[工学]模电第七章.ppt

1、第七章模拟信号运算电路,7.2比例运算电路（反相、同相、差分）,7.3求和电路（反相输入求和电路）,7.4积分和微分电路（反相输入积分电路）,7.5对数和指数电路,7.6乘法和除法电路,7.1理想运算放大器,7.1理想运算放大器,7.1.1理想运放的技术指标,开环差模电压增益 Aod = ；,输出电阻 ro = 0；,共模抑制比 KCMR = ；,差模输入电阻 rid = ；,UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0；,输入偏置电流 IIB = 0；,- 3 dB 带宽 fH = ，等等。,7.1.2理想运放工作在线性区时的特点,输出电压与其两个输入端的电压之间存在线性放大

2、关系，即,理想运放工作在线性区特点：,1. 理想运放的差模输入电压等于零,即,“虚短”,图 7.1.1集成运放的电压和电流,2. 理想运放的输入电流等于零,由于 rid = ，两个输入端均没有电流，即,“虚断”,7.1.3理想运放工作在非线性区时的特点,传输特性,+UOPP,-UOPP,图 7.1.2集成运放的传输特性,理想运放工作在非线性区特点：,当 u+ u- 时，uO = + UOPP 当 u+ u- 时, uO = - UOPP,1. uO 的值只有两种可能,在非线性区内，(u+ - u-)可能很大，即 u+ u-。 “虚短”不存在,2. 理想运放的输入电流等于零,（由于 rid =

3、）,实际运放 Aod ，当 u+ 与 u- 差值比较小时，满足 Aod (u+ - u- )UOPP，认为运放工作在线性区。,例如：F007 的 Uopp = 14 V，Aod 2 105 ，线性区内输入电压范围,但线性区范围很小。,图 7.1.2集成运放的传输特性,7.2比例运算电路,7.2.1,R2 = R1 / RF,由于“虚断”，i+= 0，u+ = 0；,由于“虚短”， u- = u+ = 0,“虚地”,由 iI = iF ，得,反相比例运算电路,由于反相输入端“虚地”，电路的输入电阻为,Rif = R1,图 7.2.1,7.2.2同相比例运算电路,R2 = R1 / RF,根据“虚

4、短”和“虚断”的特点，可知,i+ = i- = 0；,得：,由于该电路为电压串联负反馈，所以输入电阻很高；输出电阻很低。,当 RF = 0 或 R1 = 时，Auf = 1,电压跟随器,图 7.2.2,7.2.3差分比例运算电路,图 7.2.4差分比例运算电路,在理想条件下，由于“虚断”，i+ = i- = 0,由于“虚短”， u+ = u- ，所以：,电压放大倍数,差模输入电阻,Rif = 2R1,三种比例运算电路之比较,7.2.4比例电路应用实例,两个放大级。结构对称的 A1、A2 组成第一级，互相抵消漂移和失调。,A3 组成差分放大级，将差分输入转换为单端输出。,当加入差模信号 uI 时

5、，若 R2 = R3 ，则 R1 的中点为交流地电位，A1、A2 的工作情况将如下页图中所示。,图 7.2.6三运放数据放大器原理图,求电压放大倍数：,由同相比例运放的电压放大倍数公式，得,则,同理,所以,则第一级电压放大倍数为：,改变 R1，即可调节放大倍数。,R1 开路时，得到单位增益。,图 7.2.7,A3 为差分比例放大电路。,当 R4 = R5 ，R6 = R7 时，得第二级的电压放大倍数为,所以总的电压放大倍数为,练习：7-1 7-2 作业：7-5,7.3求和电路,求和电路的输出量反映多个模拟输入量相加的结果。,7.3.1反相输入求和电路,由于“虚断”，i- = 0,所以：i1 +

6、 i2 + i3 = iF,又因“虚地”，u- = 0,所以：,当 R1 = R2 = R3 = R 时，,图 7.3.1,7.3.2同相输入求和电路,由于“虚断”，i+ = 0，所以：,解得：,其中：,由于“虚短”，u+ = u-,图 7.3.2,图 7.3.3例 7.3.2 电路,例：用集成运放实现以下运算关系,解：,比较得：,选 RF1 = 20 k，得： R1 = 100 k， R3 = 15.4 k；,选 RF2 = 100 k，得： R4 = 100 k， R2 = 10 k。,7.4积分和微分电路,7.4.1积分电路,由于“虚地”，u- = 0，故,uO = -uC,又由于“虚断

7、”，iI = iC ，故,uI = iIR = iCR,得：, = RC,积分时间常数,图 7.4.1,若在开始积分之前，电容两端已经存在一个初始电压，则积分电路将有一个初始的输出电压,积分电路的应用：,(1)波形变换,图 7.4.2,t0,t1,UI,当 t t0 时，uI = 0，uO = 0；,当 t0 t t1 时，uI = UI = 常数，,当 t t1 时， uI = 0，uo 保持 t = t1 时的输出电压值不变。,即输出电压随时间而向负方向直线增长。,设电容初始电压为0,(2)移相,可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先 90 。因此，此时积分电路的作用是移相。,图 7.4

8、.2,例7.4.1、例7.4.2（P296）,7.4.2微分电路,图 7.4.5基本微分电路,由于“虚断”，i- = 0，故,iC = iR,又由于“虚地”， u+ = u- = 0 ，故,可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。,微分电路的作用：实现波形变换和移相作用。,7.5对数和指数电路,7.5.1对数电路,由二极管方程知,当 uD UT 时，,或：,利用“虚地”原理，可得：,用三极管代替二极管可获得较大的工作范围。,图 7.5.2,7.5.2指数电路,当 uI 0 时，根据集成运放反相输入端“虚地”及“虚断”的特点，可得：,所以：,可见，输出电压正比于输入电压的指数。,图 7.5.3

9、,7.6乘法和除法电路,7.6.1由对数及指数电路组成的乘除电路,乘法电路的输出电压正比于其两个输入电压的乘积，即,uo = uI1uI2,求对数，得：,再求指数，得：,所以利用对数电路、求和电路和指数电路，可得乘法电路的方块图：,对数电路,对数电路,uI1,uI2,lnuI1,lnuI2,求和电路,lnuI1+ lnuI2,指数电路,uO = uI1uI2,图 7.6.1,同理：,除法电路的输出电压正比于其两个输入电压相除所得的商，即：,求对数，得：,再求指数，得：,所以只需将乘法电路中的求和电路改为减法电路即可得到除法电路的方块图：,对数电路,对数电路,uI1,uI2,lnuI1,lnuI

10、2,减法电路,lnuI1- lnuI2,指数电路,图 7.6.2,7.6.2模拟乘法器,输出电压正比于两个输入电压之积,uo = KuI1uI2,比例系数 K 为正值同相乘法器； 比例系数 K 为负值反相乘法器。,变跨导式模拟乘法器：是以恒流源式差动放大电路为基础，采用变跨导的原理而形成。,实现方式,图 7.6.5,变跨导式模拟乘法器的原理：,恒流源式差动放大电路的输出电压为：,当 IEQ 较小、电路参数对称时，,所以：,结论：输出电压正比于输入电压 uI1 与恒流源电流 I 的乘积。,设想：使恒流源电流 I 与另一个输入电压 uI2 成正比，则 uO 正比于 uI1 与 uI2 的乘积。,当 uI2 uBE3 时，,即：,图 7.6.6变跨导式乘法器原理