《模擬電子線路》全套PPT課件

《模擬電子線路》全套PPT課件,模擬電子線路,模擬,電子線路,全套,PPT,課件 第第7章章 集成運算放大器的應用集成運算放大器的應用 集成運放集成運放(Integrated Operational Amplifier)在信號的在信號的運算運算、處理處理和和產生產生等方面得到廣泛的應用。等方面得到廣泛的應用。如放大器、加法器、減法器、積分器、微分器等如放大器、加法器、減法器、積分器、微分器等1 集成運放集成運放(Integrated Operational Amplifier)在信號的在信號的運算運算、處理處理和和產生產生等方面得到廣泛的應用。等方面得到廣泛的應用。如限幅器、高頻檢波器、有源濾波器、電流電如限幅器、高頻檢波器、有源濾波器、電流電壓轉換器、頻率電壓轉換器、數模轉換器、壓轉換器、頻率電壓轉換器、數模轉換器、比較器、電壓跟隨器等比較器、電壓跟隨器等第第7章章 集成運算放大器的應用集成運算放大器的應用2 集成運放集成運放(Integrated Operational Amplifier)在信號的在信號的運算運算、處理處理和和產生產生等方面得到廣泛的應用。等方面得到廣泛的應用。如正弦波振蕩器、多諧振蕩器等如正弦波振蕩器、多諧振蕩器等第第7章章 集成運算放大器的應用集成運算放大器的應用3集成運放由哪些單元電路構成？傳輸特性如何？集成運放由哪些單元電路構成？傳輸特性如何？集成運放知識回顧集成運放知識回顧輸輸入入級級中中間間級級輸輸出出級級偏置電路偏置電路uPuOuN4uiduoUOHUOL線性區(qū)線性區(qū)Aud越大，運放的線性范圍越小。越大，運放的線性范圍越小。集成運放知識回顧集成運放知識回顧 若若UOH=-UOL=12V，Aud=105，uid在什么在什么范圍內，運放工作在線性區(qū)間范圍內，運放工作在線性區(qū)間?答答:|uid|0.12mV時，運放處于線性區(qū)。時，運放處于線性區(qū)。5通常為了保證通常為了保證運放運放工作在線工作在線性區(qū)間，引入深度性區(qū)間，引入深度負反饋負反饋。為保證運放工作在非線性為保證運放工作在非線性區(qū)，運放區(qū)，運放開環(huán)工作開環(huán)工作或引入或引入正反饋正反饋！uiduoUOHUOL線性區(qū)線性區(qū)集成運放的工作區(qū)域集成運放的工作區(qū)域運放工作在不同的區(qū)間，有不同的特點，因此分析運放工作在不同的區(qū)間，有不同的特點，因此分析集成運放首先應判斷其工作區(qū)間。集成運放首先應判斷其工作區(qū)間。6一、反相比例放大器一、反相比例放大器 1.電路結構電路結構 7.1.1 比例運算電路比例運算電路 7.1 基本運算電路基本運算電路 圖圖7.1.1反相比例放大器反相比例放大器7運用運用虛短虛短、虛斷虛斷特性分析特性分析因此因此 if=ii2.分析方法分析方法 i+=i-=0u+=u-83.傳輸特性傳輸特性 圖圖7.1.1反相比例放大器反相比例放大器b)閉環(huán)傳輸特性閉環(huán)傳輸特性a)電路電路94.輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 10二、同相比例放大器二、同相比例放大器 圖圖7.1.2同相比例放大器同相比例放大器i+=i-=0u+=u-11圖圖7.1.3 電壓跟隨器電壓跟隨器12圖圖7.1.4反相相加器反相相加器 一、反相輸入求和電路一、反相輸入求和電路 2.分析方法分析方法(1)運用虛短、虛斷特性分析運用虛短、虛斷特性分析(2)以以反相反相比例比例放大器放大器為基礎分析為基礎分析 1.電路結構電路結構 3.優(yōu)點優(yōu)點 各信號源支路相互獨立各信號源支路相互獨立;無共模信號輸入無共模信號輸入7.1.2 求和運算電路求和運算電路 13 二、同相輸入求和電路二、同相輸入求和電路 圖圖7.1.5同相求和運算電路同相求和運算電路 1.電路結構及分析方法電路結構及分析方法 i+=i-=0u+=u-14圖圖7.5同相求和運算電路同相求和運算電路 當當R1=R2=R時時各信號源支路互不獨立各信號源支路互不獨立;有共模信號輸入有共模信號輸入2.電路缺點電路缺點 15 例例1 試試設設計計一一個個相相加加器器，完完成成uo=-(2ui1+3ui2)的的運算，并要求對運算，并要求對ui1、ui2的輸入電阻均的輸入電阻均100k。