第07章模擬信號(hào)運(yùn)算電路

1、第七章 模擬信號(hào)運(yùn)算電路7.1 理想運(yùn)放的概念理想運(yùn)放的概念7.2 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路7.3 求和電路求和電路7.4 積分和微分電路積分和微分電路教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容7.1.1理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)理想運(yùn)放的技術(shù)指標(biāo)開(kāi)環(huán)差模電壓增益開(kāi)環(huán)差模電壓增益 Aod = ；輸出電阻輸出電阻 ro = 0；共模抑制比共模抑制比 KCMR = ；差模輸入電阻差模輸入電阻 rid = ；UIO = 0、IIO = 0、 UIO = IIO = 0；輸入偏置電流輸入偏置電流 IIB = 0；- - 3 dB 帶寬帶寬 fH = ，等等。等等。7.1理想運(yùn)放的概念理想運(yùn)放的概念7.1.2理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)

2、理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，輸出電壓與其兩個(gè)輸入端的電壓之間存在線性放大關(guān)系，即即)(odO- - - - uuAu- -u uOu- -i i+Aod理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在線性區(qū)特點(diǎn)：1. 理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零0)(odO - - - Auuu即即- - uu“虛短虛短”“虛短虛短”是指在是指在分析運(yùn)算放大分析運(yùn)算放大器處于線性狀器處于線性狀態(tài)時(shí)，可把兩態(tài)時(shí)，可把兩輸入端視為等輸入端視為等電位，這一特電位，這一特性稱為虛假短性稱為虛假短路，簡(jiǎn)稱虛短。路，簡(jiǎn)稱虛短。顯然不能將兩顯然不能將兩輸

3、入端真正短輸入端真正短路。路。2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零理想運(yùn)放的輸入電流等于零由于由于 rid = ，兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即0 - - ii“虛斷虛斷”7.1.3理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)傳輸特性傳輸特性+UOPPuOu+- -u- -O- -UOPP理想特性理想特性7.1.2理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)0)( - - - - idruui“虛斷虛斷”是指在分析運(yùn)放處是指在分析運(yùn)放處于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩于線性狀態(tài)時(shí)，可以把兩輸入端視為等效開(kāi)路，這輸入端視為等效開(kāi)路，這一特性稱為虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)一特性稱為

4、虛假開(kāi)路，簡(jiǎn)稱虛斷。顯然不能將兩輸稱虛斷。顯然不能將兩輸入端真正斷路。入端真正斷路。理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：當(dāng)當(dāng) u+ u- - 時(shí)時(shí)，uO = + UOPP當(dāng)當(dāng) u+ u- - 時(shí)時(shí), uO = - - UOPP1. uO 的值只有兩種可能的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，在非線性區(qū)內(nèi)，( (u+ - - u- -) )可能很大，即可能很大，即 u+ u- -。 “虛地虛地”不存在不存在2. 理想運(yùn)放的輸入電流等于零理想運(yùn)放的輸入電流等于零0 - - ii7.1.3 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)實(shí)際運(yùn)放實(shí)際運(yùn)放 Aod ，當(dāng)當(dāng) u+

5、 與與 u- - 差值比較小時(shí)，仍有差值比較小時(shí)，仍有 Aod (u+ - - u- - )UOPP，運(yùn)放工作在線性區(qū)。運(yùn)放工作在線性區(qū)。例如：例如：LM741 的的 Uopp = 14 V，Aod 2 105 ，線線性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍性區(qū)內(nèi)輸入電壓范圍V70102V 145odOPP - - - AUuuuOu+- -u- -O實(shí)際特性實(shí)際特性非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)線性區(qū)線性區(qū)但線性區(qū)范圍很小。但線性區(qū)范圍很小。7.1.3 理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)分析運(yùn)算放大電路的基本依據(jù)分析運(yùn)算放大電路的基本依據(jù)運(yùn)放工作在運(yùn)放工作在線性區(qū)，線性區(qū)，即工作即工作

6、深度負(fù)反饋深度負(fù)反饋。 當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，當(dāng)運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的概念是成立的，的概念是成立的， “ “虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是分析各種運(yùn)放構(gòu)成的線性電路是分析各種運(yùn)放構(gòu)成的線性電路的基本出發(fā)點(diǎn)和基本依據(jù)。大家在理解的的基本出發(fā)點(diǎn)和基本依據(jù)。大家在理解的基礎(chǔ)上要基礎(chǔ)上要牢牢記住牢牢記住。理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)理想運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn)特點(diǎn)特點(diǎn): :虛短虛短: : u+=u- （ Aod ） (理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零理想運(yùn)放的差模輸入電壓等于零)虛斷虛斷: : i+ = i- = 0 ( rid） ( (理想運(yùn)放的輸入電流等于零理想運(yùn)放的輸入電流

