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1、(5-1),電子技術(shù),第五章 線性處理器,模擬電路部分,(5-2),,第五章 線性處理器,5.1 運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn) 5.2 信號(hào)的運(yùn)算電路 5.3 運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn),(5-3),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。,,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),5.1 運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的特點(diǎn),(5-4),由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其所謂的理想運(yùn)放。,理想運(yùn)放的條件,,,,放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性

2、電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。,運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn),一、在分析信號(hào)運(yùn)算電路時(shí)對(duì)運(yùn)放的處理,(5-5),二、分析運(yùn)放組成的線性電路的出發(fā)點(diǎn),虛短路 虛開路 放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)， 可以分開分析。,(5-6),5.2.1 比例運(yùn)算電路,,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)放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。,5.2 信號(hào)的運(yùn)算電路,(5-7),i1= i2,1. 放大倍數(shù),虛短路,虛開路,一、反相比例運(yùn)算電路,,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。,,虛開路,(5-8),2. 電

3、路的輸入電阻,ri=R1,RP =R1 // R2,uo,為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時(shí)，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。,(5-9),4. 共模電壓,輸入電阻小、共模電壓為 0 以及“虛地”是反相輸入的特點(diǎn)。,3. 反饋方式,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,輸出電阻很小！,(5-10),反相比例電路的特點(diǎn)：,1. 共模輸入電壓為0，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求低。,2. 由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。,3. 由于并聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻小，因此對(duì)輸入電流有一定的要求。,4. 在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用 。,(5-11

4、),例：求Au =?,i1= i2,虛短路,虛開路,虛開路,(5-12),該放大電路，在放大倍數(shù)較大時(shí)，可避免使用大電阻。但R3的存在，削弱了負(fù)反饋。,(5-13),二、同相比例運(yùn)算電路,u-= u+= ui,,,反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋。輸入電阻高。,虛短路,虛開路,,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。,,虛開路,(5-14),同相比例電路的特點(diǎn)：,3. 共模輸入電壓為ui，因此對(duì)運(yùn)放的共模抑制比要求高。,1. 由于電壓負(fù)反饋的作用，輸出電阻小，可認(rèn)為是0，因此帶負(fù)載能力強(qiáng)。,2. 由于串聯(lián)負(fù)反饋的作用，輸入電阻大。,(5-15),此電路是電壓并聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻大，輸出電阻

5、小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。,三、電壓跟隨器,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。,(5-16),5.2.2 加減運(yùn)算電路,作用：將若干個(gè)輸入信號(hào)之和或之差按比例放大。,類型：同相求和和反相求和。,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)放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。,(5-17),,,,,一、反相求和運(yùn)算,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,(5-18),,,,,,,調(diào)節(jié)反相求和電路的某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例

6、關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。,(5-19),二、同相求和運(yùn)算,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,(5-20),,此電路如果以 u+ 為輸入 ，則輸出為：,u+ 與 ui1 和 ui2 的關(guān)系如何？,注意：同相求和電路的各輸入信號(hào)的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨(dú)調(diào)整。,流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛開路）,,(5-21),三、單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。,(5-22),虛短路,虛開路,虛開路,,(5-23),,解出：,單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路的特例：差動(dòng)放大器,,,,(5-24),差動(dòng)放大器放大了兩個(gè)信號(hào)的差，但是它的輸入電阻不高（=2R1

7、）, 這是由于反相輸入造成的。,(5-25),例：設(shè)計(jì)一個(gè)加減運(yùn)算電路， RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1) 畫電路。,系數(shù)為負(fù)的信號(hào)從反相端輸入，系數(shù)為正的信號(hào)從同相端輸入。,(5-26),(2) 求各電阻值。,,uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,(5-27),優(yōu)點(diǎn)：元件少，成本低。,缺點(diǎn)：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的調(diào)整計(jì)算不方便。,單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路,改進(jìn)：采用雙運(yùn)放電路。,(5-28),四、雙運(yùn)放的加減運(yùn)算電路,(5-29),例：A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現(xiàn)有信號(hào)變化范圍為-5V+5

8、V。試設(shè)計(jì)一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)?+5V。,,,uo = 0.5ui+2.5 V,(5-30),uo =0.5ui +2.5 V,=0.5 (ui +5) V,(5-31),,,,,,,1. 它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小 。,2. 關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。,3. 同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。,比例運(yùn)算電路與加減運(yùn)算電路小結(jié),(5-32),u= u+= 0,,,,微分運(yùn)算,(5-33),,輸入方波，輸出是三角波。,,,積分運(yùn)算,(5-34),,積分電路的主要用途：,1. 在電子開關(guān)中用于延遲。 2. 波形變換。例：將

