集成電路運算放大器的線性運用.ppt

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集成電路運算放大器的線性應(yīng)用,第六章,小結(jié),6.1一般問題,6.2基本運算電路,6.3對數(shù)和指數(shù)運算電路,6.4集成模擬乘法器,6.5有源濾波電路,本章教學(xué)目的與要求,1、正確理解線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用的特以及線性應(yīng)用的分析方法。2、熟練掌握由集成運放組成的比例、求和、減法、積分運算電路的工作原理以及輸入和輸出的關(guān)系，對微分、對數(shù)、指數(shù)、模擬乘法器等運算電路的工作原理以及輸入和輸出關(guān)系僅作一般了解，初步掌握模擬乘法器的應(yīng)用。3、掌握有源濾波電路的分析方法和設(shè)計方法。4、了解模擬可編程器件的結(jié)構(gòu)和使用方法。,本章教學(xué)目的與要求,1、正確理解線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用的特以及線性應(yīng)用的分析方法。2、熟練掌握由集成運放組成的比例、求和、減法、積分運算電路的工作原理以及輸入和輸出的關(guān)系，對微分、對數(shù)、指數(shù)、模擬乘法器等運算電路的工作原理以及輸入和輸出關(guān)系僅作一般了解，初步掌握模擬乘法器的應(yīng)用。3、掌握有源濾波電路的分析方法和設(shè)計方法。4、了解模擬可編程器件的結(jié)構(gòu)和使用方法。,運算放大器的兩個工作區(qū)域（狀態(tài)）,1.運放的電壓傳輸特性：,設(shè)：電源電壓VCC=10V。運放的AVO=104,│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。,AVO越大，線性區(qū)越小，當(dāng)AVO→∞時，線性區(qū)→0,6.1一般問題,2.理想運算放大器：,開環(huán)電壓放大倍數(shù)AV0=∞差摸輸入電阻Rid=∞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：,理想運放工作在線性區(qū)的條件：電路中有負反饋！,運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（U+=U-）虛斷（ii+=ii-=0）,3.線性應(yīng)用,4.非線性應(yīng)用,,運放工作在非線性區(qū)的特點：正、負飽和輸出狀態(tài)電路中開環(huán)工作或引入正反饋！,運放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論,6.2基本運算電路,6.2.1比例運算,6.2.2加法與減法運算,6.2.3微分與積分運算,6.2.4基本運算電路應(yīng)用舉例,6.2.1比例運算,一、反相比例運算,運算放大器在線性應(yīng)用時同時存在虛短和虛斷,虛斷,,虛地,為使兩輸入端對地直流電阻相等：,R2=R1//Rf,平衡電阻,特點：,1.為深度電壓并聯(lián)負反饋，,Auf=?Rf/R1,2.輸入電阻較小,R?if=R1,3.uIC=0，對KCMR的要求低,u+=u-=0,虛地,二、同相比例運算,Auf=1,跟隨器,當(dāng)R1=?，Rf=0時，,特點：,1.為深度電壓串聯(lián)負反饋，,Auf=1+Rf/R1,2.輸入電阻大,R?if=?,6.2.2加法與減法運算,一、加法運算,1.反相加法運算,R3=R1//R2//Rf,iF?i1+i2,若Rf=R1=R2,則uO=?(uI1+uI2),R2//R3//R4=R1//Rf,若R2=R3=R4，,則uO=uI1+uI2,Rf=2R1,2.