《模擬電子線路》全套PPT課件

《模擬電子線路》全套PPT課件,模擬電子線路,模擬,電子線路,全套,PPT,課件 第第7章章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用 集成運(yùn)放集成運(yùn)放(Integrated Operational Amplifier)在信號(hào)的在信號(hào)的運(yùn)算運(yùn)算、處理處理和和產(chǎn)生產(chǎn)生等方面得到廣泛的應(yīng)用。等方面得到廣泛的應(yīng)用。如放大器、加法器、減法器、積分器、微分器等如放大器、加法器、減法器、積分器、微分器等1 集成運(yùn)放集成運(yùn)放(Integrated Operational Amplifier)在信號(hào)的在信號(hào)的運(yùn)算運(yùn)算、處理處理和和產(chǎn)生產(chǎn)生等方面得到廣泛的應(yīng)用。等方面得到廣泛的應(yīng)用。如限幅器、高頻檢波器、有源濾波器、電流電如限幅器、高頻檢波器、有源濾波器、電流電壓轉(zhuǎn)換器、頻率電壓轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、壓轉(zhuǎn)換器、頻率電壓轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、比較器、電壓跟隨器等比較器、電壓跟隨器等第第7章章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用2 集成運(yùn)放集成運(yùn)放(Integrated Operational Amplifier)在信號(hào)的在信號(hào)的運(yùn)算運(yùn)算、處理處理和和產(chǎn)生產(chǎn)生等方面得到廣泛的應(yīng)用。等方面得到廣泛的應(yīng)用。如正弦波振蕩器、多諧振蕩器等如正弦波振蕩器、多諧振蕩器等第第7章章 集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用3集成運(yùn)放由哪些單元電路構(gòu)成？傳輸特性如何？集成運(yùn)放由哪些單元電路構(gòu)成？傳輸特性如何？集成運(yùn)放知識(shí)回顧集成運(yùn)放知識(shí)回顧輸輸入入級(jí)級(jí)中中間間級(jí)級(jí)輸輸出出級(jí)級(jí)偏置電路偏置電路uPuOuN4uiduoUOHUOL線性區(qū)線性區(qū)Aud越大，運(yùn)放的線性范圍越小。越大，運(yùn)放的線性范圍越小。集成運(yùn)放知識(shí)回顧集成運(yùn)放知識(shí)回顧 若若UOH=-UOL=12V，Aud=105，uid在什么在什么范圍內(nèi)，運(yùn)放工作在線性區(qū)間范圍內(nèi)，運(yùn)放工作在線性區(qū)間?答答:|uid|0.12mV時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。時(shí)，運(yùn)放處于線性區(qū)。5通常為了保證通常為了保證運(yùn)放運(yùn)放工作在線工作在線性區(qū)間，引入深度性區(qū)間，引入深度負(fù)反饋負(fù)反饋。為保證運(yùn)放工作在非線性為保證運(yùn)放工作在非線性區(qū)，運(yùn)放區(qū)，運(yùn)放開(kāi)環(huán)工作開(kāi)環(huán)工作或引入或引入正反饋正反饋！uiduoUOHUOL線性區(qū)線性區(qū)集成運(yùn)放的工作區(qū)域集成運(yùn)放的工作區(qū)域運(yùn)放工作在不同的區(qū)間，有不同的特點(diǎn)，因此分析運(yùn)放工作在不同的區(qū)間，有不同的特點(diǎn)，因此分析集成運(yùn)放首先應(yīng)判斷其工作區(qū)間。集成運(yùn)放首先應(yīng)判斷其工作區(qū)間。6一、反相比例放大器一、反相比例放大器 1.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 7.1.1 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路 7.1 基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路 圖圖7.1.1反相比例放大器反相比例放大器7運(yùn)用運(yùn)用虛短虛短、虛斷虛斷特性分析特性分析因此因此 if=ii2.分析方法分析方法 i+=i-=0u+=u-83.傳輸特性傳輸特性 圖圖7.1.1反相比例放大器反相比例放大器b)閉環(huán)傳輸特性閉環(huán)傳輸特性a)電路電路94.輸入電阻和輸出電阻輸入電阻和輸出電阻 10二、同相比例放大器二、同相比例放大器 圖圖7.1.2同相比例放大器同相比例放大器i+=i-=0u+=u-11圖圖7.1.3 電壓跟隨器電壓跟隨器12圖圖7.1.4反相相加器反相相加器 一、反相輸入求和電路一、反相輸入求和電路 2.