《模擬電子技術(shù) 》課件項目2 信號運(yùn)算和處理電路

項目二信號的運(yùn)算和處理

熟知集成運(yùn)算的外形和符號。掌握集成運(yùn)算放大器的虛斷、虛短的應(yīng)用。熟悉集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用常識。掌握反饋的判別方法。熟悉信號產(chǎn)生電路的構(gòu)成。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)會分析集成運(yùn)放電路的應(yīng)用。會用集成運(yùn)放組成基本運(yùn)算電路。熟悉集成運(yùn)放的典型應(yīng)用電路。能對集成運(yùn)放的應(yīng)用進(jìn)行測試。技能目標(biāo)【任務(wù)2.1】直接耦合放大器與應(yīng)用任務(wù)目標(biāo)◆了解直接耦合放大器中的兩個特殊問題。?！衾斫獠罘址糯箅娐返慕M成及特點(diǎn)，清楚抑制零漂的方法。◆理解共模放大倍數(shù)和共模抑制比的概念。工作任務(wù)◆熟知零點(diǎn)漂移的含義及產(chǎn)生的主要原因?！粽莆帐褂貌罘址糯箅娐冯p端輸入、雙端輸出時差模放大倍數(shù)的計算方法。2.1.1直接耦合放大器放大器與信號源、負(fù)載以及放大器之間采用導(dǎo)線或電阻直接連接的耦合方式稱為直接耦合。如圖2.1所示為兩級簡單的直接耦合電路，VT1和VT2通過導(dǎo)線直接相連。直接耦合放大器的特點(diǎn)是低頻響應(yīng)好。可以放大頻率為零的直流信號或變化緩慢的交流信號。并且由于電路中沒有大容量電容，所以易于將全部電路集成在一片硅片上，構(gòu)成集成放大電路。它的缺點(diǎn)是在實(shí)際使用中會遇到兩個基本問題，即前后級電位影響和零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。2.1.1直接耦合放大器一、前后級的電位影響在如圖2.1.1所示的兩級直耦合放大電路里，由于VC1=VBE2=0.7V，使VT1的工作在接近于飽和狀態(tài)，限制了輸出的動態(tài)范圍。因此，要想使直接耦合放大器能正常工作，必須解決前后級直流電位的影響。圖2.1.1簡單的直接耦合電路常常使用的方法是在VT2的發(fā)射極接一個電阻RE2，如圖2.1.2(a)所示，這樣VC1=VBE2+IE2RE2>VBE2=0.7V，增大了VT1管的工作范圍。調(diào)節(jié)RE2值，可使前后級靜態(tài)直流電位設(shè)置合理。在實(shí)際使用中，為了減小RE2對放大倍數(shù)的影響，常采用穩(wěn)壓管或二極管取代電阻RE2，如圖2.1.2（b）所示。圖2.1.2（a）用發(fā)射極電阻RE2調(diào)節(jié)電位

