電路基礎與集成電子技術87j其他線性應用電路

27五月2023電路基礎與集成電子技術87j其他線性應用電路8.7.1電流-電壓變換器和電壓-電流變換器電壓-電流和電流-電壓變換器廣泛應用于放大電路和傳感器的連接處，是很有實用價值的電子電路。通過運放可以實現(xiàn)多種電流電壓和電壓電流變換電路。8.7.1.1電流-電壓變換器圖8.7.1電流-電壓變換器圖8.7.1是電流－電壓變換器。由圖可知輸出電壓與輸入電流成比例。也就是說將輸入電流轉化成了輸出電壓。例8.2：圖8.7.2為電流－電壓轉換電路的一個應用實例。圖中AD590為半導體溫度傳感器，流過它的電流I與溫度有關。絕對零度時，I=0A，溫度每增加1K，I增加1A。所以電流I為溫度的函數(shù)。試分析該電路的測溫工作原理。圖8.7.2AD590測溫電路圖8.7.2虛線框內為電流－電壓轉換電路。由圖可知：AD590在0℃時的電流為273A，溫度每增加1C,電流增加1A。為了使0℃時輸出顯示0.00V，用電流I1來抵消AD590在0℃時的電流273A的偏移量，使If=0。

當溫度升高時，I增加，而I1已固定，I增加的部分必然要由If來補充，這樣輸出電壓就有了數(shù)值。我們希望輸出電壓值代表攝氏溫度值，在數(shù)值上正好與攝氏度一致，使輸出電壓量與攝氏溫度成正比的，這就需要合理選擇電阻。AD590的電流I的變化量1A/℃，有線性關系。如果，可得輸出電壓每攝氏度的變化量這樣輸出電壓每10mV代表1℃，100mV就代表10℃。

8.7.1.2電壓-電流變換器(a)負載不接地情況(b)負載接地情況圖8.7.3電壓-電流變換器圖8.7.3為電壓-電流變換電路，圖8.7.3(a)為負載不接地的情況，圖8.7.3(b)為負載接地的情況。由圖8.7.3(a)可知該電路將輸入電壓轉換為輸出電流，iO與uS成比例。對負載接地的圖8.7.3(b)，通過疊加原理可得以下各式：因為所以可得

所以可得設于是說明iO與uS成正比，實現(xiàn)了輸入電壓到輸出電流的線性變換。8.7.2數(shù)據(jù)放大器圖8.7.4數(shù)據(jù)放大器電路圖數(shù)據(jù)放大器通常用于放大傳感器送出的微弱電信號，為此要求數(shù)據(jù)放大器有很高的電壓增益；由于傳感器的內阻往往不是常量，故要求放大器有足夠高的輸入電阻。傳感器輸出信號中往往含有較大的共模信號，因此要求數(shù)據(jù)放大器具有很高的共模抑制比。即對數(shù)數(shù)據(jù)放大器有“三高”要求。同相比例同相比例差分比例根據(jù)虛短、虛斷的概念，有：對A、B兩點，可列出如下的節(jié)點電流方程：AB

顯然調節(jié)R1可以改變放大器的增益。產品數(shù)據(jù)放大器，如AD624等，R1由多個電阻串聯(lián)，有引線連出，R1可通過選擇連線接成多種阻值，可得到不同的電壓放大倍數(shù)。將代入上式，可得由運放構成的精密整流電路如圖8.7.5所示。圖8.7.5反相輸入絕對值電路8.7.3絕對值電路8.7.3.1反相輸入絕對值電路

1.當輸入電壓uI<0時，uO1>0

，則VD1導通，VD2截止。由于運放A1、A2的反相輸入端均為虛地，所以uA=0。反相加法器A2只有通過2R這一路輸入，于是有00uI<002.當輸入電壓uI>0時，uO1<0，則VD1截止，VD2導通，于是有uA=-uI，此時反相求和放大器A2的輸出電壓為綜合以上兩點可知，無論uI為正或為負，uO則恒為正，即uI>0-uI8.7.3.2同相輸入絕對值電路1．當輸入電壓uI>0時，uO1>0，則VD1導通，A1處于跟隨狀態(tài)，uO1=uI，所以VD2截止，根據(jù)虛斷和虛短的概念，可以得到：圖8.7.6同相絕對值電路uI>0uO1>0uO1=uI于是所以

