第7章集成運放組成的運算電路

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1、模 擬 電 子 技 術集成運放組成的運算電路集成運放組成的運算電路第第 7 7 章章小結小結7.1 概述概述7.2 基本運算電路基本運算電路7.3 對數和指數運算電路對數和指數運算電路7.4集成模擬乘法器集成模擬乘法器7.5除法運算電路除法運算電路模 擬 電 子 技 術 運算放大器的兩個工作區(qū)域（狀態(tài)）：線性區(qū)和非線性區(qū)。運算放大器的兩個工作區(qū)域（狀態(tài)）：線性區(qū)和非線性區(qū)。1.運放的電壓傳輸特性運放的電壓傳輸特性：設：電源電壓設：電源電壓VCC=10V。運放的運放的AVO=104Ui1mV時，運放處于線性區(qū)。時，運放處于線性區(qū)。AVO越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當當AVO時，線性區(qū)時，

2、線性區(qū)07.1 概述概述Ui1mV時，運放處于線性區(qū)。時，運放處于線性區(qū)。模 擬 電 子 技 術2.理想運算放大器：理想運算放大器：開環(huán)電壓放大倍數開環(huán)電壓放大倍數 AV0=差摸輸入電阻差摸輸入電阻 Rid=輸出電阻輸出電阻 R0=0為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：理想運放工作在線性區(qū)的條件：理想運放工作在線性區(qū)的條件：電路中有負反饋！電路中有負反饋！運放工作在線性區(qū)的分析方法：運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（虛短（U+=U-）虛斷（虛斷（ii+=ii-=0）3.線性應用線性應用模 擬 電 子 技 術4.非線性應用非線性應用運放工作在非

3、線性區(qū)的特點：運放工作在非線性區(qū)的特點：運放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論運放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論正、負飽和輸出狀態(tài)正、負飽和輸出狀態(tài)電路中開環(huán)工作或引入正反饋！電路中開環(huán)工作或引入正反饋！模 擬 電 子 技 術7.2基本運算基本運算電路電路7.2.1 比例運算比例運算7.2.2 加法與減法運算加法與減法運算7.2.3 微分與積分運算微分與積分運算7.2.4 基本運算電路應用舉例基本運算電路應用舉例模 擬 電 子 技 術7.2.1 比例運算比例運算一、反相比例運算一、反相比例運算運算放大器在線性應用運算放大器在線性應用時同時存在虛短和虛斷時同時存在虛短和虛斷虛斷虛斷虛地虛

4、地為使兩輸入端對地直流電阻相等：為使兩輸入端對地直流電阻相等：R2=R1/R f平衡電阻平衡電阻特點：特點：1.為深度電壓并聯負反饋，為深度電壓并聯負反饋，Auf=Rf /R 12.輸入電阻較小輸入電阻較小RifR ifR if =R13.uIC=0，對對 KCMR 的要求低的要求低u+=u-=0虛地虛地(1)基本電路基本電路模 擬 電 子 技 術(2)T形網絡反相比例運算電路形網絡反相比例運算電路根據根據“虛地虛地”的概念，有的概念，有 T形網絡等效為一個反饋電阻形網絡等效為一個反饋電阻此時同相輸入端的補償電阻此時同相輸入端的補償電阻 模 擬 電 子 技 術二、同相比例運算二、同相比例運算

5、特點：特點：1.為深度電壓為深度電壓串聯串聯負反饋，負反饋，Auf =1+Rf /R12.輸入電阻大輸入電阻大R if =3.，對，對 KCMR 的要求高的要求高uIC=u iu+=u-=uI(1)基本電路基本電路模 擬 電 子 技 術(2)電壓跟隨器電壓跟隨器 此時有 值得注意的是，電壓跟隨器反饋系數F=1，反饋深度深，輸入電阻高，輸出電阻低，常用作阻抗變換或緩沖級。同相比例運算電路有輸入電阻高的特點，但輸入共模信號電壓高，對集成運放的共模抑制比要求也高。另一方面如果共模電壓超過允許的數值，電路也無法正常工作。當當 R1=，Rf =0 時，時，模 擬 電 子 技 術三、差分比例運算電路三、差

6、分比例運算電路 為了保證運放兩個輸入端對地的電阻平衡，同時為了避免降低共模抑制比，通常要求 在理想情況下，由于“虛斷”，利用疊加定理可求得反相輸入端的電壓為 而同相輸入端的電壓為因為“虛短”，即 差分比例運算電路的電壓放大倍數為 又可以寫成電路元件參數對稱，差分比例運算電路的差模輸入電阻為模 擬 電 子 技 術四、比例運算電路的應用四、比例運算電路的應用(1)電壓電壓-電流變換電路電流變換電路 (2)電流電流-電流變換電路電流變換電路模 擬 電 子 技 術7.2.2 加法與減法運算加法與減法運算一、加法運算一、加法運算1.反相加法運算反相加法運算R3=R1/R2/RfiF i1+i2若若 Rf

