集成電路運算放大器的線性運用.ppt

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集成電路運算放大器的線性應用,第六章,小結,6.1一般問題,6.2基本運算電路,6.3對數(shù)和指數(shù)運算電路,6.4集成模擬乘法器,6.5有源濾波電路,本章教學目的與要求,1、正確理解線性應用和非線性應用的特以及線性應用的分析方法。2、熟練掌握由集成運放組成的比例、求和、減法、積分運算電路的工作原理以及輸入和輸出的關系，對微分、對數(shù)、指數(shù)、模擬乘法器等運算電路的工作原理以及輸入和輸出關系僅作一般了解，初步掌握模擬乘法器的應用。3、掌握有源濾波電路的分析方法和設計方法。4、了解模擬可編程器件的結構和使用方法。,本章教學目的與要求,1、正確理解線性應用和非線性應用的特以及線性應用的分析方法。2、熟練掌握由集成運放組成的比例、求和、減法、積分運算電路的工作原理以及輸入和輸出的關系，對微分、對數(shù)、指數(shù)、模擬乘法器等運算電路的工作原理以及輸入和輸出關系僅作一般了解，初步掌握模擬乘法器的應用。3、掌握有源濾波電路的分析方法和設計方法。4、了解模擬可編程器件的結構和使用方法。,運算放大器的兩個工作區(qū)域（狀態(tài)）,1.運放的電壓傳輸特性：,設：電源電壓VCC=10V。運放的AVO=104,│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。,AVO越大，線性區(qū)越小，當AVO→∞時，線性區(qū)→0,6.1一般問題,2.理想運算放大器：,開環(huán)電壓放大倍數(shù)AV0=∞差摸輸入電阻Rid=∞輸出電阻R0=0,為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：,理想運放工作在線性區(qū)的條件：電路中有負反饋！,運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（U+=U-）虛斷（ii+=ii-=0）,3.線性應用,4.非線性應用,,運放工作在非線性區(qū)的特點：正、負飽和輸出狀態(tài)電路中開環(huán)工作或引入正反饋！,運放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論,6.2基本運算電路,6.2.1比例運算,6.2.2加法與減法運算,6.2.3微分與積分運算,6.2.4基本運算電路應用舉例,6.2.1比例運算,一、反相比例運算,運算放大器在線性應用時同時存在虛短和虛斷,虛斷,,虛地,為使兩輸入端對地直流電阻相等：,R2=R1//Rf,平衡電阻,特點：,1.為深度電壓并聯(lián)負反饋，,Auf=?Rf/R1,2.輸入電阻較小,R?if=R1,3.uIC=0，對KCMR的要求低,u+=u-=0,虛地,二、同相比例運算,Auf=1,跟隨器,當R1=?，Rf=0時，,特點：,1.為深度電壓串聯(lián)負反饋，,Auf=1+Rf/R1,2.輸入電阻大,R?if=?,6.2.2加法與減法運算,一、加法運算,1.反相加法運算,R3=R1//R2//Rf,iF?i1+i2,若Rf=R1=R2,則uO=?(uI1+uI2),R2//R3//R4=R1//Rf,若R2=R3=R4，,則uO=uI1+uI2,Rf=2R1,2.同相加法運算,法1：利用疊加定理,uI2=0,uI1使：,uI1=0,uI2使：,一般,R1=R?1；Rf=R?f,uO=uO1+uO2,=Rf/R1(uI2?uI1),法2：利用虛短、虛斷,uo=Rf/R1(uI2?uI1),減法運算實際是差分電路,二、減法運算,6.2.3反相輸入運算電路的組成規(guī)律,1.正函數(shù)型的反相運算電路,輸入回路采用函數(shù)元件1,使反饋回路采用電阻元件2,2.反函數(shù)型的反相運算電路,輸入回路采用電阻元件1反饋回路采用函數(shù)元件2,使得,6.2.4微分與積分運算,R2=Rf,虛地,虛斷,RfC1=?,—時間常數(shù),微分電路輸出電壓:,一、微分運算,,二、積分運算,=,當uI=UI時，,設uC(0)=0,時間常數(shù)?=R1Cf,積分電路輸出電壓：,,,,,,,6.2.5基本運算電路應用舉例,例6.2.1測量放大器(儀用放大器),同相輸入,同相輸入,差分輸入,uo1,uo2,對共模信號：,uO1=uO2則uO=0,對差模信號：,R1中點為交流地,為保證測量精度需元件對稱性好,u+=u-=us,io=i1=us/R1,1.輸出電流與負載大小無關,2.恒壓源轉換成為恒流源,特點：,例6.2.2電壓—電流轉換器,例6.2.3利用積分電路將方波變成三角波,10k?,10nF,時間常數(shù)?=R1Cf,=0.1ms,設uC(0)=0,=?5V,=5V,,,,,例6.2.4差分運算電路的設計,條件：,Rf=10k?,要求：,uo=uI1?2uI2,R1=5k?,,,R2=2R3,=5//10,,R2=10k?,,R3=5k?,例6.2.5開關延遲電路,當uO?6V時S閉合，,,,?3V,,?3V,,,,,課堂練習,,6.3對數(shù)和指數(shù)運算電路,6.3.1對數(shù)電路,6.3.2指數(shù)電路,6.3.1對數(shù)電路,利用PN結的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算,BJT的發(fā)射結有,也可利用半導體三極管實現(xiàn)對數(shù)運算,其中，IES是發(fā)射結反向飽和電流，uO是ui的對數(shù)運算。