分析方法分析方法(1)運(yùn)用虛短、虛斷特性分析運(yùn)用虛短、虛斷特性分析(2)以以反相反相比例比例放大器放大器為基礎(chǔ)分析為基礎(chǔ)分析 1.電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 3.優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 各信號(hào)源支路相互獨(dú)立各信號(hào)源支路相互獨(dú)立;無(wú)共模信號(hào)輸入無(wú)共模信號(hào)輸入7.1.2 求和運(yùn)算電路求和運(yùn)算電路 13 二、同相輸入求和電路二、同相輸入求和電路 圖圖7.1.5同相求和運(yùn)算電路同相求和運(yùn)算電路 1.電路結(jié)構(gòu)及分析方法電路結(jié)構(gòu)及分析方法 i+=i-=0u+=u-14圖圖7.5同相求和運(yùn)算電路同相求和運(yùn)算電路 當(dāng)當(dāng)R1=R2=R時(shí)時(shí)各信號(hào)源支路互不獨(dú)立各信號(hào)源支路互不獨(dú)立;有共模信號(hào)輸入有共模信號(hào)輸入2.電路缺點(diǎn)電路缺點(diǎn) 15 例例1 試試設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)一一個(gè)個(gè)相相加加器器，完完成成uo=-(2ui1+3ui2)的的運(yùn)算，并要求對(duì)運(yùn)算，并要求對(duì)ui1、ui2的輸入電阻均的輸入電阻均100k。如何滿足輸入電阻阻值要求？如何滿足輸入電阻阻值要求？16所以所以Rf=300k，R2=100k，R1=150k。為為消消除除輸輸入入偏偏流流IIB產(chǎn)產(chǎn)生生的的誤誤差差，在在同同相相輸輸入入端端和和地地之之間間接入一接入一直流平衡電阻直流平衡電阻R3，并令，并令R3=R1R2Rf=50k。解解為滿足輸入電阻均為滿足輸入電阻均100k，選，選R2=100k17三、雙端輸入求和電路三、雙端輸入求和電路(分分解解)圖圖7.7雙端輸入求和運(yùn)算電路雙端輸入求和運(yùn)算電路 181920例例2 A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現(xiàn)，現(xiàn)有信號(hào)變化范圍為有信號(hào)變化范圍為-5V+5V。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)閷⑵渥兓秶優(yōu)?+5V。uO=0.5uI+2.5V電平抬高電路電平抬高電路A/D計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)uIuO+5V-5VuIt+5V+2.5VuOt21uO=0.5uI+2.5V=0.5(uI+5)V_+10k 20k+5V5k uI20k uO1uO_+20k 20k 10k 22設(shè)電容電壓的初始值設(shè)電容電壓的初始值uC(0)=0,則輸出電壓則輸出電壓uo(t)為為，所以，所以圖圖7-10 積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路 7.1.3 積分和微分運(yùn)算電路積分和微分運(yùn)算電路 在時(shí)域推導(dǎo)過(guò)程在時(shí)域推導(dǎo)過(guò)程而而一、一、積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路 23在頻域推導(dǎo)過(guò)程在頻域推導(dǎo)過(guò)程(設(shè)電容電壓的初始值設(shè)電容電壓的初始值uC(0)=0)圖圖7-10 積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路 24二、二、微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路 圖圖7.12 微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路在時(shí)域推導(dǎo)過(guò)程在時(shí)域推導(dǎo)過(guò)程在頻域推導(dǎo)過(guò)程在頻域推導(dǎo)過(guò)程257.1.4對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路一、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路一、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路 圖圖7.13 由二極管構(gòu)成由二極管構(gòu)成的基本對(duì)數(shù)運(yùn)算電路的基本對(duì)數(shù)運(yùn)算電路26 二、反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路二、反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路圖圖7.16 反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路271.1.