7、=R1=R2 則則 uO=(uI1+uI2)模 擬 電 子 技 術根據“虛短”,“虛斷”和“虛地”的概念有：例例7.2.1解：模 擬 電 子 技 術 R2/R3/R4=R1/Rf若若 R2=R3=R4，則則 uO=uI1+uI2 Rf=2R1 2.同相加法運算同相加法運算模 擬 電 子 技 術例例 7.2.2解：根據“虛短”,“虛斷”和“虛地”的概念有：模 擬 電 子 技 術法法 1：利用疊加定理：利用疊加定理uI2=0 uI1 使：使：uI1=0 uI2 使：使：一般一般R1=R 1；Rf=R fuO=uO1+uO2=Rf/R1(uI2 uI1)法法 2：利用虛短、虛斷：利用虛短、虛斷uo=

8、Rf/R1(uI2 uI1)減法運算實際是差分電路減法運算實際是差分電路二、減法運算二、減法運算(1)單運放減法運算電路單運放減法運算電路模 擬 電 子 技 術解：例例7.2.3(2)雙運放減法運算電路雙運放減法運算電路多級集成運放相連時，后級對前級基本不影響多級集成運放相連時，后級對前級基本不影響 模 擬 電 子 技 術7.2.3 反相輸入運算電路的一般規(guī)律反相輸入運算電路的一般規(guī)律1.正函數型的反相運算電路正函數型的反相運算電路輸入回路采用函數元件輸入回路采用函數元件1,使使反饋回路采用電阻元件反饋回路采用電阻元件2模 擬 電 子 技 術2.反函數型的反相運算電路反函數型的反相運算電路輸入

9、回路采用電阻元件輸入回路采用電阻元件1反饋回路采用函數元件反饋回路采用函數元件2,使得使得模 擬 電 子 技 術一、積分運算一、積分運算=當當 uI=UI 時，時，設設 uC(0)=0 時間常數時間常數 =R1Cf積分電路輸出電壓波形：積分電路輸出電壓波形：tuIOtuOO7.2.4 微分與積分運算微分與積分運算(1)基本積分運算電基本積分運算電路路 模 擬 電 子 技 術(4)積分電路的應用積分電路的應用 把積分電路的輸出電壓作為電子開關或其他類似裝 置的輸入控制電壓，則積分電路可以起延時作用。可以用作波形變換電路，把輸入的方波信號變換為三角波。積分電路可以用在模-數轉換裝置中，把電壓量轉化

10、為與之成比例的時間量。它可以使正弦輸入信號移相，也用作波形變換電路，把輸入的方波信號變換為三角波。例例 7.2.4解：模 擬 電 子 技 術R2=Rf虛地虛地虛斷虛斷RfC1=時間常數時間常數微分電路輸出電壓微分電路輸出電壓:二、微分運算二、微分運算 uItOuOtO(1)基本微分運算電路基本微分運算電路模 擬 電 子 技 術(2)改進型的微分運算電路改進型的微分運算電路圖中輸入回路的電阻 限制了噪聲干擾和突變的輸入信號。且 的引入，加強了負反饋的作用。反饋電路引入 和 并聯是用來進行相位補償的。適當的選取電路參數能使電路穩(wěn)定工作。模 擬 電 子 技 術7.2.5 基本運算電路應用舉例基本運算

11、電路應用舉例例例 7.2.5 測量放大器測量放大器(儀用放大器儀用放大器)同相輸入同相輸入同相輸入同相輸入差差分輸入分輸入uo1uo2對共模信號：對共模信號：uO1=uO2 則則 uO=0對差模信號：對差模信號：R1 中點為交流地中點為交流地模 擬 電 子 技 術為保證測量精度為保證測量精度需元件對稱性好需元件對稱性好模 擬 電 子 技 術u+=u-=usio=i1=us/R11.輸出電流與負載大小無關輸出電流與負載大小無關2.恒壓源轉換成為恒流源恒壓源轉換成為恒流源特點：特點：例例7.2.6 電壓電壓電流轉換器電流轉換器模 擬 電 子 技 術10 k 10 nF 時間常數時間常數 =R1Cf

12、=0.1 ms設設 uC(0)=0=5 VuI/Vt/ms0.10.30.55 5uO/Vt/ms=5 V5 5例例 7.2.3 利用積分電路將方波變成三角波利用積分電路將方波變成三角波模 擬 電 子 技 術例例7.2.7 差分運算電路的設計差分運算電路的設計條件：條件：Rf=10 k 要求：要求：uo=uI1 2uI2R1=5 k R2=2R3R2/R3=R1/Rf=5/10R2=10 k R3=5 k 模 擬 電 子 技 術課堂練習課堂練習模 擬 電 子 技 術模 擬 電 子 技 術7.3 對數和指數運算電路對數和指數運算電路7.3.1 對數電路對數電路7.3.2 指數電路指數電路模 擬