圖2.1.2（b）用穩(wěn)壓管VZ調(diào)節(jié)電位二、零點(diǎn)漂移現(xiàn)象1.零點(diǎn)漂移所謂零點(diǎn)漂移的是指把放大電路在輸入端短路(即Ui=0)，輸出端會有變化緩慢的輸出電壓產(chǎn)生，稱為零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，簡稱零漂，如圖2.1.3所示。如果有用信號較弱，存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的直接耦合放大電路中，漂移電壓和有效信號電壓混雜在一起被逐級放大，當(dāng)漂移電壓大小可以和有效信號電壓相當(dāng)時，就很難分辨出有效信號的電壓；在漂移現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下，往往會使有效信號“淹沒”，使放大電路不能正常工作。因此，有必要找出產(chǎn)生零漂的原因和抑制零漂的方法。圖2.1.3零點(diǎn)漂移現(xiàn)象2.零點(diǎn)漂移產(chǎn)生原因產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的原因很多，主要有3個方面：一是電源電壓的波動；二是電路元器件的老化；三是半導(dǎo)體器件隨溫度變化而產(chǎn)生變化。實(shí)踐證明，溫度變化是產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的主要原因，也是最難克服的因素，這是由于半導(dǎo)體器件的導(dǎo)電性對溫度非常敏感，而溫度又很難維持恒定造成的，所以往往把零點(diǎn)漂移也稱為“溫漂”。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，將引起晶體管參數(shù)VBE，β，ICBO的變化，從而使放大電路的Q點(diǎn)發(fā)生變化；而且由于級間耦合采直接耦合方式，這種變化將逐級放大和傳遞，最后導(dǎo)致輸出端的電壓發(fā)生漂移。直接耦合放大電路的級數(shù)愈多，放大倍數(shù)愈大，則零點(diǎn)漂移愈嚴(yán)重。（3）抑制零點(diǎn)漂移的措施抑制零點(diǎn)漂移常用的措施有以下幾種：第一，引入直流負(fù)反饋以穩(wěn)定Q點(diǎn)來減小零點(diǎn)漂移；第二，利用熱敏元件補(bǔ)償放大管的零漂；第三，將兩個參數(shù)對稱的單管放大電路接成差分放大電路結(jié)構(gòu)形式，使輸出端的零點(diǎn)漂移互相抵消，在直接耦合放大電路中，差分放大電路是最有效地抑制零點(diǎn)漂移方法。二、抑制溫飄原理因左右2個放大電路完全對稱，所以在沒有信號情況下，即輸入信號UI=0時，Uo1=Uo2，因此輸出電壓Uo=0，即表明差分放大器具有零輸入時零輸出的特點(diǎn)。當(dāng)溫度變化時，左右兩個管子的輸出電壓Uo1，Uo2都要發(fā)生變動，但由于電路對稱，兩管的輸出變化量(即每管的零漂)相同，即△Uo1=△Uo2，則Uo=O，可見利用兩管的零漂在輸出端相抵消，從而有效地抑制了零點(diǎn)漂移。電路中RE的主要作用是穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而限制每個管子的漂移范圍，進(jìn)一步減小零點(diǎn)漂移。圖2.1.4差動放大

三.放大倍數(shù)1.差模放大倍數(shù)Ad差模信號是指大小相等，極性相反的兩個信號。將差模信號加入到兩個輸入端的方式稱差模輸入。如圖2.1.4所示,信號源UI經(jīng)電阻RIl和RI2分壓，分別在三極管VT1和VT2的基極加上了信號UI1和UI2，且有UI1=-UI2=UI/2,也就是UI=UI1-UI2=2UI1=-2UI2。將三級管VT1和VT2的放大，在輸出端分別得到輸出信號Uo1和Uo2，且有Uo1=-Uo2。則電路的總輸出信號Uo=Uo1-Uo2=2Uo1=-2Uo2，由此可得到差模放大倍數(shù)Ad為（2-1-1）由上式可見，雙端輸入、雙端輸出差放電路的差模放大倍數(shù)等于單管放大器的放大倍數(shù)。2.共模放大倍數(shù)AC共模信號是指大小相等，極性相同的兩個信號。將共模信號加入到兩個輸入端的方式稱共模輸入。如圖2.1.5所示,信號源UI直接加載在三極管VT1和VT2的基極上，則有UI1=-UI2=UI,將三級管VT1和VT2的放大，在輸出端分別得到輸出信號Uo1和Uo2，且有Uo1=Uo2。則電路的總輸出信號Uo=Uo1-Uo2=0，由此可得到共模放大倍數(shù)AC為（2-1-2）圖2.1.5共模放大電路由上式可見，共模輸入、雙端輸出差放電路的共模放大倍數(shù)等于零。即對共模信號進(jìn)行了擬制。4.共模抑制比KCMR為了綜合評價差動放大電路對共模信號的抑制能力和對差模信號的放大能力，特別引入一個叫做共模抑制比（common-moderejectionratio）的技術(shù)指標(biāo)，記著KCMR。所謂共模抑制是指差模電壓放大倍數(shù)Ad和共模電壓放大倍數(shù)AC之比的絕對值。即（2-1-3）【例2.1.1】在圖2.1.5中，設(shè)單管放大器的放大倍數(shù)Au1=Au1=-40，(1)求差分放大器的差模放大倍數(shù)Ad。(2)若已知差分放大器共模放大倍數(shù)AC=0.04，求共模抑制比KCMR。解：(1)由公式（2-1-2）可得：(2)

