西安交通大学赵进全模拟电子技术基础第6-7章课件

6.1基本运算电路6.1.1加法运算1．反相输入加法电路运放工作于线性状态电压并联负反馈由两个分析依据“虚短”“虚断”b2A+b1–6集成运放组成的运算电路其中故有b2A+b1–得2．同相输入加法电路

运放工作于线性状态电压串联负反馈根据两个分析依据“虚短”“虚断”由图可知其中故A+b1b26.1.2减法运算运放工作于线性状态电压负反馈根据叠加原理减法运算器反相比例器同相比例器分解A+b1b2+同相比例A+b1b2等效反相比例A+b1b2A+b1b2A+b1b2A+b1b2由图可知其中故6.1.3

积分运算CA+iR+–输入阶跃电压tO输出电压随时间线性下降运放的最大输出电压输出饱和tOtO输入电压tO输出电压微分电路的阶跃响应UtOtO输入信号输出信号输入电压输出电压tOtOT6.2.1对数运算6.2对数和反对数运算电路由图可知故R+AT+––T选用PNP型当uI<0时6.3模拟乘法器及其应用乘法器符号实现的功能K1．对数乘法器由此可知，可利用对数电路、加法电路和反对数电路实现的乘法运算功能。式中6.3.1乘法器的工作原理由原理框图对数运算对数运算加法运算反对数运算2.变跨导式乘法器RT1T2T3T4+++_+A_在图示电路中因为RT1T2T3T4+++__则因T3、T4构成电流镜当时RT1T2T3T4+++__接入差分比例电路RT1T2T3T4+++_+A_1.平方运算电路6.3.2乘法器应用电路K2．开平方运算电路由图可知故K+A4.调制与解调音频信号载波信号幅度调制原理框图滤波器带通K输出信号滤除单边带信号滤波器带通K幅度解调原理框图载波信号调幅信号载波信号调幅信号音频信号滤波器低通K输出信号信号滤除高频信号载波信号调幅信号音频信号滤波器低通K6.4.1选型

专用型类型特点应用场合通用型种类多，价格便宜一般测量、运算电路低功耗型功耗低遥感、遥测电路高精度型型测量精度高、零漂小毫伏级或更低微弱信号测量高输入阻抗型Rid对被测信号影响小生物医电信号提取、放大高速宽带型带宽高、转换速率高视频放大或高频振荡电路高压型电源电压48～300V高输出电压和大输出功率集成运放及其特性简表6.4集成运算放大器使用中的几个问题6.4.2调零常用的调零电路带调零引出端2315476无调零端LM3246.4.4保护1．输入保护6.4.3消振自激振荡的原因运放的增益高存在寄生电容加入消振电容消振的措施：保护电路R+Ab1b2

2.输出保护保护电路+A6.4.5运算电路的误差分析运放低频等效电路－＋－＋（+）rid（）1.共模抑制比KCMR为有限值的影响图示电路中等效共模输入电压等效差模输入电压Ab1b2而理想运放的输出电压为输出电压代入uIc、uId得Ab1b2故输出电压的相对误差

2．及为有限值的影响

在图示电路中，由于另一方面，由叠加原理得Ab1b2由此得实际的输出电压而理想运放的输出电压为Ab1b2故输出电压的相对误差3．运放的偏置和失调的影响偏置和失调对运放的影响图+A(1)仅考虑反相输入端的影响+A(2)仅考虑同相输入端和的影响+A(3)仅考虑失调电压的影响+A根据叠加原理，以上三种情况的共同影响为+A[例1]用理想集成运算放大器实现下列运算关系，并画出电路图。要求所用的运算放大器为三个，元件的取值范围为：练习题[解]根据题意，将要求实现下列运算关系变形为那么式可以用积分器来实现。1kW

≤R≤1MW式可以用反相输入的加法器来实现。最后，在用一级反相器，即可实现运算图中实现电路+–1mFA360kW1MW60kW20kW60kW100kW100kWA2A1––++[例2]图示电路是一个由理想运算放大器组成的可调稳压电源，稳压管DZ的稳压值为UZ。+A(2)若要改变UO的符号（极性），而不改变UO的大小，问电路必须做哪些改动？(1)试求用UZ表示的UO表达式；[解](1)设流过R1、R2的电流为I1、I2如图所示。I1I2+A那么，R3上的电压即UZ，于是因U+=U–I1I2+A故输出电压(2)为了改变UO极性，须将原+VCC端接地，原接地端改接–VCC，同时将稳压管DZ的正负极性调换。+A改变后的电路[例3]利用运算放大器求解微分方程，并画出电路图。[解]将上式写成那么用运放实现的电路图R11+A3+++++R11R11R12RF2R13R14RF4RF5R15R16RF6CF1CF3A4A5A6A2A17.1电子系统概述7信号检测与处理电路传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D

