模擬信號(hào)運(yùn)算電路

1、 第七章第七章 模擬信號(hào)運(yùn)算電路模擬信號(hào)運(yùn)算電路模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路內(nèi)容提要內(nèi)容提要信號(hào)運(yùn)算是集成運(yùn)放一個(gè)重要而基本的應(yīng)用領(lǐng)域。本章討論集成運(yùn)放組成的比例電路、求和電路、積分和微分電路、對(duì)數(shù)和指數(shù)電路以及乘法和除法電路。 模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.1 7.1 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路7.1.1 7.1.1 反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路R R1 1R R2 2R RF FuIuoiIi-i+iFu-u+A AFRRR/12 根據(jù)虛斷和虛地，得：FOIRuuRuu 1反相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為1RRuuAFIOuf 輸入電阻1RRif 模

2、模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.1.2 7.1.2 同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路FRRR/12 同相比例運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為11RRuuAFIOuf R1R2RFuIuoiIi-i+iFu-u+A根據(jù)虛斷和虛短，得：OFuRRRu 11Iuuu OFIuRRRu 11FOFRRRuuF 11反饋系數(shù)模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.1.3 7.1.3 差分比例運(yùn)算電路差分比例運(yùn)算電路uoiFAIu Iu1R1R FRFR 1R1R=FRFR =OFIFFuRRRuRRRu 111虛斷：IFFOFIFFuRRRuRRRuRRR 1111虛短：差分比例運(yùn)算電

3、路的電壓放大倍數(shù)1RRuuuAFIIOuf 12RRif 差分比例運(yùn)算電路的差模輸入電阻模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.1.4 7.1.4 比例電路應(yīng)用實(shí)例比例電路應(yīng)用實(shí)例集成運(yùn)放應(yīng)用非常廣泛，主要體現(xiàn)在信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)自動(dòng)控制等方面。本節(jié)主要介紹高輸入電阻、高共模抑制比的差動(dòng)數(shù)據(jù)放大電路。見(jiàn)下圖。+-A1+-A2+-A3UI1UI2R1R2R3R4R5R6R7UO1UO2UO模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路第一級(jí)差分放大器上、下對(duì)稱，R1的中點(diǎn)可視為接地點(diǎn)，故212211212121IOIOURRUURRU第一級(jí)由A1、A2組成 第二級(jí)由A3構(gòu)成，增益

4、設(shè)計(jì)為1，且要求四個(gè)外接電阻嚴(yán)格匹配，則有12122121IIOOOUURRUUU可見(jiàn)，調(diào)節(jié)R1可以方便地調(diào)節(jié)放大器的增益，而不影響電路的對(duì)稱性。模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路下圖為數(shù)據(jù)放大器的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用例子，該電路的性能指標(biāo)為：下圖為數(shù)據(jù)放大器的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用例子，該電路的性能指標(biāo)為：噪聲電壓100uFAdBCMRR120nAIOS5C0.3mv/o溫漂VVumRmRiicO106,1,100)(3ppmVNF共模輸入模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路由虛斷和由虛斷和虛地可得虛地可得7.2.1 7.2.1 反相輸入求和電路反相輸入求和電路 在反相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)

5、上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了反相輸入求和電路。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。R2RFuI1uoi1iFA AR1uI2i2R7.2 7.2 求和運(yùn)算電路求和運(yùn)算電路)()(I2I1I22FI11FouuuRRuRRu21/ RRR 模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.2.2 7.2.2 同相輸入求和電路同相輸入求和電路 在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支在同相比例運(yùn)算電路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)輸入支路，就構(gòu)成了同相輸入求和電路，如下圖所示。路，就構(gòu)成了同相輸入求和電路，如下圖所示。 因 運(yùn) 放 具因 運(yùn) 放 具有虛斷的特性有虛斷的

6、特性，對(duì)運(yùn)放同相，對(duì)運(yùn)放同相輸入端的電位輸入端的電位可用疊加原理可用疊加原理求得求得: :R1RFuI1uoiFAuI21R 2R R 模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路虛斷:RuRuuRuuII 22110 i解得:2211IIuRRuRRu RRRR /21因虛短: uu 2211111111IIFFFOuRRuRRRRuRRuRRu模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.3.1 7.3.1 積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路 積分運(yùn)算電路的分析方法與求和電路差不多，反相積分運(yùn)算電路如下圖所示。RuIuoiIi-i+icAR CuC一、電路組成RR 7.3 7.3 積分和微分電

7、路積分和微分電路模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路tuRCtiCuud1d1ICCO 當(dāng)開(kāi)始積分之前，電容兩端已經(jīng)存在一個(gè)初始電壓，則積分電路將有一個(gè)初始的輸出電壓Uo(0)。)0(d1IOOUtuRCu RuIuoiIi-i+icAR CuC，于是虛地：RuiI1 RC t t模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路二、輸入、輸出波形（一）輸入電壓為矩形波IuOuIUtt1t0t)(10ttRCUdtuRCuIIO （二）輸入電壓為正弦波tRCUtdtURCummO cossin1 模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.3.2 7.3.2 微分電路微分電路R R

8、uIuoiRi-i+icA AR CuC因因“虛斷虛斷”，則，則RCii 因因“虛地虛地”，則，則dtduRCdtduRCRiRiuICCRo 微分電路可用于實(shí)現(xiàn)波形變換，如將矩形波變換為尖脈沖；也可用于移相作用。uI模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路R Ru uo oA AR CR R1 1C1CVDVDZ1Z1VDVDZ2Z2實(shí)用微分電路實(shí)用微分電路7.47.4對(duì)數(shù)和指數(shù)電路對(duì)數(shù)和指數(shù)電路7.4.17.4.1對(duì)數(shù)電路對(duì)數(shù)電路R RuIuoiRi-i+iDA AR uD半導(dǎo)體二極管的電流半導(dǎo)體二極管的電流i iD D與其與其電壓電壓u uD D之間存在以下關(guān)系：之間存在以下關(guān)系：

