《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件-7運(yùn)算電路

電子技術(shù)基礎(chǔ)1.比例運(yùn)算電路任務(wù)目標(biāo)：1.掌握反相比例運(yùn)算電路；2.掌握同相比例運(yùn)算電路；3.掌握差分比例運(yùn)算電路。在各種不同的應(yīng)用電路中，集成運(yùn)放的工作范圍有兩種情況：工作在線性區(qū)或工作在非線性區(qū)。當(dāng)工作在線性區(qū)時，集成運(yùn)放的輸出電壓與其兩個輸入端的電壓之間存在著線性放大關(guān)系，即當(dāng)工作在非線性區(qū)時，集成運(yùn)放的輸出、輸入信號之間將不滿足關(guān)系式：Aod+-u+u-i+i-uo集成運(yùn)放的電壓和電流一、理想運(yùn)放的工作區(qū)域i+=

i-=0u+=

u-二、理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時的特點(diǎn)1.理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零。2.理想運(yùn)放的輸入電流等于零。uo

=

Aod

（

u+-

u-

）

Aod+-u+u-i+i-uo集成運(yùn)放的電壓和電流虛短虛斷三、理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時的特點(diǎn)uo

≠

Aod

（

u+-

u-

）

當(dāng)u+>

u-

uo=+UOPP當(dāng)u+

<

u-uo=-UOPP1.理想運(yùn)放輸出電壓uo的值只有兩種可能：2.理想運(yùn)放的輸入電流等于零。i+=

i-虛斷不再存在虛短現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為“虛地”u-=u+=0四、反相比例運(yùn)算電路為保持參數(shù)對稱：

R2

=

R1

//

RF1.電路組成RFuOi-i++-AR1R2uIu-u+u+=0u-=u+=0uoAuf

=

uI=RFR1輸入電阻Rif=

R1

uI

-

u-u-

-

uoR1RF

=由iI

=

iF

RFuOi-i++-AR1R2uIu-u+2.工作原理仿真3.T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路

T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路電阻R2、R3和R4構(gòu)成T形網(wǎng)絡(luò)電路節(jié)點(diǎn)N的電流方程為i4=

i2+i3輸出電壓u0=

-i2R2–i4R4

所以將各電流代入上式結(jié)論：反相比例運(yùn)算電路是深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，理想情況下，反相輸入端“虛地”，共模輸入電壓低。

|Auf|可大于1、等于

1或小于1。3.

電路的輸入電阻不高，輸出電阻很低。2.實(shí)現(xiàn)了反相比例運(yùn)算。

|Auf|取決于電阻

RF

和R1

之比。

u0

與uI

反相，ui=u+i-=i+=0五、同相比例運(yùn)算電路i-i+R2

=R1

//RFAuf

=

u0uI=1

+RFR1Rif

=(1

+

AodF

)RidR1R1

+

RFu-

=u0R1R1

+

RFu0=uIF

=uFu0R1R1

+RF=AR1RFR2uOuI+-u+u-同相比例運(yùn)算電路當(dāng)RF=0或R1=∞時，比例系數(shù)等于1，此時電路為：+-AuOuI電壓跟隨器Auf

=uOuI=

1u+=uIu-=uO由于虛短，即u+=u-

，故uO=uI這種電路又稱為電壓跟隨器。結(jié)論：同相比例運(yùn)算電路是一個深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。

“虛短”,不“虛地”，共模輸入電壓高。2.

實(shí)現(xiàn)了同相比例運(yùn)算,

Auf

只與

RF

和

R1

有關(guān)，

u0

與

ui

同相，Auf大于

1或等于

1。3.

輸入電阻高，輸出電阻低。六、差分比例運(yùn)算電路

差分比例運(yùn)算電路在理想條件下，由于“虛斷”，i+=i-=0由于“虛短”，u+=u-，所以：電壓放大倍數(shù)差模輸入電阻Rif=2R1R1=R1′、RF=RF′當(dāng)ui1單獨(dú)工作時為反相比例運(yùn)放，uo1=－Rfui1/R1

當(dāng)ui2單獨(dú)工作時為同相比例運(yùn)放，若R1=R2，Rf=RP則uo=Rf(ui2－ui1)/R1若R1=Rf，則uo=ui2－ui1說明輸出與兩輸入電壓差成比例，實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算利用疊加定理分析差分比例運(yùn)算電路結(jié)論：差分比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)差分比例運(yùn)算（減法運(yùn)算），Auf