理想運(yùn)放工作在線性理想運(yùn)放工作在線性(linear)狀態(tài)時(shí)的特性狀態(tài)時(shí)的特性2.2.比例運(yùn)算電路、求和運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路、求和運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和的結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法分析方法(1)(1)反相比例放大器、同相比例放大器反相比例放大器、同相比例放大器(2)(2)反相輸入求和電路反相輸入求和電路(3)(3)同相輸入求和電路同相輸入求和電路(4)(4)雙端輸入求和電路雙端輸入求和電路 281.1.理想運(yùn)放工作在線性理想運(yùn)放工作在線性(linear)狀態(tài)時(shí)的特性狀態(tài)時(shí)的特性;2.2.理想運(yùn)放工作在非線性理想運(yùn)放工作在非線性(nonlinear)狀態(tài)時(shí)的特性狀態(tài)時(shí)的特性;(1)“虛短虛短”特性特性(virtual short circuit)(2)“虛斷虛斷”特性特性(virtual open circuit)(1)“離散離散”特性特性(2)“虛斷虛斷”特性特性u(píng)iduoUOHUOL297.2 電壓比較器電壓比較器7.2.1電壓比較器概述電壓比較器概述 電壓比較器可由電壓比較器可由通用運(yùn)放通用運(yùn)放構(gòu)成，也可用構(gòu)成，也可用專專用芯片（即電壓比較器芯片）用芯片（即電壓比較器芯片）實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。30圖圖7.17 電壓比較器的符號(hào)及傳輸特性電壓比較器的符號(hào)及傳輸特性當(dāng)當(dāng)時(shí)，輸出時(shí)，輸出UOH 時(shí)，輸出時(shí)，輸出UOL；當(dāng)當(dāng)鑒別不靈敏區(qū)鑒別不靈敏區(qū)即輸出、輸入不呈線性關(guān)系即輸出、輸入不呈線性關(guān)系 1.基本特性基本特性(1)輸出呈開(kāi)關(guān)特性輸出呈開(kāi)關(guān)特性(2)工作在非線性狀態(tài)工作在非線性狀態(tài)31(1)閾值電壓閾值電壓(UT)2.參數(shù)參數(shù)(2)高電平高電平(UoH)和低電平和低電平(UoL)通用運(yùn)放通用運(yùn)放外限幅外限幅(3)鑒別靈敏度鑒別靈敏度 Aud越越大大,不不靈靈敏敏區(qū)區(qū)越越小小,鑒鑒別靈敏度越高。別靈敏度越高。(4)轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 專用芯片專用芯片327.2.2 單門(mén)限比較器單門(mén)限比較器 一、過(guò)零電壓比較器一、過(guò)零電壓比較器(Zero-Crossing Comparator)圖圖7.19反相輸入過(guò)零電壓比較器反相輸入過(guò)零電壓比較器 33圖圖7-21 反相輸入固定電壓比較器反相輸入固定電壓比較器 二、固定電壓比較器二、固定電壓比較器3435例例3 畫(huà)出下面電路的傳輸特性。畫(huà)出下面電路的傳輸特性。R2urR1uiuoRp分析方法：運(yùn)放比較的是分析方法：運(yùn)放比較的是u-和和u+。36當(dāng)當(dāng)時(shí)，輸出時(shí)，輸出UOH 時(shí)，輸出時(shí)，輸出UOL 當(dāng)當(dāng)也就是說(shuō)，當(dāng)也就是說(shuō)，當(dāng) 即即時(shí)，輸出發(fā)生轉(zhuǎn)折。時(shí)，輸出發(fā)生轉(zhuǎn)折。故輸入故輸入ui比較的閥值電壓為：比較的閥值電壓為：uouiUOHUOLUT37圖圖7.23 單門(mén)限電壓比較器抗干擾能力波形圖單門(mén)限電壓比較器抗干擾能力波形圖7.2.3遲滯比較器遲滯比較器(Hysteresis Comparator)38 一、反相輸入遲滯比較器一、反相輸入遲滯比較器圖圖7.24反相輸入遲滯比較器電路圖與傳輸特性反相輸入遲滯比較器電路圖與傳輸特性 鑒別不鑒別不靈敏區(qū)靈敏區(qū)UTLUTHU上限閥值上限閥值 下限閥值下限閥值 39比較器輸出、輸入量關(guān)系分析的關(guān)鍵比較器輸出、輸入量關(guān)系分析的關(guān)鍵比比較較器器的的輸輸出出從從一一種種電電平平跳跳到到另另一一種種電電平平的的臨臨界界條條件件（u+=u-）所所對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的輸輸入入電電壓壓（即即閾閾值電壓）。