电路基础与集成电子技术-87j 其他线性应用电路.ppt

1、第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.2 数据放大器,8.7 集成运放其他几种线性应用电路,8.7.1 电流-电压变换器和电压-电流变换器,8.7.3 绝对值电路,8.7.4 接地阻抗模拟变换器,8.7.5 有效值电路,8.7.6 有源滤波器,8.7.7 二极管限幅电路,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.1 电流-电压变换器和电压-电流变换器,电压-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有实用价值的电子电路。通过运放可以实现多种电流电压和电压电流变换电路。,8.7.1.1 电流-电压变换器,图8.7.1 电

2、流-电压变换器,图8.7.1是电流电压变换器。由图可知,输出电压与输入电流成比例。也就是说将输入电流转化成了输出电压。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,例8.2：图8.7.2为电流电压转换电路的一个应用实例。图中AD590为半导体温度传感器，流过它的电流I与温度有关。绝对零度时，I=0A，温度每增加1K，I增加1A。所以电流I为温度的函数。试分析该电路的测温工作原理。,图8.7.2 AD590测温电路,图8.7.2虚线框内为电流电压转换电路。,由图可知：,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,AD590在0时的电流为273A，温度每增加1C ,

3、电流增加1 A。为了使0时输出显示0.00V，用电流I1来抵消AD590在0时的电流273A的偏移量，使If=0。,当温度升高时，I增加，而I1已固定，I增加的部分必然要由If来补充，这样输出电压就有了数值。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,我们希望输出电压值代表摄氏温度值，在数值上正好与摄氏度一致，使输出电压量与摄氏温度成正比的，这就需要合理选择电阻。,AD590的电流 I 的变化量1A/ ，有线性关系。如果， 可得输出电压每摄氏度的变化量,这样输出电压每10mV代表1，100 mV就代表10。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.

4、1.2 电压-电流变换器,(a)负载不接地情况 (b)负载接地情况 图8.7.3 电压-电流变换器,图8.7.3为电压-电流变换电路，图8.7.3(a)为负载不接地的情况，图8.7.3(b)为负载接地的情况。由图8.7.3(a)可知,该电路将输入电压转换为输出电流，iO与uS成比例。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,对负载接地的图8.7.3(b)，通过叠加原理可得以下各式：,因为,所以,可得,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,所以,可得,设,于是,说明iO与uS成正比，实现了输入电压到输出电流的线性变换。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性

5、应用电路 2010.02,8.7.2 数据放大器,图8.7.4 数据放大器电路图,数据放大器通常用于放大传感器送出的微弱电信号，为此要求数据放大器有很高的电压增益；由于传感器的内阻往往不是常量，故要求放大器有足够高的输入电阻。传感器输出信号中往往含有较大的共模信号，因此要求数据放大器具有很高的共模抑制比。即对数数据放大器有“三高”要求。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,同相比例,同相比例,差分比例,根据虚短、虚断的概念，有：,对A、B两点，可列出如下的节点电流方程：,A,B,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,显然调节R1可以改变放大器的增益

6、。产品数据放大器，如AD624等， R1由多个电阻串联，有引线连出， R1可通过选择连线接成多种阻值，可得到不同的电压放大倍数 。,将 代入上式，可得,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,由运放构成的精密整流电路如图8.7.5所示。,图8.7.5 反相输入绝对值电路,8.7.3 绝对值电路,8.7.3.1 反相输入绝对值电路,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,1.当输入电压uI0 ，则VD1导通，VD2截止。由于运放A1、A2的反相输入端均为虚地，所以uA=0。反相加法器A2只有通过2R这一路输入，于是有,0,0,uI0,0,第8章 运算放大器

7、和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,2.当输入电压uI0时， uO10 ，则VD1截止，VD2导通，于是有uA= -uI，此时反相求和放大器A2的输出电压为,综合以上两点可知，无论uI为正或为负，uO则恒为正，即,uI0,-uI,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.3.2 同相输入绝对值电路,1当输入电压 uI0时， uO10，则VD1导通，A1处于跟随状态，uO1= uI，所以VD2截止，根据虚断和虚短的概念，可以得到：,图8.7.6 同相绝对值电路,uI0,uO10,uO1= uI,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,于是,所以

8、,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,2当输入电压 uI0时， uO10，则VD1截止， VD2导通，A1构成同相比例运算电路，于是 uA= 2uI 对A2则有,综合以上两点可知：,该绝对值运算电路输入电阻较大。,所以,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,该电路称为绝对值运算电路，也称为精密整流电路。之所以称为精密，是因为输出电压不是经过二极管的单向导电而得到的，所以二极管的死区不会在输出产生误差。,问题：该电路为什么称为精密整流电路？二极管的死区电压是否会对输出电压产生影响？,当uI0时，信号有一路经2R传输，另一路因VD1开路，uO1很负，

