重大復(fù)試模電課件講義

1、 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的集成電路不斷涌現(xiàn)。它們被工程技術(shù)人員當(dāng)作積木塊構(gòu)成各種電子系統(tǒng)。本章討論運(yùn)放和乘法器的一些典型應(yīng)用電路。 第7章在討論在深度負(fù)反饋條件下對(duì)負(fù)反饋電路進(jìn)行近似計(jì)算時(shí)，曾經(jīng)得出兩個(gè)重要概念： 1. 集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓通常接近于零，即 vI = vN vP 0, 若理想化， vI =0，稱為虛短。 2. 集成運(yùn)放兩輸入端幾乎不取電流，即 iI 0 , 若理想化， 則 iI =0， iN = iP=0 ,稱為虛斷 。 利用這兩個(gè)概念分析各種運(yùn)算與處理電路的線性工作（運(yùn)放組成的電路是負(fù)反饋電路）情況將十分方便。虛短 vN = vP, 虛斷 iN = iP=0

2、 8 信號(hào)運(yùn)算與處理電路8.1 基本運(yùn)算電路 運(yùn)放構(gòu)成的基本運(yùn)算電路主要有：比例、加法、減法、微分、積分電路。 在分析時(shí)，要注意輸入方式，判別反饋的類型，利用虛短、虛斷的概念，得出近似的結(jié)果。 比例放大器 1. 反相比例 輸入信號(hào)從反相輸入端接入; 引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)。 利用虛短和虛斷的概念，得電壓增益 電路特點(diǎn)：在理想情況下, 該電路具有虛短、虛斷、虛地概念。因有“虛地”，共模電壓為零，故對(duì)共模抑制比要求低；電路的輸入電阻較小，向信號(hào)源吸取的電流較大；電路的輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 2. 同相比例 輸入信號(hào)從同相輸入端接入， 引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋，利用虛短和虛斷的概念，有

3、 電路特點(diǎn)：在理想情況下, 該電路具有虛短、虛斷概念。由于，共模電壓不為零，故對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求較高；電路的輸入電阻大，向信號(hào)源吸取的電流較??；電路的輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 當(dāng) R1 = , Rf =1 時(shí)，電壓增益為1，輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，稱此電路為電壓跟隨器。此電路隔離性好，常作為緩沖級(jí)。 8.1.1 加法電路利用虛短、虛斷，有8.1.2 減法電路 利用反相信號(hào)求和實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算2. 利用差分式電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算 電壓增益 輸入信號(hào)從兩個(gè)輸入端接入，放大的是兩輸入信號(hào)之差，因此稱為差分式放大器。電路引入了電壓負(fù)反饋。 利用虛短和虛斷的概念，有 電路特點(diǎn): 該電路具有虛

4、短、虛斷概念。共模電壓不為零，故對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求較高；電路的輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 該電路可用于檢測(cè)儀器中。性能更好的差分式放大電路用多只運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。例 8.1.1 圖 8.1.4所示為一高輸入阻抗，低輸出阻抗的儀用放大器。假設(shè)集成運(yùn)放是理想的，試證明 由前差分電路結(jié)果得解：1) A1 、A2 組成的第一級(jí)差分電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋；A3 組成的第二級(jí)差分電路也引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋； 2）電路為深度負(fù)反饋。由虛短和虛斷： 8. 1. 3 積分電路 輸入信號(hào)從反相端輸入，稱為反相積分電路。 利用虛斷和虛地概念 當(dāng)輸入電壓為圖8.1.6a所示的階躍電壓，輸出電壓與時(shí)間成近似線性關(guān)系。圖 8.

5、1.5積分器實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流和失調(diào)電流的影響，常出現(xiàn)積分誤差。應(yīng)選用 VIO、 IIO、 IIB 較小和低漂移運(yùn)放，并在同相端接入可調(diào)平衡電阻。 積分電容的漏電流也是產(chǎn)生積分誤差的一個(gè)原因。 8.1.4 微分電路 當(dāng)輸入電壓為圖8.1.9a所示的階躍電壓，輸出電壓與時(shí)間關(guān)系如圖 8.1.9b 。 如果輸入為正弦信號(hào) vs = sin t, 則輸出信號(hào)vo= RC sint電路對(duì)高頻噪聲特別敏感。 歸納與推廣 上述電路可在復(fù)頻域里分析，電阻、電容等寫(xiě)成復(fù)阻抗的形式Z(s), s 為復(fù)頻率。如反相比例電路的輸出電壓可寫(xiě)成 例如圖 所示的復(fù)合運(yùn)算電路，其輸入和輸出