同相加法運算,法1：利用疊加定理,uI2=0,uI1使：,uI1=0,uI2使：,一般,R1=R?1；Rf=R?f,uO=uO1+uO2,=Rf/R1(uI2?uI1),法2：利用虛短、虛斷,uo=Rf/R1(uI2?uI1),減法運算實際是差分電路,二、減法運算,6.2.3反相輸入運算電路的組成規(guī)律,1.正函數(shù)型的反相運算電路,輸入回路采用函數(shù)元件1,使反饋回路采用電阻元件2,2.反函數(shù)型的反相運算電路,輸入回路采用電阻元件1反饋回路采用函數(shù)元件2,使得,6.2.4微分與積分運算,R2=Rf,虛地,虛斷,RfC1=?,—時間常數(shù),微分電路輸出電壓:,一、微分運算,,二、積分運算,=,當(dāng)uI=UI時，,設(shè)uC(0)=0,時間常數(shù)?=R1Cf,積分電路輸出電壓：,,,,,,,6.2.5基本運算電路應(yīng)用舉例,例6.2.1測量放大器(儀用放大器),同相輸入,同相輸入,差分輸入,uo1,uo2,對共模信號：,uO1=uO2則uO=0,對差模信號：,R1中點為交流地,為保證測量精度需元件對稱性好,u+=u-=us,io=i1=us/R1,1.輸出電流與負載大小無關(guān),2.恒壓源轉(zhuǎn)換成為恒流源,特點：,例6.2.2電壓—電流轉(zhuǎn)換器,例6.2.3利用積分電路將方波變成三角波,10k?,10nF,時間常數(shù)?=R1Cf,=0.1ms,設(shè)uC(0)=0,=?5V,=5V,,,,,例6.2.4差分運算電路的設(shè)計,條件：,Rf=10k?,要求：,uo=uI1?2uI2,R1=5k?,,,R2=2R3,=5//10,,R2=10k?,,R3=5k?,例6.2.5開關(guān)延遲電路,當(dāng)uO?6V時S閉合，,,,?3V,,?3V,,,,,課堂練習(xí),,6.3對數(shù)和指數(shù)運算電路,6.3.1對數(shù)電路,6.3.2指數(shù)電路,6.3.1對數(shù)電路,利用PN結(jié)的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算,BJT的發(fā)射結(jié)有,也可利用半導(dǎo)體三極管實現(xiàn)對數(shù)運算,其中，IES是發(fā)射結(jié)反向飽和電流，uO是ui的對數(shù)運算。,,,注意：ui必須大于零，電路的輸出電壓小于0.7伏,利用虛短和虛斷，電路有,6.3.2反對數(shù)（指數(shù)）電路,,輸入與輸出的關(guān)系式為:,uO是ui的反對數(shù)運算（指數(shù)運算）,用半導(dǎo)體三極管實現(xiàn)反對數(shù)運算電路,,,利用虛短和虛斷，電路有,要求,以上兩個電路溫漂很嚴(yán)重，實際電路都有溫度補償電路,6.4集成模擬乘法器,6.4.2單片集成模擬乘法器,6.4.1集成模擬乘法器的基本工作原理,6.2集成模擬乘法器的應(yīng)用電路,6.4.3集成模擬乘法器的應(yīng)用電路,6.4.1模擬乘法器的基本工作原理,一、模擬乘法器的基本特性,符號,uO=Kuxuy,K—增益系數(shù),類型,單象限乘法器ux、uy皆為固定極性,二象限乘法器一個為固定極性，另一個為可正可負,四象限乘法器ux、uy皆為可正可負,理想乘法器：,對輸入電壓沒有限制，,ux=0或uy=0時，uO=0,實際乘法器：,ux=0,uy=0時，uO?0,—輸出失調(diào)電壓,ux=0，uy?0時，或uy=0，ux?0時，,—輸出饋通電壓,uO?0,二、利用對數(shù)和指數(shù)電路的乘法電路,三、可變跨導(dǎo)乘法器的工作原理,當(dāng)uY>uBE3時，IC3≈uY/RE,要求uY>0,故為二象限乘法器,因IC3隨uY而變，其比值為電導(dǎo)量，稱變跨導(dǎo)乘法器,當(dāng)uY較小時，,相乘結(jié)果誤差較大,6.4.2單片集成模