中南大学模电PPT学习教案

1、会计学1中南大学模电中南大学模电 运算放大器的两个工作区域（状态）运算放大器的两个工作区域（状态）1. 运放的电压传输特性运放的电压传输特性设：电源电压设：电源电压VCC=10V。 运放的运放的Au=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。Au越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当Au时，线性区时，线性区07.1 概述概述第1页/共56页2.理想运算放大器：理想运算放大器：开环电压放大倍数开环电压放大倍数 Au=差摸输入电阻差摸输入电阻 Rid=输出电阻输出电阻 R0=0为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性

2、区的条件：理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：运放工作在线性区的分析方法： 虚短（虚短（U+=U-） 虚断（虚断（i+=i-=0）3. 线性区线性区第2页/共56页4. 非线性区（正、负饱和输出状态）非线性区（正、负饱和输出状态）运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！电路中开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论第3页/共56页 7.2.1 比例运算电路比例运算电路 7.2.2 加减运算电路加减运算电路 7.2.3 积分运算电路与微分运算

3、电积分运算电路与微分运算电路路 7.2.4 对数运算电路与指数运算电路对数运算电路与指数运算电路第4页/共56页7.2.1 比例运算电路比例运算电路一、反相比例运算一、反相比例运算运算放大器在线性应用运算放大器在线性应用时同时存在虚短和虚断时同时存在虚短和虚断0 ii虚断虚断F 1 ii -0 uu虚地虚地fFORiu 1f11fFiofRRRiRiuuAu 为使两输入端对地直流电阻相等：为使两输入端对地直流电阻相等：R2 = R1 / R f平衡电阻平衡电阻特点特点：1. .为深度电压并联负反馈，为深度电压并联负反馈，Auf = Rf / R 12. 输入电阻较小输入电阻较小RifR ifR

4、 if = R13. uIC = 0，对，对 KCMR 的要求低的要求低u+ = u = 0虚地虚地第5页/共56页二、同相比例运算二、同相比例运算 I uuu F 1 ii ，fIO1IRuuRu I1fO)1(uRRu 1ff1RRAu Auf = 1跟随器跟随器当当 R1 = ，Rf = 0 时时， 特点：特点：1. 为深度电压为深度电压串联串联负反馈负反馈，Auf = 1 + Rf /R12. 输入电阻大输入电阻大 R if = 3. ，对，对 KCMR 的要求高的要求高uIC = u iu+ = u = uI第6页/共56页7.2.2 加减运算电路加减运算电路一、加法运算一、加法运算

5、1. 反相加法运算反相加法运算R3 = R1 / R2 / RfiF i1 + i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu 若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2)平衡电阻平衡电阻第7页/共56页 R2 / R3 / R4 = R1/ Rf uRRu)1(1fO)/)(1(I242342I1432431fOuRRRRRuRRRRRRRu I242342I143243/uRRRRRuRRRRRu 若若 R2 = R3 = R4 ，则则 uO = uI1+ uI2 Rf = 2R1 2. 同相加法运算同相加法运算第8页/共56页法法 1：利用叠加定

6、理：利用叠加定理uI2 = 0 uI1 使使：I11fO1uRRuuI1 = 0 uI2 使：使：uRRu)1 (1fO22If1f1f2O)1 (uRRRRRu一般一般R1 = R 1； Rf = R fuO = uO1 + uO2 = Rf / R1( uI2 uI1 )法法 2：利用虚短、虚断：利用虚短、虚断f1fI1f11ORRRuRRRuuf1fI2RRRuu由得 uuo = Rf /R1( uI2 uI1 )减法运算实际是差分电路减法运算实际是差分电路二、减法运算二、减法运算第9页/共56页7.2.3积分运算电路与微分运算电路积分运算电路与微分运算电路tuCiddI11 R2 =

7、Rf 0 u虚地虚地foFRui F 1 ii 虚断虚断tuCRRiuddI1ffFO RfC1 = 时间常数时间常数微分电路输出电压微分电路输出电压:一、微分运算一、微分运算 uItOuOtO第10页/共56页二、积分运算二、积分运算1I1Rui tuCiddoF =)0(d1oIf1CutuCRu 当当 uI = UI 时，时，f1IoCRtUu 设设 uC(0) = 0 时间常数时间常数 = R1Cf积分电路输出电压：积分电路输出电压：tuIOtuOO第11页/共56页基本运算电路应用举基本运算电路应用举例例例例 1: 测量放大器测量放大器( (仪用放大器仪用放大器) )同相输入同相输入