7、等于零）比例運(yùn)算電路的作用：比例運(yùn)算電路的作用：將信號(hào)按比例放大。將信號(hào)按比例放大。7.2 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路為使差動(dòng)放大電路參為使差動(dòng)放大電路參數(shù)對(duì)稱，選數(shù)對(duì)稱，選R2R1/RFR2稱為平衡電阻。稱為平衡電阻。深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛短：虛短：虛斷：虛斷：FoIRuRu- - 11RRuuAFIouf- - 1RRif Ii1RuI fiu=u+=0 (虛地虛地）i+=i=01RuuI- - -FoRuu - - -FoRu- - fIii 當(dāng)當(dāng) R1 RF 時(shí)時(shí)，Auf = - -1單位增益倒相器單位增益倒相器電壓并聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋R2R1/RF深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛短：虛短：u+=u虛

8、斷：虛斷：i+=i=0 - -uu+=uIIoFuuRRR 111111RRRRRuuAFFIouf oFuRRR 11電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋同相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)同相比例運(yùn)算電路的特點(diǎn)1）不存在不存在“虛地虛地”，集成運(yùn)放輸入端可能具有較高，集成運(yùn)放輸入端可能具有較高的共模輸入電壓；的共模輸入電壓；2)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) Auf 1; 當(dāng)當(dāng)RF =0時(shí)時(shí)，Auf =1,此時(shí)此時(shí)稱為稱為電壓跟隨器電壓跟隨器。3 3）輸入電阻高，若在理想運(yùn)輸入電阻高，若在理想運(yùn)放條件下，放條件下，R Rifif;輸出電阻輸出電阻很低。很低。滿足滿足 R1=R1 RF=RF深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛短：虛短：

9、 u=u+虛斷：虛斷：i+=i= 0 - -u uIFFuRRR 1oFuRRR 11IFFuRRR 1IFFoFIFFuRRRuRRRuRRR 1111IFFoFIFFuRRRuRRRuRRR 1111 - - IIoufuuuA1RRF- -12RRif 三種比例運(yùn)算電路之比較：三種比例運(yùn)算電路之比較：P286 表表7-1特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）不存在不存在“虛地虛地”。2）對(duì)元件的對(duì)稱性要求較高，輸入電阻不夠高。對(duì)元件的對(duì)稱性要求較高，輸入電阻不夠高。 應(yīng)變、溫度等物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電量時(shí)，應(yīng)變、溫度等物理量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成電量時(shí)，獲得的獲得的信號(hào)電壓變化量常常很小信號(hào)電壓變化量常常很小，而

10、，而共模電壓卻很共模電壓卻很高高，所以傳感器后面的數(shù)據(jù)放大器必須具有很高的，所以傳感器后面的數(shù)據(jù)放大器必須具有很高的共模抑制比，同時(shí)要求有較高的輸入電阻，以免對(duì)共模抑制比，同時(shí)要求有較高的輸入電阻，以免對(duì)傳感器產(chǎn)生影響。三運(yùn)放數(shù)據(jù)放大器（儀用放大器）傳感器產(chǎn)生影響。三運(yùn)放數(shù)據(jù)放大器（儀用放大器）是目前應(yīng)用比較廣泛的電路之一。是目前應(yīng)用比較廣泛的電路之一。2132)21(IouRRu 在在 R2R3、R4R5、R6R7，精確匹配時(shí)，可得精確匹配時(shí)，可得A1、A2為同相比例運(yùn)算電路。為同相比例運(yùn)算電路。電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，其漂移和失電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱，其漂移和失調(diào)都有相互抵消的作用調(diào)都有相互抵消的作用A3為差

11、分比為差分比例運(yùn)算電路例運(yùn)算電路1121)21(IouRRu F21121122/2/RRRRRR ou)(2146oouuRR- - -)(21(211246IIuuRRRR- - - - IuRRRR)21(1246 - - iRidodRFA)1 ( 2 idodRARRR)21 ( 2211 )21(1246RRRRAuf-例例7.2.2 求求Auf 和和 Rif解：解：深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛斷虛斷 i+i0 i1i2虛短虛短 uu+0 （虛地虛地） 3i)/(423RRRuuo - - -)/(423RRRuo - - 2i24423iRRRi 3424iRRR )/(4232442RR

12、RuiRRRo - - 2423442)/(iRRRRRRuo - - 1112RuRuuiiII - - - - 1423442)/(RuRRRRRRuIo - - 14323241424332414242342)(RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRuuAIouf - - - - - - 1RRAFuf- - 對(duì)比：對(duì)比：可得：可得：43232RRRRRRF 輸入電阻：輸入電阻：Rif=R1 為了用低值電阻實(shí)現(xiàn)高電壓增益的比例運(yùn)算，常用為了用低值電阻實(shí)現(xiàn)高電壓增益的比例運(yùn)算，常用T型網(wǎng)絡(luò)代替型網(wǎng)絡(luò)代替RF7.3 求和運(yùn)算電路（加法電路）求和運(yùn)算電路（加法電路）RR1/R2/R3/

