第07章 模拟信号运算电路.ppt

第七章模拟信号运算电路 模拟电子技术基础 第七章模拟信号运算电路 7 1理想运放的概念 7 2比例运算电路 7 3求和电路 7 4积分和微分电路 7 5对数和指数电路 7 6乘法和除法电路 7 1 1理想运放的技术指标 7 1理想运放的概念 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KCMR CMRR 输入失调电压 失调电流及他们的温漂均为零输入偏置电流IIB 0 3dB带宽fH 如无特别说明 均将集成运放作为理想运放考虑 7 1 2理想运放工作在线性区时的特点 1 理想运放的差模输入电压等于零 虚短 2 理想运放的输入电流等于零 虚断 7 1 3理想运放工作在非线性区时的特点 1 理想运放的uo只有两种可能当u u 时 uo UOPP当u u 时 uo UOPP 在非线性区内 虚短 现象不存在 例 若UOPP 12V Ao 106 则 ui 12 V时 运放处于线性区 2 理想运放的输入电流等于零 在非线性区 u u 但 当Aod u u UOPP时 运放应工作在线性范围内 实际运放的线性放大范围很小 Aod越大 运放的线性范围越小 为保证集成运放工作在线性区 一般情况下 必须在电路中引入深度负反馈 以减小直接施加在集成运放两个输入端的净输入电压 运放线性运用 uo Aod u u Aod u u 0u u u u 虚短 i i 0 虚断 ri i 0i 0 集成运算放大器的分析方法 输出电压变化范围 最大 VCC VEE 集成运算放大器的分析方法 放大倍数与负载无关 因为ro 0所以放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时 放大倍数可以独立计算 分析运放组成的线性电路的出发点 虚短路虚断路放大倍数与负载无关 可以分开分析 7 2比例运算电路 作用 将信号按比例放大 类型 反相输入 同相输入 差分比例输入 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 7 2 1反相比例运算电路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从反相端输入 iI iF 1 放大倍数 虚短路 虚断路 虚地 2 电路的输入电阻 rif R1 R2 R1 RF 为保证一定的输入电阻 当放大倍数大时 需增大RF 而大电阻的精度差 因此 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 4 共模电压 输出电阻小 共模电压为0以及 虚地 是反相输入的特点 3 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小 反相比例运算电路的特点 1 共模输入电压为0 因此对运放的共模抑制比要求低 2 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 3 由于并联负反馈的作用 输入电阻小 因此对输入电流有一定的要求 4 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 当R1 RF时 Auf 1 称为单位增益倒相器 例题7 2 1R1 10k RF 20k uI 1V 求 uo R2应为多大 Auf RF R1 20 10 2Uo AufuI 2 1 2VR2 R1 RF 10 20 6 7k 例7 2 2求Auf i1 i2 虚短路 虚断路 虚地 该放大电路 在放大倍数较大时 可避免使用大电阻 但R3的存在 削弱了负反馈 7 2 2同相比例运算电路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 u u ui 虚短路 虚断路 虚断路 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 同相比例运算电路的特点 1 同相比例运算放大电路是一个深度电压串联负反馈电路 u u ui 不存在 虚地 现象 2 电压放大倍数Auf 1 RF R1 具有同相比例运算功能 3 由于串联负反馈的作用 输入电阻很高 输出电阻很小 可认为是0 因此带负载能力强 4 共模输入电压为ui 因此对运放的共模抑制比要求高 例题7 2 3R1 10k RF 20k ui 1V 求 uo R2应为多大 例题7 2 4输出可调的同相比例运算放大电路 RW 5k R1 10k RF 20k ui 1V 求当RW分别位于上端 中部 下端时输出电压值 已知电路的最大输出电压为 10V 当RW位于最上端时 RW1 0 RW2 RW 此时 当RW位于中部时 RW1 RW2 0 5RW 此时 当RW位于最下端时 RW2 0 RW1 RW 此时 而电路的最大输出电压为 10V 故此时的输出电压 此电路是电压串联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 在电路中的作用与分立元件的射极输出器相同 但是电压跟随性能好 电压跟随器 结构特点 输出电压全部引到反相输入端 信号从同相端输入 电压跟随器是同相比例运算放大器的特例 7 2 3差分比例运算电路 通常要求R1 R1 RF RF i i 0 虚断 R1 R1 RF RF 时 电路元件参数对称时 差模输入电阻rid 2R1 u u 虚短 比例运算电路的比较归纳 1 它们都引入电压负反馈 因此输出电阻都比较小 2 关于输入电阻反相输入的输入电阻小 同相输入的输入电阻高 3 