如何滿足輸入電阻阻值要求？如何滿足輸入電阻阻值要求？16所以所以Rf=300k，R2=100k，R1=150k。為為消消除除輸輸入入偏偏流流IIB產產生生的的誤誤差差，在在同同相相輸輸入入端端和和地地之之間間接入一接入一直流平衡電阻直流平衡電阻R3，并令，并令R3=R1R2Rf=50k。解解為滿足輸入電阻均為滿足輸入電阻均100k，選，選R2=100k17三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路(分分解解)圖圖7.7雙端輸入求和運算電路雙端輸入求和運算電路 181920例例2 A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現，現有信號變化范圍為有信號變化范圍為-5V+5V。試設計一電平抬高電路，。試設計一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)閷⑵渥兓秶優(yōu)?+5V。uO=0.5uI+2.5V電平抬高電路電平抬高電路A/D計算機計算機uIuO+5V-5VuIt+5V+2.5VuOt21uO=0.5uI+2.5V=0.5(uI+5)V_+10k 20k+5V5k uI20k uO1uO_+20k 20k 10k 22設電容電壓的初始值設電容電壓的初始值uC(0)=0,則輸出電壓則輸出電壓uo(t)為為，所以，所以圖圖7-10 積分運算電路積分運算電路 7.1.3 積分和微分運算電路積分和微分運算電路 在時域推導過程在時域推導過程而而一、一、積分運算電路積分運算電路 23在頻域推導過程在頻域推導過程(設電容電壓的初始值設電容電壓的初始值uC(0)=0)圖圖7-10 積分運算電路積分運算電路 24二、二、微分運算電路微分運算電路 圖圖7.12 微分運算電路微分運算電路在時域推導過程在時域推導過程在頻域推導過程在頻域推導過程257.1.4對數和反對數運算電路對數和反對數運算電路一、對數運算電路一、對數運算電路 圖圖7.13 由二極管構成由二極管構成的基本對數運算電路的基本對數運算電路26 二、反對數運算電路二、反對數運算電路圖圖7.16 反對數運算電路反對數運算電路271.1.理想運放工作在線性理想運放工作在線性(linear)狀態(tài)時的特性狀態(tài)時的特性2.2.比例運算電路、求和運算電路比例運算電路、求和運算電路的結構、工作原理和的結構、工作原理和分析方法分析方法(1)(1)反相比例放大器、同相比例放大器反相比例放大器、同相比例放大器(2)(2)反相輸入求和電路反相輸入求和電路(3)(3)同相輸入求和電路同相輸入求和電路(4)(4)雙端輸入求和電路雙端輸入求和電路 281.1.理想運放工作在線性理想運放工作在線性(linear)狀態(tài)時的特性狀態(tài)時的特性;2.2.理想運放工作在非線性理想運放工作在非線性(nonlinear)狀態(tài)時的特性狀態(tài)時的特性;(1)“虛短虛短”特性特性(virtual short circuit)(2)“虛斷虛斷”特性特性(virtual open circuit)(1)“離散離散”特性特性(2)“虛斷虛斷”特性特性uiduoUOHUOL297.2 電壓比較器電壓比較器7.2.1電壓比較器概述電壓比較器概述 電壓比較器可由電壓比較器可由通用運放通用運放構成，也可用構成，也可用專專用芯片（即電壓比較器芯片）用芯片（即電壓比較器芯片）實現。實現。30圖圖7.17 電壓比較器的符號及傳輸特性電壓比較器的符號及傳輸特性當當時，輸出時，輸出UOH 時，輸出時，輸出UOL；當當鑒別不靈敏區(qū)鑒別不靈敏區(qū)即輸出、輸入不呈線性關系即輸出、輸入不呈線性關系 1.基本特性基本特性(1)輸出呈開關特性輸出呈開關特性(2)工作在非線性狀態(tài)工作在非線性狀態(tài)31(1)閾值電壓閾值電壓(UT)2.參數參數(2)高電平高電平(UoH)和低電平和低電平(UoL)通用運放通用運放外限幅外限幅(3)鑒別靈敏度鑒別靈敏度 Aud越越大大,不不靈靈敏敏區(qū)區(qū)越越小小,鑒鑒別靈敏度越高。別靈敏度越高。