电子线路 信号运算电路.ppt

电子学基础 制作 王林炜 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 2 信号运算电路 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 一 理想运放的技术指标二 理想运放工作在线性区时的特点三 理想运放工作在非线性区时的特点 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 在分析集成运放的各种应用电路时 常常将其中的集成运放看成是一个理想运算放大器 所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化 即认为集成运放的各项指标为 开环差模电压增益Aod 差模输入电阻Rid 输出电阻Ro 0共模抑制比KCMRR 输入失调电压VIo 失调电流IIo均为零 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 一 理想运放的技术指标 一 理想运放的技术指标 在集成运放的各种应用电路中 集成运放的工作情况有两种 工作在线性区或工作在非线性区 二 理想运放工作在线性区时的特点 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 当工作在线性区时 集成运放的输出端电压与其两个输入端的电压之间存在着线性放大关系 即 二 理想运放工作在线性区时的特点 当输入端电压的幅度比较大 则集成运放的工作范围将超出线性放大区域而进入非线性区 此时集成运放的输出 输入电压之间不再满足上述线性关系 二 理想运放工作在线性区时的特点 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 二 理想运放工作在线性区时的特点 假设集成运放在线性区内的最大输出为 若 则 若 则 理想运放 则 虚短 理想运放的差模输入电压等于零 或 集成运放的Aod越大 则v 与v 差值越小 将两点视为 短路 所带来的误差越小 二 理想运放工作在线性区时的特点 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 二 理想运放工作在线性区时的特点 理想运放 则 虚断 理想运放的输入电流等于零 虚短 和 虚断 是理想运放工作在线性区时的两点重要结论 这两点重要结论常常作为分析许多运放应用电路的出发点 因此必须牢牢掌握 理想运放工作在非线性区时也有两个重要特点 三 理想运放工作在非线性区时的特点 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 三 理想运放工作在非线性区时的特点 1 理想运放的输出电压vo的值只有两种可能 或等于运放的正向最大输出电压 VOPP 或等于运放的负向最大输出电压 VOPP 2 理想运放的输入电流等于零 当v v 时 vo VOPP当v v 时 vo VOPP 在非线性区内 运放的差模输入电压 v v 可能很大 即v v 也就是说 此时 虚短 现象不复存在 如上所述 理想运放工作在线性区或非线性区时 各有不同的特点 因此在分析各种运放应用电路的工作原理时 首先必须判断其中的集成运放究竟工作在哪个区域 第五章信号运算电路 1 集成运算放大器的理想模型 集成运放的Aod通常很高 如不采取适当措施 即使在输入端加上一个很小的电压 就有可能使集成运放超出线性工作范围 一般情况下 在电路中引入深度负反馈 1 AF 1 以减小直接施加在集成运放两个输入端的净输入电压 以保证集成运放工作在线性区 2 信号运算电路 一 比例运算电路二 求和运算电路三 积分和微分运算电路四 对数和指数运算电路 五 乘法和除法运算电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 运算放大器最早应用于模拟信号的运算 因此得名 至今 信号的运算仍是集成运放一个重要而基本的应用领域 本节主要介绍由集成运放组成的比例运算电路 求和电路 积分和微分电路 对数和指数电路以及乘法和除法电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 在各种运算电路中 要求输出和输入的模拟信号之间实现一定的数学运算 因此 运算电路中的集成运放必须工作在线性区 在定量分析时 始终将理想运放工作在线性区的两个特点 即 虚短 和 虚断 作为基本的出发点 比例运算电路的输出电压与输入电压之间存在比例关系 即电路可实现比例运算 比例运算电路是最基本的运算电路 是其他运算电路的基础 本节随后将要介绍的求和电路 积分和微分电路等其他运算电路 都是在比例运算电路的基础上 加以扩展或演变以后得到 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 一 比例运算电路 一 比例运算电路 根据输入信号接法的不同 比例运算电路有三种基本形式 反相输入 同相输入以及差分输入比例运算电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 一 比例运算电路 反相输入比例运算电路 同相输入比例运算电路 差分输入比例运算电路 一 比例运算电路 1 反相比例运算电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 一 比例运算电路 一 比例运算电路 由于 虚断 再由 虚短 虚地 虚地 是反相输入运算电路的一个重要特点 1 反相比例运算电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 一 比例运算电路 一 比例运算电路 根据 虚断 再由 虚地 当RF R1时 单位增益倒相器 同样可利用 虚短 和 虚断 的特点来分析 2 同相比例运算电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 一 比例运算电路 一 比例运算电路 i i 0 v vi v v 或 一般情况下 AvF值恒大于1 当RF 0 R1 时 AvF 1 称为电压跟随器 3 差分比例运算电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 一 比例运算电路 一 比例运算电路 由 虚断 i i 0 得 为了保证集成运放两个输入端对地的电阻一致 同时为了避免降低共模抑制比 通常要求R1 R2 R RF 再由 虚短 即v v 得 3 差分比例运算电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 一 比例运算电路 一 比例运算电路 若满足条件R1 R2R RF 或 差分比例运算电路中不存在 虚地 现象 故集成运放的输入端会加有较高的共模输入电压 求和运算电路的输出量反映多个模拟输入量相加的结果 用集成运放实现求和运算时 可以采用反相输入方式 也可采用同相输入方式 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 二 求和电路 反相输入求和电路 二 求和电路 同相输入求和电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 二 求和电路 1 反相输入求和电路 由 虚断 反相端 虚地 若 二 求和电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 二 求和电路 二 求和电路 通过上面的分析可以看出 反相输入求和电路的实质是利用 虚地 和 虚断 的特点 通过各路输入电流求和的方法来实现输入电压的相加 这种反相输入电路的优点是 当改变某一输入回路的电阻时 仅仅改变输出电压与该路输入电压之间的比例关系 对其他各路没有影响 因此调节比较灵活方便 此外 由于 虚地 加在集成运放输入端的共模电压很小 1 反相输入求和电路 假设一个控制系统中的温度 压力和速度等物理量经传感器分别转换为模拟电压量vi1 vi2和vi3 该系统的输出电压与上述各物理量之间的关系为vo 3vi1 10vi2 0 53vi3 现采用反相求和电路 试选择电路参数以满足以上关系 例 解 比较 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 二 求和电路 选RF 100k 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 二 求和电路 二 求和电路 2 同相输入求和电路 由 虚断 令或 由 虚短 式中的R 与各输入回路的电阻都有关 因此当调节某一输入回路的电阻以达到给定的关系时 其他各路输入电压与输出电压之间的比值也将随之变化 常常需要反复调节才能将参数值最后确定 估算和调试的过程比较麻烦 此外 由于不存在 虚地 现象 集成运放承受的共模输入电压也比较高 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 二 求和电路 二 求和电路 2 同相输入求和电路 从原理上说 求和电路也可采用双端输入的方式 此时 电路的多个输入信号之间同时可以实现加法和减法运算 但是这种电路的参数调整十分繁琐 因此实际上很少采用 如果需要同时实现加法和减法运算 可以考虑采用其他的合理方案 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 二 求和电路 二 求和电路 试用集成运放实现以下运算关系vo 0 2vi1 10vi2 1 3vi3 解 例 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 二 求和电路 三 积分和微分电路 1 积分电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 积分电路 由 虚地 三 积分和微分电路 三 积分和微分电路 2 微分电路 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 三 积分和微分电路 微分电路 微分是积分的逆运算 将积分电路中的R和C的位置互换 即可组成基本微分电 第五章信号运算电路 2 信号运算电路 四 对数和指数电路 四 对数和指数电路 当