《集成电路应用》PPT课件.ppt

1、,欢迎大家！,7.1 求和运算电路 7.2 积分和微分运算电路 7.3 对数和指数运算电路 7.4 模拟乘法器及其应用 7.5 有源滤波器,第7章 信号的运算与处理电路,引言： 运算电路是集成运算放大器的基本应用电路，它是集成运放的线性应用。讨论的是模拟信号的加法、减法积分和微分、对数和反对数（指数）、以及乘法和除法运算。 为了分析方便，把运放均视为理想器件： （1）开环电压增益 Au =; （2）Ri= ，R=0; （3）开环带宽 BW= ; （4）当UP=UN 时，Uo=0。没有温漂.,7.1概述,因此，对于工作在线性区的理想运放应满足： “虚短”：即U+=U- ； “虚断”：即I+=I-

2、=0. 本章讨论的即是上述“四字法则”灵活、大胆的应用。,典型电子信息系统的组成如图7-1所示。,图7-1 电子信息系统的示意图,图72 速度控制系统电路模型,Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,7.1.1集成运放的模型模型与传输特性,例：若UOM=12V，Ao=106， 则|Ui|12V时，运放 处于线性区。,线性放大区,图7-3运放模型与传输特性,7.1.2 工作在线性区的特点 理想运放工作在线性区的两个重要法则：, ii = 0 虚断, U+ = U 虚短,uo为有限值，Auo=,U+ = U=0,“虚短”和“虚断”是分析工作在线性

3、区的理想运放应用电路输出与输入函数关系的基本出发点。,图7-4 虚断虚断原则示意, 7.2基本运算电路 7.2 .1 基本运算电路-求和、积微分电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,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。,1反相比例运算电路,图7-5反比例电路之一,1. 反相输入求和电路,在 反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见图12.01。此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf 。所以输出是两输入信号的比例和。RP为平衡电阻。,图7-6 反相求和运算电路

4、,2. 同相输入求和电路,图7-7 同相比例电路,由虚断虚短原则，有,2. 同相输入求和电路,同相输入求和电路如图7-8所示。因运放具有虚断的特性，对运放同相输入端的电位可用叠加原理得:,图7-8 同相求和运算电路,3. 双端输入求和电路,双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图12.03所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似。,图7-9 双端输入求和运算电路,当ui1=ui2 =0时，用叠加原理分别求出ui3和ui4作用时的输出电压uop。再计算当ui3 = ui4 =0时，分别求出ui1，和ui2 作用时的uon。,先求uop,式中R+=R3/R4/R , R=R1/

5、R2/Rf,再求uon,例7-1 如图7-14所示为一反相比例运算电路，试证明,解析 根据虚断概念id 0，R2接地，故R2上电压为零，即由虚短的概念u+=0， u+= u=0，反相端u=0称“虚地”。,证 :由于 ， Rf和R4可视为并联，则有，,得证,例7-2 电路如图7-14所示。R1=R2=10K，Rf=R3=100K，RW =10K。 (1) 写出uo与ui1、ui2的运算关系式；(2) 当RW的滑动端在最上端时，若ui110mV，ui220mV，则uo？(3) 若uo的最大幅值为14V，输入电压最大值 ui1max=10mV，ui2max=20mV，最小值均为0V，则为了保证集成运

6、放工作在线性区，R5的最大值为多少？,解 (1) A2同相输入端电位,(2) 将ui110mV，ui220mV 代入上式，得uO100mV。,(3) 根据题目所给参数，ui1ui2的最大值为20mV。若R4为最小值，则为保证集成运放工作在线性区，ui1ui2=20mV时集成运放的输出电压应为14V，写成表达式为,R4min143;R5maxRWR1min（100.143）9.86 K,解题结论 差动输入方式运算电路可以利用本节推导的公式进行，但更有效地方法还是利用虚断虚短原则进行分析。,7.2 积分和微分运算电路,钓鱼岛，全称“钓鱼台群岛”，日本人称其为“尖阁列岛”。,7.2.1 积分运算电路

7、,积分运算电路(integral operation circuit)实际上可以将反比例运算电路中反馈电阻换成电容即可构成。它也有求和积分、反相积分、差动积分等形式。 积分运算电路的分析方法与比例电路基本相同，反相积分运算电路如图所示。,积分运算电路,当输入信号是阶跃直流电压UI时，即,图 7-17积分运算放大电路,若求解某一段时间（t1t2）内积分值，则应考虑到uO的初始值uO（t1），所以输出电压为,2.同相积分电路 如图7-16(b)所示。利用传递函数来分析计算。,3）求和积分器,4）差动积分器(R1=R2),(a)求和积分器 (b)差动积分器 图7-18 求和与差动积分电路,5) 积分

8、电路应用,积分运算电路主要用来实现信号波形转换。最典型的有三种： 将输入的正弦电压，变换为余弦电压，实现了波形的移相，也就是实现了函数的变换； 将输入的方波电压变换为输出的三角波电压，实现了波形变换； 输入阶跃电压，电容电流近似恒流，输出电压uo时间函数近似线性，若电容初始电压为零，线性区则有uoUi/R，非线性区为UOM。积分电路变换波形如图7-19所示。,(a)正弦余弦变换波形 (b)方波三角波变换 (c) 波形延迟 图7-19 积分电路波形变换图,2. 微分运算电路,微分运算电路如图所示。,图7-20 微分电路,微分电路对信号的变化敏感，由于电路干扰多为突变高频信号，所以微分电路抗干扰能