6、信號(hào)之間在復(fù)頻域中的關(guān)系為式中第一、二項(xiàng)表示比例運(yùn)算；第三項(xiàng)表示微分運(yùn)算；第四項(xiàng)為積分運(yùn)算。常稱其為 PID 調(diào)節(jié)器。8.2 實(shí)際運(yùn)放運(yùn)算電路的誤差分析 上面討論基本運(yùn)算電路時(shí)，認(rèn)為運(yùn)放是理想的，即認(rèn)為它的增益和輸入電阻及共模抑制比無(wú)窮大，輸出電阻為零，失調(diào)電流和電壓及其溫漂為零。實(shí)際運(yùn)放，除增益、輸入和輸出電阻接近理想，所帶來(lái)的誤差可忽略外，而共模抑制比，失調(diào)電流和電壓及其溫漂的存在將在電路輸出端產(chǎn)生誤差，影響運(yùn)算精度。 1 共模抑制比為有限值的情況 以同相運(yùn)算電路為例來(lái)討論。 由上式可知，運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益 AVO 和 共模抑制比KCMR 越大，運(yùn)算電路的增益 AVF 越接近理想情況下的值。2

7、. 輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流不為零時(shí)的情況 同相輸入端電壓 假定運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益和輸入電阻為無(wú)窮大 ，外電路選8.3 對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 8. 3. 1 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 電路的輸出電壓和輸入電壓成對(duì)數(shù)關(guān)系。8. 3.2 反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 電路的輸出電壓和輸入電壓成反對(duì)數(shù)關(guān)系。8 . 4 模擬乘法器 8.4.1 基本概念 實(shí)現(xiàn)兩模擬輸入信號(hào)相乘的電路稱為模擬乘法器。 集成模擬乘法器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一類由對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)電路構(gòu)成；另一類為變跨導(dǎo)式。 分同相和反相模擬乘法器。 右圖為模擬乘法器的電路符號(hào)，K 為比例常數(shù)。8. 4. 2 模擬乘法器的應(yīng)用 1. 除法運(yùn)算電路 只有當(dāng) vX2 為正極性時(shí)，才能

8、保證電路處于負(fù)反饋工作狀態(tài)，所得結(jié)果才正確。(+)()()2. 開(kāi)平方電路 電路如圖所示，由虛地的概念有 v1 為負(fù)極性，電路才能正常工作。 正電壓開(kāi)平方電路如圖8.4.5 所示， 分析可知， v1 為正時(shí)，電路為負(fù)反饋。3. 調(diào)制和解調(diào) 調(diào)制 將音頻信號(hào)“裝載”于高頻信號(hào)的過(guò)程。 可用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)，如圖8.4.6所示乘法器的輸出是一標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅波。解調(diào)（檢波）：從調(diào)幅波中提取調(diào)制信號(hào)（音頻信號(hào)）的過(guò)程。8. 5 有源濾波電路 濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制（或大為衰減）無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置。 常用作信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。 本節(jié)主要討論的有源模擬濾波器是由電阻、電容和集

9、成運(yùn)放構(gòu)成。 有源模擬濾波器具有輸入阻抗大、輸出阻抗低的特點(diǎn)并具有一定的電壓放大和緩沖作用。 有源模擬濾波器存在工作頻率難以作的很高。 8. 5. 1 基本概念和初步定義 濾波電路的一般結(jié)構(gòu)如圖8.5.1 所示。假定濾波電路為線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)頻域內(nèi)有稱為電路的電壓傳遞函數(shù)，一般為復(fù)數(shù)。對(duì)于實(shí)際頻率來(lái)說(shuō)（ s=j ), 則有濾波電路所關(guān)心的另一量是時(shí)延，它定義為 通常用復(fù)頻特性來(lái)表征一個(gè)濾波電路的特性，欲使信號(hào)通過(guò)濾波器的失真小，則應(yīng)考慮相位和時(shí)延響應(yīng)。 2 有源濾波器的分類 通帶 ： 復(fù)頻響應(yīng)中， 傳遞函數(shù)值不變所對(duì)應(yīng)的頻率范圍。 阻帶： 信號(hào)受阻或衰減的頻率范圍 。 截止頻率 ： 通帶和阻帶的界限頻率。 按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器分為低通(LPF)、高通(HPF)、帶通(BPF)和帶阻(BRF)濾波器四種類型。 1. 一階低通濾波器 一階濾波器包含一個(gè)RC電路。圖6.3.17(a)為一階低通濾波器電路，運(yùn)放構(gòu)成同相放大器，由圖可求得LPF的傳遞函數(shù) 2. 二階有源濾波器 為了改進(jìn)濾波器的頻率特性，可采用二階有源濾波器。一個(gè)二階濾波器包含兩個(gè)RC支路，圖8.5.4是常用的二階濾波器電路。分析結(jié)果可用于低通、高通及帶通濾波器。 濾波