模擬電子線路

模擬電子線路南通職業(yè)大學(xué)電子工程系:楊碧石AnalogCircuits第六章．模擬信號運算電路這里將討論的根本運算有：比例、加、減、積分和微分等運算。普通是由集成運放外加反響網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的運算電路來實現(xiàn)。在分析這些電路時，要留意輸入方式，判別反響類型，并利用虛短、虛斷的概念，得出近似的結(jié)果，然后聯(lián)絡(luò)實踐，作些補充闡明。比例運算電路有同相輸入和反相輸入兩種，分別屬于電壓串聯(lián)負(fù)反響和電壓并聯(lián)負(fù)反響電路，其比例系數(shù)即為反響放大電路的增益。6.1

比例運算電路輸出電壓與輸入電壓之間存在比例關(guān)系，即電路可實現(xiàn)比例運算。比例運算有三種：反相輸入、同相輸入、差分輸入比例電路。u0=kui k稱為比例系數(shù)，這個比例系數(shù)可以是正值，也可以是負(fù)值，決議于輸入電壓的接法。一.

反相比例運算電路

1.

電路組成一個運放和三個電阻R2=R1||RF平衡電阻集成運放的同相輸入端和反向輸入端，實踐上是運放內(nèi)部輸入級差動放大中兩個三極管的基極，為了使差動放大電路的參數(shù)堅持平衡對稱，應(yīng)使兩個差分對管基極對地的電阻，以免靜態(tài)基流流過這兩個基極電阻時，在輸入端產(chǎn)生一個附加的偏向電壓，∴R2=R1||RFR2稱平衡電阻?！察o態(tài)時，使輸入級偏流平衡，并讓輸入級的偏置電流在運放兩個輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降〕以便消除放大器的偏置電流及其飄移影響。用反響實際來分析反相比例電路。應(yīng)為并聯(lián)負(fù)反響。反響電路從輸出端引入到反相輸入端。uI為正，那么u0為負(fù)，所以反向輸入端的電位高于輸出端的電位。故電流的方向如下圖，差值電流i-=iI-iF。iF減弱了凈輸入電流,故為負(fù)反響。反響電流IF取自輸出電壓，并與之成正比，故為電壓反響。反響信號在輸入端是以電流的方式出現(xiàn)的，故為并聯(lián)反響?！嚯娐窞殡妷翰⒙?lián)負(fù)反響。

2.

主要功能〔1〕電壓放大倍數(shù).利用理想運放任務(wù)在線性區(qū)時“虛短〞和“虛斷〞的結(jié)論“虛斷〞：i+=0,i-=0,∴iI=iF同相u+=0.由“虛短〞u-=u+=0.反相比例電路中，反相輸入端和同相輸入端兩點的電壓不僅相等，而且都等于零。如圖將該兩點接地一樣，這種景象稱為“虛地〞。“虛地〞是反相輸入比例運算電路的一個重要特性。結(jié)論：a.輸出電壓與輸入電壓的幅值成正比，實現(xiàn)了比例運算。由于輸入電壓加在運放的反相輸入端，故u0和uI的極性相反。b.

|Auf|決議于電路中外接的反響電阻RF與輸入電阻R1之比，而與運放本身的參數(shù)無關(guān)?！策@由深度負(fù)反響放大電路的特點決議的〕只要選用比較穩(wěn)定的精細(xì)電阻，即可實現(xiàn)比較準(zhǔn)確的比例運算。c.|Auf|>1|Auf|<1當(dāng)RF=R1時，Auf=-1稱單位增益倒相器。*〔2〕輸入電阻由于集成運放的反相輸入端“虛地〞?！喾聪啾壤娐返妮斎腚娮璧扔赗1，那么Rif=R1可見，反相比例電路的輸入電阻不高?！簿売桑航尤肓穗妷翰⒙?lián)負(fù)反響〕*〔3〕共模輸入電壓由于“虛地〞的特點，反相比例電路中集成運放的同相輸入端和反相輸入端電壓均根本上等于零。也就是說，集成運放接受的共模輸入電壓很低。因此反相比例電路選擇運放時對KCMR、UICM不用提出很高的要求。二．同相輸入比例電路反響電路：輸出端到反相輸入端經(jīng)R1到地，uI為正，u0為正。此時０<u-<uI，電流實踐方向與圖中相反。經(jīng)RF、R1分壓后,反響電壓為u0一部分。ud=uI–uf，即uf減弱了凈輸入電壓，故為負(fù)反響。uf與u0成正比為電壓反響。反響信號以電壓方式出現(xiàn)，故為串聯(lián)反響。∴同相輸入比例電路是一個電壓串聯(lián)負(fù)反響電路。2.

