模拟电子电路模拟集成电路系统2

模拟电子电路模拟集成电路系统2第一页，共81页。等效框图：三、乘法器(Multiplier)和除法器(Divider)基本原理：第二页，共81页。图7—17乘法器和除法器(a)乘法器；(b)除法器u02u01u03第三页，共81页。比例运算电路微积分运算电路反相比例运算电路同相比例运算电路电压跟随器微分运算电路积分运算电路加减运算电路反相求和电路同相求和电路差分电路其他运算电路指数运算电路对数运算电路乘法运算电路除法运算电路小结第四页，共81页。7-1-6V/I变换和I/V变换一、电压源—电流源变换电路(V/I变换)图7-18V/I变换电路设R1R3=R2R4，则第五页，共81页。(7—24)可见，负载电流IL与ui成正比，且与负载ZL无关。第六页，共81页。二、电流源—电压源变换电路(I/V变换)图7-19将光电流变换为电压输出的电路第七页，共81页。图7—20所示电路，是用来测量大电流的实际电路。图中R3(=0.01Ω)为电流采样电阻。由于运放输入电流极小，负载电流IL全部流经R3，产生的采样电压U3=R3·IL。运放输出加到场效应管栅极，构成深度负反馈，故利用“虚短路”特性，有U+=U-,即而场效应管漏极电流ID等于源极电流IS，输出电压Uo为(7—25)第八页，共81页。图7-20测量大电流IL的电路第九页，共81页。精密整流电路是由于硅二极管的起始导通电压约为0.7V，用它来进行整流，会产生很大的误差的缘故而提出对小信号电压进行整流，若采用由集成运放组件和二极管组成的如图所示整流电路就可完成对微弱信号进行半波精密整流。

半波精密整流电路2+-32612112R1RfD1D2Rpuiu0Au’07-3-1精密整流电路ttuo0ui0(b)Vui＋－uo＋－RL(a)0.7V第十页，共81页。精密半波整流电路ui=0时uO

=0D1、D2uO=0ui>0时uO

<0D1

、D2uO=0ui<0时uO

>0D1

、D2uO=-(Rf/R1)ui工作原理：uOui-Rf/R1传输特性uituOtuiRfR1-输入正弦波输出半波半波精密整流电路2+-32612112R1RfD1D2Rpuiu0Au’0第十一页，共81页。如果需要对小信号进行绝对值运算，可采用下图所示电路。精密全波整流电路第十二页，共81页。精密全波整流电路(1)当ui>0时，uo1=-ui,uo=-ui-2uo1=-ui+2ui=ui(2)当ui＜0时，uo1=0,uo=-ui=-(-|ui|)=|ui|。所以第十三页，共81页。图整流电路波形精密全波整流电路第十四页，共81页。仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。

特点：KCMR很高、Ri很大，Av

在很大范围内可调。三运放仪器放大器由得由得由减法器A3得：若R1=R2=R、R3=R5、R4=R6整理得ui1+-A1R1-+A2RGuo1uOui2-+A3R2R3R4R5R6iGuo2第十五页，共81页。(1)当ui＞uo时，uo1＞0，二极管开关V导通，C充电，且整个电路(A1、A2)构成跟随器，uo=uC≈ui，输出跟随ui增大；(2)当ui＜uo时，uo1＜0，V截止，A2输入阻抗很大，C无放电回路，故uo=uC，处于保持状态。这样，即可以实现峰值检波。峰值检波电路图7—46峰值检波及电路(a)波形；(b)电路第十六页，共81页。在计算机实时控制和非电量的测量系统中，通常要将模拟量转换为数字量。由于模拟量为时间的连续函数，用数字方法表示模拟量时不可能将模拟量每一瞬时的数值都表示出来，而只能按控制信号的周期对模拟量进行定期采集，使输出准确地跟随输入信号的变化，并将采集的信号保存一段时间（以便在这段时间内转换为数字信号），直至下一个采集命令到达再重新进行采集。取样保持电路第十七页，共81页。2.工作原理1.电路采样阶段：

