第2章 集成电路运算放大器的线性应用

nullnull集成电路运算放大器的线性应用第 二章小结2.1 一般问题2.2 基本运算电路2.3 对数和指数运算电路2.4　集成模拟乘法器2.5 有源滤波电路null 运算放大器的两个工作区域（状态）1. 运放的电压传输特性：设：电源电压±VCC=±10V。 运放的AVO=104│Ui│≤1mV时，运放处于线性区。AVO越大，线性区越小， 当AVO→∞时，线性区→02.1一般问题null2.理想运算放大器：开环电压放大倍数 AV0=∞ 差摸输入电阻 Rid=∞ 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：理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法： 虚短（U+=U-） 虚断（ii+=ii-=0）3. 线性区null4. 非线性区（正、负饱和输出状态）运放工作在非线性区的条件： 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null2.2　基本运算电路 2.2.1 比例运算 2.2.2 加法与减法运算 2.2.3 微分与积分运算 2.2.4 基本运算电路应用举例null2.2.1 比例运算一、反相比例运算运算放大器在线性应用 时同时存在虚短和虚断虚断虚地为使两输入端对地直流电阻相等：R2 = R1 // R f平衡电阻特点：1.为深度电压并联负反馈，Auf =  Rf / R 12. 输入电阻较小Rif = R13. uIC = 0，对 KCMR 的要求低u+ = u- = 0虚地null二、同相比例运算Auf = 1跟随器当 R1 = ，Rf = 0 时， 特点： 1. 为深度电压串联负反馈，Auf = 1 + Rf /R12. 输入电阻大Rif = null2.2.2 加法与减法运算一、加法运算1. 反相加法运算R3 = R1 // R2 // RfiF  i1 + i2若 Rf = R1= R2 则 uO =  (uI1+ uI2)null R2 // R3 // R4 = R1// Rf若 R2 = R3 = R4 ，则 uO = uI1+ uI2 Rf = 2R1 2. 同相加法运算null法 1：利用叠加定理uI2 = 0 uI1 使：uI1 = 0 uI2 使：一般R1 = R1； Rf = RfuO = uO1 + uO2 = Rf / R1( uI2  uI1 )法 2：利用虚短、虚断uo = Rf /R1( uI2  uI1 )减法运算实际是差分电路二、减法运算null2.2.3 微分与积分运算R2 = Rf虚地虚断RfC1 = — 时间常数微分电路输出电压:一、微分运算 null二、积分运算=当 uI = UI 时，设 uC(0) = 0 时间常数  = R1Cf积分电路输出电压：null22.4 基本运算电路应用举例例 2.2.1 测量放大器(仪用放大器)同相输入同相输入差分输入uo1uo2对共模信号：uO1 = uO2 则 uO = 0对差模信号：R1 中点为交流地null为保证测量精度 需元件对称性好nullu+ = u- = usio = i1 = us / R11. 输出电流与负载大小无关2. 恒压源转换成为恒流源特点：例 2.2.2 电压—电流转换器2.2.3 利用积分电路将方波变成三角波null10 k10 nF 时间常数  = R1Cf = 0.1 ms设 uC(0) = 0=  5 V= 5 Vnull例 2.2.4 差分运算电路的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 条件：Rf = 10 k要求：uo = uI1  2uI2R1 = 5 kR2 = 2R3= 5//10R2= 10 kR3= 5 knull例 2.2.5 开关延迟电路当 uO  6 V 时 S 闭合， 3 V 3 Vnull课堂练习nullnull2.3 对数和指数运算电路 2.3.1 对数电路2.3.2 指数电路null2. 3.1 对数电路 利用PN结的指数特性实现对数运算nullBJT的发射结有也可利用半导体三极管实现 对数运算null其中，IES 是发射结反向饱和电流，uO是ui的对数运算。注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏利用虚短和虚断，电路有null2.3.2 反对数（指数）电路输入与输出的关系式为:nulluO是ui的反对数运算（指数运算）用半导体三极管实现 反对数运算电路利用虚短和虚断，电路有以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路null2.4 集成模拟乘法器2.4.2 单片集成模拟乘法器2.4.1 集成模拟乘法器的 基本工作原理6.2　集成模拟乘法器 的应用电路2.4.3　集成模拟乘法器的 应用电路null2.4.1 模拟乘法器的基本工作原理一、模拟乘法器的基本特性符号uO = KuxuyK — 增益系数类型单象限乘法器 ux、uy 