《集成电路应用》课件.ppt

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1、7.1 求和运算电路7.2 积分和微分运算电路7.3 对数和指数运算电路7.4 模拟乘法器及其应用7.5 有源滤波器,第7章 信号的运算与处理电路,引言：运算电路是集成运算放大器的基本应用电路，它是集成运放的线性应用。讨论的是模拟信号的加法、减法积分和微分、对数和反对数（指数）、以及乘法和除法运算。为了分析方便，把运放均视为理想器件：（1）开环电压增益 Au=（2）Ri=，R=0，（3）开环带宽 BW=（4）当UP=UN 时，Uo=0。没有温漂 因此，对于工作在线性区的理想运放应满足：“虚短”：即U+=U-；“虚断”：即I+=I-=0 本章讨论的即是上述“四字法则”灵活、大胆的应用。,7.1概

2、述,电子信息系统的组成,图7.1.1 电子信息系统的示意图,例、红外遥控系统,红外发射,红外接收,放大滤波,信号识别,信号执行,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。,理想运放在线性区,例：若vOM=12V，Ao=106，则|vi|12V时，运放 处于线性区。,线性放大区,iI,理想运放工作在线性区的两个重要法则：,iI=0 虚断,v+=v 虚短,v0为有限值，Av0=,7.2 基本运算电路-求和、积微分电路,7.2.1 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。

3、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。,图72,iI=0 v+=0,v+=v v=0,又 iI=0 i1=if,R2：平衡电阻。R2=R1/Rf,若R1=Rf vo=vs 此为反相器。,if,一、反相放大器（反相比例放大器）1、基本电路,输出电阻：Ro=0;输入电阻:Ri=R1(从输入和地向里看),2、T形网络反相比例运算电路,N点电流方程：,二、同相放大器（同相比例放大器）,图73,v=v+=vs,由于 if=i1,输入电阻为：Ri,输出电阻为：Ro0,但是电路有共模信号输入,图74,vo=vs此为电压跟随器,vo,三、电压跟随器,作用?,一、反相输入求和电路,在

4、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，见图12.01。此时两个输入信号电压产生的电流都流向Rf。所以输出是两输入信号的比例和。,图12.01 反相求和运算电路,7.2.2 求和运算电路,二、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，如图12.02所示。,图12.02 同相求和运算电路,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:,由此可得出,三、双端输入求和电路,双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图12.03所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似。,图12.03双端输入求

5、和运算电路,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vi1=0，和vi2=0时的von。,先求,式中Rp=R3/R4/R,Rn=R1/R2/Rf,再求,于是,7.2 积分和微分运算电路,7.2.1 积分运算电路,7.2.2 微分运算电路,8.2.1 积分运算电路,积分运算电路的分析方法与求和电路差不多，反相积分运算电路如图12.05所示。,图12.05 积分运算电路,当输入信号是阶跃直流电压VI时，即,图 12.05 积分运算放大电路,8.2.2 微分运算电路,微分运算电路如图12.07所示。,图 12.07 微分电路

6、,例71 下图中A为理想运放，求vi=0.3V时v0的值。,解：v+=v=0.2V,vo=vM+0.04 R3=0.4+0.0410=0.8V,vo,例72 下图所示电路中，假设各运放具有理想特性。,(1)指出A1、A2、A3各组成什么电路；(2)写出v01、v02、v03的表达式。,解：(1)A1：电压跟随器；,A2：反相求和电路；,A3：同相比例放大器。,(2)vo1=vi,例73 求下图所示电路的电压放大倍数,设A1、A2都是理想运算放大器。,解：对于A2：vo1=vo,对于A1：,v+=v,vo=10(vi2 vi1),例74 由运放组成的晶体管测量电路如下图，假设运放具有理想特性，晶