決定于電阻RF和R1

之比。2.共模輸入電壓高，“虛短”，但不“虛地”。3.輸入電阻不高，輸出電阻低，元件對稱性要求高。2.求和運(yùn)算電路任務(wù)目標(biāo)：1.掌握反相輸入求和電路；2.掌握同相輸入求和電路；+-AR2RFR′uOuI2uI3R3R1uI1為使兩輸入端對地電阻平衡,

R′應(yīng)為：R′=

R1

//

R2

//

R3

//

RF一、反相輸入求和電路1.電路結(jié)構(gòu)又因“虛地”，則uI1R1+uI2R2uI3R3uoRF=+由于“虛斷”，

i1

+

i2

+

i3

=

iF

uo

=(uI1RFR1++)

uI2R2uI3R3RFRFi1i3iFi2若電路中電阻的阻值滿足R1

=

R2

=

R3

=

R

uo

=(ui1RFR++)

ui2ui3則+-AR2RFR′uOuI2uI3R3R1uI12.工作原理仿真令ui1

單獨(dú)作用，ui2

和ui3為零i1i3iFi2若電路中電阻的阻值滿足R1

=

R2

=

R3

=

R

uo

=(ui1RFR++)

ui2ui3則+-AR2RFR′uOuI2uI3R3R1uI13.利用疊加定理分析仿真

uo1

=

uI1RFR1令ui2

單獨(dú)作用，

uo2

=

uI2RFR2令ui3

單獨(dú)作用，

uo3

=

uI3RFR3[

例

]

假設(shè)一個控制系統(tǒng)中，要求其輸出、輸入電壓之間的關(guān)系為uo

=-

3uI1-10uI2-0.53uI3?，F(xiàn)采用上圖所示的求和電路，試選擇電路中的參數(shù)以滿足以上關(guān)系。i1i3iFi2+-AR2RFR′uOuI2uI3R3R1uI1

uo

=(uI1RFR1++)

uI2R2uI3R3RFRF

uo

=-

3uI1--10uI20.53uI3取

RF

=20KΩRFR1R2RFR3RF=3=10=0.53R′=

R1

//

R2

//

R3

//

RFR1

=6.67KΩR2

=2KΩR3

=37.74KΩR′

=0.

3KΩ+-AR2RFR′uOuI2uI3R3R1uI1解：二、同相輸入求和電路由于“虛斷”，i+

=0，所以：解得：其中：由于“虛短”，u+=u-RFuOuI2uI3uI1R1+-AR2′R′R3′R1′i1i3i4i2i1

+

i2

+

i3

=

i4二、同相輸入求和電路當(dāng)R1//R2//R3//R4=Rf//R5時雙端輸入求和電路分析輸出電壓的表達(dá)式利用疊加原理求解圖(a)為反相求和運(yùn)算電路利用疊加原理求解圖(b)為同相求和運(yùn)算電路若R1//R2//Rf＝R3//R4//R5若電路只有二個輸入，且參數(shù)對稱,則輸出電壓為：改進(jìn)電路圖：高輸入電阻差分比例運(yùn)算電路若R1=RF2，R3=RF1電子技術(shù)基礎(chǔ)3.積分、微分運(yùn)算電路任務(wù)目標(biāo)：1.掌握積分電路；2.掌握微分電路；3.掌握電流-電壓變換器；

4.掌握模擬乘法器。由于“虛地”，u-

=0，故uO=-uC由于“虛斷”，iI=iC，故uI

=iIR=iCR得：τ=RC——積分時間常數(shù)一、積分電路1.工作原理+Uo(0)uo

=-RC1∫ui

dt積分時注意初始條件:OuotuiOt當(dāng)

t≤

t0

時,ui

=0

,故uo

=

0;RCUiUit0t1uo

=-RC1∫ui

dt（1）波形變換當(dāng)t0

<

t

≤

t1

時,

ui

=Ui=

常數(shù)；uo

=-(t–t0

)RCUi=-Δt

當(dāng)t

＞

t1

時,ui

=0，

故uo

=uo(t1)。2.積分電路的應(yīng)用可將矩形波轉(zhuǎn)換成三角波。積分電路具有移相作用(2)移相電路的輸出電壓是一個余弦波。uo

的相位比ui領(lǐng)先90°。uo

=-—UmsinωtdtRC1OuotuiOtωRCUmcos

ωt

=若ui

=Umsinωt

,由積分電路輸出表達(dá)式可得：

基本微分電路由于“虛斷”，i-

=0，故iC

=iR又由于“虛地”，u+

=u-=0

可見，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。實(shí)現(xiàn)波形變換。如將方波變成雙向尖頂波?；疚⒎诌\(yùn)算電路如圖示：微分電路的作用：1.移相功能。uO的波形將比uI滯后90o。2.二、微分電路

