、電路組成一、電路組成OuO1ZU ZU tOuOomU omU tT1T2T二、輸出幅度和振蕩周期二、輸出幅度和振蕩周期Z21omURRU 2W112RCRRT 2W122RCRRT 2W1212RCRRTTT 在三角波的基礎(chǔ)上，將積分電在三角波的基礎(chǔ)上，將積分電容的充電、放電時間常數(shù)變?yōu)槿莸某潆?、放電時間常數(shù)變?yōu)橄嗖顟沂鈩t可。相差懸殊則可。電壓比較器電壓比較器電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。比較器中的集成運放一般工作在比較器中的集成運

36、放一般工作在非線性區(qū)非線性區(qū)；處于開；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器。限比較器。附：理想運放的非線性工作區(qū)附：理想運放的非線性工作區(qū)+UOPPuOu+ u O UOPP理想特性理想特性集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性理想運放工作在非線性區(qū)特點：理想運放工作在非線性區(qū)特點：當(dāng)當(dāng) u+ u-時，時，uO = + UOPP當(dāng)當(dāng) u+ u 時時, uO = UOPP1. uO 的值只有兩種可能的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，在非線性區(qū)內(nèi)，( (u+ u ) )可能很大，即可能很大，

37、即 u+ u 。 “虛地虛地”不存在不存在2. 理想運放的輸入電流等于零理想運放的輸入電流等于零0_ii過零比較器過零比較器簡單的過零比較器簡單的過零比較器由于理想運放的開環(huán)差模由于理想運放的開環(huán)差模增益為無窮大，所以增益為無窮大，所以當(dāng)當(dāng) uI 0 時，時，uO = - - UOPP ；過零比較器的過零比較器的傳輸特性傳輸特性為：為：uIuO+UOpp- -UOppOUOPP 為集成運放的最大輸出電壓。為集成運放的最大輸出電壓。閾值電壓閾值電壓：當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)楫?dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應(yīng)的輸入電壓。另一種狀態(tài)所對應(yīng)的輸入電壓。利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較

38、器利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(一一)設(shè)任何一個穩(wěn)壓管被反向設(shè)任何一個穩(wěn)壓管被反向擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為的穩(wěn)定電壓為 UZ UOppuIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ當(dāng)當(dāng) uI 0 時，右邊的穩(wěn)壓管時，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，被反向擊穿，uO = - - UZ ；利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(二二)電路圖電路圖傳輸特性傳輸特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ問題：如將輸入信號加在問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？端，傳輸特性如何？單限比較器單限比較器 單限比較器有一個門限電平，單限

39、比較器有一個門限電平，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。 當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓 uI 變化，使反相輸變化，使反相輸入端的電位為零時，輸出端的狀入端的電位為零時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。態(tài)將發(fā)生跳變。uIuO+UOpp- -UOppO+UZ- -UZREF21URR 過零比較器是門限電平為零的過零比較器是門限電平為零的單限比較器。單限比較器。如何求如何求門限電平？門限電平？REF21TURRuUI門限電平門限電平為：為：單限比較器的單限比較器的作用作用：檢測輸入的模擬信號是否達(dá)到：檢測輸入的模擬信號是否達(dá)到某一給定電平。某

40、一給定電平。缺點缺點：抗干擾能力差。：抗干擾能力差。解決辦法解決辦法： 采用具有采用具有滯回滯回 傳輸特性的比較器。傳輸特性的比較器。滯回比較器滯回比較器UREF 為參考電壓；為參考電壓；輸出電壓輸出電壓 uO 為為 +UZ 或或 - -UZ；uI 為輸入電壓。為輸入電壓。當(dāng)當(dāng) u+ = u- - 時，輸出電壓時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。的狀態(tài)發(fā)生跳變。OF22REFF2FuRRRURRRu 比較器有兩個不同的門限電平，比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。故傳輸特性呈滯回形狀。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +滯回比較器滯回比較器若若 uO= UZ ，當(dāng)，當(dāng) uI 逐漸減小時，使逐漸減小時，使 uO 由由 UZ 跳跳變?yōu)樽優(yōu)?UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT ZF22REFF2FTURRRURRRU 回差回差( (門限寬度門限寬度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 若若 uO = UZ ，當(dāng)，當(dāng) uI 逐漸增大時，使逐漸增大時，使 uO 由由 + +UZ 跳變跳變?yōu)闉?/p>