uG为高电平，S闭合(场效应管导通)，

ui对存储电容C充电，uo=uC

=ui。保持阶段：

uG为0，S断开(场效应管截止)，输出保持该阶段开始瞬间的值不变。采样脉冲采样速度愈高，愈接近模拟信号的变化情况。取样保持电路(a)电路－＋uiuouc控制信号CRS＋－＋－＋－Auiuou0t(b)输入输出信号波形第十八页，共81页。当控制信号u为高电平时，开关闭合，电路处于采样周期。这时ui对存储电容元件C充电，u0=uc=ui，即输出电压跟随输入电压的变化（运算放大器接成跟随器）。当控制电压变为低电平时，开关断开，电路处于保持周期。因为电容元件无放电回路，故uo=uc。输入、输出波形如图uiuou0t(b)输入输出信号波形控制信号(a)电路－＋uiuouc控制信号CRS＋－＋－＋－A取样保持电路第十九页，共81页。uC=ui(ui＞uC,C充电，ui＜uC,C放电)。取样保持电路第二十页，共81页。图7—47取样保持电路(a)模型；(b)电路第二十一页，共81页。电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。7-4非线性电路应用--电压比较器第二十二页，共81页。图7—48电压比较器的符号及传输特性第二十三页，共81页。电路中的运放处于非线性状态。uo运放电路中没有负反馈，运放处于非线性状态。一.单限电压比较器第二十四页，共81页。uoui0+Uom-UomUR传输特性特点：运放处于开环状态。当ui>UR时,uo=+Uom当ui<UR时,uo=-Uom

1、ui从同相端输入UR：参考电压ui：被比较信号

+uouiUR–A第二十五页，共81页。uoui0+Uom-UomUR当ui<UR时,uo=+Uom当ui>UR时,uo=-Uom

2、ui从反相端输入UR：参考电压ui：被比较信号

+uoURui–A第二十六页，共81页。uoui0+UOM-UOM3、过零比较器:(UR=0时)uoui0+UOM-UOM+uouiUR–AUR：参考电压ui：被比较信号

+uoURui–A第二十七页，共81页。图7—49输出限幅电路第二十八页，共81页。图7—49输出限幅电路第二十九页，共81页。tui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。uot+Uom-Uom+uouiUR–A第三十页，共81页。uoui0+UZ-UZ电路改进：用稳压管稳定输出电压。电压比较器的另一种形式

——将双向稳压管接在负反馈回路上uoUZ+uiUR–A++uiuoUZR´R_第三十一页，共81页。脉宽调制器若参考信号ur为三角波，而输入信号ui为缓变信号，如经传感器变换的温度、压力等信号，则随着ui的变化，输出矩形波的脉宽也随之变化。所以，开环比较器还可实现脉宽调制uoUZ-uiUR+A第三十二页，共81页。图7—50过零比较器及脉宽调制器输出波形(a)过零比较器整形波形；(b)脉宽调制器输出波形uoUZ-uiur+A第三十三页，共81页。二.滞回比较器（迟滞比较器）单限比较器电路简单，灵敏度高，但其抗干扰能力差。如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复跳变，如下图。若用此输出电压控制电机等设备，将出现误操作。为解决这一问题，常采用滞回电压比较器。uoUZ-uiUR+A第三十四页，共81页。存在干扰时，单限比较器的输出、输入波形第三十五页，共81页。上门限电压下门限电压RF3、当uo负饱和时(uo=-Uo(sat))：门限电压受输出电压的控制R2uoui+–R1+–+–－－)(o(sat)F

2

2URRRUu++=¢=++)(o(sat)F

2

2

URRRUu-+=¢=-+A(1)反相滞回比较器1、因为有正反馈，所以输出饱和。2、当uo正饱和时(uo=+UO(sat))：第三十六页，共81页。－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uo(sat)-UomU+’U-’设ui

