《集成電路應(yīng)用》PPT課件.ppt

1、,歡迎大家！,7.1 求和運(yùn)算電路 7.2 積分和微分運(yùn)算電路 7.3 對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路 7.4 模擬乘法器及其應(yīng)用 7.5 有源濾波器,第7章 信號(hào)的運(yùn)算與處理電路,引言： 運(yùn)算電路是集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用電路，它是集成運(yùn)放的線性應(yīng)用。討論的是模擬信號(hào)的加法、減法積分和微分、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)（指數(shù)）、以及乘法和除法運(yùn)算。 為了分析方便，把運(yùn)放均視為理想器件： （1）開(kāi)環(huán)電壓增益 Au =; （2）Ri= ，R=0; （3）開(kāi)環(huán)帶寬 BW= ; （4）當(dāng)UP=UN 時(shí)，Uo=0。沒(méi)有溫漂.,7.1概述,因此，對(duì)于工作在線性區(qū)的理想運(yùn)放應(yīng)滿足： “虛短”：即U+=U- ； “虛斷”：即I+=I-

2、=0. 本章討論的即是上述“四字法則”靈活、大膽的應(yīng)用。,典型電子信息系統(tǒng)的組成如圖7-1所示。,圖7-1 電子信息系統(tǒng)的示意圖,圖72 速度控制系統(tǒng)電路模型,Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。,7.1.1集成運(yùn)放的模型模型與傳輸特性,例：若UOM=12V，Ao=106， 則|Ui|12V時(shí)，運(yùn)放 處于線性區(qū)。,線性放大區(qū),圖7-3運(yùn)放模型與傳輸特性,7.1.2 工作在線性區(qū)的特點(diǎn) 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩個(gè)重要法則：, ii = 0 虛斷, U+ = U 虛短,uo為有限值，Auo=,U+ = U=0,“虛短”和“虛斷”是分析工作在線性

3、區(qū)的理想運(yùn)放應(yīng)用電路輸出與輸入函數(shù)關(guān)系的基本出發(fā)點(diǎn)。,圖7-4 虛斷虛斷原則示意, 7.2基本運(yùn)算電路 7.2 .1 基本運(yùn)算電路-求和、積微分電路,作用：將信號(hào)按比例放大。,類型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。,1反相比例運(yùn)算電路,圖7-5反比例電路之一,1. 反相輸入求和電路,在 反相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了反相輸入求和電路，見(jiàn)圖12.01。此時(shí)兩個(gè)輸入信號(hào)電壓產(chǎn)生的電流都流向Rf 。所以輸出是兩輸入信號(hào)的比例和。RP為平衡電阻。,圖7-6 反相求和運(yùn)算電路

4、,2. 同相輸入求和電路,圖7-7 同相比例電路,由虛斷虛短原則，有,2. 同相輸入求和電路,同相輸入求和電路如圖7-8所示。因運(yùn)放具有虛斷的特性，對(duì)運(yùn)放同相輸入端的電位可用疊加原理得:,圖7-8 同相求和運(yùn)算電路,3. 雙端輸入求和電路,雙端輸入也稱差動(dòng)輸入，雙端輸入求和運(yùn)算電路如圖12.03所示。其輸出電壓表達(dá)式的推導(dǎo)方法與同相輸入運(yùn)算電路相似。,圖7-9 雙端輸入求和運(yùn)算電路,當(dāng)ui1=ui2 =0時(shí)，用疊加原理分別求出ui3和ui4作用時(shí)的輸出電壓uop。再計(jì)算當(dāng)ui3 = ui4 =0時(shí)，分別求出ui1，和ui2 作用時(shí)的uon。,先求uop,式中R+=R3/R4/R , R=R1/

5、R2/Rf,再求uon,例7-1 如圖7-14所示為一反相比例運(yùn)算電路，試證明,解析 根據(jù)虛斷概念id 0，R2接地，故R2上電壓為零，即由虛短的概念u+=0， u+= u=0，反相端u=0稱“虛地”。,證 :由于 ， Rf和R4可視為并聯(lián)，則有，,得證,例7-2 電路如圖7-14所示。R1=R2=10K，Rf=R3=100K，RW =10K。 (1) 寫出uo與ui1、ui2的運(yùn)算關(guān)系式；(2) 當(dāng)RW的滑動(dòng)端在最上端時(shí)，若ui110mV，ui220mV，則uo？(3) 若uo的最大幅值為14V，輸入電壓最大值 ui1max=10mV，ui2max=20mV，最小值均為0V，則為了保證集成運(yùn)

6、放工作在線性區(qū)，R5的最大值為多少？,解 (1) A2同相輸入端電位,(2) 將ui110mV，ui220mV 代入上式，得uO100mV。,(3) 根據(jù)題目所給參數(shù)，ui1ui2的最大值為20mV。若R4為最小值，則為保證集成運(yùn)放工作在線性區(qū)，ui1ui2=20mV時(shí)集成運(yùn)放的輸出電壓應(yīng)為14V，寫成表達(dá)式為,R4min143;R5maxRWR1min（100.143）9.86 K,解題結(jié)論 差動(dòng)輸入方式運(yùn)算電路可以利用本節(jié)推導(dǎo)的公式進(jìn)行，但更有效地方法還是利用虛斷虛短原則進(jìn)行分析。,7.2 積分和微分運(yùn)算電路,釣魚島，全稱“釣魚臺(tái)群島”，日本人稱其為“尖閣列島”。,7.2.1 積分運(yùn)算電路

