1、 隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的集成電路不斷涌現(xiàn)。它們被工隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的集成電路不斷涌現(xiàn)。它們被工程技術(shù)人員當(dāng)作積木塊構(gòu)成各種電子系統(tǒng)。本章討論運(yùn)放和乘法器的一些程技術(shù)人員當(dāng)作積木塊構(gòu)成各種電子系統(tǒng)。本章討論運(yùn)放和乘法器的一些典型應(yīng)用電路。典型應(yīng)用電路。第第7章在討論在深度負(fù)反饋條件下對負(fù)反饋電路進(jìn)行近似計(jì)算時，曾經(jīng)章在討論在深度負(fù)反饋條件下對負(fù)反饋電路進(jìn)行近似計(jì)算時，曾經(jīng)得出兩個重要概念：得出兩個重要概念：1.集成運(yùn)放兩個輸入端之間的電壓通常接近于零，即集成運(yùn)放兩個輸入端之間的電壓通常接近于零，即vI=vN vP 0,若理想化，若理想化，vI=0，稱為虛短。，稱為虛短

2、。2.集成運(yùn)放兩輸入端幾乎不取電流，即集成運(yùn)放兩輸入端幾乎不取電流，即 iI 0,若理想化，若理想化，則則iI=0，iN =iP=0,稱為虛斷稱為虛斷。 利用這兩個概念分析各種運(yùn)算與處理電路的線性工作（運(yùn)放利用這兩個概念分析各種運(yùn)算與處理電路的線性工作（運(yùn)放組成的電路是負(fù)反饋電路）情況將十分方便。組成的電路是負(fù)反饋電路）情況將十分方便。虛短虛短vN =vP,虛斷虛斷iN =iP=0 8信號運(yùn)算與處理電路信號運(yùn)算與處理電路8.1基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路 運(yùn)放構(gòu)成的基本運(yùn)算電路主要有運(yùn)放構(gòu)成的基本運(yùn)算電路主要有：比例、加法、減法、比例、加法、減法、微分、積分電路。微分、積分電路。 在分析時，在分析

3、時，要注意要注意輸入方式輸入方式，判別判別反饋的類型反饋的類型，利用虛利用虛短、虛斷的概念短、虛斷的概念，得出近似的，得出近似的結(jié)果結(jié)果。 比例放大器比例放大器1.反相比例反相比例 輸入信號從反相輸入端接入輸入信號從反相輸入端接入; 引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)。引入電壓并聯(lián)負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)。 利用虛短和虛斷的概念利用虛短和虛斷的概念，得電壓增益得電壓增益 電路特點(diǎn)電路特點(diǎn)：在理想情況下在理想情況下,該電路具有虛短、虛斷該電路具有虛短、虛斷、虛地概念。因有、虛地概念。因有“虛地虛地”，共模電壓為零共模電壓為零，故對共故對共模抑制比要求低模抑制比要求低；電路的電路的輸入電阻較小輸

4、入電阻較小，向信號源吸向信號源吸取的電流較大；電路的取的電流較大；電路的輸出電阻小輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。帶負(fù)載能力強(qiáng)。 1RRvvfSo 2.同相比例同相比例 輸入信號從輸入信號從同相輸入同相輸入端接入端接入， 引入了引入了電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓串聯(lián)負(fù)反饋，利用虛短和虛斷的概念，有利用虛短和虛斷的概念，有11RRvvfso 1 sovv 電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：在理想情況下在理想情況下,該電路具有虛短、虛斷概念。由于，共模該電路具有虛短、虛斷概念。由于，共模電壓不為零，故對運(yùn)放的共模抑制比要求較高；電路的輸入電阻大，向信號電壓不為零，故對運(yùn)放的共模抑制比要求較高；電路的輸入電阻大，向信號源吸取的電

5、流較小；電路的輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。源吸取的電流較小；電路的輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 當(dāng)當(dāng) R1= ,Rf=1時，電壓增益為時，電壓增益為1，輸出電壓與輸入電壓大小相等，輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，稱此電路為相位相同，稱此電路為電壓跟隨器電壓跟隨器。此電路隔離性好，常作為緩沖級。此電路隔離性好，常作為緩沖級。8.1.1加法電路加法電路利用虛短、虛斷，有利用虛短、虛斷，有)()(22112211RvRvRvRvRvRvssfossfo 8.1.2減法電路減法電路 利用反相信號求和實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算利用反相信號求和實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算1111sfovRRv 112122221112221)()(