13、RF深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛斷：虛斷：i+=i-=0 iF = i1+i2+i3虛短：虛短：u-=u+=0 （虛地虛地）332211RuRuRuRuIIIFo - -FoRuu - - -11RuuI- - - 22RuuI- - - 33RuuI- - - 若若R1=R2=R3=R, 則則)(321IIIFouuuRRu - - )(332211IFIFIFouRRuRRuRRu - - 例：例：7.3.1 uo=-3uI1-10uI2-0.53uI3解解：已知已知 uo=-3uI1-10uI2-0.53uI3 對(duì)比對(duì)比 )(332211IFIFIFouRRuRRuRRu - - 可得：可得： R

14、F/R1=3 , RF/R2=10 , RF/R3=0.53選選 RF=100k 則則R1=RF/3=33.3k R2=RF/10=10k R3=RF/0.53=188.7k R=R1/R2/R3/RF=6.88k 選取精密電阻選取精密電阻例例 子子深負(fù)反饋深負(fù)反饋虛斷：虛斷：i+=i-=0RuRuuRuuRuuIII - - - - - - 332211332211IIIuRRuRRuRRu )/(321RRRRR 虛短：虛短：u+=u- - uRRuFo)1(1 uRRF)1(1當(dāng)調(diào)節(jié)某一回路的電阻時(shí)，會(huì)影響其他輸入與輸出當(dāng)調(diào)節(jié)某一回路的電阻時(shí)，會(huì)影響其他輸入與輸出的關(guān)系，估算和調(diào)試過(guò)程麻

15、煩；不的關(guān)系，估算和調(diào)試過(guò)程麻煩；不“虛地虛地”，共模輸，共模輸入電壓較高。實(shí)際應(yīng)用不如反相求和電路廣泛。入電壓較高。實(shí)際應(yīng)用不如反相求和電路廣泛。1111IfouRRu- - )(232122IfofouRRuRRu - - - - - 23211122IfIffuRRuRRRR - - - 11122232IffIfuRRRRuRR若若 Rf1 = R1, Rf2 = R2= R3 則則 uo=(uI2uI1 ) = uI1uI2反相比例反相比例運(yùn)算電路運(yùn)算電路反相求反相求和電路和電路7.4 積分和微分電路積分和微分電路虛斷：虛斷：i-=i+=0couu- - 一、電路分析一、電路分析dt

16、iCucc 1虛地：虛地：u-=0 uo=uciI=iCiI = uI /RiC = uI / R - - dtiCc1 - - dtuRCI1dtRuCI - - 1二、輸入輸出波形二、輸入輸出波形（一）輸入電壓為矩形波（一）輸入電壓為矩形波（二）輸入電壓為正弦（二）輸入電壓為正弦波波t0 t t1, uI = UI)(10ttRCUdtuRCuIIo- - - - - tRCUtdtURCummo cos sin1 - - uo相位比相位比uI領(lǐng)先領(lǐng)先90例例7.4.1 解：解：R100k ,C=0.5Ft=(010)ms期間期間，uI=10V, t0=0時(shí)時(shí)Uo(0)=0VtUttRCU

17、uoIo)200()0()(01- - - - - t =10ms時(shí)時(shí)，uo1= -2Vt=(1030)ms期間期間，uI=-10V, t0=10ms時(shí)時(shí)Uo(0)= -2V Vttuo2)01. 0(2002)01. 0(105 . 01010010631- - - - - - - - - - -t =30ms時(shí)時(shí)，uo1=2Vt=(3050)ms期間期間，uI=10V, uo1從從+2V開(kāi)始以開(kāi)始以200V/s負(fù)向增負(fù)向增長(zhǎng)。將矩形波轉(zhuǎn)換成三角波。長(zhǎng)。將矩形波轉(zhuǎn)換成三角波。例例 子子例例 子子R50k ,C=0.5Ft=(010)ms期間期間，uI=10V, t0=0時(shí)時(shí)Uo(0)=0Vt

18、UttRCUuoIo)400()0()(02- - - - - t =10ms時(shí)時(shí)，uo2=-4Vt=(1030)ms期間期間，uI=-10V, t0=10ms時(shí)時(shí)Uo(0)= -4V Vttuo4)01. 0(4004)01. 0(105 . 0105010632- - - - - - - - - - -t =30ms時(shí)，時(shí)，uo1=4Vt=(3050)ms期間期間，uI=10V, uo1從從+4V開(kāi)始以開(kāi)始以400V/s負(fù)向增負(fù)向增長(zhǎng)。長(zhǎng)。例例 子子R10k ,C=0.5Ft=(010)ms期間期間，uI=10V, t0=0時(shí)時(shí)Uo(0)=0VtUttRCUuoIo ) 2000() 0()(03- - - - - 當(dāng)當(dāng)t=10ms時(shí)時(shí)，uo3= -20V,這是不這是不可能的，