第7章1模擬電路.ppt

1、第7章 模擬運算電路,7.1 理想運放的概念,本章介紹集成運放的各種應(yīng)用，包括模擬信號運算電路、信號處理電路和波形發(fā)生電路等。,在分析集成運放的各種應(yīng)用電路時，常常將其中的集成運放看成是理想運算放大器。,理想運放是一個重要概念，是分析運放應(yīng)用的有力工具。,7.1.1 什么是理想運放,理想運放就是將集成運放的各項技術(shù)指標(biāo)理想化，即認(rèn)為集成運放的各項主要技術(shù)指標(biāo)為：,輸入失調(diào)電壓UIO、失調(diào)電流IIO及其溫漂UIO 、IIO均為零,輸入偏置電流 IIB = 0,-3dB帶寬 fH = ,理想運放,實際的集成運算放大器達(dá)不到上述指標(biāo)，但由于制造工藝水平的不斷提高，集成運放的各項性能指標(biāo)日益改善，工程

2、上，實際的集成運放和理想運放的誤差可忽略不計。,運用理想運放的概念，有利于抓住事情的本質(zhì)。,集成運放工作在線性區(qū)時，存在線性放大關(guān)系，即：,若輸入端電壓的幅度比較大，則集成運放的工作范圍將超出線性放大區(qū)域而到達(dá)非線性區(qū)。,此時集成運放的輸出、輸入信號不滿足線性關(guān)系式。,運放在線性和非線性區(qū)的各有特點，下面詳細(xì)討論,7.1.2 理想運放工作在線性區(qū)時的特點,理想運放工作在線性區(qū)時有兩個重要特點：,1、理想運放的差模輸入電壓等于零,由于理想運放的,根據(jù),上式表示運放同相輸入端與反相輸入端兩點的電壓相等，如同將該兩點短路一樣。這種現(xiàn)象稱為“虛短”。,虛短,例如：uO = 10V,可見，Aod越大，u

3、+ 和 u- 差值越小，將兩點視為“虛短”所帶來的誤差越小。,2、理想運放的輸入電流等于零,由于理想運放的差模輸入電阻 rid = ，因此在其兩個輸入端均沒有電流。,此時，運放的同相輸入端和反相輸入端的電流等于零，如同該亮點斷開一樣，這種現(xiàn)象成為“虛斷”。,虛斷,“虛短”和“虛斷”是理想運放工作在線性區(qū)時的兩點重要結(jié)論。,這兩點重要結(jié)論常常作為今后分析許多運放應(yīng)用電路的出發(fā)點，因此必須牢牢掌握。,7.1.3 理想運放工作在非線性區(qū)時的特點,理想運放工作在非線性區(qū)時：,1、輸出電壓uO,2、輸入電流=0,輸入電壓范圍為：,7.2 比例運算電路,比例運算電路的輸出電壓與輸入電壓之間存在比例關(guān)系,三

4、種基本形式：反相比例、同相比例、差分比例電路。,7.2.1 反相比例運算電路,為使差分放大電路的參數(shù)保持一致，選擇R2的阻值為：,反饋電路為電壓并聯(lián)負(fù)反饋,容易滿足深度負(fù)反饋條件，可認(rèn)為運放工作在線性區(qū),=0,=0,=0,反相輸入端和同相輸入端電位不僅相等，而且均=0，如同這兩點接地一樣，這種現(xiàn)象成為“虛地”。,反相比例運算電路,“虛地”是反相比例運算電路的一個重要特點。,i I = i F,即,反相輸入端“虛地”，顯而易見，電路的輸入電阻為,Ri = R1,（1）反相比例運算電路是深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路。輸入端電位=0，稱為“虛地”。加在輸入端共模輸入電壓很小。,（3）由于引入深度電壓并聯(lián)負(fù)