转换器计算机系统总线控制电路信号检测系统基本框图传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D

转换器计算机系统总线控制电路提取测量信号放大测量信号抑制干扰信号去除无用信号信号加工处理系统7.2.1测量放大器常用于热电偶、应变电桥、流量计、生物电测量以及其它具有较大共模干扰的直流缓变微弱信号的检测。7.2信号检测系统中的放大电路b.共模抑制比高a.输入抗阻高主要特点1.三运放测量放大器b.电阻R3、R4、R5、R6要精密配合（R3=R5、R4=R6）。a.运放A1、A2的特性一致性。对电路要求(1)原理图A1A2A3+_b1b2+_i––+++–由图可知(2)电路分析A1A2A3+_b1b2+_i––+++–A1A2A3+_b1b2+_i––+++–放大器具有很高的抑制共模信号的能力令输出uO与共模信号uIc无关2.单片集成测量放大器AD521工作原理与三运放测量放大器类似性能指标(2)输入阻抗3109。(3)增益带宽大于2MHz。(4)电压放大倍数0.1~10,000。(5)电源电压±(5~18)V。(6)过载能力较强，动态特性好。(1)共模抑制比120dB。(1)引脚说明1234567891011131214OUTOFFSETV––INRG+INSENSEREFRSCOMPOFFSETRSV+RG(2)基本连接方式图123456781011121314AD521+–7.2.2隔离放大器特点信号传递的主要方式1.电磁耦合2.光电耦合输入回路与输出回路之间是电绝缘的二极管——二极管型二极管——三极管型1.光电耦合隔离放大器光敏二极管IoIiIiIo发光二极管发光二极管光敏三极管b.采用负反馈技术。光电耦合器的特点a.耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件b.非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真克服非线性失真通常采取的措施a.给非线性器件施加合适的直流偏置，在小范围内线性传输信息。一种典型的光电耦合隔离放大器

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压并联负反馈

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压串联负反馈电压并联负反馈

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1串联负反馈的判断电压串联负反馈电压并联负反馈工作原理O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1uCE2uCE1=uCE2uCE1O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1uO=uCE1uI=uCE2uO

=uIuCE2uCE1=uCE2uCE1

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1实现信号隔离实现信号传输两地独立两地独立输入、输出级之间是电气绝缘的uO

=uI

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1放大器原理图2.变压器隔离放大器+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuI+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuI调制给输入侧提供能量两侧电源独立解制输入、输出侧间电气绝缘变压器隔离放大器AD277原理图和引脚+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽16151114101213(+VCC)126873495(+15V)(-15V)(–VEE)7.3.1滤波器的基础知识功能:允许信号中某一部分频率的分量通过。通带:能够通过信号的频率范围。阻带:不能够通过信号的频率范围。截止频率:通带和阻带之间的分界频率。7.3有源滤波器滤波器的分类a.根据处理的信号不同分为b.根据使用的滤波元件不同分为数字滤波器模拟滤波器RC型LC型RLC型c.根据工作频率不同分为低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器全通滤波器fA0理想滤波器的幅频特性低通fA0通带高通带阻带通通带通带通带通带Af0fA00fA0.707实际低通滤波器的幅频特性实际特性理想特性阻带过渡带通带d.根据滤波器的阶数分

一阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器e.根据采用的元器件不同分无源滤波器有源滤波器滤器的阶数越高，性能越好。组成:由电阻、电容、电感等无源器件组成。体积和重量比较大，电感还会引起电磁干扰。(a)无源滤波器电路简单高频性能好工作可靠优点通带信号有能量损耗负载效应比较明显缺点CRRL无源高通滤波器(b)有源滤波器电路体积小、重量轻。通带内的信号可以放大。精度高、性能稳定、易于调试。负载效应小。组成：由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成。优点可以多级相连，用低阶来构成高阶滤波器。通带范围小。需要直流电源。适用于低频、低压、小功率等场合。缺点1.一阶低通有源滤波器7.3.2低通有源滤波器(1)电路组成(2)电路分析a.电路的传递函数+__+–+式中Z1(s)Z2(s)故+__+–+令——滤波器的通带增益+__+–+b.滤波器的频率特性令s=jw，得滤波器的频率特性式中即因电路的频率特性与f的一次方有关故称之为一阶RC有源滤波器c.滤波器的幅频特性由得d.相频特性讨论幅频和相频特性(a)(b)(c)wc、fc分别称为滤波器的截止角频率、截止频率。滤波器具有低通的特性。3dB020lg|A(jw)|/dB幅频特性曲线–20dB/十倍频幅频特性曲线由(3)一阶滤波器特点a.电路简单。b.过渡带的衰减慢，衰减速率20dB/十倍频。2.二阶有源低通滤波器(1)电路组成(2)电路分析a.电路的传递函数无限增益多路反馈型二阶有源低通滤波器12+_+_._+对节点1、2列节点电压方程节点1节点212+_+_._+由上两式得其中电路的品质因数滤波器的特征角频率式中为滤波器的通带增益b.滤波器的频率特性令s=jw，得滤波器的频率特性c.滤波器的幅频特性由得d.滤波器的相频特性e.幅频特性分析当<<n时，由式知当>>n时，电路具有低通滤波器特性当=n时由式知或幅频特性曲线10–310Q=105210.7070.5–40这种滤波器称为切比雪夫（Chebyshev）型滤波器a.特性有峰值。

10–310Q=105210.7070.5–40当时b.

