集成电路运算放大器的线性运用课件

1、模 拟 电 子 技 术集成电路运算放大器的线性应用集成电路运算放大器的线性应用第第 六六章章小结小结6.1 一般问题一般问题6.2 基本运算电路基本运算电路6.3 对数和指数运算电路对数和指数运算电路6.4集成模拟乘法器集成模拟乘法器6.5 有源滤波电路有源滤波电路模 拟 电 子 技 术本章教学目的与要求 1、正确理解线性应用和非线性应用的特以及线性应用的分析方法。 2、熟练掌握由集成运放组成的比例、求和、减法、积分运算电路的工作原理以及输入和输出的关系，对微分、对数、指数、模拟乘法器等运算电路的工作原理以及输入和输出关系仅作一般了解，初步掌握模拟乘法器的应用。 3、掌握有源滤波电路的分析方法

2、和设计方法。 4、了解模拟可编程器件的结构和使用方法。 模 拟 电 子 技 术本章教学目的与要求 1、正确理解线性应用和非线性应用的特以及线性应用的分析方法。 2、熟练掌握由集成运放组成的比例、求和、减法、积分运算电路的工作原理以及输入和输出的关系，对微分、对数、指数、模拟乘法器等运算电路的工作原理以及输入和输出关系仅作一般了解，初步掌握模拟乘法器的应用。 3、掌握有源滤波电路的分析方法和设计方法。 4、了解模拟可编程器件的结构和使用方法。 模 拟 电 子 技 术 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

3、压VCC=10V。 运放的运放的AVO=104Ui1mV时，运放处于线性区。时，运放处于线性区。AVO越大，线性区越小，越大，线性区越小，当当AVO时，线性区时，线性区06.1一般问题一般问题模 拟 电 子 技 术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 AV0=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（

4、U+=U-） 虚断（虚断（ii+=ii-=0）3. 线性应用线性应用模 拟 电 子 技 术4. 非线性应用非线性应用运放工作在非线性区的特点：运放工作在非线性区的特点：正、负饱和输出状态正、负饱和输出状态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模 拟 电 子 技 术 6.2.1 比例运算比例运算 6.2.2 加法与减法运算加法与减法运算 6.2.3 微分与积分运算微分与积分运算 6.2.4 基本运算电路应用举例基本运算电路应用举例模 拟 电 子 技 术6.2.1 比例运算比例运算一、反相比例运算一、

5、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 if = R13. uIC = 0，对，对 KCMR 的要求低的要求低u+ = u = 0虚地虚地模 拟 电 子 技 术二、同相比例运算二、同相比例运算 I uuu

6、 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模 拟 电 子 技 术6.2.2 加法与减法运算加法与减法运算一、加法运算一、加法运算1. 反相加法运算反相加法运算R3 = R1 / R2 / RfiF i1 + i22I21I1fORuRuRu )(2I21I1fORuRuRu

7、 若若 Rf = R1= R2 则则 uO = (uI1+ uI2)模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术 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模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术法法 1：利用叠加定理：利用叠加定理uI2 = 0 uI1 使：使：I11fO1uRRu uI1 = 0 uI2 使：使： u

8、RRu)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f1fI1f11ORRRuRRRuu f1fI2RRRuu 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、减法运算模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术6.2.3 反相输入运算电路的组成规律反相输入运算电路的组成规律1Iiifu2Foifu Ii1.正函数型的反相运算电路正函数型的反相运算电路输入回路采用函数元件输入回

9、路采用函数元件1,使使反馈回路采用电阻元件反馈回路采用电阻元件21Iiifu 1oFiuRfu 模 拟 电 子 技 术2.反函数型的反相运算电路反函数型的反相运算电路输入回路采用电阻元件输入回路采用电阻元件1反馈回路采用函数元件反馈回路采用函数元件2,使得使得2Foifu 12iouufR模 拟 电 子 技 术6.2.4 微分与积分运算微分与积分运算tuCiddI11 R2 = 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模 拟 电 子 技 术二

10、、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模 拟 电 子 技 术6.2.5 基本运算电路应用举例基本运算电路应用举例例例 6.2.1 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：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模 拟 电 子 技 术 )2/

11、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模 拟 电 子 技 术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 6.2.2 电压电压电流转换器电流转换器例例 6.2.3 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模 拟 电 子 技 术10 k 10 nF 时间常数时间常数

12、 = R1Cf = 0.1 ms)(d1o1If121tutuCRuCtt 设设 uC(0) = 0tutd51 . 01o1 . 00ms1 . 0 = 5 VuI/Vt/ms0.10.30.55 5uO/Vt/ms5d)5(1 . 01o3 . 01 . 0ms3 . 0 tut= 5 V5 5模 拟 电 子 技 术例例 6.2.4 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= 5/1

13、0R2= 10 k R3= 5 k 模 拟 电 子 技 术例例 6.2.5 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 msuItO 3 VtusO 3 V模 拟 电 子 技 术V1O1 UV320302O2 UV2.1)20/30301(30/203030/201 . 2O3 UV35. 3)20/30301(30/302030/305 . 3O4 UV35. 35.252.131O U课堂练习课堂练习模 拟 电 子 技 术I112 )/1(uRR I221211I12o)1()

14、1(uRRRRuRRu )I1I221)(1(uuRR 模 拟 电 子 技 术6.3 对数和指数运算电路对数和指数运算电路 6.3.1 对数电路对数电路 6.3.2 指数电路指数电路模 拟 电 子 技 术DOvvRviiiRDTD/SDeVvIi SDTDIilnVv6. 3.1 对数电路对数电路SITSDTRIvlnVIilnV 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模 拟 电 子 技 术TBETBEeI1)(eIiiESESECuuuuBJT的发射结有的发射结有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模 拟 电 子 技 术其中，其中，IES 是