由公式（2-1-3）可得：【任務(wù)2.2】直接耦合放大器與應(yīng)用任務(wù)目標(biāo)◆熟悉集成電路的概念?！羰熘蛇\(yùn)放的組成和符號?！袅私饧蛇\(yùn)放的參數(shù)及其意義、分類和使用。工作任務(wù)◆學(xué)會正確識別集成運(yùn)放的管腳。◆熟悉集成運(yùn)放的使用注意事項。2.2.1集成運(yùn)算放大器的概述運(yùn)算放大器是一個多級的直接耦合的高增益的放大電路。因?yàn)樽钤鐟?yīng)用于數(shù)值的運(yùn)算，所以稱為運(yùn)算放大電器。所謂集成運(yùn)算放大器是指利用集成工藝，將構(gòu)成運(yùn)算放大器的元器件（半導(dǎo)體、電阻、電容等）以及電路的連接導(dǎo)線都集成在同一塊半導(dǎo)體硅片上，并封裝成一個整體的電子器件。簡稱為集成運(yùn)放。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，目前集成運(yùn)放的應(yīng)用早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了信數(shù)值運(yùn)算的范圍，廣泛應(yīng)用于信號的處理、自動控制，電子測量等領(lǐng)域。一、

集成電路簡介IntegretedCircuites即集成電路，英文縮寫為IC，它是將半導(dǎo)體、電阻、小電容以及電路的連接導(dǎo)線都集成在一塊半導(dǎo)體硅片上，形成一個具有一定功能的電子電路，并封裝成一個整體的電子器件。IC的特點(diǎn)是，體積小，重量輕，壽命長，可靠性高，性能好，成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。常見的集成電路的如圖2.2.1所示。相關(guān)知識---集成電路的分類（1）按功能、結(jié)構(gòu)可分為模擬集成電路、數(shù)字集成電路。模擬集成電路又稱線性電路，用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬信號（指幅度隨時間邊疆變化的信號。例如半導(dǎo)體收音機(jī)的音頻信號、錄放機(jī)的磁帶信號等），其輸入信號和輸出信號成比例關(guān)系。而數(shù)字集成電路用來產(chǎn)生、放大和處理各種數(shù)字信號（指在時間上和幅度上離散取值的信號。例如VCD、DVD重放的音頻信號和視頻信號）。（2）按集成度高低分為：小規(guī)模SSI、中規(guī)模MSI、大規(guī)模LSI及超大規(guī)模VLSI。如數(shù)字IC的ＭＳＩ中有10～100個等效門，模擬IC的MSI含有50－100個元器件。（3）按導(dǎo)電類型可分為雙極型和單極型集成電路兩類。雙極型集成電路的制作工藝復(fù)雜，功耗較大，代表集成電路有TTL、ECL、HTL、LSTTL、STTL等類型。單極型集成電路的制作工藝簡單，功耗也較低，易于制成大規(guī)模集成電路，代表集成電路有CMOS、NMOS、PMOS等類型。（4）按用途分類可分為電視機(jī)用集成電路、音響用集成電路、影碟機(jī)用集成電路、錄像機(jī)用集成電路、電腦（微機(jī)）用集成電路、電子琴用集成電路、通信用集成電路、照相機(jī)用集成電路、遙控集成電路、語言集成電路、報警器用集成電路及各種專用集成電路。二、集成電路的管腳識別不論是哪種集成電路的外殼封裝上都有供識別管腳排序定位（或稱第一腳）的標(biāo)記，如圖2.2.2所示。標(biāo)記標(biāo)記對于一般的SIP（單列直插式）、DIP（雙列直插式）的集成電路管腳的識別方式是，將IC正面的字母、型號對著自己，使定位標(biāo)記朝左下方，則處于最左下方的管腳是第１腳，再按逆時針方向依次數(shù)管腳，便是第2腳、第3腳等等。如圖2.2.2所示。相關(guān)知識---集成運(yùn)放的組成集成運(yùn)放一般由4部分組成，包括輸入級、中間級、輸出級和偏置電路。