模擬電子技術(shù)(姚婭川) 集成運(yùn)放的基本應(yīng)用

模擬電子技術(shù)第5章集成運(yùn)放的基本應(yīng)用主要內(nèi)容5.1理想的集成運(yùn)放

5.2基本運(yùn)算電路

5.3模擬乘法運(yùn)算電路5.4有源濾波器5.5電壓比較器5.1理想的集成運(yùn)放一、理想運(yùn)放的參數(shù)為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入負(fù)反饋：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的條件：電路中有負(fù)反饋！運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短虛斷1.線性區(qū)二、運(yùn)放的工作區(qū)域2.非線性區(qū)（正、負(fù)飽和狀態(tài)）運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！具有兩個(gè)特點(diǎn)：（2）運(yùn)放的輸入電流等于零，即仍然滿足虛斷概念一.反相比例運(yùn)算虛地點(diǎn)i1=if

（虛斷）因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷u+

=0

u－=u+=0（虛地）反饋方式：電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓放大倍數(shù):5.2基本運(yùn)算電路5.2.1比例運(yùn)算電路例題:

R1=10k

,Rf=20k,ui=-1V。求:uo

、Ri。說明R0的作用，R0應(yīng)為多大？特點(diǎn)：共模輸入電壓=0（u－=u+=0）缺點(diǎn)：輸入電阻?。?/p>

Ri=R1）R0為平衡電阻(使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等):R0=R1//Rf二.同相比例運(yùn)算電路u-=u+=uii1=if（虛斷）平衡電阻R=Rf//R1因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋特點(diǎn)：輸入電阻高缺點(diǎn)：共模輸入電壓≠0（u－=u+=ui）電壓放大倍數(shù):Au=1三.電壓跟隨器此電路是同相比例運(yùn)算的特殊情況，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。ui=u+=u-=uo因?yàn)橛胸?fù)反饋，利用虛短和虛斷：1.反相求和運(yùn)算：若R1=R2=R,

平衡電阻R0=R1//R2//Rfi1+i2=if5.2.2加減運(yùn)算電路

一.加法運(yùn)算電路虛地2.同相求和運(yùn)算：當(dāng)R1=R2=Rf=R時(shí),同相比例運(yùn)算:二.減法運(yùn)算電路1、利用加法器和反相比例器疊加原理2、差動(dòng)減法器

ui1作用

ui2作用

綜合：則有：一、

積分電路5.2.3積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路反相積分器：如果u

i=直流電壓,輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時(shí)間后輸出飽和。tui0tuo0-UomTM積分時(shí)間設(shè)Uom=15V,ui=+3V,

R=10k,C=1F求積到飽和值的時(shí)間：練習(xí):畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。tui0212345tuo0-2-4-6應(yīng)用舉例：輸入方波，輸出是三角波。tui0tuo0二、微分電路：u-=u+=0tui0tuo0例：,求uo。90°一.對(duì)數(shù)運(yùn)算電路5.2.4對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路

利用PN結(jié)的指數(shù)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算BJT的發(fā)射結(jié)有注意：ui必須大于零，電路的輸出電壓小于0.7V利用虛短和虛斷，有用三極管實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算

二.指數(shù)運(yùn)算電路uO是ui的反對(duì)數(shù)運(yùn)算（指數(shù)運(yùn)算）用三極管實(shí)現(xiàn)反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路利用虛短和虛斷，電路有要求以上兩個(gè)電路溫漂很嚴(yán)重，實(shí)際電路都有溫度補(bǔ)償電路

基本原理

5.3.1利用對(duì)數(shù)和指數(shù)電路的乘法運(yùn)算電路5.3模擬乘法運(yùn)算電路

例如：若取R1＝R2＝R3＝R4＝R，可得：

對(duì)于差放有：

一.基本原理5.3.2變跨導(dǎo)乘法電路模擬乘法器功能：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘

其中K為比例因子，量綱:V-1符號(hào)：

5.3.3模擬乘法器的應(yīng)用1.乘法運(yùn)算立方運(yùn)算電路

2.平方和立方運(yùn)算平方運(yùn)算電路uo=KuXuYuo=K(ui)2uo=K2(ui)33.除法運(yùn)算電路根據(jù)虛斷如果令K=R2/R1則:注意：為保證電路為負(fù)反饋，必須有：4.開平方運(yùn)算電路)(1i12OuRRKu-=ui為負(fù)值！負(fù)反饋條件？

有源濾波器實(shí)際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。

濾波器的功能：對(duì)頻率進(jìn)行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號(hào)，保留下有用信號(hào)。

濾波器的分類：

低通濾波器（LPF）高通濾波器（HPF）帶通濾波器（BPF）帶阻濾波器（BEF）5.4有源濾波器5.4.1濾波器的基本概念及分類ω|A|0ωC通帶阻帶A0ω|A|0ωCA0阻帶通帶ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通

