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1、(5-1),电子技术,第五章 线性处理器,模拟电路部分,(5-2),第五章 线性处理器,5.1 运放工作在线性区时的特点 5.2 信号的运算电路 5.3 运放工作在非线性区时的特点,(5-3),Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,例：若UOM=12V，Ao=106， 则|ui|12V时，运放 处于线性区。,线性放大区,5.1 运放工作在线性区时的特点,(5-4),由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个
2、运放进行。,运放工作在线性区的特点,一、在分析信号运算电路时对运放的处理,(5-5),二、分析运放组成的线性电路的出发点,虚短路 虚开路 放大倍数与负载无关， 可以分开分析。,(5-6),5.2.1 比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,5.2 信号的运算电路,(5-7),i1= i2,1. 放大倍数,虚短路,虚开路,一、反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,虚开路,(5-8),2. 电路的输入电阻,ri=R1,R
3、P =R1 / R2,uo,为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,(5-9),4. 共模电压,输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地”是反相输入的特点。,3. 反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小！,(5-10),反相比例电路的特点：,1. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。,2. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,3. 由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,4. 在放大倍数较大时，该电路结构不再适用 。,(5-11),例：求Au =?,i1=
4、i2,虚短路,虚开路,虚开路,(5-12),该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。,(5-13),二、同相比例运算电路,u-= u+= ui,反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。,虚短路,虚开路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,虚开路,(5-14),同相比例电路的特点：,3. 共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2. 由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,(5-15),此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器
5、相同，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,(5-16),5.2.2 加减运算电路,作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,(5-17),一、反相求和运算,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,(5-18),调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,(5-19),二、同相求和运算,实际应用
6、时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,(5-20),此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：,u+ 与 ui1 和 ui2 的关系如何？,注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0（虚开路）,(5-21),三、单运放的加减运算电路,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。,(5-22),虚短路,虚开路,虚开路,(5-23),解出：,单运放的加减运算电路的特例：差动放大器,(5-24),差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）, 这是由于反相输入造成的。,(5-25),例：设计一个加减运算电路，
7、 RF=240k，使 uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,解:,(1) 画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,(5-26),(2) 求各电阻值。,uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3,(5-27),优点：元件少，成本低。,缺点：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不方便。,单运放的加减运算电路,改进：采用双运放电路。,(5-28),四、双运放的加减运算电路,(5-29),例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。,uo = 0.5ui+2.5
8、 V,(5-30),uo =0.5ui +2.5 V,=0.5 (ui +5) V,(5-31),1. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小 。,2. 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,比例运算电路与加减运算电路小结,(5-32),u= u+= 0,微分运算,(5-33),输入方波，输出是三角波。,积分运算,(5-34),积分电路的主要用途：,1. 在电子开关中用于延迟。 2. 波形变换。例：将方波变为三角波。 3. A/D转换中，将电压量变为时间量。 4. 移相。,(5-35),运算电路要求,1. 熟记各种单
9、运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。 2. 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。 3. 会用 “虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u) ”分析给定运算电路的 放大倍数。,(5-36),非线性应用：是指由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系 uo=f( ui ) 是非线性函数。,由运放组成的非线性电路有以下三种情况：,1. 电路中的运放处于非线性状态。,比如：运放开环应用,运放电路中有正反馈，运放处于非线性状态。,(5-37),2. 电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管、稳压管等）。,ui0时：,ui0时：,(5-38),3. 另一种情况，电
10、路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。,由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放是否工作在线性区。,确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。,若有负反馈，则运放工作在线性区； 若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。,处于非线性状态运放的特点：,1. 虚短路不成立。 2. 输入电阻仍可以认为很大。 3. 输出电阻仍可以认为是0。,(5-39),对数和指数运算电路,在实际应用中，有时需要进行对数运算或反对数(指数)运算。例如，在某些系统中，输入信号范围很宽，容易造成限幅状态，通过对数放大器，使输出信号与输入信号的对数成正比
11、，从而将信号加以压缩。又例如，要实现两信号的相乘或相除等等，都需要使用对数和反对数运算电路。 通过晶体管的PN结的伏安特性可实现对数和反对数运算电路。,1、对数运算电路：,最简单的对数运算器是将反相比例放大器的反馈电阻Rf换成一个二极管或三极管，如右图所示。,(5-40),由于：Iid = 0 、且“-”端虚地，即：U- = U+ = 0,则有：,而：,即：,即输出电压与输入电压的对数成正比。对数电路中，输入电压必须为正，输出电压的幅值不超过0.7伏。输出电压还与UT和IS有关，而UT和IS对温度很敏感，所以此电路的漂移严重，不能付诸于实用。一般改善的办法是：用对管消除IS的影响；用热敏电阻补
12、偿UT的温度影响。具有温度补偿的对数运算电路见P114。,(5-41),二、指数运算电路,当 uI 0 时，根据集成运放反相输入端“虚地”及“虚断”的特点，可得：,所以：,可见，输出电压正比于输入电压的指数。,图 7.2.27指数运算电路,1.基本电路,(5-42),利用对数和指数电路实现的乘除电路,乘法电路的输出电压正比于其两个输入电压的乘积，即,uo = uI1uI2,求对数，得：,再求指数，得：,所以利用对数电路、求和电路和指数电路，可得乘法 电路的方块图：,对数电路,对数电路,uI1,uI2,lnuI1,lnuI2,求和电路,lnuI1+ lnuI2,指数电路,uO = uI1uI2,图 7.2.29,(5-43),同理：,除法电路的输出电压正比于其两个输入电压相 除所得的商，即：,求对数，得：,再求指数，得：,所以只需将乘法电路中的求和电路改为减法电路即可得到除法电路的方块图：,对数电路,对数电路,uI1,uI2,lnuI1,lnuI2,减法电路,lnuI1- lnuI2,指数电路,