組成如圖2.2.3所示。圖2.2.3集成運(yùn)放組成框圖（1）輸入級常用雙端輸入的差動放大電路組成，一般要求輸入電阻高，差摸放大倍數(shù)大，抑制共模信號的能力強(qiáng)，靜態(tài)電流小，輸入級的好壞直接影響運(yùn)放的輸入電阻、共模抑制比等參數(shù)。（2）中間級是一個高放大倍數(shù)的放大器，常用多級共發(fā)射極放大電路組成，該級的放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千乃數(shù)萬倍。（3）輸出級具有輸出電壓線性范圍寬、輸出電阻小的特點(diǎn)，常用互補(bǔ)對稱輸出電路。（4）偏置電路向各級提供靜態(tài)工作點(diǎn)，一般采用電流源電路組成。三、集成電路的符號從集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)可知，運(yùn)放具有兩個輸入端uP和uN和一個輸出端uO，這兩個輸入端一個稱為同相端uP，用符號+表示；另一個稱為反相端uN，用符號-表示。這里同相和反相只是輸入電壓和輸出電壓之間的相位關(guān)系。若輸入電壓從同相端uP輸入，則輸出端uO輸出和同相端uP同相位的輸出電壓，若輸入電壓從反相端uN輸入，則輸出端uO輸出和反相端uN反相位的輸出電壓。運(yùn)算放大器的常用符號如圖2.2.4所示。其中三角形代表放大器，三角形的箭頭代表信號傳輸?shù)姆较??！?”代表同相輸入端“P”，“－”代表同相輸入端“N”。圖2.2.4（a）是集成運(yùn)放的國際符號，圖2.2.4（b）是集成運(yùn)放的國標(biāo)符號，或理想集成運(yùn)放符號，其中∞表示理想運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大。圖2.2.4（c）是帶有電源引腳的集成運(yùn)放國際符號。從集成運(yùn)放的符號看，可以把它看作是一個雙端輸入、單端輸出、具有高差模放大倍數(shù)的、高輸入電阻、低輸出電阻、具有抑制溫度漂移能力的放大電路。圖2.2.4集成運(yùn)放符號相關(guān)知識---集成運(yùn)放的主要參數(shù)集成運(yùn)放的參數(shù)較多，其中主要參數(shù)分為直流參數(shù)和交流參數(shù)。為了合理地選擇和正確使用運(yùn)放有必要了解各個主要參數(shù)的含義。1.直流參數(shù)（1）輸入失調(diào)電壓UIO輸入失調(diào)電壓定義為集成運(yùn)放輸出端電壓為零時，兩個輸入端之間所加的補(bǔ)償電壓。輸入失調(diào)電壓表征電路輸入部分不對稱的程度，運(yùn)放性對稱性能越好，UIO越小。輸入失調(diào)電壓與制造工藝有一定關(guān)系，一般為毫伏級。（2）輸入失調(diào)電壓的溫漂TCVOS又叫溫度系數(shù)輸，是指在給定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電壓的變化與溫度變化的比值。一般運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓溫漂在±10~20μV/℃之間。（3）輸入失調(diào)電流IIO輸入失調(diào)電流定義為當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端偏置電流的差值。運(yùn)放性對稱性能越好，IIO越小。輸入失調(diào)電流越小，直流放大時中間零點(diǎn)偏移越小，越容易處理。（4）輸入失調(diào)電流的溫漂TCIOS是指在給定的溫度范圍內(nèi)，輸入失調(diào)電流的變化與溫度變化的比值。（5）輸入偏置電流IIB輸入偏置電流定義為當(dāng)運(yùn)放的輸出直流電壓為零時，其兩輸入端的偏置電流平均值。一般為微安數(shù)量級，IIB越小越好。（6）開環(huán)電壓放大倍數(shù)AuO