8、同相输入同相输入差分输入差分输入uo1uo2对共模信号对共模信号( (uI1 = uI2 ) )：uO1 = uO2 则则 uO = 0对差模信号：对差模信号： R1 中点为交流地中点为交流地)()1 (o1234243434134oooouuRRuRRRRRuRRu第12页/共56页uo1uo2 )2/1(1I12O1，uRRu )2/1(2I12O2，uRRu )(o1o234OuuRRu )(21(I2I11234uuRRRR )21(1234I2I1oRRRRuuuAu 为保证测量精度为保证测量精度需元件对称性好需元件对称性好对差模信号：对差模信号： R1 中点为交流地中点为交流地第1

9、3页/共56页u+ = u = usio = i1 = us / R11. 输出电流与负载大小无关输出电流与负载大小无关2. 恒压源转换成为恒流源恒压源转换成为恒流源特点：特点：例例 2: 电压电压电流转换器电流转换器例例 3 : 利用积分电路将方波变成三角波利用积分电路将方波变成三角波应采用电流串联负反馈应采用电流串联负反馈第14页/共56页10 k 10 uF 时间常数时间常数 = R1Cf = 0.1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt 设设 uC(0) = 0tutd51 . 01o1 . 00ms1 . 0 = 5 VuI/Vt/ms0.10.30.55 5uO/Vt/m

10、s5d)5(1 . 01o3 . 01 . 0ms3 . 0 tut= 5 V5 5第15页/共56页例例 4: 差分运算电路的设计差分运算电路的设计条件条件：Rf = 10 k 要求要求：uo = uI1 2uI2I21fOuRRu 1I3231f)1(uRRRRR 21f RRR1 = 5 k 31323 RRRR2 = 2R3R2/ R3= R1/Rf= 5/10R2= 10 k R3= 5 k 第16页/共56页例例 5: 开关延迟电路开关延迟电路电子开关电子开关当当 uO 6 V 时时 S 闭合，闭合，V6f1IO tCRUu610510384 tms 1 ttuOO6 V1 msu

11、ItO 3 VtusO 3 V第17页/共56页V1O1 UV320302O2 UV2.1)20/30301(30/203030/201 . 2O3 UV35. 3)20/30301(30/302030/305 . 3O4 UV35. 35.252.131O U课堂练习课堂练习第18页/共56页I112 )/1(uRR I221211I12o)1()1(uRRRRuRRu )I1I221)(1(uuRR 第19页/共56页7.2.4 对数运算电路和指数运算电对数运算电路和指数运算电路路 1. 对数电路对数电路 2 .指数电路指数电路第20页/共56页RViiIRDT/DSDeVvIiSDTDl

12、nIiVv或1. 对数运算电对数运算电路路SITSDTlnlnRIvVIiVvvDo 利用利用PN结的指数特性实结的指数特性实现对数运算现对数运算已知二极管的正向伏安特性：)0(Iv第21页/共56页TBETBEeI1)(eIiiESESECuuuu也可利用半导体三极管实现也可利用半导体三极管实现对数运算对数运算RuIR iiCRIuUIiUuESITESCTBElnlnRIuUuuESITBEoln其中，其中，IES 是发射结反向饱和电流，是发射结反向饱和电流，uO是是ui的对数运算。的对数运算。注意：注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏伏第22页/

13、共56页2.指数（反对数）运算电路指数（反对数）运算电路uo = R IS eui i /UT T输入与输出的关系式为输入与输出的关系式为:TDuuSDRIiieTiSRoUuRIRiueiDuu第23页/共56页uO是是ui的反对数运算（指数运算）的反对数运算（指数运算）用半导体三极管实现用半导体三极管实现反对数运算电路反对数运算电路BEiuu 利用虚短和虚断，电路有利用虚短和虚断，电路有要求要求V7 . 0BEi uuTieESOuuIuRiuFOTBEeESEFuuIii以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路第24页/共56页7.

