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1、信号的运算与处理电路,第5章 集成运放与信号的运算处理电路,退出,集成电路运算放大器,集成运算放大器是一种高电压增益，高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。,运算放大器方框图,退出,1.输入级 使用高性能的差分放大电路，它必须对共模信号有很强的抑制力，而且采用双端输入双端输出的形式。,4.偏置电路 提供稳定的几乎不随温度而 变化的偏置电流，以稳定工作点。,3.输出级 由PNP和NPN两种极性的三极 管或复合管组成，以获得正负两个极性的输出电 压或电流。具体电路参阅功率放大器。,2.电压放大级 要提供高的电压增益，以保证 运放的运算精度。中间级的电路形式多为差分电 路和带有源负载的高增益
2、放大器。,退出,运算放大器的引线,运算放大器的符号中有三个引线端，两个输入端，一个输出端。一个称为同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号+表示；另一个称为反相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。输出端在输入端的另一侧，在符号边框内标有+号。,集成放大器的符号,退出,运算放大器外形图,退出,1.差模电压放大倍数Avd=，实际上Avd80dB即可。,理想运算放大器的条件,2.差模输入电阻Rid=，实际上Rid比输入端外电路的 电阻大23个量级即可。,3.输出电阻Ro= 0，实际上Ro比输入端外电路的电阻 小12个量级即可。,4.带宽足够宽。,5.共模抑
3、制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器 都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。,退出,理想运算放大器具有“虚短”和“虚断”的特性，这两个特性对分析线性运用的运放电路十分有用。为了保证线性运用，运放必须在闭环(负反馈）下工作。,理想运算放大器的特性,(1)虚短 由于运放的电压放大倍数很大，一般都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位越接近相等。,“虚短”是指在分析运算放大器处于线性状态时，可把两输入端
4、视为等电位，这一特性称为虚假短路，简称虚短。显然不能将两输入端真正短路。,退出,(2)虚断,由于运放的差模输入电阻很大，一般都在1 M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1 A，远小于输入端外电路的电流。故通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。 “虚断”是指在分析运放处于线性状态时，可以把两输入端视为等效开路，这一特性称为虚假开路，简称虚断。显然不能将两输入端真正断路。 下面举两个例子说明虚短和虚断的运用。,退出,非线性应用电路,组成特点：运放开环工作。,由于开环工作时运放增益很大，因此较小的输入电压，即可使运放输出进入非线区工作。例如电压比较器。,集成运放理想
5、化条件下两条重要法则,因,则,因,则,退出,反向比例运算,电压增益 Avf= Vo /Vi =Rf /R1,反相比例运算电路,根据虚断 I-= I+ 0,根据虚短 V+ V- 0,Ii = (Vi V-)/R1 Vi/R1,If = (V- Vo )/Rf -Vo/Rf,Ii If, Vi/R1=-Vo/Rf,退出,例2：试求理想运算放大器的输出电压和电压放大倍数的表达式。,电压增益,同相比例运算电路,根据虚断 I-= I+ 0,解：,根据虚短 V+ V- Vi,电压串联负反馈,退出,1 电路如图所示，试求： （1）输入电阻； （2）比例系数。,退出,基本运算电路,加法电路 （反相输入求和电路
6、）,反相比例运算电路,若Rf = R1= R2,在 反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路。,退出,例1：,求U01的数值。,解：,退出,同相输入求和电路,在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路。,因运放具有虚断的特性，对运放同相输入端的电位可用叠加原理求得:,同相比例运算电路,退出,求解图示电路的运算关系。,退出,双端输入求和电路,双端输入也称差动输入，输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似。,当vi1=vi2 =0时，用叠加原理分别求出vi3=0和vi4 =0时的输出电压vop。当vi3 = vi4 =0时，分别求出vi
7、1=0，和vi2 =0时的von。,退出,先求,式中Rp=R3/R4/R , Rn=R1/R2/Rf,退出,再求,于是,退出,减法电路（反相求和电路）,第一级：若R1=Rf 1，v01=- vS1 。,第二级：若R2=Rf 2 ，v0=vS1- vS2 。,退出,减法电路（差分电路）,若R1= R2= R3= Rf ，,退出,例1:,数据放大器的输出表达式， 并分析R1的作用。,解：vs1和vs2为 差模输入信号，为此vo1和vo2也是差模信号，R1的中点为交流零电位。对A3是双端输入放大电路。,数据放大器原理图,退出,所以 :,显然调节R1可以改变放大器的增益。产品 数据放大器，如AD624
8、等， R1有引线连出，同时有一组R1接成分压器形式，可选择连线接成多种的R1阻值 。,退出,精密整流电路,精密半波整流电路,利用集成运放高差模增益与二极管单向导电特性，构成对微小幅值电压进行整流的电路。,vI =0时 vO =0 D1、D2 vO=0,vI 0时 vO 0 D1、D2 vO=0,vI 0 D1、D2 , vO= -(R2 / R1)vI,工作原理：,输入正弦波,输出半波,退出,精密转折点电路,当v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 时：,当v- 0，即 vI -(R3 / R1)VR 时：,由图,vO 0 D1、D2 ,vO 0 D1、D2,则,退出,仪器放大器,仪器放
9、大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。,特点：KCMR很高、 Ri 很大， Av 在很大范围内可调。,三运放仪器放大器,由,得,由,得,由减法器A3得：,若R1 = R2 、 R3 = R5 、 R4 = R6,整理得,退出,积分电路,当输入信号是阶跃直流电压VI时，即,退出,例2:画出积分器 的输出波形。,(a) 阶跃输入信号,解：,注意：当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一个时间段的最终数值。因为虚地的原因，积分电阻 R 两端无电位差，因此C 不能放电，故输出电压保持不变。,(b)方波输入信号,退出,微分电路,退出,例3：,退出,对数运算电路,退出,反对数运
10、算电路 (指数运算电路),退出,反对数变换器,利用运算法则得,由于,整理得,缺点：,vo受温度影响大。,vs必须小于0。,退出,乘、除法器,因T1、T2、T3、T4 构成跨导线性环，,则,分析方法一：,由图,整理得,（实现乘、除运算）,退出,分析方法二：,A4反对数放大器,退出,电压和电流转换电路,电流-电压变换器,电压-电流变换器,电流-电压变换器 图是电流-电压变换器。,由图可知,可见输出电压与输入电流成比例。,输出端的负载电流,图12.10电流-电压变换电路,电压-电流变换器,图示电路为电压-电流变换器,图12.11电压-电流变换器,由图（a）可知,所以输出电流与输入电压成比例。,(a)负载不接地,(b)负载接地,(b)负载接地,可解得,对图（b）电路， R1和R2构成电流并联负反馈； R3 、R4和RL构成构成电压串联正反馈。由图（b）可得,讨论： 1. 当分母为零时， iO ，电路自激。 2. 当R2 /R1 =R3 /R4时, 则 说明iO与vS成正比 , 实现了线性变换。,电压-电流和电流-电压变换器广泛应用于放大电路和传感器的连接处，是很有用的电子电路。,
