現代電子線路05集成運算的運用.ppt

2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.1,第五章：集成運放的應用,本章內容： 5.1 運算放大器的線性運用 5.2 運算放大器的非線性運用,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.2,5.1 運算放大器的線性運用,一、比例運算電路,電路均滿足深度負反饋條件。,虛短：,，即正反向輸入端可看作短路。,（virtual short circuit）,虛斷：理想運放輸入偏置電流為零，即 ，輸入 端沒有電流流入，相當于斷路（虛斷virtual open circuit）。,1、理想運放的特性,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.3,2、反相比例運算電路,虛斷條件：,虛短條件：,以滿足差動輸入級的對稱性,若,，則,，相當于反相器。,失真問題：無法討論，一般要求電源電壓是uo的三倍，避免飽和失真。,此時稱a點為虛地(virtual ground)點。,補償電阻,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.4,輸出電阻：屬于電壓負反饋，Ro0，輸出特性類似于恒壓源。,輸入電阻：屬于并聯負反饋，RiR1，電路輸入電阻由R1決定。,電路外圍電阻一般不超過兆歐量級，否則不滿足運放理想化條件，在要求大輸入電阻和高增益時，可采用如下電路：,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.5,虛斷條件：,虛短條件：,若,，則,，相當于電壓跟隨器。,輸入電阻：,輸出電阻：,3、同相比例運算電路,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.6,整理，得：,4、差分比例運算電路,若,，則,，電路實現減法運算。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.7,1、反相輸入加法電路,a為虛地點。,二、加減運算電路(scaling circuit),(inverting input summing circuit),2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.8,2、同相輸入加法電路,式中,即,整理，得,(noninverting input summing circuit),2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.9,又因為,化簡，得：,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.10,3、差分輸入加減電路,ui1、ui2為反相輸入求和，輸出為uo1，,ui3、ui4為同相輸入求和，輸出為uo2，,疊加，得,(differential input),2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.11,同相級聯減法電路,優(yōu)點：輸入電阻高。,同相串聯減法電路,若,則，,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.12,三、積分、微分運算電路,1、積分運算電路,令,，則,可見，輸出電壓與輸入電壓的積分成正比。,矩形波三角波,(integration circuit),2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.13,2、微分運算電路,可見，輸出電壓與輸入電壓的微分成正比。,矩形波尖脈沖,其它運算：對數、指數、乘法、除法,(differential circuit),2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.14,濾波電路：對信號的頻率具有選擇性，可使特定頻率范圍的信號順 利通過，阻止其它頻率的信號通過。在通信、自動測量及控制等系統中，用于數據傳輸、抑制干擾等。,四、RC有源濾波電路,1、概述,無源濾波器：由無源元件R、L和C構成，如LC濾波電路（體積大， 不易集成）、RC濾波電路（信號衰減）；,有源濾波器：由集成運放和RC電路構成，性能好、有隔離作用， 高頻性能差，一般不高于10kHz。（高頻可用LC無源濾波器，對于帶通濾波，可用陶瓷濾波器或聲表面波濾波器。）,filter （LPF）,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.15,理想低通濾波器（LPF）,理想高通濾波器（HPF）,理想帶通濾波器（BPF）,理想帶阻濾波器（BEF）,根據電路的通帶、阻帶在幅頻特性中的位置不同，濾波電路可以分為四大類：,(low pass filter),(high pass filter),(band pass filter),(band elimination filter),2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.16,實際濾波器在通帶與阻帶之間存在 過渡帶（以低通濾器為例）。 通帶截止頻率fH ：當|Au|=0.707AUM時的頻率； 通帶：從0到fH的頻段； 過渡帶：從fH到|Au|接近0的頻段； 阻帶： |Au|接近0的頻段； 通帶放大倍數：通帶中輸出電壓與輸入電壓之比AUM。 （對低通濾波器即為頻率等于0時的輸出電壓與輸入電壓之比。）,濾波電路的重要特性指標： 通帶放大倍數（AUM）、通帶截止頻率（fH、fL）、過渡帶的衰減斜率。 