2．當輸入電壓uI<0時，uO1<0，則VD1截止，VD2導通，A1構成同相比例運算電路，于是

uA=2uI對A2則有綜合以上兩點可知：該絕對值運算電路輸入電阻較大。所以

該電路稱為絕對值運算電路，也稱為精密整流電路。之所以稱為精密，是因為輸出電壓不是經過二極管的單向導電而得到的，所以二極管的死區(qū)不會在輸出產生誤差。

問題：該電路為什么稱為精密整流電路？二極管的死區(qū)電壓是否會對輸出電壓產生影響？當uI<0時，信號經2R傳輸，由A2構成反相比例運算得到輸出；當uI>0時，信號有一路經2R傳輸，另一路因VD1開路，uO1很負，VD2不可能微導通，不存在位于死區(qū)工作的情況。8.7.4接地阻抗模擬變換器圖8.7.7接地阻抗模擬變換電路阻抗模擬變換器是用來實現(xiàn)阻抗特性的模擬與變換的運放電路，電路如圖8.7.7所示。由圖可知，所以當上式中的Z為電阻時：，呈現(xiàn)負電阻特性；

當Z為電容時：呈現(xiàn)模擬電感特性，模擬電感為

由于集成電路工藝不能制作大容量的電容器，所以，往往采用模擬電容變換電路。根據(jù)圖8.7.8，用虛短和虛斷特性可以列出下列方程式圖8.7.8模擬電容器電路所以例8.3：圖8.7.8所示的是另一種適合做模擬電容的運放應用電路。試推導輸入阻抗表達式。于是輸入阻抗當是電阻時，Zi呈現(xiàn)電容性，相當一個模擬電容。當調節(jié)Z1、Z2、Z3、Z4的阻值時，可以控制模擬電容的容量。因為大容量的電容器體積大，可以采用模擬電容去取代大容量的電容器，以縮小印制電路板的面積。另外大容量的電容器穩(wěn)定性也較差，采用模擬電容以后，有利于提高電容的穩(wěn)定性。適當改變Z1~Z5的性質也可獲得模擬電感。8.7.5有效值電路圖8.7.9有效值電路圖8.7.9是一個方均根值電路，即有效值電路。模擬乘法器M1實現(xiàn)平方運算，運算放大器A1是積分器，對M1的的輸出求平均值，M1和A1組成開平方電路。于是可實現(xiàn)方均根運算

一個非正弦信號具有多種頻率成分，濾波，就是保留信號中所需要的頻率成分，抑制其他頻率成分。濾波有兩種方法：模擬濾波和數(shù)字濾波。前者是利用濾波電路頻帶的不同實現(xiàn)濾波；后者是將模擬量轉化為數(shù)字量后用軟件實現(xiàn)，屬數(shù)字信號處理的內容。模擬濾波器又分無源和有源兩種。無源濾波器由無源元件R、L和C組成，有源濾波器則由集成運放和R、C電路構成，兩者相比，有源濾波電路具有以下優(yōu)點：

●構成的低頻濾波器不使用電感、體積小、重量輕；

●濾波的同時對信號具有放大作用，避免了信號的過度衰減；

●集成運放輸入阻抗高，輸出阻抗低，對信號具有緩沖作用，避免前后級的互相影響，便于設計。8.7.6有源濾波器有源濾波器按頻率特性分為：低通（LPF，Low-passfilter）；高通（HPF，High-passfilter）；帶通（BPF，Band-passfilter）；帶阻濾波器（BRF，Band-rejectfilter）。它們的幅度頻率特性曲線如圖14.01.01所示。

下圖是一個低通濾波電路(LPF)濾除信號中的高頻干擾的示意圖。濾波器的幅度頻率特性曲線如圖8.7.10所示。圖(a)為低通濾波電路；圖(b)為高通濾波電路；圖(c)為帶通濾波電路；圖(d)為帶阻濾波電路的幅度頻率特性曲線。圖8.7.10濾波器的幅度頻率特性曲線低通濾波電路高通濾波電路帶通濾波電路帶阻濾波電路圖中濾波電路幅度頻率特性曲線中的A0是通帶電壓增益，fH是低通濾波電路的上限截止頻率，fL是高通濾波電路的下限截止頻率。有源濾波電路的基本形式是低通濾波和高通濾波電路。帶通濾波電路是由低通濾波電路和高通濾波電路串聯(lián)組成，滿足fH＞fL。帶阻濾波電路。是由低通濾波電路和高通濾波電路并聯(lián)組成，滿足fH＜fL。8.7.6.1有源低通濾波器(LPF)1.一階低通有源濾波器(1)通帶增益

有源濾波器的主要研究方法是推導電壓放大倍數(shù)(或用拉氏變換形式表示的傳遞函數(shù))，并由此研究其頻率響應。圖14.01.02同相一階低通濾波電路有源濾波器是由運算放大器加RC濾波環(huán)節(jié)構成的。對于低通濾波器，當f=0時，應處于通帶內，此時電容器可視為開路，所以通帶增益為電壓放大倍數(shù)為同相一階低通濾波電路如圖8.7.11所示，RC為一階低通環(huán)節(jié)，A為具有電壓增益的運算放大器。它的傳遞函數(shù)為圖8.7.11同相一階低通濾波電路(2)電壓增益復數(shù)表達式