6、)(222RRvvRRRvRRvRRRvRvRvfssfssffsofo 當(dāng)當(dāng)，2.利用差分式電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算利用差分式電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算 電壓增益電壓增益 輸入信號從兩個輸入端接入，放大的是兩輸入信號之差，因此稱為差分輸入信號從兩個輸入端接入，放大的是兩輸入信號之差，因此稱為差分式放大器。電路引入了電壓負(fù)反饋。式放大器。電路引入了電壓負(fù)反饋。利用虛短和虛斷的概念，有利用虛短和虛斷的概念，有ofSffNSPvRRRvRRRvvRRRv 11112323112RRvvvfiio 電路特點(diǎn)電路特點(diǎn):該電路具有該電路具有虛短虛短、虛斷虛斷概念。概念。共模電壓不為零共模電壓不為零，故對運(yùn)，故對運(yùn)放的共模

7、抑制比要求較高；電路的放的共模抑制比要求較高；電路的輸出電阻小輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)。，帶負(fù)載能力強(qiáng)。 該電路可用于檢測儀器中。性能更好的差分式放大電路用多該電路可用于檢測儀器中。性能更好的差分式放大電路用多只運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。只運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。例例8.1.1 圖圖8.1.4所示為一高輸入阻抗，低輸出阻抗的儀用放大器。假設(shè)所示為一高輸入阻抗，低輸出阻抗的儀用放大器。假設(shè)集成運(yùn)放是理想的，試證明集成運(yùn)放是理想的，試證明)2/()()(124312111RRvvRvvvvRR )(21(211234vvRRRRvo )(21()(2112344334vvRRRRvvRRvo 由前差分電路結(jié)果得由前差分電路結(jié)果

8、得解：解：1)A1、A2組成的第組成的第一級差分電路引入電壓一級差分電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋；串聯(lián)負(fù)反饋；A3組成組成的第二級差分電路也的第二級差分電路也引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋；引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋；2）電路為深度負(fù)反）電路為深度負(fù)反饋。由虛短和虛斷：饋。由虛短和虛斷： 8.1.3積分電路積分電路 輸入信號從反相端輸入輸入信號從反相端輸入，稱稱為為反相反相積分電路。積分電路。利用虛斷和虛地概念利用虛斷和虛地概念 dtRvCdtiCviiisccc1121 當(dāng)輸入電壓為圖當(dāng)輸入電壓為圖8.1.6a所所示的階躍電壓，輸出電壓與示的階躍電壓，輸出電壓與時間成近似線性關(guān)系。時間成近似線性關(guān)系。 tVdtVRC

9、vvSSco1 dtvRCvvsco1 圖圖8.1.5積分器實(shí)際應(yīng)用時，由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓、積分器實(shí)際應(yīng)用時，由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流和失調(diào)電流的影響，常出現(xiàn)積分誤差。應(yīng)選用輸入偏置電流和失調(diào)電流的影響，常出現(xiàn)積分誤差。應(yīng)選用VIO、 IIO、 IIB 較小和低漂移運(yùn)放，并在同相端接入可調(diào)平衡電較小和低漂移運(yùn)放，并在同相端接入可調(diào)平衡電阻。阻。 積分電容的漏電流也是產(chǎn)生積分誤差的一個原因。積分電容的漏電流也是產(chǎn)生積分誤差的一個原因。 8.1.4微分電路微分電路dtdvRCvso 當(dāng)輸入電壓為圖當(dāng)輸入電壓為圖8.1.9a所所示的階躍電壓，輸出電壓示的階躍電壓，輸出電壓與時

10、間關(guān)系如圖與時間關(guān)系如圖8.1.9b。 如果輸入為正弦信號如果輸入為正弦信號vs = sin t, 則輸出信號則輸出信號vo= RC sin t電路對高頻噪聲特別敏感。電路對高頻噪聲特別敏感。 歸納與推廣歸納與推廣上述電路可在復(fù)頻域里分析，電阻、電容等寫成復(fù)阻抗的形式上述電路可在復(fù)頻域里分析，電阻、電容等寫成復(fù)阻抗的形式Z(s),s為復(fù)頻率。為復(fù)頻率。如反相比例電路的輸出電壓可寫成如反相比例電路的輸出電壓可寫成 )()()()(1sVsZsZsVsfo 例如圖例如圖所示的復(fù)合運(yùn)算電路，其輸入和輸出信所示的復(fù)合運(yùn)算電路，其輸入和輸出信號之間在復(fù)頻域中的關(guān)系為號之間在復(fù)頻域中的關(guān)系為式中第一、二項(xiàng)