7、,積分運(yùn)算電路(integral operation circuit)實(shí)際上可以將反比例運(yùn)算電路中反饋電阻換成電容即可構(gòu)成。它也有求和積分、反相積分、差動(dòng)積分等形式。 積分運(yùn)算電路的分析方法與比例電路基本相同，反相積分運(yùn)算電路如圖所示。,積分運(yùn)算電路,當(dāng)輸入信號(hào)是階躍直流電壓UI時(shí)，即,圖 7-17積分運(yùn)算放大電路,若求解某一段時(shí)間（t1t2）內(nèi)積分值，則應(yīng)考慮到uO的初始值uO（t1），所以輸出電壓為,2.同相積分電路 如圖7-16(b)所示。利用傳遞函數(shù)來(lái)分析計(jì)算。,3）求和積分器,4）差動(dòng)積分器(R1=R2),(a)求和積分器 (b)差動(dòng)積分器 圖7-18 求和與差動(dòng)積分電路,5) 積分

8、電路應(yīng)用,積分運(yùn)算電路主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)波形轉(zhuǎn)換。最典型的有三種： 將輸入的正弦電壓，變換為余弦電壓，實(shí)現(xiàn)了波形的移相，也就是實(shí)現(xiàn)了函數(shù)的變換； 將輸入的方波電壓變換為輸出的三角波電壓，實(shí)現(xiàn)了波形變換； 輸入階躍電壓，電容電流近似恒流，輸出電壓uo時(shí)間函數(shù)近似線性，若電容初始電壓為零，線性區(qū)則有uoUi/R，非線性區(qū)為UOM。積分電路變換波形如圖7-19所示。,(a)正弦余弦變換波形 (b)方波三角波變換 (c) 波形延遲 圖7-19 積分電路波形變換圖,2. 微分運(yùn)算電路,微分運(yùn)算電路如圖所示。,圖7-20 微分電路,微分電路對(duì)信號(hào)的變化敏感，由于電路干擾多為突變高頻信號(hào)，所以微分電路抗干擾能

9、力差。另外，輸入信號(hào)瞬變時(shí)，有可能輸出大幅度信號(hào)導(dǎo)致運(yùn)放“堵塞”而失去工作能力。,例73 下圖中A為理想運(yùn)放，求ui=0.3V時(shí)u0的值。,解： u+ = u =0.2V, uo= uM +0.04 R3 = 0.4+0.0410 = 0.8V,uo,例72 下圖所示電路中，假設(shè)各運(yùn)放具有理想特性。,(1) 指出A1、A2、A3各組成什么電路； (2) 寫出u01、u02、u03的表達(dá)式。,解： (1) A1：電壓跟隨器；,A2：反相求和電路；,A3：同相比例放大器。,(2) uo1 = ui,例73 求下圖所示電路的電壓放大倍數(shù),設(shè)A1、A2都是理想運(yùn)算放大器。,解：對(duì)于A2 ：uo1 =

10、uo,對(duì)于A1 ：,u+ =u,uo = 10(ui2 ui1),例74 由運(yùn)放組成的晶體管測(cè)量電路如下圖，假設(shè)運(yùn)放具有理想特性，晶體管的VBE=0.7V.,(1) 求出晶體管c、b、e各極的電位； (2) 若電壓表讀數(shù)為200mV，求被測(cè)量晶體管的值。,解：(1) uC = 6V uB = 0V uE = 0.7V,(2),例75 下圖電路中， A1、A2 、A3均為理想運(yùn)放R3C =1ms.,ui1=0.1V, ui2=0.3V為直流輸入電壓， t = 0時(shí)加入。,(1) 求uo1，uo2，uo3；(2) 若t=0時(shí)電容上C上的初始電壓uC(o)=0，問(wèn)需經(jīng)多久時(shí)間使uo4=5V？,解：(

11、1),(2),vo4,例7-4如圖7-21所示電路，設(shè)電路中所有運(yùn)放都是理想運(yùn)放，已知ui14V，ui21V。回答下列問(wèn)題： (1) 開(kāi)關(guān)閉合與斷開(kāi)情況，A1A4分別構(gòu)成了何種運(yùn)算電路？R2阻值各為多少？ (2) 當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，分別求解節(jié)點(diǎn)1、2、3、4和uo的電位； (3) 設(shè)t0時(shí)S打開(kāi)，問(wèn)經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間uo0？,解 本題是含有多種運(yùn)算的綜合電路結(jié)構(gòu)。分析方法可以采用“虛斷虛短”原則，也可將電路分解成獨(dú)立單元電路進(jìn)行分析。 (1)無(wú)論開(kāi)關(guān)閉合與否A1、A2都構(gòu)成加減運(yùn)算電路。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，A3構(gòu)成積分電路，A4構(gòu)成加減運(yùn)算電路；開(kāi)關(guān)閉合，A4構(gòu)成同相比例電路。,(2)開(kāi)關(guān)閉合，電路為由電阻與運(yùn)