主要性能〔1〕

電壓放大信數(shù)運用“虛短〞和“虛斷〞的結(jié)論。

結(jié)論：a.

輸出電壓與輸入電壓的幅值成比例，且u0與uI(同相)極性一樣。b.

Auf由R1.RF決議。與運放參數(shù)無關(guān)。|Auf|≥1c.

當(dāng)R1=∞

或RF=0.Auf=1這時電路稱為電壓跟隨器。

〔2〕

輸入電阻同相比例電路中接入了一個電壓串聯(lián)負(fù)反響，因此可以提高輸入電阻：Rif=(1+AodF)RidAod、Rid為運放的開環(huán)差模電壓壇益和差模輸入電阻、F為反響系數(shù)。〔3〕

共模輸入電壓同相：u-=u+=uI∴運放接受的共模輸入電壓能夠比較高，這一點在選用運放芯片時要加以留意。應(yīng)選UICM。KCMR較高的運放。三、差動輸入比例電路〔減法電路〕2.主要性能：〔1〕

電壓放大倍數(shù)結(jié)論:輸出電壓與差模輸入電壓(uI-uI,)的幅值成正比,∴可以實現(xiàn)比例運算.而Auf只決議于外接電阻RF與R1的比值,而與集成運放本身的參數(shù)無關(guān)。

〔2〕輸入電阻RifRif=2R1闡明差動輸入比例電路的輸入電阻不高?！?〕共模輸入電壓不存在虛地，接受較高的共模輸入電壓。選擇運放時加思索。對電阻元件參數(shù)的對稱性要求比較高，如參數(shù)不匹配，那么將產(chǎn)生共模輸出電壓，從而使電路的共模抑制比降低。三種比例運算電路比較〔見書329頁〕四、比例電路運用實例1.數(shù)據(jù)放大器：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，一般具有差動輸入單端輸出的方式。三個運放組成的數(shù)據(jù)放大器，都接成比例放大器?！惨姇?31頁〕2.T型反響網(wǎng)絡(luò)比例電路既能得到較高的電壓放大倍數(shù)和輸入電阻，而反響網(wǎng)絡(luò)中所用的電阻R2、R3和R4的阻值又不致太高，比較容易實現(xiàn)。〔見書334頁〕

6.2

求和電路求和電路的輸出電壓決議于輸入電壓相加的結(jié)果。即電路可以實現(xiàn)求和運算，其普通表達式為:u0=K1uI1+K2uI2+…+KnuIn求和電路可在比例電路根底上加以擴展而得到。方式:反相輸入同相輸入一、反相器求和電路利用uI=0，iI=0和uN=0的概念，對反相輸入節(jié)點可寫出下面的方程式：

或

由此得

這就是加法運算的表達式，式中負(fù)號是因反相輸入所引起的。假設(shè)R1=R2=Rf，那么上式變?yōu)?/p>

如在圖的輸出端再接一級反相電路，那么可消去負(fù)號，實現(xiàn)完全符合常規(guī)的算術(shù)加法。圖所示的加法電路可以擴展到多個輸入電壓相加。加法電路也可以利用同相放大電路組成。優(yōu)點:調(diào)理比較靈敏方便。由于反相輸入端與同相輸入端“虛地〞,因此,選用集成運放時,對其最大共模輸入電壓的目的要求不高.，∴此電路運用比較廣泛。

二.