15、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。BEOuu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伏伏利用虚短和虚断，电路有利用虚短和虚断，电路有RuiiiCTBEeESECuuIiiESTiTOlnlnIuRuuu模 拟 电 子 技 术6.3.2 反对数（反对数（指数指数）电路）电路uo = RF 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:模 拟 电 子 技 术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

16、 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模 拟 电 子 技 术6.4 集成模拟乘法器集成模拟乘法器 6.4.2 单片集成模拟乘法器单片集成模拟乘法器 6.4.1 集成模拟乘法器的集成模拟乘法器的 基本工作原理基本工作原理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6.4.3集成模拟乘法器的集成模拟乘法器的 应用电路应用电路模 拟 电 子 技 术6.4.1 模拟乘法器的基本工作原理模拟乘法器的基本

17、工作原理一、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KXYXYuxuyuouO = KuxuyK 增益系数增益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 皆为可正可负皆为可正可负模 拟 电 子 技 术理想乘法器：理想乘法器： 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，u

18、y 0 时，时，或或 uy = 0，ux 0 时，时， 输出馈通电压输出馈通电压uO 0模 拟 电 子 技 术二、利用对数和指数电路的乘法电路二、利用对数和指数电路的乘法电路模 拟 电 子 技 术三、可变跨导乘法器的工作原理三、可变跨导乘法器的工作原理XbeOurRuC C3TE1Tbb be 2)1()1(IUIUrr XTC3O)1(2uUIRuC XTC3C2uUIR 当当 uY uBE3 时，时，IC3uY/RE模 拟 电 子 技 术YXYXTEO2uKuuuURRuC TE2URRKC 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，

19、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 uY 较小较小 时，时，相乘结果误差较大相乘结果误差较大模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术6.4.2 单片集成模拟乘法器单片集成模拟乘法器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模拟乘法器模拟乘法器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模 拟 电 子 技 术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，

20、uX UT ( 26 mV)Y0YY022RIuRI 增益系数增益系数模 拟 电 子 技 术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 范围范围模 拟 电 子 技 术6.4.3.1 基本运算电路基本运算电路一、平方运算一、平方运算KXYXYuIuo2IO)(uKu 6.4.3集成模拟乘法器的应用电路集成模拟乘法器的应用电路二、立方运

21、算二、立方运算模 拟 电 子 技 术8u1R1uOR2XYKXYu3u21123uRRu 2112OuuKRRu 2OuKu 当当 u1 0，为使，为使 u3 0，则，则 u2 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) )u2 0模 拟 电 子 技 术三、平方根运算三、平方根运算2OOKuu Iu KuuIO ( (uI 0) )四、压控增益四、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8uIRu

22、ORXYKXYuO模 拟 电 子 技 术五、函数发生电路五、函数发生电路2012nxnfaa xa xa x模 拟 电 子 技 术6.4.4除法运算电路除法运算电路1.1.对数和指数运算电路组成的除法电路对数和指数运算电路组成的除法电路2. 2. 用乘法器组成的除法电路用乘法器组成的除法电路8R1R2XYKXYu3u21123uRRu 2112OuuKRRu 2OuKu 当当 u1 0，为使，为使 u3 0，则，则 u2 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) )u2 0u1uo模 拟 电 子 技

23、 术6.5有源滤波有源滤波电路电路 6.5.2 有源高通滤波有源高通滤波电路电路 6.5.3 有源带通滤波有源带通滤波电路电路 6.5.1 有源低通滤波有源低通滤波电路电路模 拟 电 子 技 术滤波电路滤波电路 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器无源滤波器有源滤波器有源滤波器引言引言模 拟 电 子 技 术按频率按频率特性分特性分低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤

24、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带阻带阻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器二阶滤波器N 阶滤波器阶滤波器: :模 拟 电 子 技 术滤波电路的主要参数滤波电路的主要参数1.通带电压放大倍数通带电压放大倍数upAppf2.通带截止频率通带截止频率3.特征频率特征频率00f4.通带（阻带）宽度通带（阻带）宽度12bwppfff5.等效品质因数等效品质因数Q模 拟 电 子 技 术6.5.1 有源低通滤波有源低通滤

25、波电路电路( (LPFLow Pass Filter) ) 通带放大倍数通带放大倍数)1(j1j11fioRRCRCUUAu 一、一阶一、一阶 LPFRf8CR1RoUiUHfj1ffAu 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 /十倍频十倍频模 拟 电 子 技 术二、二、 二阶二阶 LPF1. 简单二阶简单二阶 LPF8CR1RCRRfoUiUPU通带增益：通带

26、增益：Auf = 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。模 拟 电 子 技 术2. 实用二阶实用二阶 LPF8CR1RfRCRoUiURCf 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

27、升了正反馈提升了 f n 附近的附近的 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模 拟 电 子 技 术例例 6.5.1 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。8CR1RfRCRoUiU 解解:RCf 21n z( 5 .99 1001. 0106012163nf特征频率特征频率模 拟 电 子 技 术588. 117010

28、0111ff RRAuQ = 1/(3 Auf) = 1/(3 1.588) = 0.708Q = 0.707 时，时， fn = fH上限截止频率：上限截止频率：fH = 99.5 Hz模 拟 电 子 技 术6.5.2 有源高通滤波有源高通滤波电路电路( (HPFHigh Pass Filter) )8CR1RfRCRoUiU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 fLiU8CR1RfRC1R3R2oULPFBPF要求要求 R3 C1 RC中心频率：中心频率：RCf 210等效品质因素：