5、反饋，輸入電阻不高，輸出電阻很低。,7.2.2 同相比例運算電路,輸入電壓uI 通過R2接至同相輸入端，為保證負(fù)反饋，輸出uO通過RF 接到反相輸入端，反相輸入端通過R1接地。,為使同相、反相輸入端對地電阻一致，滿足關(guān)系：,反饋的組態(tài)為電壓串聯(lián)負(fù)反饋,根據(jù)“虛斷”：,根據(jù)“虛短”：,由以上兩式,同相比例運算電路和電壓跟隨器,當(dāng)RF =0或R1 =時，比例系數(shù)等于1，則,輸出電壓與輸入電壓不僅幅值相同，相位也相同，二者之間是一種“跟隨”關(guān)系，所以又稱為電壓跟隨器。,分析同相比例運算電路得到三點結(jié)論：,（1）同相比例運算電路是深度的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。同相不存在“虛地”現(xiàn)象。要考慮其輸入端承受較高

6、的共模輸入電壓。,（3）深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻很高，輸出電阻很低。,7.2.3 差分比例運算電路,為保證輸入端對地電阻平衡,由于 “虛斷”,疊加定理：,由于“虛短”,差模輸入電阻 Ri = 2R1,輸入的兩端存在較高共模輸入電壓，電路不存在“虛地”,三種比例運算電路之比較,差分比例運算電路要求元件對稱性較高，若元件失配，將給計算結(jié)果帶來誤差，產(chǎn)生共模輸出，降低共模抑制比。,反相輸入、同相輸入和差分輸入這三種基本形式的比例運算電路是最基本的運算電路。本章隨后介紹到的求和電路、積分電路和微分電路、對數(shù)和指數(shù)電路等，都是在這些電路的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展或演變而來的。,最后，將三種基本形式的比例運算電路

7、的組成、輸出輸入關(guān)系、輸入電阻和輸出電阻，以及性能特點列在表7-1中，以便進(jìn)行比較。,三種比例運算電路之比較,7.2.4 實用電路舉例,1、數(shù)據(jù)放大器,功能：數(shù)據(jù)采集、精密測量、工業(yè)自動控制系統(tǒng)中的重要組成部分，通常用于將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大。,主要要求：高增益、高輸入電阻和高共模抑制比。,1、數(shù)據(jù)放大器,A3將差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出。元件滿足：,R2=R3，R4=R5，R6=R7,A1、A2同相輸入端，輸入電阻很高。電路結(jié)構(gòu)對稱、漂移可以互相抵消。,電阻R1的中點電位保持不變，即在R1/2處相當(dāng)于交流接地。,數(shù)據(jù)放大器,數(shù)據(jù)放大器總輸出輸入關(guān)系,改變R1可靈活調(diào)節(jié)輸出與輸入電壓之間的

8、比例關(guān)系,若R1開路，第一級輸出電壓為u I，第二級輸出電壓為,注意：電路中R4、R5、R6、R7 四個電阻必須采用高精密度電阻，并要精確匹配，否則將帶來誤差，并降低共模抑制比。,7.3 求和電路,求和電路輸出電壓決定于多個輸入電壓相加的結(jié)果。,7.3.1 反相輸入求和電路,由反相比例電路擴(kuò)展而來,為使輸入端對地電阻平衡,需要,由于“虛斷”，,則,集成運放的反相輸入端“虛地”，上式可寫為,輸出電壓為,令R1=R2=R3=R,可以得到,反相輸入求和電路,電路的實質(zhì)是利用“虛地”和“虛斷” ，通過各路輸入電流相加來實現(xiàn)輸入電壓的相加。,改變某一輸入回路的電阻，僅改變輸出與該路輸入之間的比例關(guān)系，對