14、3 模拟乘法器及其应模拟乘法器及其应用用 7.3.2 模拟乘法器的工作原模拟乘法器的工作原理理 7.3.1 模拟乘法器简介模拟乘法器简介6.2集成模拟乘法器集成模拟乘法器 的应用电路的应用电路7.3.3模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用第25页/共56页7.3.1 模拟乘法器简介模拟乘法器简介一、模拟乘法器的基本特性一、模拟乘法器的基本特性符号符号uo = KuxuyK 乘积系数乘积系数类型类型单象限乘法器单象限乘法器 ux、uy 皆为固定极性皆为固定极性二象限乘法器二象限乘法器 一个为固定极性，一个为固定极性，另一个为可正可负另一个为可正可负四象限乘法器四象限乘法器 ux、uy 皆为可正可负皆

15、为可正可负uxuyuouxuy0第26页/共56页理想模拟乘法器：理想模拟乘法器： 对输入电压没有限制，对输入电压没有限制，ux= 0 或或 uy = 0 时，时，uO = 0实际乘法器：实际乘法器： ux= 0, uy = 0 时，时，uO 0 输出失调电压输出失调电压 ux= 0，uy 0 时，时，或或 uy = 0，ux 0 时，时， 输出馈通电压输出馈通电压uO 0uxuyuouo = Kuxuy第27页/共56页uxuyuouo = Kuxuyrorxryuo = Kuxuyuxuy等效电路等效电路理想模拟乘法器：理想模拟乘法器： rx = ， ry = ro = 0 K 值恒定值恒

16、定 ux 或或uy = 0时，时，uo = 0第28页/共56页7.3.2 7.3.2 模拟乘法器的工作原理模拟乘法器的工作原理XbeOurRuC C3TE1Tbb be 2)1()1(IUIUrr XTC3O)1(2uUIRuC XTC3C2uUIR 当当 uY uBE3 时，时，IC3 = (uY- uBE3 )/RE =uY/REYXYXTEO2uKuuuURRuC TE2URRKC 第29页/共56页YXOuKuuTE2URRKC 要求要求 uY 0故为故为二象限乘法器二象限乘法器因因 IC3 随随 uY 而变，其比值为电导量，称而变，其比值为电导量，称变跨导乘法器变跨导乘法器当当 u

17、Y 较小较小 时时，相乘结果误差较大相乘结果误差较大第30页/共56页单片集成模拟乘法器单片集成模拟乘法器（补充（补充）MC1496 双差分对模拟乘法器双差分对模拟乘法器V1、V2、V5模拟乘法器模拟乘法器V3、V4、V6模拟乘法模拟乘法器器V7 V9 、R5电流源电路电流源电路R5 、V7 、R1电流源基准电流源基准V8、V9 提供提供 0.5 I0第31页/共56页RY引入负反馈，扩大引入负反馈，扩大 uY 的线性的线性 动态范围动态范围YXTYOuuURRuC YXuKu TYURRKC 其中，其中，uX UT ( 26 mV)Y0YY022RIuRI 增益系数增益系数第32页/共56页

18、MC1595+VCCuYR1RCMC1595129478512R3RCuX1461011313R13RXRYuOVEEI 0/2I0/2YX0YxO4uuIRRRuC YXuKu 0Yx4IRRRKC X0 xX022RIuRI Y0YY022RIuRI 负反馈电阻，用以负反馈电阻，用以扩大扩大 uX、uY 范围范围第33页/共56页一一 .基本运算电路基本运算电路1.乘方运算乘方运算2IO)(uKu7.3.3 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用YXOuKuuuoK1uxuyuIK2uxuy3I21O)(uKKuuoK1uxuyuIK2uxuy4I221O)(uKKu第34页/共56页N次方运算

19、电次方运算电路路IouKuln11NKKIIoouuNKKNuKu21lnln21122KINKKIuuouKuKeKeKuNKKIo33ln33321212uouIK2uxuy对数运算电路对数运算电路指数运算电路指数运算电路N（幂次）（幂次）uo1uo2IouKuln11233ouoeKu第35页/共56页1123uRRu 2112OuuKRRu 2OuKu 当当 u1 0，为使，为使 u3 0，则，则 Ku2 0 当当 u1 0 时，时，uO 0，为使，为使 u3 0 条件：条件：u3 与与 u1 必须必须反相反相 ( (保证负反馈保证负反馈) )Ku2 02. 除法运算除法运算第36页/