開環(huán)電壓放大倍數(shù)定義為電路開環(huán)情況下，輸出電壓與輸入差模電壓之比。由于大多數(shù)運(yùn)放的差模開環(huán)直流電壓放大別墅一般在數(shù)萬倍或更多，用數(shù)值直接表示不方便比較，所以一般采用分貝方式記錄和比較。一般運(yùn)放的開環(huán)直流電壓增益在80~120dB之間。（7）最大共模輸入電壓Uicmax最大共模輸入電壓定義為，當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)時，在運(yùn)放的共模抑制比特性顯著變壞時的共模輸入電壓。（8）最大差模輸入電壓Uidmax最大差模輸入電壓定義為，運(yùn)放兩輸入端允許加的最大輸入電壓差。（9）共模抑制比KCMR電路開環(huán)情況下，差模放大倍數(shù)Ad與共模放大倍數(shù)AC之比。KCMR越大，運(yùn)放性能越好。一般在80dB以上。（10）輸出電壓峰峰值UOPP輸出峰-峰值電壓定義為，當(dāng)運(yùn)放工作于線性區(qū)時，在指定的負(fù)載下，運(yùn)放在當(dāng)前大電源電壓供電時，運(yùn)放能夠輸出的最大電壓幅度。需要注意的是，運(yùn)放的輸出峰-峰值電壓與負(fù)載有關(guān)，負(fù)載不同，輸出峰-峰值電壓也不同。2.交流參數(shù)（1）開環(huán)帶寬開環(huán)帶寬定義為，將一個恒幅正弦小信號輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測得開環(huán)電壓增益從運(yùn)放的直流增益下降3db（或是相當(dāng)于運(yùn)放的直流增益的0.707）所對應(yīng)的信號頻率。（2）轉(zhuǎn)換速率SR運(yùn)放接成閉環(huán)條件下，將一個大信號（含階躍信號）輸入到運(yùn)放的輸入端，從運(yùn)放的輸出端測得運(yùn)放的輸出上升速率。表示運(yùn)放能跟蹤輸入信號變化快慢的程度，單位是V/us。（3）開環(huán)輸入阻抗ri指電路開環(huán)情況下，差模輸入電壓與輸入電流之比。ri越大，運(yùn)放性能越好。一般在幾百千歐至幾兆歐。（4）開環(huán)輸出阻抗ro電路開環(huán)情況下，輸出電壓與輸出電流之比。ro越小，運(yùn)放性能越好。一般在幾百歐左右。（5）建立時間建立時間定義為，在額定的負(fù)載時，運(yùn)放的閉環(huán)增益為1倍條件下，將一個階躍大信號輸入到運(yùn)放的輸入端，使運(yùn)放輸出由0增加到某一給定值的所需要的時間。2.2.2集成運(yùn)算的種類一、按制作工藝分類按照制造工藝，集成運(yùn)放分為雙極型、COMS型和BiFET型（混合型）三種，其中雙極型運(yùn)放功能強(qiáng)、種類多，但是功耗大；CMOS運(yùn)放輸入阻抗高、功耗小，可以在低電源電壓下工作；BiFET是雙極型和CMOS型的混合產(chǎn)品，具有雙極型和CMOS運(yùn)放的優(yōu)點(diǎn)。二、按照工作原理分類①電壓放大型：輸入是電壓，輸出回路等效成由輸入電壓控制的電壓源，F(xiàn)007，LM324和MC14573屬于這類產(chǎn)品。②電流放大型：輸入是電流，輸出回路等效成由輸入電流控制的電流源，LM3900就是這樣的產(chǎn)品。③跨導(dǎo)型：輸入是電壓，輸出回路等效成輸入電壓控制的電流源，LM3080就是這樣的產(chǎn)品。④互阻型：輸入是電流i1，輸出回路等效成輸入電流控制的電壓源，AD8009就是這樣的產(chǎn)品。三、按照性能指標(biāo)分類①高輸入阻抗型：對于這種類型的運(yùn)放，要求開環(huán)差模輸入電阻不小于1M

，輸入失調(diào)電壓不大于10mV。這類運(yùn)放主要用于模擬調(diào)解器、采樣保持電路、有源濾波器中。國產(chǎn)型號F3030，輸入采用MOS管，輸入電阻高達(dá)1012Ω，輸入偏置電流僅為5pA。②低漂移型：這種類型的運(yùn)放主要用于毫伏級或更低的微弱信號的精密檢測、精密模擬計算以及自動控制儀表中。對這類運(yùn)放的要求是：輸入失調(diào)電壓溫漂<2

V/

C，輸入失調(diào)電流溫漂<200pA/

C，AuO≥120dB，KCMRR≥110dB。③高速型：對于這類運(yùn)放，要求轉(zhuǎn)換速率SR>30V/

s，單位增益帶寬>10MHz。高速運(yùn)