9、TUDuTDTDeIeIiSUuUuSD1則則SDTDIiUuln上圖電路中，利用上圖電路中，利用“虛地虛地”的原理可得：的原理可得：模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路RIuUIiUIiUuuSITSRTSDTDolnlnlnR RuIuoiRi-i+A AR 通過(guò)以上分析可見(jiàn)，輸出電壓與通過(guò)以上分析可見(jiàn)，輸出電壓與輸入電壓的對(duì)數(shù)成正比。輸入電壓的對(duì)數(shù)成正比。為獲得較大的工作范圍，通常將雙極型三極管接成為獲得較大的工作范圍，通常將雙極型三極管接成二極管的形式作為反饋支路。具體電路見(jiàn)下圖。二極管的形式作為反饋支路。具體電路見(jiàn)下圖。模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.4.

10、27.4.2指數(shù)電路指數(shù)電路RuIuoiIi-i+iRAR 根據(jù)根據(jù)“虛地虛地”可得：可得：TITBEUuSUuSIeIeIi根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”可得：可得：可見(jiàn)，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)?？梢?jiàn)，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)。TIUuSIRoIRiRiuRe模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.57.5乘法和除法電路乘法和除法電路7.5.17.5.1由對(duì)數(shù)及指數(shù)電路組成的乘除法電路由對(duì)數(shù)及指數(shù)電路組成的乘除法電路對(duì)數(shù)電對(duì)數(shù)電路路對(duì)數(shù)電對(duì)數(shù)電路路求和求和電路電路指數(shù)電指數(shù)電路路1Iu2Iu1lnIu2lnIu21lnlnIIuu 21 IIouuu 對(duì)數(shù)電對(duì)數(shù)電路路對(duì)數(shù)電對(duì)數(shù)電路

11、路減法減法電路電路指數(shù)電指數(shù)電路路1Iu2Iu1lnIu2lnIu21lnlnIIuu 21IIouuu 乘法電路的輸出電壓正比于其兩個(gè)輸入電壓的乘積。除法電路的輸出電壓正比于兩個(gè)輸入的電壓相除所得的商模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路7.5.27.5.2模擬乘法器模擬乘法器uI1uI2uO模擬乘法器的圖形符號(hào)見(jiàn)右圖21IIouKuu K為正值時(shí)稱為同相乘法器K為負(fù)值時(shí)稱為反相乘法器根據(jù)極性的不同，模擬乘法器可分為四模擬乘法器廣泛應(yīng)用于電子測(cè)量?jī)x表、無(wú)線電通信等領(lǐng)域。21IIuu和象限乘法器、二象限乘法器和單象限乘法器模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路恒流源式差動(dòng)放大器

12、見(jiàn)右圖：uI1RCRC+VCC-VEEVT1VT2+ uo -I+-恒流源式差動(dòng)放大電路的輸出電壓為：1IbeCourRu而EQTbbbeIUrr)1 (當(dāng)靜態(tài)發(fā)射極電流IEQ 較小時(shí)，可將 忽略。同時(shí)由于電路對(duì)稱，則 bbrIIEQ21IUrTbe)1 (2所以模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路則結(jié)論：輸出電壓正比于輸入電壓與恒流源電流的乘積?；谶@個(gè)結(jié)論，可以實(shí)現(xiàn)變跨導(dǎo)式乘法器如下圖uI1RCRC+VCC-VEEVT1VT2+ uo -+-uI2+-VT3ReIeIBEIRu，Iuu232時(shí)當(dāng)21212IIIITeCouKuuuURRu則即輸出電壓正比于輸入電壓的乘積，實(shí)現(xiàn)了乘

13、法運(yùn)算。IuURIuURuITCITC112)1 (2模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路下面介紹模擬乘法器應(yīng)用的幾個(gè)例子：1、平方運(yùn)算：將同一個(gè)輸入電壓接到模擬乘法器的兩個(gè)輸入端，即可實(shí)現(xiàn)平方運(yùn)算。uIuO2IoKuu 2、除法運(yùn)算和開(kāi)方電路R1uI1uoi1AR uI2R2i2uO1211IIouKuu根據(jù)“虛斷”，可得21ii 模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路根據(jù)“虛短”，可得：oIoIuuRKRuRu222111整理可得：2112IIouuKRRu即輸出電壓正比于兩個(gè)輸入電壓相除所得的商。若把乘法器的兩個(gè)輸入端均接到集成運(yùn)放的輸出電壓uO端，即可構(gòu)成開(kāi)方運(yùn)算電路。 oIouuKRRu112整理可得112IouKRRu模模 擬擬 信信 號(hào)號(hào) 運(yùn)運(yùn) 算算 電電 路路3、倍頻：將一個(gè)正弦波電壓同時(shí)接到乘法器的兩個(gè) 輸入端tUuumIIsin21則乘法器輸出如下式：)2cos1 (21)sin(2221tUtUKuKuummIIo通過(guò)隔直電容后可得二倍頻的余弦波輸出電 路，實(shí)現(xiàn)了倍頻作用4、功率測(cè)量：將被測(cè)電路的電壓信號(hào)和電流信號(hào)分 別接到乘法器的兩個(gè)輸入端，則其輸出電壓即反 映了被測(cè)電路的功率5、自動(dòng)增益控制：將信號(hào)電壓和直流控制電壓分 別接到