(4)轉換時間轉換時間 專用芯片專用芯片327.2.2 單門限比較器單門限比較器 一、過零電壓比較器一、過零電壓比較器(Zero-Crossing Comparator)圖圖7.19反相輸入過零電壓比較器反相輸入過零電壓比較器 33圖圖7-21 反相輸入固定電壓比較器反相輸入固定電壓比較器 二、固定電壓比較器二、固定電壓比較器3435例例3 畫出下面電路的傳輸特性。畫出下面電路的傳輸特性。R2urR1uiuoRp分析方法：運放比較的是分析方法：運放比較的是u-和和u+。36當當時，輸出時，輸出UOH 時，輸出時，輸出UOL 當當也就是說，當也就是說，當 即即時，輸出發(fā)生轉折。時，輸出發(fā)生轉折。故輸入故輸入ui比較的閥值電壓為：比較的閥值電壓為：uouiUOHUOLUT37圖圖7.23 單門限電壓比較器抗干擾能力波形圖單門限電壓比較器抗干擾能力波形圖7.2.3遲滯比較器遲滯比較器(Hysteresis Comparator)38 一、反相輸入遲滯比較器一、反相輸入遲滯比較器圖圖7.24反相輸入遲滯比較器電路圖與傳輸特性反相輸入遲滯比較器電路圖與傳輸特性 鑒別不鑒別不靈敏區(qū)靈敏區(qū)UTLUTHU上限閥值上限閥值 下限閥值下限閥值 39比較器輸出、輸入量關系分析的關鍵比較器輸出、輸入量關系分析的關鍵比比較較器器的的輸輸出出從從一一種種電電平平跳跳到到另另一一種種電電平平的的臨臨界界條條件件（u+=u-）所所對對應應的的輸輸入入電電壓壓（即即閾閾值電壓）。值電壓）。40UTLUTHUUTHUTLUr遲滯比較器應用舉例遲滯比較器應用舉例1/241遲滯比較器應用舉例遲滯比較器應用舉例2/2UTLUTHUUTHUTL42 二、同相輸入遲滯比較器二、同相輸入遲滯比較器圖圖7.25同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性437.2.4 窗口比較器窗口比較器(Window Comparator)圖圖7.26窗口比較器窗口比較器44Uo1 Uo2uo L L L H H L H HLHHH457.3 馳張振蕩器馳張振蕩器圖圖7.27 方波發(fā)生器方波發(fā)生器一、電路結構一、電路結構46二、工作原理二、工作原理1.2.4748圖圖7.29 占空比可調的馳張振蕩器占空比可調的馳張振蕩器491.1.電壓比較器的基本特性及其參數電壓比較器的基本特性及其參數;本節(jié)內容小節(jié)本節(jié)內容小節(jié)(1)(1)輸出呈開關特性輸出呈開關特性;(2)(2)工作在非線性狀態(tài)工作在非線性狀態(tài);2.2.單門限比較器單門限比較器 ;3.3.遲滯比較器遲滯比較器;4.4.窗口比較器的工作原理窗口比較器的工作原理;(3)(3)高電平高電平(UoH)和低電平和低電平(UoL)的確定的確定;(2)(2)上、下限上、下限閥值閥值電壓的求法及畫電路傳輸特性電壓的求法及畫電路傳輸特性;(1)(1)反相輸入、同相輸入反相輸入、同相輸入遲滯比較器遲滯比較器電路電路結構結構;5.5.馳張振蕩器馳張振蕩器的工作原理的工作原理;50 由于硅二極管的起始導通由于硅二極管的起始導通電壓約為電壓約為0.7V，用它來用它來對對小信小信號電壓進行整流會產生很大的號電壓進行整流會產生很大的誤差，若采用由集成運放組件誤差，若采用由集成運放組件和二極管組成的如圖所示和二極管組成的如圖所示精精密整流電路密整流電路就可完成對微弱就可完成對微弱信號進行半波精密整流。信號進行半波精密整流。7-4-1精密整流電路精密整流電路 ttuo0ui0(b)VuiuoRL(a)0.7V51q 精密半波整流電路精密半波整流電路 ui=0時時 uO =0 D1、D2 uO=0 ui 0 D1 、D2 uO=0 ui 0時時 uO 0時，時，uo1=-ui,uo=-ui-2uo1=-ui+2ui=ui(2)當當ui0時，時，uo1=0,uo=-ui=-(-|ui|)=|ui|。所以所以54 圖圖 整流電路波形整流電路波形 q 精密全波整流電路精密全波整流電路 55(1)當當uiuo時時，uo10，二二極極管管開開關關V導導通通，C充充電電，且且整整個個電電路路(A1、A2)構構成成跟跟隨隨器器，uo=uCui，輸輸出出跟跟隨隨ui增大；增大；(2)當當ui uo時時，uo1 0，V截截止止，A2輸輸入入阻阻抗抗很很大大，C無無放放電電回回路路，故故uo=uC，處處于于保保持持狀狀態(tài)態(tài)。