電子技術(shù)第05講線性處理器

(5-1)電子技術(shù)

第五章線性處理器模擬電路部分(5-2)

第五章線性處理器§5.1運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)§5.2信號(hào)的運(yùn)算電路§5.3有源濾波器§5.4電壓源、電流源與電壓、電流、電阻的測(cè)量(5-3)uiuo+UOM-UOMAo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。uiuo_++Ao§5.1運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)例：若UOM=12V，Ao=106，則|ui|<12V時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。線性放大區(qū)(5-4)由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其所謂的理想運(yùn)放。理想運(yùn)放的條件虛短路放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。虛開路運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)一、在分析信號(hào)運(yùn)算電路時(shí)對(duì)運(yùn)放的處理(5-5)二、分析運(yùn)放組成的線性電路的出發(fā)點(diǎn)虛短路虛開路放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，可以分開分析。u+uo_++u–Ii信號(hào)的放大、運(yùn)算有源濾波電路運(yùn)放線性應(yīng)用(5-6)5.1.1比例運(yùn)算電路§5.1信號(hào)的運(yùn)算電路作用：將信號(hào)按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。(5-7)i1=i2uo_++R2R1RPuii1i21.放大倍數(shù)虛短路虛開路一、反相比例運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。虛開路(5-8)2.電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性。RP=R1

//R2uo_++R2R1RPuii1i2為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時(shí)，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。(5-9)4.共模電壓電位為0，虛地輸入電阻小、共模電壓為0以及“虛地”是反相輸入的特點(diǎn)。_++R2R1RPuii1i23.反饋方式電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電阻很小！(5-10)反相比例電路的特點(diǎn)：1.共模輸入電壓為0，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求低。2.由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。3.由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻小，因此對(duì)輸入電流有一定的要求。4.在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。(5-11)uo_++R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3M例：求Au=?i1=i2虛短路虛開路虛開路(5-12)該放大電路，在放大倍數(shù)較大時(shí)，可避免使用大電阻。但R3的存在，削弱了負(fù)反饋。(5-13)二、同相比例運(yùn)算電路_++R2R1RPuiuou-=u+=ui反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋。輸入電阻高。虛短路虛開路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。虛開路(5-14)同相比例電路的特點(diǎn)：3.共模輸入電壓為ui，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求高。1.由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。2.由于串聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻大。(5-15)_++uiuo此電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。三、電壓跟隨器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。(5-16)5.1.2加減運(yùn)算電路作用：將若干個(gè)輸入信號(hào)之和或之差按比例放大。類型：同相求和和反相求和。方法：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。(5-17)一、反相求和運(yùn)算R12_++R2R11ui2uoRPui1實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。(5-18)i12iFi11R12_++R2R11ui2uoRPui1調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。(5-19)二、同相求和運(yùn)算實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。-R1RF++ui1uoR21R22ui2(5-20)此電路如果以u(píng)+為輸入，則輸出為：-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+與

ui1

和ui2的關(guān)系如何？注意：同相求和電路的各輸入信號(hào)的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨(dú)調(diào)整。流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛開路）(5-21)-R1RF++ui1uoR21R22ui2R′左圖也是同相求和運(yùn)算電路，如何求同相輸入端的電位？提示：1.虛開路：流入同相端的電流為0。2.節(jié)點(diǎn)電位法求u+。(5-22)三、單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6(5-23)R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6虛短路虛開路虛開路(5-24)_++R2R1R1ui2uoR2ui1解出：?jiǎn)芜\(yùn)放的加減運(yùn)算電路的特例：差動(dòng)放大器(5-25)_++R2R1R1ui2uoR2ui1差動(dòng)放大器放大了兩個(gè)信號(hào)的差，但是它的輸入電阻不高（=2R1）,這是由于反相輸入造成的。(5-26)例：設(shè)計(jì)一個(gè)加減運(yùn)算電路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3解:(1)畫電路。系數(shù)為負(fù)的信號(hào)從反相端輸入，系數(shù)為正的信號(hào)從同相端輸入。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3(5-27)(2)求各電阻值。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3uo=10ui1+8ui2-20ui3(5-28)優(yōu)點(diǎn)：元件少，成本低。缺點(diǎn)：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的調(diào)整計(jì)算不方便。單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路改進(jìn)：采用雙運(yùn)放電路。(5-29)四、雙運(yùn)放的加減運(yùn)算電路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R6(5-30)例：A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為0~+5V，現(xiàn)有信號(hào)變化范圍為-5V~+5V。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)?~+5V。+5V-5V+5V+2.5V電平抬高電路A/D計(jì)算機(jī)uiuouo=0.5ui+2.5V(5-31)uo=0.5ui+2.5V=0.5(ui+5)V_++10k20k+5V5kui20kuo1uo_++20k20k10k(5-32)五、三運(yùn)放電路uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1–+AR2R2uo+(5-33)uo2++A–+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛開路：(5-34)三運(yùn)放電路是差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路的輸入電阻高。uo2uo1R1R1–+AR2R2uo+(5-35)例：由三運(yùn)放放大器組成的溫度測(cè)量電路。uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt

：熱敏電阻集成化:儀表放大器(5-36)Rt=f(T°C)uoR1R1++A3R2R2++A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui(5-37)1.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小。2.關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。比例運(yùn)算電路與加減運(yùn)算電路小結(jié)(5-38)5.1.3微分運(yùn)算電路與積分運(yùn)算電路u–=u+=0uit0t0uoui–++uoRR2i1iFC若輸入：則：一、微分運(yùn)算(5-39)i1iFtui0tuo0輸入方波，輸出是三角波。ui-++RR2Cuo二、積分運(yùn)算應(yīng)用舉例1：(5-40)tui0tuo0U-UomTM積分時(shí)限應(yīng)用舉例2：如果積分器從某一時(shí)刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時(shí)間后輸出飽和。思考：如果輸入是正弦波，輸出波形怎樣，請(qǐng)自己計(jì)算。運(yùn)放實(shí)驗(yàn)中請(qǐng)自己驗(yàn)證。(5-41)其他一些運(yùn)算電路：對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路、乘法與除法運(yùn)算電路等，由于課時(shí)的限制，不作為講授內(nèi)容。積分電路的主要用途：1.在電子開關(guān)中用于延遲。2.波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣ā?.A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r(shí)間量。4.移相。(5-42)運(yùn)算電路要求1.熟記各種單運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。2.掌握以上基本運(yùn)算電路的級(jí)聯(lián)組合的計(jì)算。3.會(huì)用“虛開路(ii=0)”和“虛短路(u+=u–)

”分析給定運(yùn)算電路的放大倍數(shù)。(5-43)濾波電路的分類1.按信號(hào)性質(zhì)分類3.按電路功能分類:低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器2.按所用元件分類§5.3有源濾波器模擬濾波器和數(shù)字濾波器無源濾波器和有源濾波器4.按階數(shù)分類:一階，二階…

高階(5-44)傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性濾波器傳遞函數(shù)的定義(5-45)低通高通帶通帶阻四種典型的頻率特性(5-46)無源濾波器的缺點(diǎn)（以一階濾波器為例）傳遞函數(shù)：RCR(5-47)1.帶負(fù)載能力差。2.無放大作用。3.特性不理想，邊沿不陡。截止頻率處：010.707o截止頻率此電路的缺點(diǎn)：(5-48)將兩級(jí)一階低通濾波器串接？各級(jí)互相影響！RCRCR(5-49)有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：1.不使用電感元件，體積小重量輕。2.有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個(gè)低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無需考慮級(jí)間影響。3.除濾波外，還可放大信號(hào)，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。(5-50)有源濾波器的缺點(diǎn)：1.不宜用于高頻。2.不宜在高電壓、大電流情況下使用。3.可靠性較差。4.使用時(shí)需外接直流電源。(5-51)一、一階有源低通濾波器傳遞函數(shù)中出現(xiàn)

的一次項(xiàng)，故稱為一階濾波器。RR1RFC+-+(5-52)幅頻特性：相頻特性：(5-53)有放大作用3.運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路的特點(diǎn)：2.=o時(shí)1.=0

時(shí)(5-54)解出：其中：RR1RFC+-+CRP二、二階有源低通濾波器傳遞函數(shù)中出現(xiàn)

的二次項(xiàng)，故稱為二階濾波器。(5-55)03dB(5-56)R1=

時(shí)：AF=1

=o時(shí)：RC+-+CRP(5-57)RR1RFC+-+RR1RFC+-+由低階有源濾波器構(gòu)成高階有源濾波器例：兩個(gè)一階有源濾波器串接構(gòu)成二階有源濾波器。分析簡(jiǎn)單(5-58)一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別：-3dBAF理想低通一階低通二階低通階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器。0(5-59)如何組成高通濾波器？將低通濾波器中的R、C對(duì)調(diào)，低通濾波器就變成了高通濾波器。RCR1RF+-+低通濾波器R1RF+-+高通濾波器R(5-60)三、一階有源高通濾波器R1RF+-+高通濾波器R(5-61)幅頻特性：0o(5-62)§5.4電壓源、電流源與電壓、電流、電阻的測(cè)量電壓源的要求：輸出電阻小。所以，要有電壓負(fù)反饋。電路組成：比例放大器。一、電壓源_++R2R1RPUoUs反向比例放大器組成的電壓源(5-63)電路特點(diǎn):1.輸出電壓的大小調(diào)節(jié)方便。2.同相比例放大器組成的電壓源的輸出大于輸入。3.反相比例放大器組成的電壓源輸出可以小于輸入。4.同相比例放大器的輸入電阻大，從信號(hào)源取得的電流小。(5-64)要求：輸出電阻大。所以，要有電流負(fù)反饋。_++R2R1RPUsRFRLFIL負(fù)載懸地！二、電流源I1I2(5-65)R1R1++AR2R2uoUsRLIL負(fù)載接地的電流源自己推導(dǎo)(5-66)指針式萬用表的缺點(diǎn)：（1）不能測(cè)量微小電壓和微小電流；（2）萬用表的內(nèi)阻不是0或，因此引起誤差；（3）作交流測(cè)量時(shí)，表盤刻度是非線性的，影響精度。三、電壓、電流與電阻的測(cè)量(5-67)把表頭改裝成靈敏度