值電壓）。40UTLUTHUUTHUTLUr遲滯比較器應(yīng)用舉例遲滯比較器應(yīng)用舉例1/241遲滯比較器應(yīng)用舉例遲滯比較器應(yīng)用舉例2/2UTLUTHUUTHUTL42 二、同相輸入遲滯比較器二、同相輸入遲滯比較器圖圖7.25同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性同相輸入遲滯比較器及其傳輸特性437.2.4 窗口比較器窗口比較器(Window Comparator)圖圖7.26窗口比較器窗口比較器44Uo1 Uo2uo L L L H H L H HLHHH457.3 馳張振蕩器馳張振蕩器圖圖7.27 方波發(fā)生器方波發(fā)生器一、電路結(jié)構(gòu)一、電路結(jié)構(gòu)46二、工作原理二、工作原理1.2.4748圖圖7.29 占空比可調(diào)的馳張振蕩器占空比可調(diào)的馳張振蕩器491.1.電壓比較器的基本特性及其參數(shù)電壓比較器的基本特性及其參數(shù);本節(jié)內(nèi)容小節(jié)本節(jié)內(nèi)容小節(jié)(1)(1)輸出呈開(kāi)關(guān)特性輸出呈開(kāi)關(guān)特性;(2)(2)工作在非線性狀態(tài)工作在非線性狀態(tài);2.2.單門(mén)限比較器單門(mén)限比較器 ;3.3.遲滯比較器遲滯比較器;4.4.窗口比較器的工作原理窗口比較器的工作原理;(3)(3)高電平高電平(UoH)和低電平和低電平(UoL)的確定的確定;(2)(2)上、下限上、下限閥值閥值電壓的求法及畫(huà)電路傳輸特性電壓的求法及畫(huà)電路傳輸特性;(1)(1)反相輸入、同相輸入反相輸入、同相輸入遲滯比較器遲滯比較器電路電路結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu);5.5.馳張振蕩器馳張振蕩器的工作原理的工作原理;50 由于硅二極管的起始導(dǎo)通由于硅二極管的起始導(dǎo)通電壓約為電壓約為0.7V，用它來(lái)用它來(lái)對(duì)對(duì)小信小信號(hào)電壓進(jìn)行整流會(huì)產(chǎn)生很大的號(hào)電壓進(jìn)行整流會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，若采用由集成運(yùn)放組件誤差，若采用由集成運(yùn)放組件和二極管組成的如圖所示和二極管組成的如圖所示精精密整流電路密整流電路就可完成對(duì)微弱就可完成對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行半波精密整流。信號(hào)進(jìn)行半波精密整流。7-4-1精密整流電路精密整流電路 ttuo0ui0(b)VuiuoRL(a)0.7V51q 精密半波整流電路精密半波整流電路 ui=0時(shí)時(shí) uO =0 D1、D2 uO=0 ui 0 D1 、D2 uO=0 ui 0時(shí)時(shí) uO 0時(shí)，時(shí)，uo1=-ui,uo=-ui-2uo1=-ui+2ui=ui(2)當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，uo1=0,uo=-ui=-(-|ui|)=|ui|。所以所以54 圖圖 整流電路波形整流電路波形 q 精密全波整流電路精密全波整流電路 55(1)當(dāng)當(dāng)uiuo時(shí)時(shí)，uo10，二二極極管管開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)V導(dǎo)導(dǎo)通通，C充充電電，且且整整個(gè)個(gè)電電路路(A1、A2)構(gòu)構(gòu)成成跟跟隨隨器器，uo=uCui，輸輸出出跟跟隨隨ui增大；增大；(2)當(dāng)當(dāng)ui uo時(shí)時(shí)，uo1 0，V截截止止，A2輸輸入入阻阻抗抗很很大大，C無(wú)無(wú)放放電電回回路路，故故uo=uC，處處于于保保持持狀狀態(tài)態(tài)。這這樣樣，即即可可以實(shí)現(xiàn)峰值檢波。以實(shí)現(xiàn)峰值檢波。