Q值越大，尖峰越高。c.当时，电路将产生自激振荡。d.过渡带衰减速度较快。

c.

Q值越小，幅频特性下降得越早。a.特性无峰值。b.通带有衰减。当时10–310Q=105210.7070.5–40c.幅频特性最平坦a.无峰值这种滤波器称为最大平坦或巴特沃斯（Butterworth）型滤波器。当时10–310Q=105210.7070.5–40b.在≤n的频域下降量最小巴特沃斯（Butterworth）型滤波器的幅频特性当此时的特征角频率wn才是截止角频率wc。10–310–40–40dB/十倍频1．一阶高通有源滤波器7.3.3高通有源滤波器(1)低通与高通电路的对偶关系C换成RR换成C····b.电路分析(2)一阶高通滤波器a.电路组成(a)传递函数Z1(s)Z2(s)+__++_式中通带增益截止角频率+__++_滤波器的频率特性令(b)频率特性由得滤波器的截止频率(c)滤波器的幅频特性由得幅频特性曲线o十倍频2．二阶高通有源滤波器

(1)电路组成(2)电路分析压控电压源型电路二阶高通有源滤波器

+_

+_+_A等效方框内的电路等效电路

A03

2

+

+

––

+_

+_+_A对节点3、2列节点电压方程

节点3节点2a.传递函数

A03

2

+

+

––由以上两式电路的传递函数为

其中品质因数通带增益特征角频率b.频率特性

令由得c.幅频特性幅频特性曲线10–3Q=105210.7070.57.3.4带通和带阻有源滤波器1．二阶带通有源滤波器(1)电路组成(2)电路分析

32

+

__++A等效方框内的电路等效电路

32

+

__++A

32

__++A0对节点3、2列节点电压方程

节点3节点2

32

__++A0中心频率通带增益品质因数a.电路的传递函数得滤波器的频率特性c.频幅特性

b.频率特性将s=j代入式幅频特性分析当时，(a)当

时，(b)当时，(c)电路具有带通特性称为中心角频率知在截止频率上满足即求解上式得d.通频带由故滤波器的通频带宽Q值越大，通频带越窄，滤波器的选择性越强。Q=105210.50–20–40/wow10.1dBAjA/|)(|lg200带通滤波器的幅频特性2．二阶带阻有源滤波器(1)电路组成C2CR32RCR/24+_+_+_双T选频网络列节点电压方程节点2(2)电路分析a.传递函数节点3C2CR32RCR/24+_+_+_节点4式中

C2CR32RCR/24+_+_+_其中：故传递函数得滤波器的频率特性将s=j代入式b.频率特性c.滤波器的幅频特性幅频特性分析当时，(a)当

时，(b)当时，(c)电路具有带阻特性为中心角频率解之得截止角频率

上限d.滤波器的阻带下限令

故滤波器的阻带宽为带通滤波器幅频特性11000.1-50Q小Q大功能——用来比较输入电压相对大小输出端的信号状态——高电平和低电平7.4电压比较器输入电压比较电压（基准电压或参考电平）输入端的信号工作原理——输入电压偏离参考电压时，输出电压将发生从高到低（或从低到高）的跃变（称之为比较器翻转）。7.4.1单门限电压比较器1.零电平比较器

(2)电路特点b.，a.运放工作于开环状态c.输出电压uO≈±VCC(1)电路组成Rb2b1+_+__+a.当时，b.当

时，(3)工作原理(4)传输特性O

与零电平（电位）进行比较，故称为零电平比较器。

Rb2b1+_+__+O理想特性实际特性不灵敏区(5)电路存在的问题a.输出电压基本由电源电压确定。b.输出电平易受电源波动、饱和深度的影响。c.输出电平不易改变。Rb2b1+_+__+改进型的零电平比较器限流电阻