1.電流-電壓變換器下圖所示電路是電流-電壓變換器。由圖可知

可見輸出電壓與輸入電流成比例。

輸出端的負(fù)載電流圖1電流-電壓變換電路三、電壓和電流轉(zhuǎn)換電路2.電壓-電流變換器下圖所示電路是電壓-電流變換器圖2電壓-電流變換器由圖（a）可知所以輸出電流與輸入電壓成比例。(a)負(fù)載不接地(b)負(fù)載接地四、模擬乘法器符號有兩個輸入端，一個輸出端，輸出電壓正比于兩個輸入電壓的乘積，可表示為比例系數(shù)K為正值時稱為同相乘法器，K為負(fù)值時稱為反相乘法器。1.模擬乘法器電路2.模擬乘法器的應(yīng)用（1）平方運(yùn)算平方運(yùn)算電路4次方運(yùn)算電路(2)除法運(yùn)算+-A（3）平方根運(yùn)算+-A4.有源濾波器及電壓比較器任務(wù)目標(biāo)：1.掌握有源濾波器；2.掌握電壓比較器。一、濾波電路的作用和分類濾波電路的作用實(shí)質(zhì)上是“選頻”，即允許某一部分頻率的信號順利通過，而將另一部分頻率的信號濾掉。根據(jù)工作信號的頻率范圍，濾波器主要分為四大類，即低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)和帶阻濾波器(BEF)。20lg|Au|Of低通濾波電路f0通阻阻通f0通通通阻f1f1f2f2Of20lg|Au|Of20lg|Au|Of20lg|Au|(d)帶阻濾波電路(c)帶通濾波電路(b)高通濾波電路阻阻理想濾波器的幅頻特性一階有源低通濾波電路，它由集成運(yùn)放和一階RC無源低通濾波電路組成，Rf引入負(fù)反饋使運(yùn)放工作在線性區(qū)。

一階有源低通濾波電路

一階有源低通濾波電路的幅頻特性二、低通濾波器為了使輸出電壓在高頻段以更快的速率下降，以改善濾波效果，再加一節(jié)RC低通濾波環(huán)節(jié)，稱為二階有源濾波電路。它比一階低通濾波器的濾波效果更好。

二階低通濾波電路

一階高通濾波電路三、高通濾波器

三、高通濾波器

為改善低頻特性，使其幅頻特性更接近于理想特性，可組成二階濾波電路。

二階高通濾波電路四、帶通濾波器

Ui·Uo·低通高通off2

低通20lg|Au|·通阻f1f2阻帶通濾波器原理示意圖of高通f120lg|Au|·of20lg|Au|·f2

＞f1五、帶阻濾波器

Ui·Uo·低通高通of低通20lg|Au|·f2帶阻濾波器原理示意圖f1of高通20lg|Au|·of通通f2f1阻·20lg|Au|·f2

<f1+-Auoui簡單過零比較器傳輸特性uouio+Uopp-Uopp比較器輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時,相應(yīng)的輸入電壓通常稱為閾值電壓或門限電平。六、過零比較器ui

<0uo

=+Uoppui

>0uo

=-Uopp過零比較器的門限電平等于零。uouio(b)傳輸特性-UZ+UZ利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器+-ARVDZuoui(a)

電路圖+-ARVDZuoui穩(wěn)壓管接在輸出端的過零比較器uitOuotO-UZ+UZuouio-UZ+UZ+-ARVDZuouiuouio傳輸特性-UZ+UZ七、單限比較器UT=ui=-R2UREFR1u+=u-時對應(yīng)的輸入電壓就是門限電平UT。uiR1

=-UREFR2-R1R2UREF+-AR1VDZuoui單限比較器R2R′UREFuitOuotO-UZ+UZUT+-AR1VDZuouiR2R′UREF八、滯回比較器u+=RFR2+RFR2R2+RFu0UREF+UT+=RFR2+RFR2R2+RFUZUREF+UT-=RFR2+RFR