同相求和電路從原那么上說,求和電路也可以采用雙端輸入(或稱差動輸入)方式、此時只用一個集成運放，即可同時實現(xiàn)加法和減法運算。但由于電路系數(shù)的調(diào)整非常費事，所以實踐上很少采用。如需同時進展加法、通常寧可多用一個集成運放，而仍采用反相求和電路的構(gòu)造方式。減法電路另一種方式〔1〕利用反置信號求和以實現(xiàn)減法運算電路如下圖。圖所示電路第一級為反相比例放大電路，假設(shè)Rf1=R1，那么uO1=－uS1；第二級為反相加法電路，那么可導(dǎo)出

假設(shè)R2=Rf2，那么上式變?yōu)?/p>

反相輸入構(gòu)造的減法電路，由于出現(xiàn)虛地，放大電路沒有共模信號，故允許uS1、uS2的共模電壓范圍較大，且輸入阻抗較低。在電路中，為減小溫漂提高運算精度，同相端須加接平衡電阻?！?〕利用差分式電路以實現(xiàn)減法運算圖所示是用來實現(xiàn)兩個電壓uS1、uS2相減的電路，從電路構(gòu)造上來看，它是反相輸入和同相輸入相結(jié)合的放大電路。在理想運放的情況下，有uP=uN，就是說電路中存在虛短景象，同時運放兩輸入端存在共模電壓。伴隨uI=0，也有iI=0，由此可得以下方程式：

留意uN=uP，由上二式可解得在上式中，假設(shè)選取電阻值滿足Rf/R1=R3/R2的關(guān)系，輸出電壓可簡化為

即輸出電壓uO與兩輸入電壓之差〔uS2－uS1〕成比例，所以圖5.5.3所示的減法電路實踐上就是一個差分放大電路。當(dāng)Rf=R1時，uO=uS2－uS1。該當(dāng)留意的是，由于電路存在共模電壓，應(yīng)中選用共模抑制比較高的集成運放，才干保證一定的運算精度。差分式放大電路除了可作為減法運算單元外，也可用于自動檢測儀器中。性能更好的差分式放大電路可用多只集成運放來實現(xiàn)。6.3

積分與微分電路一．積分電路〔integrator〕積分電路如下圖。積分電路1．積分電路〔integrator〕uI=0，iI=0，因此有i1=i2=i，電容C就以電流i=uS/R進展充電。假設(shè)電容器C初始電壓為零，那么或上式闡明，輸出電壓uO為輸入uS對時間的積分，負(fù)號表示它們在相位上是相反的。積分電路的輸入輸出波形a.當(dāng)輸入信號uS為圖a所示的階躍電壓時，在它的作用下，電容將以近似恒流方式進展充電，輸出電壓uO與時間t成近似線性關(guān)系，如圖b所示，因此

式中=RC為積分時間常數(shù)?！瞐〕輸入波形〔b〕輸出波形

由圖b可知，當(dāng)t=時，－uO=US。當(dāng)t＞時，uO增大，直到－uO=+Uom，即運放輸出電壓的最大值Uom受直流電源電壓的限制，致使運放進入飽和形狀，uO堅持不變，而停頓積分。〔a〕輸入波形〔b〕輸出波形b.

當(dāng)輸入信號為正弦波時uI=Umsintu0=-即u0的相位比u2領(lǐng)先〔超前〕900此時積分電路起移相的作用。當(dāng)作積分運算時，由于集成運放輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流和失調(diào)電流的影響，經(jīng)常出現(xiàn)積分誤差。例如，當(dāng)uS=0時，uO≠0且作緩慢變化，構(gòu)成輸出誤差電壓。針對這種情況，可選用UIO、IIB、IIO較小和低漂移的運放，并在同相輸入端接入可調(diào)平衡電阻；或選用輸入級為FET組成的BiFET運放。積分電容器C存在的漏電流也是產(chǎn)生積分誤差的來源之一，選用走漏電阻大的電容器，如薄膜電容、聚苯乙烯電容器等可減少這種誤差。2．微分電路將積分電路中的電阻和電容元件對換位置，并選取比較小的時間常數(shù)RC，便得圖所示的微分電路。微分電路2．微分電路uI=0和iI=0，i1=i2=i。設(shè)t=0時，電容器C的初始電壓uC=0，當(dāng)信號電壓uS接入后，便有從而得上式闡明，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微商。當(dāng)輸入電壓uS為階躍信號時，思索到信號源總存在內(nèi)阻，在t=0時，輸出電壓仍為一個有限值，