7、体管的VBE=0.7V.,(1)求出晶体管c、b、e各极的电位；(2)若电压表读数为200mV，求被测量晶体管的值。,解：(1)vC=6V vB=0V vE=0.7V,(2),例75 下图电路中，A1、A2、A3均为理想运放,R3C=1ms.vi1=0.1V,vi2=0.3V,为直流输入电压，在 t=0时加入。(1)求vo1，vo2，vo3；(2)若t=0时电容上C上的初始电压uC(o)=0，问需经多久时间使uo4=5V？,vo4,解：(1),(2),7.3.1 对数运算电路,图 12.08 对数运算电路,对数运算电路见图12.08。由图可知,7.3 对数和指数运算电路,7.3.2 指数运算电

8、路,指数运算电路如图12.09所示。,指数运算电路相当反对数运算电路。,图 12.09 指数运算电路,7.4.1 模拟乘法器的基本原理7.4.2 模拟乘法器的应用,7.4 模拟乘法器及其应用,乘法器是又一种广泛使用的模拟集成电路，它可以实现乘、除、开方、乘方、调幅等功能，广泛应用于模拟运算、通信、测控系统、电气测量和医疗仪器等许多领域。,7.4.1 模拟乘法器的基本原理,一、模拟乘法器的基本原理二、变跨导型模拟乘法器,一、模拟乘法器电路的基本原理,模拟乘法器是一种能实现模拟量相乘的集成电路，设vO和vX、vY分别为输出和两路输入,其中K为比例因子，具有 的量纲。模拟乘法器的电路符号如图19.0

9、1所示。,图19.01 模拟乘法器符号,图19.02模拟乘法器原理图,如果能用 vy去控制IE，即实现IE vy。vO就基本上与两输入电压之积成比例。于是实现两模拟量相乘的电路构思，如图19.02所示。,对于差动放大电路，输出电压为,二、变跨导型模拟乘法器,根据图19.02的原理可以制成所谓变跨导模拟乘法器。在推导高频微变等效电路时，将放大电路的增益写成为,只不过在式中的gm是固定的。而图19.02中如果gm是可变的，受一个输入信号的控制，那该电路就是变跨导模拟乘法器。由于IEvY，而IE gm，所以vY gm。输出电压为,由于图19.02的电路，对非线性失真等因素没有考虑，相乘的效果不好。实

10、际的变跨导模拟乘法器的主要电路环节如图19.03所示。,图19.03 变跨导模拟乘法器,三、对数反对数型模拟乘法器,根据两数相乘的对数等于两数的对数之和的原理，因此可以用对数放大器、反对数放大器和加法器来实现模拟量的相乘。方框图如图19.04所示。,图19.04 对数型模拟乘法器,7.4.2 模拟乘法器的应用 一、乘积和乘方运算电路二、除法运算电路 三、开平方运算电路,一、乘积和乘方运算电路,(1)相乘运算 模拟乘法运算电路如图19.05所示。,图19.05 模拟相乘器,图19.06 平方运算电路 图19.07 立方运算电路,(2)乘方和立方运算 将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是乘方运

11、算电路，电路如图19.06所示。立方运算电路如图19.07所示。,二、除法运算电路,除法运算电路如图19.08所示，它是由一个运算放大器和一个模拟乘法器组合而成的。根据运放虚断的特性，有,图19.08 除法运算电路,如果令K=R2/R1则,三、开平方运算电路,图19.09为开平方运算电路，根据电路有,显然，vO是-vI平方根。因此只有当vI为负值时才能开平方，也就是说vI为负值电路才能实现负反馈的闭环。图中的二极管即为保证这一点而接入的。,图19.09 开平方电路,7.5 有 源 滤 波 器,7.5.1 概述7.5.2有源低通滤波器(LPF)7.5.3有源高通滤波器(HPF)7.5.4有源带通

12、滤波器(BPF)和 带阻滤波器(BEF),一、滤波器的分类二、滤波器的用途,概述,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。通常有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）它们的幅度频率特性曲线如图13.01所示。,一、滤 波 器 的 分 类,图13.01 有源滤波器的频响,滤波器也可以由无源的电抗性元件或晶体构成，称为无源滤波器或晶体滤波器。,二、滤波器的用途,滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图13.