這這樣樣，即即可可以實現峰值檢波。以實現峰值檢波。q峰值檢波電路峰值檢波電路 圖圖7 746 46 峰值檢波及電路峰值檢波及電路 (a)(a)波形；波形；(b)(b)電路電路 567.5有源濾波器有源濾波器7.5.1濾波電路的作用與分類濾波電路的作用與分類577.5.1濾波電路的作用與分類濾波電路的作用與分類587.5.2一階有源濾波器一階有源濾波器(a)同相輸入式電路同相輸入式電路 (b)幅頻特性曲線幅頻特性曲線 圖圖7-37 一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器597.5.2一階有源濾波器一階有源濾波器(d)反相輸入式電路反相輸入式電路 圖圖7-37 一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器607.5.2一階有源濾波器一階有源濾波器(a)同相輸入式電路同相輸入式電路 (b)幅頻特性曲線幅頻特性曲線 圖圖7-38 同相輸入式一階高通濾波電路同相輸入式一階高通濾波電路617.5.2一階有源濾波器一階有源濾波器圖圖7-39 反相輸入式一階高通濾波電路反相輸入式一階高通濾波電路62作作 業(yè)業(yè)7.87.17.47.963UCCRCUC2RCUC1UEEV1V2Iui1R1uoRfRp=R1/Rf反相端反相端同相端同相端接直流平衡電阻接直流平衡電阻Rp使輸入級的電使輸入級的電路結構對稱路結構對稱當輸入全部為當輸入全部為0時，時，確保輸出也為確保輸出也為064(1)運用深度負反饋分析方法運用深度負反饋分析方法 u-=?又因為又因為 if=i1，則，則(2)運用虛短、虛斷特性分析運用虛短、虛斷特性分析又因為又因為 if=i1，則，則 65又因為又因為 if=i1+i2，則，則(1)運用深度負反饋分析方法運用深度負反饋分析方法 當當R1=R2=R3=R時時u-=?66又因為又因為 if=i1+i2，則，則(1)運用虛短、虛斷特性分析運用虛短、虛斷特性分析i+=i-=0u+=u-67又因為又因為 uo=uo1+uo2(2)以反相比例放大器為基礎進行分析以反相比例放大器為基礎進行分析68例（例（1）分析圖中各電路的功能；）分析圖中各電路的功能；（2）分別畫出圖中各電路的傳輸特性；）分別畫出圖中各電路的傳輸特性；（a）反相比例放大器）反相比例放大器69（b）同相比例放大器）同相比例放大器70（c）過零電壓比例器）過零電壓比例器71（d）遲滯電壓比例器）遲滯電壓比例器72（a）反相比例放大器）反相比例放大器（b）同相比例放大器）同相比例放大器（c）過零電壓比例器）過零電壓比例器（d）遲滯電壓比例器）遲滯電壓比例器73電壓比較器中的正反饋思考電壓比較器中的正反饋思考1.只在輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉時存在正反饋現象。在其它只在輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉時存在正反饋現象。在其它情況下，輸出端的電壓保持不變（情況下，輸出端的電壓保持不變（UOH或或UOL）。）。2.發(fā)生正反饋時，由于環(huán)路增益發(fā)生正反饋時，由于環(huán)路增益|AF|1 ，輸出很快，輸出很快達到限幅值（達到限幅值（UOH或或UOL）。因沒有選頻網絡，故。因沒有選頻網絡，故不會發(fā)生振蕩現象。因輸出不能在運放線性狀態(tài)下不會發(fā)生振蕩現象。因輸出不能在運放線性狀態(tài)下達到平衡，故此時的閉環(huán)增益不是一個常數，不能達到平衡，故此時的閉環(huán)增益不是一個常數，不能用一個類似負反饋的基本關系式描述。用一個類似負反饋的基本關系式描述。1.電壓比較器中是否一直存在正反饋現象電壓比較器中是否一直存在正反饋現象?2.電壓比較器中存在正反饋電壓比較器中存在正反饋,是否會出現振蕩現象是否會出現振蕩現象?74(3)(3)了解典型電壓比較器的電路組成、工作原理和性能特點。了解典型電壓比較器的電路組成、工作原理和性能特點。(1)(1)掌握比例運算電路的掌握比例運算電路的結構、工作原理和結構、工作原理和分析方法；分析方法；(2)(2)掌握求和運算電路的掌握求和運算電路的結構、工作原理和結構、工作原理和分析方法；分析方法；本章教學基本要求本章教學基本要求75