目標：通帶內|Au|平坦，過渡帶衰減斜率大。,實際低通濾波器幅頻特性,實際濾波器,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.17,20lg|Au|,-20dB/十倍頻,0.1fH,3dB,f,fH,10fH,20lg|AuM|,其中：,2、低通濾波器（LPF）,、一階無源RC低通濾波器,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.18,帶負載RL情況：,其中：,無源濾波器電壓放大倍數低，帶負載能力差； 其通帶放大倍數和截止頻率都受負載影響，不便于多級級連。,20lg|Au|,-20dB/十倍頻,3dB,f,fH,fH,20lg|AuM|,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.19,在無源濾波電路和負載之間加入隔離電路 （電壓跟隨器）即構成了有源濾波器，克服無源濾波器帶負載能力差的缺點。,、一階有源RC低通濾波器,若采用同相運算電路，則濾波器還能起到放大作用。,具有放大作用的LPF,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.20,其中：,通帶電壓放大倍數：,過渡帶衰減緩慢。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.21,其中：,、二階有源RC低通濾波器,增加一級RC網絡，構成二階LPF。,通帶電壓放大倍數：,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.22,當 時，上式分母的模應為 ，即,解得：,代入 f0，,過渡帶衰減速度增大一倍。,在f0處的幅頻特性差； 巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、貝塞耳(Bessel)濾波器； 高階低通濾波器可由多個低階低通濾波器級連得到； 電路設計仿真。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.23,3、高通濾波器（HPF）,、一階無源RC高通濾波器,其中：,LPF與HPF具有對偶性，即將R、C位置互換，低通濾波就成為高通濾波器。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.24,、一階有源高通濾波器,過渡帶的衰減斜率：20dB/十倍頻,20lg|Au|,20dB/十倍頻,0.1fL,3dB,f,fL,10fL,其中：,20lg|AuM|,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.25,其中：,、二階有源高通濾波器,過渡帶的衰減斜率：40dB/十倍頻,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.26,將低通濾波器與高通濾波器級連，就可得到帶通濾波器。,fH,fL,fL,fH,fH fL,4、帶通和帶阻濾波電路,、帶通RC有源濾波器（BPF）,條件：,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.27,將輸入信號同輸入到低通濾波器和高通濾波器，然后再將兩個輸出求和，就可得到帶阻濾波器。,、帶阻RC有源濾波器（BEF）,fH,fL,fL,fH,fH fL,條件：,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.28,5.2 運算放大器的非線性運用,波形發(fā)生器：無需外加激勵而能產生周期性信號的電路。又稱信號發(fā)生器、振蕩器。根據需要的不同，可產生正弦信號、脈沖信號、函數信號、噪聲信號、掃頻信號和調制信號。,波形發(fā)生器,正弦波發(fā)生器,非正弦波發(fā)生器,反饋式正弦波發(fā)生器,負阻式正弦波發(fā)生器,多諧振蕩器（矩形波發(fā)生器）,函數信號發(fā)生器,噪聲信號發(fā)生器,掃頻信號發(fā)生器,調制信號發(fā)生器,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.29,比較器：比較輸入信號電壓大小的電路。輸出為二值狀態(tài)（非高即低），與輸入不成線性關系。用于測量技術、自動控制、波形發(fā)生器與波形變換電路。,比較器,單限比較器,滯回比較器（遲滯比較器）,雙限比較器,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.30,一、單限比較器,單限比較器：只有一個門限電壓的比較器。,1、基本單限比較器,電壓傳輸特性,運放工作在開環(huán)狀態(tài)，,（105以上）,uiUREF時，uouo+（正向飽和）,uiUREF時，uouo-（負向飽和）,門限電壓,由uo的正負可判斷ui與門限電壓（閾值電壓）的大小關系。,反相輸入,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.31,2、過零比較器,閾值電壓為零的比較器。,電壓傳輸特性,兩個穩(wěn)壓二極管對接與R1構成限幅電路，使輸出不至飽和。,ui0時，uoUZ+UD,ui0時，uo-UZ-UD,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值,穩(wěn)壓管正偏壓降,同相輸入,輸出限幅電路,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.32,應用：波形變換。