13、02所示。图13.02 滤波过程,8.5.2 有源低通滤波器(LPF),一、低通滤波器的主要技术指标二、简单一阶低通有源滤波器三、简单二阶低通有源滤波器四、二阶压控型低通有源滤波器,一、低通滤波器的主要技术指标,（1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图13.03所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。（2）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上限截止频率相同。见图自明。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。,图13.03 LPF的幅频特性曲线,二、简单一阶低通有源滤波器,一阶低通滤波器的电路如图13

14、.04所示，其幅频特性见图13.05，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。,图13.04 一阶LPF 图13.05一阶LPF的幅频特性曲线,当 f=0时，各电容器可视为开路，通带内的增益为 一阶低通滤波器的传递函数如下，其中,该传递函数式的样子与一节RC低通环节的频响表达式差不多，只是后者缺少通带增益Avp这一项。,三、简单二阶低通有源滤波器,为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。二阶LPF的电路图如图13.06所示，幅频特性曲线如图13.07所示。

15、,（1）通带增益 当 f=0,或频率很低时，各电容器可视为开路，通带内的增益为,图13.06 二阶LPF 图13.07二阶LPF的幅频特性曲线,（2）二阶低通有源滤波器传递函数 根据图13.06可以写出,通常有C1=C2=C，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数,(3)通带截止频率 将s换成 j，令,可得,解得截止频率,当 时，上式分母的模,与理想的二阶波特图相比，在超过 以后，幅频特性以-40 dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。但在通带截止频率 之间幅频特性下降的还不够快。,（1）二阶压控LPF 二阶压控型低通有源滤波器如图13.08所示。其中的一个电容器C1原来是接地的，现在改接到

16、输出端。显然C1的改接不影响通带增益。,图13.08二阶压控型LPF,四、二阶压控型低通滤波器,图13.09 二阶压控型LPF 的幅频特性,（2）二阶压控型LPF的传递函数,上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。,对于节点 N,可以列出下列方程,联立求解以上三式，可得LPF的传递函数,(3）频率响应 由传递函数可以写出频率响应的表达式,当 时，上式可以化简为,定义有源滤波器的品质因数Q值为 时的电压放大倍数的模与通带增益之比,以上两式表明，当 时，Q1，在 处的电压增益将大于，幅频特性在 处将抬高，具体请参阅图13.09。,当 3时，Q=，有源滤波器自激。由于将 接到输出

17、端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。,二阶压控型有源高通滤波器的电路图如 图13.12所示。图13.12二阶压控型HPF,8.5.3 有源高通滤波器,由此绘出的频率响应特性曲线如图13.13所示,(2)传递函数,结论：当 时，幅频特性曲线的斜率 为+40 dB/dec；当 3时，电路自激。,图13.13二阶压控型HPF 频率响应,二阶压控型有源高通滤波器的电路图如 图13.12所示。,7.5.4 有源带通滤波器(BPF)和带阻滤波器(BEF),图13.14二阶压控型BPF,图3.15二阶压控型BEF,带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节

18、组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的设计计算十分麻烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算机辅助设计软件。,本章小结,1集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。2对于精度要求高的运放电路，需要考虑实际运放参数的影响。由于运放的开环电压增益、输入电阻、输出电阻、共模抑制比及各种失调量等都不是理想值，它们必然要给电路带来误差。对这种电路的误差分析，应根据电路的具体情况，选择适当的运放模型。,3集成模拟乘法器是一种重要的模拟集成电路，在信号处理和频率变换方面得到了广泛的应用。集成模拟乘法器内部电路较为复杂，对生产工艺的要求也较高。熟练掌握这种器件在各种运算电路中的使用方法，是要求的重点。4有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。,谢谢大家,第七章结束！,