13、電 子 技 術7.3.1 對數電路對數電路 利利用用PN結結的的指指數數特特性性實實現對數運算現對數運算模 擬 電 子 技 術7.3.2 反對數（反對數（指數指數）電路）電路uo=RF IS eui i /UT T輸入與輸出的關系式為輸入與輸出的關系式為:模 擬 電 子 技 術7.4 集成模擬乘法器集成模擬乘法器7.4.2 單片集成模擬乘法器單片集成模擬乘法器7.4.1 集成模擬乘法器的集成模擬乘法器的 基本工作原理基本工作原理6.2集成模擬乘法器集成模擬乘法器 的應用電路的應用電路7.4.3集成模擬乘法器的集成模擬乘法器的 應用電路應用電路模 擬 電 子 技 術7.4.1 模擬乘法器的基本工

14、作原理模擬乘法器的基本工作原理一、模擬乘法器的基本特性一、模擬乘法器的基本特性符號符號KXYXYuxuyuouO=KuxuyK 增益系數增益系數類型類型單象限乘法器單象限乘法器 ux、uy 皆為固定極性皆為固定極性二象限乘法器二象限乘法器 一個為固定極性，一個為固定極性，另一個為可正可負另一個為可正可負四象限乘法器四象限乘法器 ux、uy 皆為可正可負皆為可正可負模 擬 電 子 技 術理想乘法器：理想乘法器：對輸入電壓沒有限制，對輸入電壓沒有限制，ux=0 或或 uy=0 時，時，uO=0實際乘法器：實際乘法器：ux=0,uy=0 時，時，uO 0 輸出失調電壓輸出失調電壓 ux=0，uy 0

15、 時，時，或或 uy=0，ux 0 時，時，輸出饋通電壓輸出饋通電壓uO 0模 擬 電 子 技 術二、利用對數和指數電路的乘法電路二、利用對數和指數電路的乘法電路模 擬 電 子 技 術一、平方運算一、平方運算KXYXYuIuo7.4.3集成模擬乘法器的應用電路集成模擬乘法器的應用電路二、立方運算二、立方運算模 擬 電 子 技 術三、平方根運算三、平方根運算(uI 0)四、壓控增益四、壓控增益uO=KuXuY設設 uX=UXQ則則 uO=(KUXQ)uY調節(jié)直流電壓調節(jié)直流電壓 UXQ，則調節(jié)電路增益則調節(jié)電路增益8uIRuORXYKXYuO模 擬 電 子 技 術五、函數發(fā)生電路五、函數發(fā)生電路

16、模 擬 電 子 技 術7.5 除法運算電路除法運算電路1.對數和指數運算電路組成的除法電路對數和指數運算電路組成的除法電路2.用乘法器組成的除法電路用乘法器組成的除法電路當當 u1 0，為使為使 u3 0，則則 u2 0 當當 u1 0 時，時，uO 0，為使為使 u3 0 條件：條件：u3 與與 u1 必須必須反相反相 (保證負反饋保證負反饋)u2 08R1R2XYKXYu3u2u1uo模 擬 電 子 技 術小小 結結第第 7 章章模 擬 電 子 技 術一、基本運算電路一、基本運算電路1.運算電路的兩種基本形式運算電路的兩種基本形式同相輸入同相輸入反相輸入反相輸入模 擬 電 子 技 術2.運

17、算電路的分析方法運算電路的分析方法1)運用運用“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概念分析電路中各電量的概念分析電路中各電量2)間間關關系系。運運放放在在線線性性工工作作時時，“虛虛短短”和和“虛虛斷斷”3)總總是是同同時時存存在在。虛虛地地只只存存在在于于同同相相輸輸入入端端接接地地的的電電4)路中。路中。2)運用疊加定理解決多個輸入端的問題。運用疊加定理解決多個輸入端的問題。模 擬 電 子 技 術二、模擬乘法器二、模擬乘法器(屬于非線性模擬集成電路屬于非線性模擬集成電路)uO=Kuxuy對于理想模擬乘法器，輸入電壓的波形、對于理想模擬乘法器，輸入電壓的波形、幅度、極性、頻率為任意幅度、極性、頻率為任意三、模擬乘法器的主要應用三、模擬乘法器的主要應用1.運算運算：乘法、平方、除法、平方根等乘法、平方、除法、平方根等2.電路電路：壓控增益，調制、解調、倍頻、混頻等壓控增益，調制、解調、倍頻、混頻等KXYXYuxuyuO