,当ui

=<U-’

uo从-UO(sat)+UO(sat)这时,uo=-UO(sat),U+=U-’设初始值:

uo=+UO(sat),U+=U+’设ui,当ui=>U+’,

uo从+UO(sat)-UO(sat)(U+’

-

U-’)为回差第三十七页，共81页。上门限电压U'+：ui逐渐增加时的门限电压下门限电压U-’ui

逐渐减小时的门限电压uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFR2uoui+–R1+–+–A第三十八页，共81页。tuiUom-UomtuiUHUL例：迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。－+uoRR2R1uiA第三十九页，共81页。图7—52迟滞比较器电路及传输特性鉴别不灵敏区UTLUTHΔU电路改进：用稳压管稳定输出电压。第四十页，共81页。图7—53迟滞比较器输出波形UTLUTHΔU第四十一页，共81页。改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+UR–RFR2uoui++–R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性当参考电压UR不等于零时第四十二页，共81页。滞回电压比较器通过引入上、下两个门限电压，以获得正确、稳定的输出电压。电压比较器有两个门限电平，故传输特性呈滞回形状。第四十三页，共81页。图7—52迟滞比较器电路及传输特性鉴别不灵敏区引入正反馈，边沿变陡。UTLUTHΔU第四十四页，共81页。图7—54同相输入迟滞比较器及其传输特性(2)同相滞回比较器第四十五页，共81页。第四十六页，共81页。图滞回比较器的传输特性第四十七页，共81页。【例】同相滞回比较器其上、下阈值及输入波形如图所示,其中虚线三角波是未受干扰时的输入波形,实线是受干扰后的输入波形,请画出受干扰后的输出电压波形。

解图7-37(a)是同相滞回比较器,根据其传输特性可知,当其输出低电平时,只有在输入电压高于上阈值后,输出才能跳变成高电平；反之,当其输出高电平时,只有在输入电压低于下阈值后,输出才能跳变成低电平。第四十八页，共81页。图7–64例4输入、输出波形第四十九页，共81页。7.4.3窗口比较器图7–65窗口比较器第五十页，共81页。当uI＞UA时,uO1为高电平,VD1导通;uO2为低电平,VD2截止,即uO=uO1=UOH。当uI＜UB时,uO1为低电平,VD1截止;uO2为高电平,VD2导通,即uO=uO2=UOH。当UB＜uI＜UA时,uO1=uO2=UOL,二极管VD1、VD2均截止,uO=0V,其传输特性如图7-42(b)所示。窗口比较器电路如图7-42(a)所示。其工作原理如下:第五十一页，共81页。图7—62双向过压检测电路第五十二页，共81页。集成电压比较器内部电路的结构和工作原理与集成运算放大器十分相似,但由于用途不同,集成电压比较器有其固有的特点:(1)集成电压比较器,可直接驱动TTL等数字集成电路器件。(2)一般集成电压比较器的响应速度比同等价格集成运放构成的比较器的响应速度要快。(3)为提高速度,集成电压比较器内部电路的输入级工作电流较大。第五十三页，共81页。解：对图（1）

上门限电压

下门限电压例：电路如图所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）第五十四页，共81页。解：对图（2）

例：电路如图所示，Uo(sat)

=±6V，UR

=5V，

RF

=20k，R2=10k，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）第五十五页，共81页。（1）RFR2uoui++–R1+–+–+UR–RFR2uoui++–R1+–+–（2）uiuoO-6-226图(1)的电压传输特性图(2)的电压传输特性uouiO-661.335.33第五十六页，共81页。定义：回差电压与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，U越大，抗干扰能力越强。结论：1.调节RF

或R2可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影回差电压U。电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。第五十七页，共81页。3-4积分电路如图1所示，其输出积分波形如图2中曲线1，若只将电路中电容C的容量增加，其余条件不变，则该电路的积分曲线将变为

。(a)曲线2(b)曲线3(c)曲线4auotuOM–U0M03124图2+–+R1uiCu0R图1第五十八页，共81页。3-7串联电压负反馈对放大电路输入电阻影响的是