皆为固定极性二象限乘法器 一个为固定极性，另一个为可正可负四象限乘法器 ux、uy 皆为可正可负null理想乘法器： 对输入电压没有限制，ux= 0 或 uy = 0 时，uO = 0实际乘法器： ux= 0, uy = 0 时，uO  0— 输出失调电压 ux= 0，uy  0 时， 或 uy = 0，ux  0 时，— 输出馈通电压uO  0null二、可变跨导乘法器的工作原理当 uY > uBE3 时，IC3≈uY/REnull要求 uY > 0故为二象限乘法器因 IC3 随 uY 而变，其比值为电导量，称变跨导乘法器当 uY 较小 时，相乘结果误差较大null2.4.2 单片集成模拟乘法器MC1496 —双差分对模拟乘法器V1、V2、V5—模拟乘法器V3、V4、V6—模拟乘法器V7 ~ V9 、R5—电流源电路R5 、V7 、R1—电流源基准V8、V9 —提供 0.5 I0nullRY—引入负反馈，扩大 uY 的线性 动态范围其中，uX < UT ( 26 mV)增益系数nullMC1595null2.4.3.1 基本运算电路一、平方运算2.4.3集成模拟乘法器的应用电路二、除法运算null当 u1 < 0 时，uO > 0，为使 u3 > 0，则 u2 > 0 当 u1 > 0 时，uO < 0，为使 u3 < 0，则 u2 > 0 条件：u3 与 u1 必须反相 (保证负反馈)u2 > 0null三、平方根运算(uI < 0)四、压控增益uO = KuXuY设 uX = UXQ则 uO = (KUXQ)uY调节直流电压 UXQ ， 则调节电路增益null2.5　有源滤波电路 2.5.2 有源高通滤波电路2.5.3 有源带通滤波电路 2.5.1 有源低通滤波电路null滤波电路— 有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。分类：按处理 方法分硬件滤波软件滤波按所处理 信号分模拟滤波器数字滤波器按构成 器件分无源滤波器有源滤波器引　言null按频率 特性分低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器理想滤波器的频率特性低通高通带通带阻null2.5.1 有源低通滤波电路(LPF—Low Pass Filter)— 通带放大倍数一、一阶 LPF其中， Auf = 1 + Rf /R1fH = 1/2RC— 上限截止频率归一化 幅频特性0-3null二、 二阶 LPF1. 简单二阶 LPF通带增益：Auf = 1 + Rf/R1问题：在 f = fH 附近，输出幅度衰减大。改进思路：在提升 fH 附近的输出幅度。null2. 实用二阶 LPFQ = 1 / (3 - Auf)Q — 等效品质因数正反馈提升了 f n 附近的 Au。Good!Auf = 3 时Q  电路产生自激振荡特征频率：当 Q = 0.707 时，fn = fHnull例 2.5.1 已知 R = 160 k，C = 0.01 F， R1 = 170 k，Rf = 100 k，求该滤波器的 截止频率、通带增益及 Q 值。[解]:特征频率nullQ = 1/(3 - Auf) = 1/(3 - 1.588) = 0.708Q = 0.707 时， fn = fH上限截止频率：fH = 99.5 Hznull2.5.2 有源高通滤波电路(HPF—High Pass Filter)通带增益：Auf = 1 + Rf / R1Q = 1/(3 - Auf)Auf = 3 时，Q  ，电路产生自激振荡二阶低通、高通，为防止自激，应使 Auf < 3。null2.5.3 有源带通滤波电路(BPF—Band Pass Filter)构成思路：f0fH > fLLPFBPF要求 R3 C1 > RC中心频率：等效品质因素：Q = 1/(3 - Auf)通频带：BW = f0 /Q最大电压增益：Au0 = Auf /(3 - Auf)= 2R= C= Rnull例2.5.2 已知 R = 7.96 k，C = 0.01 F， R3 = 15.92 k，R1= 24.3 k，Rf = 46.2 k 求该电路的中心频率、带宽 BW及通带 最大增益 Au0。null[解]Q = 1/(3 - Auf)= 1/(3 - 2.9) = 10BW = f0 /Q= 2 000 /10 = 200 (Hz)Au0 = Auf /(3 - Auf)= 2.9 /(3 - 2.9 ) = 29null小 结第 2 章null一、基本运算电路1. 运算电路的两种基本形式同相输入反相输入null2. 运算电路的分析方法运用“虚短”和“虚断”的概念分析电路中各电量 间关系。运放在线性工作时，“虚短”和“虚断” 总是同时存在。虚地只存在于同相输入端接地的电 路中。2) 运用叠加定理解决多个输入端的问题。null二、模拟乘法器(属于非线性模拟集成电路)uO = Kuxuy对于理想模拟乘法器，输入电压的波形、幅度、极性、频率为任意三、模拟乘法器的主要应用1. 运算：乘法、平方、除法、平方根等2. 电路：压控增益，调制、解调、倍频、混频等