20、共56页3.3.平方根运算平方根运算2OOKuu Iu KuuIO ( (uI 0) )4.4.压控增益压控增益uO = KuXuY设设 uX = UXQ则则 uO = (KUXQ)uY调节直流电压调节直流电压 UXQ ，则调节电路增益则调节电路增益第37页/共56页7.4有源滤波有源滤波电电路路 7.4.3 高通滤波高通滤波器器 7.4.4 带通滤波带通滤波器器 7.4.2 低通滤波低通滤波器器 7.4.1 滤波滤波电路的基础知识电路的基础知识第38页/共56页滤波电路滤波电路 有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。分类分类：按处理按处理方法

21、分方法分硬件滤波硬件滤波软件滤波软件滤波按所处理按所处理信号分信号分模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器按构成按构成器件分器件分无源滤波无源滤波器器有源滤波器有源滤波器7.4.1 滤波电路的基础知识滤波电路的基础知识第39页/共56页按频率按频率特性分特性分低通滤波低通滤波器器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器理想滤波器的频率特性理想滤波器的频率特性按传递按传递函数分函数分一阶滤波器一阶滤波器二阶滤波二阶滤波器器N 阶滤波器阶滤波器: :fuAlg20fuAlg20fuAlg20fuAlg20通通通通通通 阻阻 通通阻阻 通通 阻阻阻阻阻阻低通低通高通高通带通带通

22、带阻带阻第40页/共56页7.4.2 低通滤波低通滤波器器( (LPFLow Pass Filter) ) 通带放大倍数通带放大倍数)1(j1j11fioRRCRCUUAu 一、一阶一、一阶 LPFHfj1ffAu 其中，其中， Auf = 1 + Rf /R1fH = 1/2 RC 上限截止频率上限截止频率Hf j11f/fAAuu 2Hf)/(11lg20lg20ffAAuu )/( arctanHff fH归一化归一化幅频特性幅频特性fdB/lg20fuuAA0 3 20 dB /十倍频十倍频第41页/共56页二、二、 二阶二阶 LPF1. 简单二阶简单二阶 LPF通带增益：通带增益：A

23、uf = 1 + Rf/R1问题：问题：在在 f = fH 附近，输出幅度衰减大。附近，输出幅度衰减大。40 dB/ 十倍频十倍频 40f / fH0 10 2010 301dB/lg20fuuAA改进思路：改进思路：在提升在提升 fH 附近的输出幅度。附近的输出幅度。第42页/共56页2. 实用二阶实用二阶 LPFRCf 212nn Q = 1 / (3 Auf)Q 等效品质因数等效品质因数 40f / fn0 3 10 2010 30Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51dB/lg20fuuAAn2nfioj)(1 QAUUAuu 正反馈提升了正反馈提升了 f n 附近的附近的

24、 Au。Good!Auf = 3 时时Q 电路产生电路产生自激自激振荡振荡 uA40 dB/十倍频十倍频特征频率：特征频率：当当 Q = 0.707 时，时，fn = fH第43页/共56页例例 1： 已知已知 R = 160 k ，C = 0.01 F， R1 = 170 k ，Rf = 100 k ，求该滤波器的，求该滤波器的 截止频率、通带增益及截止频率、通带增益及 Q 值。值。 解解:RCf 21n z( 5 .99 1001. 0106012163nf特征频率特征频率第44页/共56页588. 1170100111ff RRAuQ = 1/(3 Auf) = 1/(3 1.588)

25、= 0.708Q = 0.707 时，时， fn = fH上限截止频率：上限截止频率：fH = 99.5 Hz第45页/共56页7.4.3 高通滤波高通滤波器器( (HPFHigh Pass Filter) )通带增益：通带增益： Auf = 1 + Rf / R1RCf 21nQ = 1/(3 Auf)f / fn0 3 10 2010 30 40Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51dB/lg20fuuAAAuf = 3 时，时，Q ， uA电路产生电路产生自激自激振荡振荡二阶低通、高通，为防止自激，应使二阶低通、高通，为防止自激，应使 Auf fLLPFBPF要求要求 R3 C1 RC中心频率：中心频率：RCf 210等效品质因素：等效品质因素： Q = 1/(3 Auf)通频带：通频带：fBW = f0 /Q最大电压增益：最大电压增益： Au0 = Auf /(3 Auf)第47页/共56页例例2 已知已知 R = 7.96 k ，C