11、表示比例運(yùn)算；第三項(xiàng)表示微分運(yùn)算；第四項(xiàng)式中第一、二項(xiàng)表示比例運(yùn)算；第三項(xiàng)表示微分運(yùn)算；第四項(xiàng)為積分運(yùn)算。常稱其為為積分運(yùn)算。常稱其為 PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器。8.2實(shí)際運(yùn)放運(yùn)算電路的誤差分析實(shí)際運(yùn)放運(yùn)算電路的誤差分析 上面討論基本運(yùn)算電路時，認(rèn)為運(yùn)放是理想的，即認(rèn)為它的增益和輸入上面討論基本運(yùn)算電路時，認(rèn)為運(yùn)放是理想的，即認(rèn)為它的增益和輸入電阻及共模抑制比無窮大，輸出電阻為零，失調(diào)電流和電壓及其溫漂為零。電阻及共模抑制比無窮大，輸出電阻為零，失調(diào)電流和電壓及其溫漂為零。實(shí)際運(yùn)放，除增益、輸入和輸出電阻接近理想，所帶來的誤差可忽略外，實(shí)際運(yùn)放，除增益、輸入和輸出電阻接近理想，所帶來的誤差可忽略外，

12、而共模抑制比，失調(diào)電流和電壓及其溫漂的存在將在電路輸出端產(chǎn)生誤差而共模抑制比，失調(diào)電流和電壓及其溫漂的存在將在電路輸出端產(chǎn)生誤差，影響運(yùn)算精度。，影響運(yùn)算精度。 1共模抑制比為有限值的情況共模抑制比為有限值的情況以同相運(yùn)算電路為例來討論。以同相運(yùn)算電路為例來討論。 由上式可知，運(yùn)放的開環(huán)增益由上式可知，運(yùn)放的開環(huán)增益AVO和和共模抑制比共模抑制比KCMR越大，運(yùn)算電路的增益越大，運(yùn)算電路的增益AVF越接近理想情況下的值。越接近理想情況下的值。2.輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流不為零時的情況輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流不為零時的情況fRRR/12 同相輸入端電壓同相輸入端電壓假定運(yùn)放的開環(huán)增益假定運(yùn)放的開環(huán)增

13、益和輸入電阻為無窮大和輸入電阻為無窮大，外電路外電路 選選8.3對數(shù)和反對數(shù)運(yùn)算電路對數(shù)和反對數(shù)運(yùn)算電路8.3.1對數(shù)運(yùn)算電路對數(shù)運(yùn)算電路。室室溫溫時時等等于于，為為發(fā)發(fā)射射結(jié)結(jié)反反向向飽飽和和電電流流mVVIRIvvIivvveIiiTESESSTESCTBEoVvESECTBE26lnln/ 電路的輸出電壓和輸入電壓成對數(shù)關(guān)系。電路的輸出電壓和輸入電壓成對數(shù)關(guān)系。8.3.2反對數(shù)運(yùn)算電路反對數(shù)運(yùn)算電路 電路的輸出電壓和輸入電壓成反對數(shù)關(guān)系。電路的輸出電壓和輸入電壓成反對數(shù)關(guān)系。8.4模擬乘法器模擬乘法器 8.4.1基本概念基本概念 實(shí)現(xiàn)兩模擬輸入信號相乘的電路稱為模擬乘法器。實(shí)現(xiàn)兩模擬輸入

14、信號相乘的電路稱為模擬乘法器。 集成模擬乘法器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一類由對數(shù)和集成模擬乘法器主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：一類由對數(shù)和反對數(shù)電路構(gòu)成；另一類為變跨導(dǎo)式。反對數(shù)電路構(gòu)成；另一類為變跨導(dǎo)式。 分同相和反相模擬乘法器。分同相和反相模擬乘法器。 右圖為模擬乘法器的電右圖為模擬乘法器的電路符號，路符號，K為比例常數(shù)。為比例常數(shù)。8.4.2 模擬乘法器的應(yīng)用模擬乘法器的應(yīng)用1.除法運(yùn)算電路除法運(yùn)算電路 只有當(dāng)只有當(dāng) vX2 為正極性時，才能保證電路處于負(fù)反饋工作狀為正極性時，才能保證電路處于負(fù)反饋工作狀態(tài)態(tài)，所得結(jié)果才正確。所得結(jié)果才正確。(+)()()2.開平方電路開平方電路電路如圖所示，由虛地的