,,,注意：ui必須大于零，電路的輸出電壓小于0.7伏,利用虛短和虛斷，電路有,6.3.2反對數(shù)（指數(shù)）電路,,輸入與輸出的關系式為:,uO是ui的反對數(shù)運算（指數(shù)運算）,用半導體三極管實現(xiàn)反對數(shù)運算電路,,,利用虛短和虛斷，電路有,要求,以上兩個電路溫漂很嚴重，實際電路都有溫度補償電路,6.4集成模擬乘法器,6.4.2單片集成模擬乘法器,6.4.1集成模擬乘法器的基本工作原理,6.2集成模擬乘法器的應用電路,6.4.3集成模擬乘法器的應用電路,6.4.1模擬乘法器的基本工作原理,一、模擬乘法器的基本特性,符號,uO=Kuxuy,K—增益系數(shù),類型,單象限乘法器ux、uy皆為固定極性,二象限乘法器一個為固定極性，另一個為可正可負,四象限乘法器ux、uy皆為可正可負,理想乘法器：,對輸入電壓沒有限制，,ux=0或uy=0時，uO=0,實際乘法器：,ux=0,uy=0時，uO?0,—輸出失調電壓,ux=0，uy?0時，或uy=0，ux?0時，,—輸出饋通電壓,uO?0,二、利用對數(shù)和指數(shù)電路的乘法電路,三、可變跨導乘法器的工作原理,當uY>uBE3時，IC3≈uY/RE,要求uY>0,故為二象限乘法器,因IC3隨uY而變，其比值為電導量，稱變跨導乘法器,當uY較小時，,相乘結果誤差較大,6.4.2單片集成模擬乘法器,MC1496—雙差分對模擬乘法器,V1、V2、V5,—模擬乘法器,V3、V4、V6,—模擬乘法器,V7~V9、R5,—電流源電路,R5、V7、R1,—電流源基準,V8、V9,—提供0.5I0,,,,RY,—引入負反饋，擴大uY的線性動態(tài)范圍,其中，uX0，則u2>0,當u1>0時，uO0,條件：u3與u1必須反相(保證負反饋),,u2>0,三、平方根運算,(uI0，則u2>0,當u1>0時，uO0,條件：u3與u1必須反相(保證負反饋),,u2>0,u1,uo,6.5有源濾波電路,6.5.2有源高通濾波電路,6.5.3有源帶通濾波電路,6.5.1有源低通濾波電路,濾波電路,—有用頻率信號通過，無用頻率信號被抑制的電路。,分類：,按處理方法分,,硬件濾波,軟件濾波,按所處理信號分,,模擬濾波器,數(shù)字濾波器,按構成器件分,,無源濾波器,有源濾波器,引言,按頻率特性分,,低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器,理想濾波器的頻率特性,低通,高通,帶通,帶阻,濾波電路的主要參數(shù),1.通帶電壓放大倍數(shù),2.通帶截止頻率,3.特征頻率,4.通帶（阻帶）寬度,5.等效品質因數(shù)Q,6.5.1有源低通濾波電路(LPF—LowPassFilter),—通帶放大倍數(shù),一、一階LPF,其中，Auf=1+Rf/R1,fH=1/2?RC,—上限截止頻率,,,,歸一化幅頻特性,0,,,-3,二、二階LPF,1.簡單二階LPF,通帶增益：,Auf=1+Rf/R1,問題：在f=fH附近，輸出幅度衰減大。,改進思路：在提升fH附近的輸出幅度。,,2.實用二階LPF,Q=1/(3-Auf),Q—等效品質因數(shù),正反饋提升了fn附近的Au。,Good!,Auf=3時,Q??,電路產生自激振蕩,,特征頻率：,當Q=0.707時，fn=fH,例6.5.1已知R=160k?，C=0.01?F，R1=170k?，Rf=100k?，求該濾波器的截止頻率、通帶增益及Q值。,[解]:,特征頻率,Q=1/(3-Auf)=1/(3-1.588)=0.708,Q=0.707時，fn=fH,?上限截止頻率：,fH=99.5Hz,6.5.2有源高通濾波電路(HPF—HighPassFilter),通帶增益：,Auf=1+Rf/R1,Q=1/(3-Auf),Auf=3時，,Q??，,電路產生自激振蕩,二階低通、高通，為防止自激，應使AuffL,LPF,BPF,要求R3C1>RC,中心頻率：,等效品質因素：,Q=1/(3-Auf),通頻帶：,BW=f0/Q,最大電壓增益：,Au0=Auf/(3-Auf),=2R,=C,=R,例6.5.2已知R=7.96k?，C=0.01?F，R3=15.92k?，R1=24.3k?，Rf=46.2k?求該電路的中心頻率、帶寬BW及通帶最大增益Au0。,[解],Q=1/(3-Auf),=1/(3-2.9)=10,BW=f0/Q,=2000/10=200(Hz),Au0=Auf/(3-Auf),=2.9/(3-2.9)=29,小結,第6章,一、基本運算電路,1.運算電路的兩種基本形式,同相輸入,反相輸入,,2.運算電路的分析方法,運用“虛短”和“虛斷”的概念分析電路中各電量間關系。運放在線性工作時，“虛短”和“虛斷”總是同時存在。虛地只存在于同相輸入端接地的電路中。,2)運用疊加定理解決多個輸入端的問題。,二、模擬乘法器,(屬于非線性模擬集成電路),uO=Kuxuy,對于理想模擬乘法器，輸入電壓的波形、幅度、極性、頻率為任意,三、模擬乘法器的主要應用,1.運算：乘法、平方、除法、平方根等,2.電路：壓控增益，調制、解調、倍頻、混頻等,