9、力差。另外，输入信号瞬变时，有可能输出大幅度信号导致运放“堵塞”而失去工作能力。,例73 下图中A为理想运放，求ui=0.3V时u0的值。,解： u+ = u =0.2V, uo= uM +0.04 R3 = 0.4+0.0410 = 0.8V,uo,例72 下图所示电路中，假设各运放具有理想特性。,(1) 指出A1、A2、A3各组成什么电路； (2) 写出u01、u02、u03的表达式。,解： (1) A1：电压跟随器；,A2：反相求和电路；,A3：同相比例放大器。,(2) uo1 = ui,例73 求下图所示电路的电压放大倍数,设A1、A2都是理想运算放大器。,解：对于A2 ：uo1 =

10、uo,对于A1 ：,u+ =u,uo = 10(ui2 ui1),例74 由运放组成的晶体管测量电路如下图，假设运放具有理想特性，晶体管的VBE=0.7V.,(1) 求出晶体管c、b、e各极的电位； (2) 若电压表读数为200mV，求被测量晶体管的值。,解：(1) uC = 6V uB = 0V uE = 0.7V,(2),例75 下图电路中， A1、A2 、A3均为理想运放R3C =1ms.,ui1=0.1V, ui2=0.3V为直流输入电压， t = 0时加入。,(1) 求uo1，uo2，uo3；(2) 若t=0时电容上C上的初始电压uC(o)=0，问需经多久时间使uo4=5V？,解：(

11、1),(2),vo4,例7-4如图7-21所示电路，设电路中所有运放都是理想运放，已知ui14V，ui21V。回答下列问题： (1) 开关闭合与断开情况，A1A4分别构成了何种运算电路？R2阻值各为多少？ (2) 当开关S闭合时，分别求解节点1、2、3、4和uo的电位； (3) 设t0时S打开，问经过多长时间uo0？,解 本题是含有多种运算的综合电路结构。分析方法可以采用“虚断虚短”原则，也可将电路分解成独立单元电路进行分析。 (1)无论开关闭合与否A1、A2都构成加减运算电路。开关断开，A3构成积分电路，A4构成加减运算电路；开关闭合，A4构成同相比例电路。,(2)开关闭合，电路为由电阻与运

12、放构成的比例电路。根据ui1 ui2是直流电压，各点都是直流电位，根据(1)分析，有 u1=(R/R)ui2+(1+R/R) ui1 = ui2+2 ui1=7(V)；u4=(R/R)ui1+(1+R/R) ui2 = ui1+2 ui2=2(V); 再根据虚断虚短原则，u24V；u31V；uo=(1+R/R)u4=4(V)。 (3) 利用叠加定理，uo2u4uo3，2 u4 4V，所以uo34V时，uo才为零。即,解得t=57.2ms。,1. 对数运算电路,图 7-25 (a)对数运算电路,对数运算电路见图7-25。由图可知,7.2.3 对数和指数运算电路,为了扩大输入电压的动态范围，实用电

13、路中常用三极管取代二极管，电路如图7-25 (b)所示。,图 7-25 (b),2 .指数运算电路,指数运算电路如图7-26所示。,指数运算电路相当反对数运算电路。,图 7-26指数运算电路,图7-26(a)中的二极管可以用三极管替换，具体电路见图7-26(b)。,乘法器是又一种广泛使用的模拟集成电路，它可以实现乘、除、开方、乘方、调幅等功能，广泛应用于模拟运算、通信、测控系统、电气测量和医疗仪器等许多领域。,7.4.1 模拟乘法器的基本原理,1模拟乘法器的基本原理 2变跨导型模拟乘法器,7.4 模拟乘法器及其应用,组成乘法和除法运算的方法有多种，本节主要介绍最常见的三种：对数反对数型; 晶体

14、管可变跨导型；逆运算型。本节主要介绍其基本电路结构与工作原理。,1.模拟乘法器电路的基本原理,模拟乘法器是一种能实现模拟量相乘的集成电路，设uO和u、uY分别为输出和两路输入,其中K为比例因子，具有 的量纲。模拟乘法器的电路符号如图7-27所示。,(a) 内不含运放符号 (b)内含运放符号 图7-27模拟乘法器电路符号,如果能用 vy去控制IE，即实现IE vy。 vO就基本上与两输入电压之积成比例。于 是实现两模拟量相乘的电路构思，如图19.02所示。,对于差动放大电路，输出电压为,图7-28 模拟乘法器,2. 变跨导型模拟乘法器,根据图7-28的原理可以制成所谓变跨导模拟乘法器。在推导高频

15、微变等效电路时，将放大电路的增益写成为,只不过在式中的gm是固定的。而图7-28中如果gm是可变的，受一个输入信号的控制，那该电路就是变跨导模拟乘法器。由于IEvY，而IE gm，所以uY gm。输出电压为,由于对非线性失真等因素没有考虑，相乘的效果不好。实际的变跨导模拟乘法器的主要电路环节如图7-29所示。,图7-29 变跨导模拟乘法器,3、 对数反对数型模拟乘法器,根据两数相乘的对数等于两数的对数之和的原理，因此可以用对数放大器、反对数放大器和加法器来实现模拟量的相乘。方框图如图所示。,对数型模拟乘法器,7.4.2 模拟乘法器的应用 1乘积和乘方运算电路 2除法运算电路 3开平方运算电路,1.乘积和乘方运算电路,(1) 相乘运算 模拟乘法运算电路如图所示。,平方运算电路 立方运算电路 四次方运算电路,(2) 乘方和立方运算 将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是乘方运算电路，电路如图19.06所