，对放大电路输出电阻的影响是

。(a)增大,减小(b)减小,增大(c)减小,减小(d)增大,增大3-8并联电流负反馈对放大电路输入电阻影响的是

，对放大电路输出电阻的影响是

。(a)增大,减小(b)减小,增大(c)减小,减小(d)增大,增大ab第五十九页，共81页。3-9理想运算放大器的“虚断路”是指

，“虚地”是指

，“虚短路”是指

。3-10理想运放的主要参数有

。3-11闭环放大倍数Af与开闭环放大倍数A及反馈系数F的关系为

。流入运放的电流为零u+=u–同相输入端接地时，反相输入端可看作地电位AU0、ri、ro、KCMRR

Af=A/(1+AF)3-12为了稳定输出电流,提高输入电阻，应在放大电路中引入

反馈。电流串联负3-13右图电路中所引入的反馈类型为

。电压并联负反馈

RFR1R2R3R4RL++uoui第六十页，共81页。3-15积分运算电路如右上图,R1=100k,C

=2µF,初始状态uo

=

0,计算加入信号ui（波形如右下图）后，经1S，uo=_____。–5Vtui1V0CuouiR1R2++第六十一页，共81页。R150kuouiRF=100kR2A3-17运算电路如右图所示。1.求：(1)uo与ui的关系式；(2)平衡电阻R2的阻值。在图示电路中，要使运算关系为

uo=10

ui，而保持R1的阻值不变。求：电阻RF和R2的阻值。解：(1)uo=2ui(2)R2=33.3k

解：RF

=500k

，R2=45.45k第六十二页，共81页。uoR1uiRF=100kR2A2.在图示电路中，欲使运算关系为uo=4

ui，同时保持RF的阻值不变。求：电阻R1和R2的阻值。3-18运算电路如右图所示，R1

=20k。1.求：(1)uo与ui的关系式；(2)平衡电阻R2的阻值。解：(1)uo=6ui(2)R2=16.7k

解：R1

=33.3k

，R2=25k第六十三页，共81页。R1uoui1RFR3Aui2R23-19运算电路如右图所示。1.设R1=R2=R3=RF=100k。求：uo与ui1和ui2的关系式。3.在图示电路中，若要使其满足uo=

10(

ui1

ui2)，且R1=15k。求：电阻RF、R2和R3的阻值。解：uo=ui2

ui1解：RF

=150k

，R2

=15k，

R3

=150k

2.在图示电路中，若欲使其满足uo=6ui25ui1，RF=100k。求：电阻R1、R2和R3的阻值。解：R1

=20k

，R2

=16.7k，

R3开路第六十四页，共81页。uoR1ui1RF=100kR3Aui2R23-20运算电路如右图所示，设电阻值为R1=R2=10k。1.求：uo与ui1和ui2的关系式及平衡电阻R3的阻值。2.运算电路如图所示，若电阻值为R1=R2=

RF=100k。3.在图示电路中,若要使其满足uo=

5

(

ui1+ui2)。求：电阻R1、R2和R3的阻值。

解：uo=10(

ui2+

ui1)，R3

=4.76k

解：R1

=R2

=

20k，

R3

=9.1k

解：uo=(

ui2+

ui1)，R3

=33.3k求：uo与ui1和ui2的关系式及平衡电阻R3的阻值。第六十五页，共81页。3-21求输出uo与各输入信号之间的关系式"uo=uo+uo'=

1

+

ui3RFR1R2R3+R4R4uoRFR1R2R3ui1i3uR4ui2uO=-

ui1+

ui2)

RFR1RFR2'uO=

1+

u+RFR1R2"=

1

+ui3-

ui1+

ui2RFR1R2R3+R4R4RFR1RFR2R1R2RF=

R3R4解：利用叠加原理进行分析第六十六页，共81页。3-22若运算关系式为u0=–10∫ui1dt–20∫ui2dt，画出对应的运放电路，并按反馈电容CF=1µF，选配电路中的电阻。