以電壓增益與通帶電壓增益相對值的對數(shù)為Y坐標，以頻率為X坐標可以將電壓放大倍數(shù)的幅度頻率特性曲線畫出，見圖8.7.12。通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率電壓放大倍數(shù)表達式中也稱特征頻率-20dB/十倍頻程(3)波特圖圖8.7.12一階LPF的幅頻特性曲線為了繪制方便起見，用折線化的幅頻特性去代替實際的幅頻特性，這就是波特圖。波特圖在fH處的誤差最大，有-3dB。-20dB/十倍頻程一階RC濾波電路的過渡帶較寬，特性曲線下降較慢，為了使過渡帶變窄，需采用多階濾波器，即增加RC濾波環(huán)節(jié)。-3dB圖8.7.12一階LPF的幅頻特性曲線圖8.7.13二階LPF

為了增加幅度頻率特性在過渡帶的衰減，可采用二階濾波電路，見圖8.7.13。當f=0時，電容器可視為開路，通帶增益為2.二階低通有源濾波器*圖8.7.14一階和二階LPF波特圖的比較二階低通有源濾波電路的幅度頻率特性曲線見圖8.7.14。該電路的fp與f0相距較大，如果在f0處適當提升電壓放大倍數(shù)，即可拉近fp與f0，減小過渡帶。8.7.6.2有源高通濾波器(HPF)圖8.7.15一階高通濾波器一階有源高通濾波器的電路圖如圖8.7.15所示。1．通帶增益2．電壓增益3．通帶截止頻率fL令下限截止頻率可得由上式可做出圖8.7.16所示的一階高通濾波器的波特圖。當f<<fL時，幅頻特性曲線的斜率為+20dB/十倍頻程。圖8.7.16一階HPF頻率特性

將低通濾波器(LPF)和高通濾波器(HPF)串聯(lián)，構成帶通濾波器，如下圖所示，要求fH>fL，其通頻帶為(fH-fL)。1.帶通濾波器的電路組成圖由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成的帶通濾波器fH>fL8.7.6.3有源帶通濾波器(BPF).圖8.7.17二階BPF

低通高通

在實際電路中也常采用單個集成運放構成壓控電壓源二階帶通濾波電路，如圖8.7.17所示。fH>fL帶通濾波電路的幅頻特性如圖8.7.18所示。

圖8.7.18BPF的幅頻特性2.帶通濾波器的幅頻特性1.帶阻濾波器的電路組成

將輸入電壓同時作用于低通濾波器和高通濾波器，再將兩個電路的輸出電壓求和，就得到帶阻濾波器，如下圖所示。阻帶：(fL-fH)fHfL8.7.6.4有源帶阻濾波器(BRF)無源帶阻濾波電路+同相比例運算電路=有源帶阻濾波電路

實際電路常利用無源LPF和HPF并聯(lián)構成無源帶阻濾波電路，然后接同相比例運算電路，得到有源帶阻濾波電路，如圖8.7.20所示。圖8.7.20帶阻有源濾波器雙T型RC電路的RCR支路有利于低領信號通過，而CRC支路有利于高領信號通過。如果RCR支路對應的低通環(huán)節(jié)的上限截止頻率fH小于CRC支路對應的高通環(huán)節(jié)的下限截止頻率fL就可以獲得帶阻特性。

圖中R1用于調節(jié)電壓放大倍數(shù)。8.7.7二極管限幅電路8.7.7.1二極管并聯(lián)限幅電路圖8.7.22并聯(lián)限幅的傳輸特性圖8.7.21并聯(lián)限幅電路限幅電路是一個具有非線性電壓傳輸特性的運放電路。其特點是：當輸入信號電壓在某一范圍，VD截止時，電路處于線性放大狀態(tài)；而超出此范圍，VD導通時，輸出不再隨輸入線性變化，將輸出電壓幅度限定在某一數(shù)值。若輸入電壓不足以使二極管導通，即，二極管支路可視為開路，輸出電壓為：當VD截止時，A點電位為二極管并聯(lián)限幅電路如圖8.7.21所示，若輸入電壓使二極管VD導通，則A點電位被箝制在，輸出電壓將不隨輸入電壓變化而變化，為一個固定值：當輸入電壓剛剛使二極管導通，時，輸出為線性段的最大值，對應的輸入電壓為所以使二極管由截止變?yōu)閷ǖ拈T限電壓，輸出電壓的表達式應為：VD截止時UOm是限幅電路的限幅值，UOm應小于等于運放的最大輸出幅度UOM。圖8.7.22并聯(lián)限幅的傳輸特性二極管導通分界點8.7.7.2二極管串聯(lián)限幅電路圖8.7.23串聯(lián)限幅電路二極管串聯(lián)限幅