各種濾波器理想的幅頻特性：（1）低通（2）高通（1）帶通（1）帶阻

濾波器的用途

濾波器主要用來濾除信號(hào)中無用的頻率成分，例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含一些較高頻率成分的干擾。1.一階RC低通濾波器(無源)5.4.2有源低通濾波器傳遞函數(shù)：截止頻率：幅頻特性：此電路的缺點(diǎn)：1、帶負(fù)載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性：0.707

H截止頻率01|A|2.一階有源低通濾波器傳遞函數(shù)：通帶增益：截止頻率：幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)：幅頻特性：缺點(diǎn)：阻帶衰減太謾。

H0.7071+Rf/R101+Rf/R1|A|3.二階有源低通濾波器傳遞函數(shù)：

當(dāng)Ao＜3時(shí)，濾波器可以穩(wěn)定工作。此時(shí)特性與Q有關(guān)。當(dāng)Q=0.707時(shí)，幅頻特性較平坦。當(dāng)f＞＞fL時(shí)，幅頻特性曲線的斜率為-40dB/dec。

當(dāng)Ao≥3時(shí)，源濾波器自激。幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)：通帶增益：截止頻率：5.4.3有源高通濾波電路1.一階有源高通濾波器幅頻特性：缺點(diǎn)：阻帶衰減太慢幅頻特性及幅頻特性曲線傳遞函數(shù)：01+Rf/R10.707(1+Rf/R1)

L|A|2.二階有源高通濾波器由此繪出頻率響應(yīng)特性曲線

(2)通帶增益（1）幅頻特性：其中：當(dāng)AO≥3時(shí)，電路自激幅頻特性曲線

當(dāng)Ao＜3時(shí)，濾波器可以穩(wěn)定工作。此時(shí)特性與Q有關(guān)。當(dāng)Q=0.707時(shí)，幅頻特性較平坦。當(dāng)f＜＜

fL時(shí)，幅頻特性曲線的斜率為+40dB/dec。

可由低通和高通串聯(lián)得到低通截止頻率高通截止頻率必須滿足5.4.3有源高通濾波電路

可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足5.4.5有源帶阻濾波電5.5電壓比較器

將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。功能：構(gòu)成：運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。uoui0+UOM-UOM5.5.1電壓比較器概述1.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法2.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；若U+＜U-

則UO=-UOM。虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0）

注意：此時(shí)不能用虛短！uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM1.過零比較器:（門限電平=0）uoui0+UOM-UOM5.5.2單限比較器tuituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?.單門限比較器（與參考電壓比較）uoui0+Uom-UomUREFUREF為參考電壓當(dāng)ui>UREF時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui<UREF時(shí),uo=-Uom

運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)uoui0+Uom-UomUREF當(dāng)ui<UREF時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui>UREF時(shí),uo=-Uom

若ui從反相端輸入一般單限比較器及其電壓傳輸特性令，得到uoui0+UZ-UZ（1）用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓忽略了UD3.限幅電路——使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值當(dāng)ui>0時(shí),uo=+UZ當(dāng)ui<0時(shí),uo=-UZ

（2）穩(wěn)幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路中uoui0+UZ-UZ當(dāng)ui>0時(shí),uo=-UZ當(dāng)ui<0時(shí),uo=+UZ

5.5.3滯回比較器1.工作原理——兩個(gè)門限電壓。特點(diǎn):電路中使用正反饋——運(yùn)放工作在非線性區(qū)。（1）當(dāng)uo=+UZ時(shí)，（2）當(dāng)uo=-UZ時(shí)，UT+稱上門限電壓UT-稱下門限電壓UT+-UT-稱為回差電壓遲滯比較器的電壓傳輸特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-設(shè)ui

,當(dāng)ui=<UT-時(shí),

uo從-UZ

+UZ這時(shí),uo=-UZ,u+=UT-設(shè)初始值:

uo=+UZ,

u+=UT+設(shè)ui,當(dāng)ui=>UT+時(shí),

uo從+UZ

-UZ例題：Rf=10k

，R2=10k

，UZ=6V，UREF=10V。當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。上下限：uoui08V3V傳輸特性+6V-6V3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V傳輸特性+6V-6V5.5.4窗口比較器本章小結(jié)1．集成運(yùn)放可以構(gòu)成加法、減法、積分、微分、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)等多種運(yùn)算電路。在這些電路中，均存在深度負(fù)反饋。因此，運(yùn)放工作在線性放大狀態(tài)。這時(shí)可以使用理想運(yùn)放模型對(duì)電路進(jìn)行分析，“虛短”和“虛斷”的概念是電路分析的有力工具。2．集成模擬乘法器是一種重要的模擬集成電路，在信號(hào)處理和頻率變換方面得到了廣泛的應(yīng)用。集成模擬乘法器內(nèi)部電路較為復(fù)雜，對(duì)生產(chǎn)工藝的要求也較高。熟練掌握這種器件在各種運(yùn)算電路中的使用方法，是要求的重點(diǎn)。3．有源濾波器是一種重要的信號(hào)處理電路，它可以突出有用頻段的信號(hào)，衰減