12、放構(gòu)成的比例電路。根據(jù)ui1 ui2是直流電壓，各點(diǎn)都是直流電位，根據(jù)(1)分析，有 u1=(R/R)ui2+(1+R/R) ui1 = ui2+2 ui1=7(V)；u4=(R/R)ui1+(1+R/R) ui2 = ui1+2 ui2=2(V); 再根據(jù)虛斷虛短原則，u24V；u31V；uo=(1+R/R)u4=4(V)。 (3) 利用疊加定理，uo2u4uo3，2 u4 4V，所以u(píng)o34V時(shí)，uo才為零。即,解得t=57.2ms。,1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,圖 7-25 (a)對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,對(duì)數(shù)運(yùn)算電路見(jiàn)圖7-25。由圖可知,7.2.3 對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路,為了擴(kuò)大輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)用電

13、路中常用三極管取代二極管，電路如圖7-25 (b)所示。,圖 7-25 (b),2 .指數(shù)運(yùn)算電路,指數(shù)運(yùn)算電路如圖7-26所示。,指數(shù)運(yùn)算電路相當(dāng)反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。,圖 7-26指數(shù)運(yùn)算電路,圖7-26(a)中的二極管可以用三極管替換，具體電路見(jiàn)圖7-26(b)。,乘法器是又一種廣泛使用的模擬集成電路，它可以實(shí)現(xiàn)乘、除、開(kāi)方、乘方、調(diào)幅等功能，廣泛應(yīng)用于模擬運(yùn)算、通信、測(cè)控系統(tǒng)、電氣測(cè)量和醫(yī)療儀器等許多領(lǐng)域。,7.4.1 模擬乘法器的基本原理,1模擬乘法器的基本原理 2變跨導(dǎo)型模擬乘法器,7.4 模擬乘法器及其應(yīng)用,組成乘法和除法運(yùn)算的方法有多種，本節(jié)主要介紹最常見(jiàn)的三種：對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)型; 晶體

14、管可變跨導(dǎo)型；逆運(yùn)算型。本節(jié)主要介紹其基本電路結(jié)構(gòu)與工作原理。,1.模擬乘法器電路的基本原理,模擬乘法器是一種能實(shí)現(xiàn)模擬量相乘的集成電路，設(shè)uO和u、uY分別為輸出和兩路輸入,其中K為比例因子，具有 的量綱。模擬乘法器的電路符號(hào)如圖7-27所示。,(a) 內(nèi)不含運(yùn)放符號(hào) (b)內(nèi)含運(yùn)放符號(hào) 圖7-27模擬乘法器電路符號(hào),如果能用 vy去控制IE，即實(shí)現(xiàn)IE vy。 vO就基本上與兩輸入電壓之積成比例。于 是實(shí)現(xiàn)兩模擬量相乘的電路構(gòu)思，如圖19.02所示。,對(duì)于差動(dòng)放大電路，輸出電壓為,圖7-28 模擬乘法器,2. 變跨導(dǎo)型模擬乘法器,根據(jù)圖7-28的原理可以制成所謂變跨導(dǎo)模擬乘法器。在推導(dǎo)高頻

15、微變等效電路時(shí)，將放大電路的增益寫成為,只不過(guò)在式中的gm是固定的。而圖7-28中如果gm是可變的，受一個(gè)輸入信號(hào)的控制，那該電路就是變跨導(dǎo)模擬乘法器。由于IEvY，而IE gm，所以u(píng)Y gm。輸出電壓為,由于對(duì)非線性失真等因素沒(méi)有考慮，相乘的效果不好。實(shí)際的變跨導(dǎo)模擬乘法器的主要電路環(huán)節(jié)如圖7-29所示。,圖7-29 變跨導(dǎo)模擬乘法器,3、 對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)型模擬乘法器,根據(jù)兩數(shù)相乘的對(duì)數(shù)等于兩數(shù)的對(duì)數(shù)之和的原理，因此可以用對(duì)數(shù)放大器、反對(duì)數(shù)放大器和加法器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量的相乘。方框圖如圖所示。,對(duì)數(shù)型模擬乘法器,7.4.2 模擬乘法器的應(yīng)用 1乘積和乘方運(yùn)算電路 2除法運(yùn)算電路 3開(kāi)平方運(yùn)算電路,1.乘積和乘方運(yùn)算電路,(1) 相乘運(yùn)算 模擬乘法運(yùn)算電路如圖所示。,平方運(yùn)算電路 立方運(yùn)算電路 四次方運(yùn)算電路,(2) 乘方和立方運(yùn)算 將相乘運(yùn)算電路的兩個(gè)輸入端并聯(lián)在一起就是乘方運(yùn)算電路，電路如圖19.06所