+–+R1ui1CFuoR2ui2RP解：∵–——–R1CF1=–10R1=110110–6=100k∵–R2CF1=–20R2=50k

RP=R1∥R2=100∥50=33.3k

第六十七页，共81页。R3-23电路如图所示，已知：R=100kW，C=

3.3mF，试求：输出电压

uo与输入电压

ui的运算关系式。CCR

ui

uO++解：电路为同相积分电路

uo=—

uidt

RC1∫=———–—

uidt

100×3.3×10

–31∫=3uidt

∫第六十八页，共81页。3-24运算电路及参数如图所示。求：(1)uo1与ui的关系式；(2)uo与ui的关系式；(3)平衡电阻R2和R4的阻值。50k100kR3uiCF

=10FRF=100kR4R2R1A1A2uo1uo解：(1)uo1=–

2ui(2)uo

=–∫uo1dt=

2∫ui

dt(3)R2

=

33.3k，

R4

=100k

第六十九页，共81页。3-25电路如图所示，求输出电流io与输入电流iS之间关系式。解：根据线性区的分析依据+–+R1uSuoR2R2iR2iSioi1有uo–u–=uo–u+u–=u+，i+=i–=0∴iS=i1uo–u–=–iSR1∴iR2=iouo–u+=ioR2–iSR1=ioR2∴io=–—–iSR1R2第七十页，共81页。3-26(习题3-8)求：输出电压与输入电压的关系式。解：i1R1

+i2R2

=uiuouiA1R1i2i1A2R1R1R2R1R2由虚断路A1输出端R1与R1

流过同一电流i1A2输出端R2与R2

流过同一电流i2又由虚短路uo=i1(R1+R1)+i2

(R2+R2)

=

2

(i1R1+i2R2)uo=

2

ui第七十一页，共81页。3-27电路可以提高反相比例运算电路的输入电阻。求：电路输入电阻ri=ui

/ii

的表达式。uouiR1A2A1iiR3R2R4RF2R1i2i1RFuo2解：uo=-

––uiRFR1RF2R1uo2=-

–—uoRFR1=–—

•–—

uiRF2R1=

2

uiii=i1-

i2=—–——––uo2-

uiuiR1R2ri=––=(—–

—)

-1uiiiR2R111ri=

———R2-

R1

R1•

R2第七十二页，共81页。3-28求：电压放大倍数Auf的表达式。uiR1A1i3R2RF3i1iiRF1uo解：RF2i2KCLii=i1=

i2+i3uA=

-

=

+

uA-

uouiR1RF3uARF1RF2uAuA=

-

ui

R1RF1代入Auf

=

=-

(1++)

uOuiR1RF3RF1RF1RF3RF2=-

(RF1+RF3+

)R11RF2RF1•RF3第七十三页，共81页。3-29运放电路如图所示。已知：R1=20kW，R2=R3=50kW，C=10mF，试求：输出电压uo与输入电压ui

的运算关系式。R1

R4CR2R3

uO

ui

++i1i2i3iC解：–uo=i2

R2

+i3

R3=i2R2

+(i2–iC)R3=i2(R2+

R3)–iCR3iC=C——=C————duCdtd

(–

i2R2

)dt代入i2=i1=ui

/R1

和uo=–(———ui

+–—————)

R2+R3R1R2R3CR1dui

dt=–(

5

ui

+

1.25——)dui

dt第七十四页，共81页。Au=———=—(1

+—)uoui2–ui1R1R2R4R3uoR1++A1R4ui1++A2R3R1ui2R2R23-30

电路如图，试推导其电压放大倍数为uo=–—–(1+

—–)ui1'R1R2R4R3=—(1+

—)ui2R1R2R4R3=—(1+

—)(ui2–ui1)R1R2R4R3uo=uo+uo'"Au=———=—(1

+—)uoui2–ui1R