9、其他各路沒有影響，調(diào)節(jié)方便靈活。,由于“虛地” ，加在集成運放輸入端的共模電壓很小，在實際工作中，反相輸入方式的求和電路應(yīng)用比較廣泛。,優(yōu)點：,7.3.2 同相輸入求和電路,由于“虛斷”,節(jié)點電流方程：,由上式可解得：,其中,由于“虛短”,輸出電壓為,缺點：,調(diào)節(jié)某一回路電阻時，其他各路比值隨之變化，要反復(fù)調(diào)節(jié),不存在“虛地”現(xiàn)象，共模輸入電壓較高,7.4 積分和微分電路,7.4.1 積分電路,積分電路是應(yīng)用比較廣泛的模擬信號運算電路。是模擬計算機(jī)的基本單位，以實現(xiàn)對微分方程的模擬。,積分電路也是控制和測量系統(tǒng)中常用的重要單元，其充放電過程可實現(xiàn)延時、定時以及各種波形的產(chǎn)生。,1、電路組成,兩

10、輸入端電阻滿足,電阻與電容的乘積稱為積分時間常數(shù)，通常用符號表示,如有初始輸出電壓UO（0）,2、積分電路的應(yīng)用,除了數(shù)學(xué)上的積分運算以外，還有許多其他方面的應(yīng)用。,（1）波形變換,如果輸入端加上矩形波電壓，設(shè)電容上的初始電壓=0，當(dāng)tt0時，uI=0，故uO=0。當(dāng)t0t t1時，uI=UI=常數(shù)，則,此時，uO隨時間向負(fù)方向與UI成正比，與RC成反比。,當(dāng)tt 1時，u I=0，此時u O將保持t = t 1時的輸出電壓值不變,可見，積分電路將輸入的矩形波電壓變換成為斜坡電壓，起著波形變換的作用。,2、移相,如果在基本積分電路的輸入端加上一個正弦波電壓，且u I =Um sint,此時的輸

11、出電壓是一個余弦波。uO的相位比uI領(lǐng)先90，可見積分電路起著移相的作用。,7.4.2 微分電路,電路R和C的位置互換，組成基本微分電路。,輸出正比于輸入對時間微分,當(dāng)u I直線上升，uO為固定的負(fù)電壓,當(dāng)u I維持不變，uO=0,當(dāng)u I直線下降，uO為固定的正電壓,微分電路將一個梯形波轉(zhuǎn)換為一負(fù)一正兩個矩形波,微分電路,u I =Umsint,輸出電壓,微分電路也可以起移相作用。當(dāng)輸入電壓為正弦波時，設(shè),uO 的波形將比u I 滯后90,缺點：,RC構(gòu)成一個滯后的移相環(huán)節(jié)，和運放中原滯后環(huán)節(jié)共同作用，將產(chǎn)生自激振蕩。,當(dāng)輸入電壓發(fā)生突變時，可能超過集成運放允許的共模電壓，以致運放 “堵塞”

12、，電路不能正常工作。,實用微分電路,接入電阻R1與微分電容串聯(lián),反饋回路中接入一個電容C1與微分電阻并聯(lián)，并使RC1R1C,正常的工作頻率范圍內(nèi)，使,而,此時R1和C1對微分電路影響很小,當(dāng)頻率高到一定程度時，R1和C1的作用使閉環(huán)放大倍數(shù)降低，從而抑制了高頻噪聲，,改進(jìn)：,R1和C1形成超前環(huán)節(jié)，對相位進(jìn)行補償，提高了穩(wěn)定性。,在反饋回路中加接兩個穩(wěn)壓管，用以限制輸出幅度。,7.5 對數(shù)和指數(shù)電路,7.5.1 對數(shù)電路,半導(dǎo)體二極管iD與uD之間存在指數(shù)關(guān)系，滿足方程：,UT=26mV，UDUT,利用“虛地”,UT為溫度的電壓當(dāng)量,IS為二極管反向飽和電流，,上式近似為：,對數(shù)電路,將雙極型