q峰值檢波電路峰值檢波電路 圖圖7 746 46 峰值檢波及電路峰值檢波及電路 (a)(a)波形；波形；(b)(b)電路電路 567.5有源濾波器有源濾波器7.5.1濾波電路的作用與分類濾波電路的作用與分類577.5.1濾波電路的作用與分類濾波電路的作用與分類587.5.2一階有源濾波器一階有源濾波器(a)同相輸入式電路同相輸入式電路 (b)幅頻特性曲線幅頻特性曲線 圖圖7-37 一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器597.5.2一階有源濾波器一階有源濾波器(d)反相輸入式電路反相輸入式電路 圖圖7-37 一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器607.5.2一階有源濾波器一階有源濾波器(a)同相輸入式電路同相輸入式電路 (b)幅頻特性曲線幅頻特性曲線 圖圖7-38 同相輸入式一階高通濾波電路同相輸入式一階高通濾波電路617.5.2一階有源濾波器一階有源濾波器圖圖7-39 反相輸入式一階高通濾波電路反相輸入式一階高通濾波電路62作作 業(yè)業(yè)7.87.17.47.963UCCRCUC2RCUC1UEEV1V2Iui1R1uoRfRp=R1/Rf反相端反相端同相端同相端接直流平衡電阻接直流平衡電阻Rp使輸入級(jí)的電使輸入級(jí)的電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱路結(jié)構(gòu)對(duì)稱當(dāng)輸入全部為當(dāng)輸入全部為0時(shí)，時(shí)，確保輸出也為確保輸出也為064(1)運(yùn)用深度負(fù)反饋分析方法運(yùn)用深度負(fù)反饋分析方法 u-=?又因?yàn)橛忠驗(yàn)?if=i1，則，則(2)運(yùn)用虛短、虛斷特性分析運(yùn)用虛短、虛斷特性分析又因?yàn)橛忠驗(yàn)?if=i1，則，則 65又因?yàn)橛忠驗(yàn)?if=i1+i2，則，則(1)運(yùn)用深度負(fù)反饋分析方法運(yùn)用深度負(fù)反饋分析方法 當(dāng)當(dāng)R1=R2=R3=R時(shí)時(shí)u-=?66又因?yàn)橛忠驗(yàn)?if=i1+i2，則，則(1)運(yùn)用虛短、虛斷特性分析運(yùn)用虛短、虛斷特性分析i+=i-=0u+=u-67又因?yàn)橛忠驗(yàn)?uo=uo1+uo2(2)以反相比例放大器為基礎(chǔ)進(jìn)行分析以反相比例放大器為基礎(chǔ)進(jìn)行分析68例（例（1）分析圖中各電路的功能；）分析圖中各電路的功能；（2）分別畫(huà)出圖中各電路的傳輸特性；）分別畫(huà)出圖中各電路的傳輸特性；（a）反相比例放大器）反相比例放大器69（b）同相比例放大器）同相比例放大器70（c）過(guò)零電壓比例器）過(guò)零電壓比例器71（d）遲滯電壓比例器）遲滯電壓比例器72（a）反相比例放大器）反相比例放大器（b）同相比例放大器）同相比例放大器（c）過(guò)零電壓比例器）過(guò)零電壓比例器（d）遲滯電壓比例器）遲滯電壓比例器73電壓比較器中的正反饋思考電壓比較器中的正反饋思考1.只在輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)存在正反饋現(xiàn)象。在其它只在輸出狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)存在正反饋現(xiàn)象。在其它情況下，輸出端的電壓保持不變（情況下，輸出端的電壓保持不變（UOH或或UOL）。）。2.發(fā)生正反饋時(shí)，由于環(huán)路增益發(fā)生正反饋時(shí)，由于環(huán)路增益|AF|1 ，輸出很快，輸出很快達(dá)到限幅值（達(dá)到限幅值（UOH或或UOL）。因沒(méi)有選頻網(wǎng)絡(luò)，故。因沒(méi)有選頻網(wǎng)絡(luò)，故不會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象。因輸出不能在運(yùn)放線性狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生振蕩現(xiàn)象。因輸出不能在運(yùn)放線性狀態(tài)下達(dá)到平衡，故此時(shí)的閉環(huán)增益不是一個(gè)常數(shù)，不能達(dá)到平衡，故此時(shí)的閉環(huán)增益不是一個(gè)常數(shù)，不能用一個(gè)類似負(fù)反饋的基本關(guān)系式描述。用一個(gè)類似負(fù)反饋的基本關(guān)系式描述。1.電壓比較器中是否一直存在正反饋現(xiàn)象電壓比較器中是否一直存在正反饋現(xiàn)象?2.電壓比較器中存在正反饋電壓比較器中存在正反饋,是否會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象是否會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象?74(3)(3)了解典型電壓比較器的電路組成、工作原理和性能特點(diǎn)。了解典型電壓比較器的電路組成、工作原理和性能特點(diǎn)。(1)(1)掌握比例運(yùn)算電路的掌握比例運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法；分析方法；(2)(2)掌握求和運(yùn)算電路的掌握求和運(yùn)算電路的結(jié)構(gòu)、工作原理和結(jié)構(gòu)、工作原理和分析方法；分析方法；本章教學(xué)基本要求本章教學(xué)基本要求75