9、VD2不可能微导通，不存在位于死区工作的情况。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.4 接地阻抗模拟变换器,图8.7.7 接地阻抗模拟变换电路,阻抗模拟变换器是用来实现阻抗特性的模拟与变换的运放电路，电路如图8.7.7所示。,由图可知 ，所以,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,当上式中的Z为电阻时：,，呈现负电阻特性；,当Z为电容时：,呈现模拟电感特性，模拟电感为,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,由于集成电路工艺不能制作大容量的电容器，所以，往往采用模拟电容变换电路。根据图8.7.8，用虚短和虚断特性可以列出

10、下列方程式,图8.7.8模拟电容器电路,所以,例8.3：图8.7.8所示的是另一种适合做模拟电容的运放应用 电路。试推导输入阻抗表达式。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,于是输入阻抗,当是电阻时，Zi呈现电容性，相当一个模拟电容。当调节Z1、Z2、Z3、Z4的阻值时，可以控制模拟电容的容量。因为大容量的电容器体积大，可以采用模拟电容去取代大容量的电容器，以缩小印制电路板的面积。另外大容量的电容器稳定性也较差，采用模拟电容以后，有利于提高电容的稳定性。 适当改变 Z1Z5的性质也可获得模拟电感。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.5

11、有效值电路,图8.7.9 有效值电路,图8.7.9是一个方均根值电路，即有效值电路。模拟乘法器M1实现平方运算，运算放大器A1是积分器，对M1的的输出求平均值，M1和A1组成开平方电路。于是可实现方均根运算,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,一个非正弦信号具有多种频率成分，滤波，就是保留信号中所需要的频率成分，抑制其他频率成分。 滤波有两种方法：模拟滤波和数字滤波。前者是利用滤波电路频带的不同实现滤波；后者是将模拟量转化为数字量后用软件实现，属数字信号处理的内容。 模拟滤波器又分无源和有源两种。无源滤波器由无源元件R、L和C组成，有源滤波器则由集成运放和R、C电路构成

12、，两者相比，有源滤波电路具有以下优点： 构成的低频滤波器不使用电感、体积小、重量轻； 滤波的同时对信号具有放大作用，避免了信号的过度衰减； 集成运放输入阻抗高，输出阻抗低，对信号具有缓冲作用，避免前后级的互相影响，便于设计。,8.7.6 有源滤波器,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,有源滤波器按频率特性分为： 低通（LPF，Low-pass filter）； 高通（HPF，High-pass filter）； 带通（BPF，Band-pass filter）； 带阻滤波器（BRF，Band-reject filter）。 它们的幅度频率特性曲线如图14.01.01所示

13、。,下图是一个低通滤波电路(LPF)滤除信号中的高频干扰 的示意图。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,滤波器的幅度频率特性曲线如图8.7.10所示。图(a)为低通滤波电路；图(b)为高通滤波电路；图(c)为带通滤波电路；图(d)为带阻滤波电路的幅度频率特性曲线。,图8.7.10 滤波器的幅度频率特性曲线,低通滤波电路,高通滤波电路,带通滤波电路,带阻滤波电路,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,图中滤波电路幅度频率特性曲线中的A0是通带电压增益， fH是低通滤波电路的上限截止频率， fL是高通滤波电路的下限截止频率。 有源滤波电路的基本形式是

14、低通滤波和高通滤波电路。 带通滤波电路是由低通滤波电路和高通滤波电路串联组成，满足fHfL。 带阻滤波电路。是由低通滤波电路和高通滤波电路并联组成，满足fHfL。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.6.1 有源低通滤波器(LPF),1. 一阶低通有源滤波器,(1) 通带增益,有源滤波器的主要研究方法是推导电压放大倍数(或用拉氏变换形式表示的传递函数)，并由此研究其频率响应。,图14.01.02 同相一阶低通滤波电路,有源滤波器是由运算放大器加RC滤波环节构成的。 对于低通滤波器，当 f =0时，应处于通带内，此时电容器可视为开路，所以通带增益为,第8章 运算放