擬乘法器,MC1496—雙差分對模擬乘法器,V1、V2、V5,—模擬乘法器,V3、V4、V6,—模擬乘法器,V7~V9、R5,—電流源電路,R5、V7、R1,—電流源基準(zhǔn),V8、V9,—提供0.5I0,,,,RY,—引入負反饋，擴大uY的線性動態(tài)范圍,其中，uX0，則u2>0,當(dāng)u1>0時，uO0,條件：u3與u1必須反相(保證負反饋),,u2>0,三、平方根運算,(uI0，則u2>0,當(dāng)u1>0時，uO0,條件：u3與u1必須反相(保證負反饋),,u2>0,u1,uo,6.5有源濾波電路,6.5.2有源高通濾波電路,6.5.3有源帶通濾波電路,6.5.1有源低通濾波電路,濾波電路,—有用頻率信號通過，無用頻率信號被抑制的電路。,分類：,按處理方法分,,硬件濾波,軟件濾波,按所處理信號分,,模擬濾波器,數(shù)字濾波器,按構(gòu)成器件分,,無源濾波器,有源濾波器,引言,按頻率特性分,,低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器,理想濾波器的頻率特性,低通,高通,帶通,帶阻,濾波電路的主要參數(shù),1.通帶電壓放大倍數(shù),2.通帶截止頻率,3.特征頻率,4.通帶（阻帶）寬度,5.等效品質(zhì)因數(shù)Q,6.5.1有源低通濾波電路(LPF—LowPassFilter),—通帶放大倍數(shù),一、一階LPF,其中，Auf=1+Rf/R1,fH=1/2?RC,—上限截止頻率,,,,歸一化幅頻特性,0,,,-3,二、二階LPF,1.簡單二階LPF,通帶增益：,Auf=1+Rf/R1,問題：在f=fH附近，輸出幅度衰減大。,改進思路：在提升fH附近的輸出幅度。,,2.實用二階LPF,Q=1/(3-Auf),Q—等效品質(zhì)因數(shù),正反饋提升了fn附近的Au。,Good!,Auf=3時,Q??,電路產(chǎn)生自激振蕩,,特征頻率：,當(dāng)Q=0.707時，fn=fH,例6.5.1已知R=160k?，C=0.01?F，R1=170k?，Rf=100k?，求該濾波器的截止頻率、通帶增益及Q值。,[解]:,特征頻率,Q=1/(3-Auf)=1/(3-1.588)=0.708,Q=0.707時，fn=fH,?上限截止頻率：,fH=99.5Hz,6.5.2有源高通濾波電路(HPF—HighPassFilter),通帶增益：,Auf=1+Rf/R1,Q=1/(3-Auf),Auf=3時，,Q??，,電路產(chǎn)生自激振蕩,二階低通、高通，為防止自激，應(yīng)使AuffL,LPF,BPF,要求R3C1>RC,中心頻率：,等效品質(zhì)因素：,Q=1/(3-Auf),通頻帶：,BW=f0/Q,最大電壓增益：,Au0=Auf/(3-Auf),=2R,=C,=R,例6.5.2已知R=7.96k?，C=0.01?F，R3=15.92k?，R1=24.3k?，Rf=46.2k?求該電路的中心頻率、帶寬BW及通帶最大增益Au0。,[解],Q=1/(3-Auf),=1/(3-2.9)=10,BW=f0/Q,=2000/10=200(Hz),Au0=Auf/(3-Auf),=2.9/(3-2.9)=29,小結(jié),第6章,一、基本運算電路,1.運算電路的兩種基本形式,同相輸入,反相輸入,,2.運算電路的分析方法,運用“虛短”和“虛斷”的概念分析電路中各電量間關(guān)系。運放在線性工作時，“虛短”和“虛斷”總是同時存在。虛地只存在于同相輸入端接地的電路中。,2)運用疊加定理解決多個輸入端的問題。,二、模擬乘法器,(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、幅度、極性、頻率為任意,三、模擬乘法器的主要應(yīng)用,1.運算：乘法、平方、除法、平方根等,2.電路：壓控增益，調(diào)制、解調(diào)、倍頻、混頻等,