以上放大器均可级联 级联时放大倍数分别独立计算 例题7 2 4R1 10k R2 20k ui1 1V ui2 1V 求 uo 例题7 2 4若ui1 sin t V ui2 1V 求 uo 7 2 4比例电路应用实例 三运放电路 uo2 虚短路 虚断路 三运放电路是差动放大器 放大倍数可变 由于输入均在同相端 此电路的输入电阻高 三运放电路的输入电阻 三运放电路的差模输入电阻等于两个同相比例电路的输入电阻之和 在电路参数对称的条件下 输入电阻为 Aod和rid分别是集成运放A1 A2 的开环差模增益和差模输入电阻 例7 2 5由三运放放大器组成的温度测量电路 Rt 热敏电阻 集成化 仪表放大器 Rt f T 例7 2 6如图电路中 设RW 2k R 1k R1 2k R2 100k 求Au 作用 将若干个输入信号之和或之差按比例放大 类型 同相求和和反相求和 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 7 3求和电路 一 反相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 虚短 虚地 虚断 实质 利用 虚短 和 虚断 的特点 通过各路电流相加的方法来实现输入电压的相加 优点 调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻 不影响其他各路输入电压和输出电压的比例关系 调节方便 例7 3 1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后分别转换成模拟电压量 要求该系统的输出电压与上述各物理量之间的关系为 求上述求和电路中的参数 解 设 则 二 同相求和运算 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 虚断 其中 虚短 注意 1 同相求和电路不存在 虚地 现象 2 R 与各输入回路的电阻有关 因此各输入信号的放大倍数互相影响 不能单独调整 其中 在同相比例运放基础上改进 此电路如果以u 为输入 则输出为 u 与ui1和ui2的关系如何 流入运放输入端的电流为0 虚断 注意 同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响 不能单独调整 三 单运放的加减运算电路 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 虚短 虚断 虚断 解出 单运放的加减运算电路的特例 差动放大器 差动放大器放大了两个信号的差 但是它的输入电阻不高 2R1 这是由于反相输入造成的 例7 3 2设计一个加减运算电路 RF 240k 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 画电路 系数为负的信号从反相端输入 系数为正的信号从同相端输入 2 求各电阻阻值 uo 10ui1 8ui2 20ui3 优点 元件少 成本低 缺点 要求R1 R2 R5 R3 R4 R6阻值的调整计算不方便 单运放的加减运算电路 改进 采用双运放电路 四 双运放的加减运算电路 例7 3 3A D变换器要求其输入电压的幅度为0 5V 现有信号变化范围为 5V 5V 试设计一电平抬高电路 将其变化范围变为0 5V uo 0 5ui 2 5 V uo 0 5ui 2 5 0 5 ui 5 V 1 它们都引入电压负反馈 因此输出电阻都比较小 2 关于输入电阻 反相输入的输入电阻小 同相输入的输入电阻高 3 同相输入的共模电压高 反相输入的共模电压小 比例运算电路与加减运算电路小结 7 4积分和微分电路 7 4 1积分电路 一 电路组成 虚短 虚地 虚断 积分时间常数 二 输入 输出波形 1 输入电压为矩形波时 2 输入电压为正弦波时 移相 3 输入电压为方波时 输出为三角波 U 积分时限 例7 4 1如果积分器从某一时刻输入一直流电压 输出将反向积分 经过一定的时间后输出饱和 例7 4 2设积分电路的输入电压为方波 UOPP 14V 若电路参数为以下三种情况 分别画出相应的输出电压波形 解 期间 时 当时 期间 时 时 时 波形变换 方波 三角波 期间 时 比第 1 种情况输出幅度增加一倍 期间 时 与矛盾 时 即当t 7mS事 uo3增加到 14V 此后保持不变 uo3的波形为 波形变换 方波 三角波 波形变换 方波 梯形波 三 积分电路的误差 原因 1 集成运放不是理想特性引起 2 由积分电容引起 积分电路的主要用途 1 在电子开关中用于延迟 2 波形变换 例 将方波变为三角波 3 A D转换中 将电压量变为时间量 4 移相 u u 0 7 4 2微分电路 若输入 则 基本微分电路的缺点 输入信号频率升高时 信噪比下降 容易产生自激振荡 电路稳定性差 输入电压发生突变时有可能使运放 堵塞 使电路不能正常工作 改进措施 7 5对数和指数电路 7 5 1对数电路 当时 或 虚地 iR iD 虚断 为增大工作范围 将双极型三极管接成二极管的形式作为反馈支路 7 5 2指数电路 u u 0 i i 0 7 6乘法和除法电路 7 6 1由对数及指数电路组成的乘除电路 由对数及指数电路组成的乘法电路框图 除法 由对数及指数电路组成的除法电路框图 7 6 2模拟乘法器 模拟乘法器的符号 K 0时 同相乘法器 K 0时 反相乘法器 模拟乘法器的工作象限 四象限 二象限 单象限 变跨导式模拟乘法器 恒流源差动放大器的输出电压 当IEQ较小 时 而IEQ 0 5I 当ui2 uBE3时 VT3 跨导随ui2而变 变跨导