双向限幅稳压管输出电压

输入保护电路RDZ+_+_+_D1D2传输特性O2．非零电平比较器

电路简单灵敏度高抗干扰能力差单门限电压比较器的特点O传输特性RDZ+_+_+_URtOOt干扰干扰比较电压UR输入电压输出电压误动作误动作单门限比较器抗干扰性能差的波形图7.4.2多门限电压比较器1．迟滞比较器1)反相输入迟滞比较器Dz+_+_给电路提供双极性参考电平加速输出翻转过程引入正反馈正反馈的作用Dz+_+_反馈电压输出电压a.工作原理Dz+_+_uOuI传输特性O如果uI<UR当uO=UZ时(a)传输特性Dz+_+_uOuI传输特性O此时(b)当uI>UR=KUZ时，只要uI>UR传输特性Dz+_+_uOuI传输特性O(c)当uO=–UZ时如果uI>URDz+_+_uOuI传输特性O此时(d)当uI<UR=–KUZ时,只要uI<UR，Dz+_+_O反相输入迟滞比较器传输特性迟滞比较器的特点(1)提高了电路抗干扰能力(2)降低了电路的灵敏度(3)不能分辨2KUZ范围内变化的信号O不能分辨区OttO说明迟滞比较器抗干扰性能的波形图输入信号输出信号干扰干扰(2)同相输入迟滞比较器

a.电路b.特性分析由图可知Dz+_b1b2根据比较器的特性，当时电路翻转。

令Dz+_b1b2得比较器的翻转电平为即当uI=±KUZ时uO=0Dz+_b1b2O只要Uo=+UZuI>–KUZ传输特性当时(a)Dz+_b1b2即O只要Uo=–UZuI<KUZ传输特性当时(b)Dz+_b1b2O输出维持原状态Uo=–UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c)Dz+_b1b2O输出维持原状态Uo=UZ|uI|<KUZ传输特性当时Dz+_b1b2O同相输入迟滞比较器传输特性具有逆时针旋转的特性c.特性平移的迟滞比较器图中Dz+_b1b2即令得电路的翻转电平为Dz+_b1b2迟滞回环沿着坐标横轴平移传输特性O2.窗口比较器(1)电路A1D1D2A2––++TD1导通D2截止A1输出高电平A2输出低电平当时(a)输出电压2.工作原理（设）晶体管T饱和导通A1D1D2A2––++TA2输出高电平当时(b)输出电压A1输出低电平D1截止D2导通晶体管T饱和导通A1D1D2A2––++T晶体管T截止A2输出低电平当时(c)输出电压A1输出低电平D1截止D2截止A1D1D2A2––++T工业控制系统，测量温度、压力、液面等的范围。窗口比较器的主要应用O传输特性LM111系列的封装形式和引脚排列7.4.3集成电压比较器+_12345678OUTGNDIN–IN+BALBAL/S+VCC–VCCLM111系列典型应用电路具有选通的接法

RT123456785选通+5V+_3kWC基本应用电路23456781Wk3+电路2373KW•–+LM111系列实现的施密特电路传输特性O[例1]在图示电路中，设各运放都具有理想特性。试求：

(a)Au1=Uo3/Ui···(b)电路的中频电压放大倍数Aum=Uo/Ui;···练习题A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW;(c)整个电路的上、下限截止频率fH和fL之值。[解]由图可知，运放A1~A3构成三运放测量放大器，运放A4构成一阶低通滤波器，电容器C2和负载RL构成高通滤波器。

A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW(a)写出uO2与ui的关系

A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW(b)电路的中频电压放大倍数所以，Au1=Uo3/Ui=3···········A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW(c)整个电路的上、下限截止频率分别为A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW[例2]在图示电路中，已知稳压管DZ1、DZ2的击穿电压分别为UZ1=3.4V,UZ2=7.4V,正向压降皆为UD1=UD2=0.6V，运放A具有理想的特性。画出uI由–6V变至+6V，再由+6V变至–6V时电路的电压传输特性曲线。A+_[解](a)由图可知电路的输出电压极限值

A+_(b)运放反相输入端电压同相输入端电压

当输入电压uI由–6V向+6V方向变化时，如果同相输入端的电压u+低于UR，输出电压uO为Uomin；A+_由得当同相输入端的电压u+略高于UR时，比较器翻转，输出电压uO为Uomax。UH=5.3V设此时的输入电压为UHA+_当uI由+6V向–6V方向变化时，如果u+高于UR，输出电压uO为Uomax；当u+略低于UR时，比较器再次翻转，输出电压uO为Uomin。设此时的输入电压为UL由得A+_由此可画出电路的传输特性uOuIOUHULUominUomax传输特性A+_[例3]在图示电路中，设运算放大器A具有理想的特性，其最大输出电压稳压管的稳定电压为,试画出电路的电压传输特性曲线。A+_[解]由图可知，当稳压管DZ击穿后，由于其动态电阻很小，电路引入深度负反馈。故运放的“虚短”仍然成立。电路的输出电压此时，电阻R3两端的电压为A+_由知当时，输出高电平电压

当时，输出低电平电压

A+_•由于运放的同相输入端电压当时电路的低电平阈值电压为