15、概念有電路如圖所示，由虛地的概念有 v1為負(fù)極性，電路才能正常工作。為負(fù)極性，電路才能正常工作。 正電壓開平方電路如圖正電壓開平方電路如圖8.4.5所示，所示，分析可知，分析可知，v1為正為正時，電路為負(fù)反饋。時，電路為負(fù)反饋。3.調(diào)制和解調(diào)調(diào)制和解調(diào)調(diào)制調(diào)制將音頻信號將音頻信號“裝載裝載”于高頻信號的過程。于高頻信號的過程。可用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)，如圖可用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)，如圖8.4.6所示所示乘法器的輸出是一標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅波。乘法器的輸出是一標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)幅波。解調(diào)解調(diào)（檢波）：從調(diào)幅波中提取調(diào)制信號（音頻信號）的過程。（檢波）：從調(diào)幅波中提取調(diào)制信號（音頻信號）的過程。8.5有源濾波電路有源濾波電路 濾

16、波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制（或大濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信號的電子裝置。為衰減）無用頻率信號的電子裝置。 常用作信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。常用作信號處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。 本節(jié)主要討論的有源模擬濾波器是由電阻、電容和集成本節(jié)主要討論的有源模擬濾波器是由電阻、電容和集成運(yùn)放構(gòu)成。運(yùn)放構(gòu)成。 有源模擬濾波器具有輸入阻抗大、輸出阻抗低的特點(diǎn)并有源模擬濾波器具有輸入阻抗大、輸出阻抗低的特點(diǎn)并具有一定的電壓放大和緩沖作用。具有一定的電壓放大和緩沖作用。 有源模擬濾波器存在工作頻率難以作的很高。有源模擬濾波器存在工作頻率難以作的很高。8.5

17、.1基本概念和初步定義基本概念和初步定義 濾波電路的一般結(jié)構(gòu)如圖濾波電路的一般結(jié)構(gòu)如圖8.5.1所示。假定濾波電路為線性所示。假定濾波電路為線性時不變網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)頻域內(nèi)有時不變網(wǎng)絡(luò)，在復(fù)頻域內(nèi)有)()()( jejAjA dd)()(稱為電路的稱為電路的電壓傳遞函數(shù)電壓傳遞函數(shù)，一般為復(fù)數(shù)。，一般為復(fù)數(shù)。對于實(shí)際頻率來說對于實(shí)際頻率來說（s=j ),則有則有濾波電路所關(guān)心的另一量是濾波電路所關(guān)心的另一量是時延時延，它定義為，它定義為通常用復(fù)頻特性來表征一個濾波電路的特性，欲使信號通通常用復(fù)頻特性來表征一個濾波電路的特性，欲使信號通過濾波器的失真小，則應(yīng)考慮相位和時延響應(yīng)。過濾波器的失真小，則應(yīng)考

18、慮相位和時延響應(yīng)。 2 有源濾波器的分類有源濾波器的分類 通帶通帶：復(fù)頻響應(yīng)中，復(fù)頻響應(yīng)中，傳遞函數(shù)值不變所對應(yīng)的頻率范圍。傳遞函數(shù)值不變所對應(yīng)的頻率范圍。 阻帶：阻帶：信號受阻或衰減的頻率范圍信號受阻或衰減的頻率范圍 。 截止頻率截止頻率：通帶和阻帶的界限頻率。通帶和阻帶的界限頻率。 按照按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器分通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器分為低通為低通(LPF)、高通高通(HPF)、帶通、帶通(BPF)和帶阻和帶阻(BRF)濾波器四種類型。濾波器四種類型。1.一階低通濾波器一階低通濾波器 一階濾波器包含一個一階濾波器包含一個RC電路。圖電路。圖6.3.17(a)為一階低通濾波器電路，運(yùn)放為一階低通濾波器電路，運(yùn)放構(gòu)成同相放大器，由圖可求得構(gòu)成同相放大器，由圖可求得LPF的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù) 2.二階有源濾波器二階有源濾波器 為了改進(jìn)濾波器的頻率特性，可采用二階有源濾波器。一個二階濾波為了改進(jìn)