,正弦波,矩形波,正弦信號每過一次零點，輸出跳變一次。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.33,3、一般單限比較器,ui,uo,0,UZ,-UD,電壓傳輸特性,輸出電壓跳變的臨界條件：,時，uoUZ,時，uo-UD,改變R1、R2的值，可調節(jié)門限電壓。,輸出限幅電路,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.34,二、滯回比較器,反相輸入滯回比較器,又稱作施密特觸發(fā)器。在比較器上引入正反饋，具有滯回特性。,1、反相輸入滯回比較器,輸出電壓跳變的臨界條件為：,由疊加定理可得：,故,時，輸出將發(fā)生跳變。,由于uo可能是高電平或低電平，從而使門限電平發(fā)生變化。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.35,uo,ui由小變大時的傳輸特性,ui由大變小時的傳輸特性,、ui由小變大,ui足夠小時，uouo，,此時門限電平為：,、ui由大變小,ui足夠大時，uouo-，,此時門限電平為：,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.36,將兩部分合在一起，可得滯回比較器的電壓傳輸特性。,電壓傳輸特性,其中：,上門限電壓,下門限電壓,定義回差,回差UH,滯回比較器特性：抗干擾能力強。（由于存在回差，噪聲干擾信號幅值小于回 差時，將不會引起輸出翻轉）,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.37,應用：甄別脈沖個數、整型,甄別超過某一幅度的脈沖個數,整型,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.38,2、同相輸入滯回比較器,uo,RP,R1,ui,UREF,RF,ui,uo,0,U1,uo+,uo-,U2,輸出電壓跳變的臨界條件為：,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.39,三、雙限比較器（窗口比較器）,設：UREF1UREF2,1、當uiUREF2時，,uo1為低電平，D1截止； uo2為高電平，D2導通； uo輸出高電平。,2、當UREF2uiUREF1時，,uo1為低電平，D1截止； uo2為低電平，D2截止； uo輸出為零。,3、當uiUREF1時，,uo1為高電平，D1導通； uo2為低電平，D2截止； uo輸出高電平。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.40,四、矩形波發(fā)生器（多諧振蕩器）,1、方波發(fā)生電路,、電路組成,R1、R2構成滯回比較器；,R、C構成負反饋回路，利用RC電路的充放電特性，改變電容C兩端的電壓，作為滯回比較器的輸入信號使輸出發(fā)生跳變。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.41,、工作原理,設初態(tài)時，電容兩端電壓為零，輸出為高電平。,、uo為高電平，開始通過R對C充電，充電常數為,當電容電壓達到UH時，輸出跳變?yōu)榈碗娖絬o-=-UZ-UD，由于電容電壓大于輸出電壓，電容開始通過R放電。,充電,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.42,放電,、uo為低電平，電容放電。,電容放電為零后，開始反相充電，當電容電壓達到UL時，輸出跳變?yōu)楦唠娖絬o+=UZUD。,、uo為高電平，電容反向放電為零后，正向充電。達到U+H后輸出跳變?yōu)閡o-。,如此循環(huán)，輸出方波信號。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.43,、振蕩頻率,T1,T2,對于負半周：,三要素法：,解得：,電路充放電時間常數一致，故T2T1。,則：,周期,頻率,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.44,2、占空比可調的矩形波發(fā)生電路,由于二極管的存在，放電通路為RW1、D1、R和C，時間常數為(RW1+R)C；充電通路為RW2、D2、R和C，時間常數為(RW2+R)C。,改變電位器RW的滑動端位置，可以改變輸出矩形波的占空比。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.45,t,0,UZ+UD,uo(t),-UZ-UD,T2,T1,占空比,可調范圍,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.46,五、三角波發(fā)生器*,1、電路結構,A1構成同相輸入滯回比較器，A2構成積分器，A2的輸出經反饋作為A1的輸入信號使A1產生方波信號，A1輸出的方波將在積分器上變換成線性度很高的三角波輸出。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.47,2、工作原理,A1輸出跳變的臨界條件為：,即,周期,三角波斜率,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.48,六、鋸齒波發(fā)生器*,1、電路結構,在三角波基礎上引入二極管，改變積分電容充放電時間常數，使輸出波形不對稱，形成鋸齒波。,2019/12/4,School of Physics, Peking University,第五章 No.49,2、工作原理,