15、大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,电压放大倍数为,同相一阶低通滤波电路如图8.7.11所示，RC为一阶低通环节，A为具有电压增益的运算放大器。它的传递函数为,图8.7.11 同相一阶低通滤波电路,(2) 电压增益复数表达式,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,以电压增益与通带电压增益相对值的对数为Y坐标，以频率为X坐标可以将电压放大倍数的幅度频率特性曲线画出，见图8.7.12。,通带放大倍数,通带截止频率,电压放大倍数表达式中,也称特征频率,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,-20dB/十倍频程,(3) 波特图,图8.7.12 一阶

16、LPF的幅频特性曲线,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,为了绘制方便起见，用折线化的幅频特性去代替实际的幅频特性，这就是波特图。波特图在fH处的误差最大，有-3dB。,-20dB/十倍频程,一阶RC滤波电路的过渡带较宽，特性曲线下降较慢，为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加RC滤波环节。,-3dB,图8.7.12 一阶LPF的幅频特性曲线,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,图8.7.13 二阶LPF,为了增加幅度频率特性在过渡带的衰减，可采用二阶滤波电路，见图8.7.13。当 f = 0 时，电容器可视为开路，通带增益为,2. 二阶低通

17、有源滤波器*,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,图8.7.14 一阶和二阶LPF波特图的比较,二阶低通有源滤波电路的幅度频率特性曲线见图8.7.14。,该电路的fp与f0相距较大，如果在f0处适当提升电压放大倍数，即可拉近fp与f0，减小过渡带。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.6.2 有源高通滤波器(HPF),图8.7.15 一阶高通滤波器,一阶有源高通滤波器的电路图如图8.7.15所示。,1通带增益,2电压增益,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,3通带截止频率 fL,令下限截止频率,可得,由上式可做出图

18、8.7.16所示的一阶高通滤波器的波特图。,当 f fL 时，幅频特性曲线的斜率为+20dB/十倍频程。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,图8.7.16 一阶HPF频率特性,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,将低通滤波器(LPF)和高通滤波器 (HPF )串联，构成带通滤波器，如下图所示，要求fHfL，其通频带为(fH-fL )。,1. 带通滤波器的电路组成,图 由低通滤波器和高通滤波器串联组成的带通滤波器,fH fL,8.7.6.3 有源带通滤波器(BPF),.,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,图8.7.17

19、二阶BPF,低通,高通,在实际电路中也常采用单个集成运放构成压控电压源二阶带通滤波电路，如图8.7.17所示。,fH fL,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,带通滤波电路的幅频特性如图8.7.18 所示。,图8.7.18 BPF的幅频特性,2. 带通滤波器的幅频特性,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,1. 带阻滤波器的电路组成,将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压求和，就得到带阻滤波器，如下图所示。,阻带：(fL-fH),fH fL,8.7.6.4 有源带阻滤波器(BRF),无源带阻滤波电路+同相比例运算电路=有

20、源带阻滤波电路,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,实际电路常利用无源LPF和HPF并联构成无源带阻滤波电路，然后接同相比例运算电路，得到有源带阻滤波电路，如图8.7.20所示。,图8.7.20 带阻有源滤波器,双T型RC电路的RCR支路有利于低领信号通过，而CRC支路有利于高领信号通过。,如果RCR支路对应的低通环节的上限截止频率fH小于CRC支路对应的高通环节的下限截止频率fL就可以获得带阻特性。,图中R1用于调节电压放大倍数。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.7 二极管限幅电路,8.7.7.1 二极管并联限幅电路,图8.7.22

21、 并联限幅的传输特性,图8.7.21 并联限幅电路,限幅电路是一个具有非线性电压传输特性的运放电路。其特点是：当输入信号电压在某一范围，VD截止时，电路处于线性放大状态；而超出此范围， VD导通时，输出不再随输入线性变化，将输出电压幅度限定在某一数值。,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,若输入电压不足以使二极管导通，即，二极管支路可视为开路，输出电压为：,当VD截止时，A点电位为,二极管并联限幅电路如图8.7.21所示，若输入电压使二极管VD导通，则A点电位被箝制在 ，输出电压将不随输入电压变化而变化，为一个固定值：,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,当输入电压刚刚使二极管导通， 时，输出为线性段的最大值，对应的输入电压为,所以使二极管由截止变为导通的门限电压，输出电压的 表达式应为：,VD截止时,UOm是限幅电路的限幅值，UOm应小于等于运放的最大输出幅度UOM。,图8.7.22 并联限幅的传输特性,二极管导 通分界点,第8章 运算放大器和模拟乘法器线性应用电路 2010.02,8.7.7.2 二极管串联限幅电路,图8.7.23 串联限幅电路,二极管串联限幅电路如