13、三極管接成二極管的形式作為反饋支路，可獲得較大的工作范圍。,為克服溫度對IS的影響，可利用兩個參數(shù)相同的三極管實現(xiàn)溫度補償，還可采用熱敏電阻補償溫度對UT的影響。,缺點：,UT和IS都是溫度的函數(shù)，運算精度受溫度影響很大。,信號只能是單方向的。,7.5.2 指數(shù)電路,指數(shù)運算即反對數(shù)運算，只需將基本對數(shù)電路中的電阻和二極管（或接成二極管形式的三極管）的位置互換，即可組成指數(shù)運算電路。,當(dāng)u I 0時， “虛地”及“虛斷”,可見，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)。,基本指數(shù)電路同樣具有運算結(jié)果受溫度影響嚴(yán)重等缺點，可以采用與對數(shù)電路類似的措施加以改進(jìn)。,7.6 乘法和除法電路,乘法和除法電路可以對兩

14、個輸入模擬信號實現(xiàn)乘法或除法運算。它們可采用集成運放的對數(shù)和指數(shù)電路組成，也有單片的集成模擬乘法器。,7.6.1有對數(shù)及指數(shù)電路組成的乘除電路,uO = u I1 u I2,輸出電壓=兩輸入電壓的乘積,將上式求對數(shù)，成為,再將上式求指數(shù)，可得,對數(shù)電路、求和電路和指數(shù)電路，共同完成乘法運算。,除法電路,輸出電壓=兩個輸入電壓相除,上式求對數(shù)，可得,然后再求指數(shù)，則,只需將圖中的求和電路改為減法電路，即組成除法運算電路,7.6.2 模擬乘法器,單片的集成模擬乘法器問世以來，發(fā)展十分迅速，性能不斷提高，價格比較低廉，使用比較方便，應(yīng)用十分廣泛。,通常有兩個輸入端和一個輸出端，輸出正比于兩個輸入電壓

15、之乘積，可表示為：,uO = K u I1 u I2,K為正，同相乘法器,K為負(fù)，反相乘法器,四個象限工作，四象限乘法器,乘法器只能在兩個象限工作，稱為二象限乘法器。,乘法器只能在一個象限內(nèi)工作，稱為單象限乘法器。,1.變跨導(dǎo)式模擬乘法器的基本原理,恒流源差分放大電路輸出電壓,其中,三極管足夠大,IEQ等于恒流源電流的一半,帶入以上uO表達(dá)式，可得,如能設(shè)法使恒流源電流 I 與另一個輸入電壓 u I2 成正比，則 uO 將正比于 u I1 與 u I2 的乘積。,變跨導(dǎo)式乘法器,當(dāng)uI2uBE3時，恒流源電流為,I 基本上和 u I2 成正比，帶入,uO 正比于 u I1 與 u I2 的乘積

16、,三極管的跨導(dǎo),不是常數(shù)，隨 u I2 而變化。,故稱為變跨導(dǎo)式乘法器。,缺點：,uI2幅度較小，不能滿足uI2uBE3，運算誤差較大。,uI2的極性必須為正，此電路屬于二象限乘法器,為擴(kuò)展為四個象限，雙平衡式的變跨導(dǎo)模擬乘法電路,2、模擬乘法器的應(yīng)用,模擬乘法器的用途十分廣泛，出用于模擬信號的運算外，還擴(kuò)展到電子測量和無線電通信等領(lǐng)域。,將輸入接到乘法器的兩個輸入端，可實現(xiàn)平方運算，此時可得：,（2）除法運算,（1）平方運算,u O1 = K u I2 u O,如圖：,“虛地”,則,引入反饋必須是負(fù)反饋,若用同相乘法器，uI2的極性須為正,若用反相乘法器，uI2的極性須為負(fù),二象限除法器,（3）平方根運算,將乘法器兩輸入端均接到集成運放的輸出電壓uO端，可構(gòu)成平方根運算電路：,可得：,實現(xiàn)了平方根運算。,為保證平方根內(nèi)為正值,若系數(shù) K 為正，輸入電壓 u I1 必須為負(fù),若系數(shù) K 為負(fù)，輸入電壓 u I1 必須為正,（4）倍頻,如果將一個正弦波電壓同時接到乘法器的兩個輸入端，即,倍頻、功率測量、自動增益控