9、方波變?yōu)槿遣ā?3. A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變?yōu)闀r(shí)間量。 4. 移相。,(5-35),運(yùn)算電路要求,1. 熟記各種單運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。 2. 掌握以上基本運(yùn)算電路的級(jí)聯(lián)組合的計(jì)算。 3. 會(huì)用 “虛開路(ii=0)”和“虛短路(u+=u) ”分析給定運(yùn)算電路的 放大倍數(shù)。,(5-36),非線性應(yīng)用：是指由運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系 uo=f( ui ) 是非線性函數(shù)。,由運(yùn)放組成的非線性電路有以下三種情況：,1. 電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。,比如：運(yùn)放開環(huán)應(yīng)用,運(yùn)放電路中有正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)。,,(5-37),2. 電路中的運(yùn)放處于線

10、性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、三極管、穩(wěn)壓管等）。,ui0時(shí)：,ui<0時(shí)：,(5-38),3. 另一種情況，電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)，外圍電路也有非線性元件（二極管、三極管）。,由于處于線性與非線性狀態(tài)的運(yùn)放的分析方法不同，所以分析電路前，首先確定運(yùn)放是否工作在線性區(qū)。,確定運(yùn)放工作區(qū)的方法：判斷電路中有無負(fù)反饋。,若有負(fù)反饋，則運(yùn)放工作在線性區(qū)； 若無負(fù)反饋，或有正反饋，則運(yùn)放工作在非線性區(qū)。,處于非線性狀態(tài)運(yùn)放的特點(diǎn)：,1. 虛短路不成立。 2. 輸入電阻仍可以認(rèn)為很大。 3. 輸出電阻仍可以認(rèn)為是0。,,(5-39),對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路,在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要進(jìn)行對(duì)數(shù)運(yùn)算或

11、反對(duì)數(shù)(指數(shù))運(yùn)算。例如，在某些系統(tǒng)中，輸入信號(hào)范圍很寬，容易造成限幅狀態(tài)，通過對(duì)數(shù)放大器，使輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的對(duì)數(shù)成正比，從而將信號(hào)加以壓縮。又例如，要實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)的相乘或相除等等，都需要使用對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。 通過晶體管的PN結(jié)的伏安特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。,1、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路：,最簡(jiǎn)單的對(duì)數(shù)運(yùn)算器是將反相比例放大器的反饋電阻Rf換成一個(gè)二極管或三極管，如右圖所示。,(5-40),由于：Iid = 0 、且“-”端虛地，即：U- = U+ = 0,則有：,而：,即：,即輸出電壓與輸入電壓的對(duì)數(shù)成正比。對(duì)數(shù)電路中，輸入電壓必須為正，輸出電壓的幅值不超過0.7伏。輸出電壓還與UT和I

12、S有關(guān)，而UT和IS對(duì)溫度很敏感，所以此電路的漂移嚴(yán)重，不能付諸于實(shí)用。一般改善的辦法是：用對(duì)管消除IS的影響；用熱敏電阻補(bǔ)償U(kuò)T的溫度影響。具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)運(yùn)算電路見P114。,(5-41),二、指數(shù)運(yùn)算電路,當(dāng) uI 0 時(shí)，根據(jù)集成運(yùn)放反相輸入端“虛地”及“虛斷”的特點(diǎn)，可得：,所以：,可見，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)。,圖 7.2.27指數(shù)運(yùn)算電路,1.基本電路,,,(5-42),利用對(duì)數(shù)和指數(shù)電路實(shí)現(xiàn)的乘除電路,乘法電路的輸出電壓正比于其兩個(gè)輸入電壓的乘積，即,uo = uI1uI2,求對(duì)數(shù)，得：,再求指數(shù)，得：,所以利用對(duì)數(shù)電路、求和電路和指數(shù)電路，可得乘法電路的方塊圖：,,,對(duì)數(shù)電路,,,,對(duì)數(shù)電路,uI1,uI2,lnuI1,,lnuI2,求和電路,,lnuI1+ lnuI2,指數(shù)電路,,,uO = uI1uI2,圖 7.2.29,,(5-43),同理：,除法電路的輸出電壓正比于其兩個(gè)輸入電壓相除所得的商，即：,求對(duì)數(shù)，得：,再求指數(shù)，得：,所以只需將乘法電路中的求和電路改為減法電路即可得到除法電路的方塊圖：,,,對(duì)數(shù)電路,,,,對(duì)數(shù)電路,uI1,uI2,lnuI1,,lnuI2,減法電路,,lnuI1- lnuI2,指數(shù)電路,,,,