模電5第五章線性處理器

1、(5-1)電子技術電子技術 第五章第五章 線性處理器線性處理器模擬電路部分模擬電路部分(5-2) 第五章第五章 線性處理器線性處理器5.1 運放工作在線性區(qū)時的特點運放工作在線性區(qū)時的特點5.2 信號的運算電路信號的運算電路5.3 有源濾波器有源濾波器5.4 電壓源、電流源與電壓、電電壓源、電流源與電壓、電流、電阻的測量流、電阻的測量(5-3)uiuo+UOM-UOMAo越大，運放的線性范圍越小，必須越大，運放的線性范圍越小，必須在在輸出與輸入之輸出與輸入之間間加負反饋加負反饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍。才能使其擴大輸入信號的線性范圍。uiuo_+AoCoOMEuUmax例：若例：若UOM

2、=12V，Ao=106， 則則|ui|12 V時，運放時，運放 處于線性區(qū)。處于線性區(qū)。線性放大區(qū)線性放大區(qū)5.1 運放工作在線性區(qū)時的特點運放工作在線性區(qū)時的特點(5-4)由于運放的開環(huán)放大倍數很大，輸入電阻由于運放的開環(huán)放大倍數很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的稱其所謂的理想運放理想運放。理想運放的條件理想運放的條件oAir0or)uu(Auoo虛短路虛短路uu0iI放大倍數與負載無關。分析多放大倍數與負載無關。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。可以分別對每個運放進行。虛開路虛

3、開路運放工作在線性區(qū)的特點運放工作在線性區(qū)的特點一、在分析信號運算電路時對運放的處理一、在分析信號運算電路時對運放的處理(5-5)二、分析運放組成的線性電路的出發(fā)點二、分析運放組成的線性電路的出發(fā)點虛短路虛短路虛開路虛開路放大倍數與負載無關，放大倍數與負載無關， 可以分開分析可以分開分析。0iIuuu+uo_+uIi信號的放大、運算信號的放大、運算有源濾波電路有源濾波電路運放線運放線性應用性應用(5-6)5.2.1 比例運算電路比例運算電路作用：作用：將信號按比例放大。將信號按比例放大。類型：類型：同相比例放大和反相比例放大。同相比例放大和反相比例放大。方法：方法：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓

4、串聯(lián)引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數無關，與輸入電壓和反饋系放大倍數無關，與輸入電壓和反饋系數有關。數有關。5.2 信號的運算電路信號的運算電路(5-7)0uui1= i221RuRuoi121RRuuAouuo_+ + R2R1RPuii1i21. 放大倍數放大倍數虛短路虛短路虛開路虛開路一、反相比例運算電路一、反相比例運算電路結構特點：結構特點：負反饋引到反相輸負反饋引到反相輸入端，信號從反相端輸入。入端，信號從反相端輸入。虛開路虛開路(5-8)2. 電路的輸入電阻電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對地平衡電阻

5、，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等，保證靜的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。態(tài)時輸入級的對稱性。RP =R1 / R2uo_+ + R2R1RPuii1i2為保證一定的輸入為保證一定的輸入電阻，當放大倍數電阻，當放大倍數大時，需增大大時，需增大R2，而大電阻的精度差，而大電阻的精度差，因此，因此，在放大倍數在放大倍數較大時，該電路結較大時，該電路結構不再適用。構不再適用。(5-9)4. 共模電壓共模電壓02uu電位為電位為0 0，虛地，虛地輸入電阻小、共模電壓輸入電阻小、共模電壓為為 0 0 以及以及“虛地虛地”是反是反相輸入的特點。相輸入的特點。_+ + R2R1RPuii1i23. 反饋

6、方式反饋方式電壓并聯(lián)負反饋電壓并聯(lián)負反饋輸出電阻很小！輸出電阻很??！(5-10)反相比例電路的特點：反相比例電路的特點：1. 共模輸入電壓為共模輸入電壓為0，因此對運放的共模抑制比，因此對運放的共模抑制比要求低。要求低。2. 由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是為是0，因此帶負載能力強。，因此帶負載能力強。3. 由于并聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻小，因此由于并聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻小，因此對輸入電流有一定的要求。對輸入電流有一定的要求。4. 在放大倍數較大時，該電路結構不再適用在放大倍數較大時，該電路結構不再適用 。(5-11)uo_+ + R2R1R

7、PuiR4R3i1i2i4i3M例：例：求求Au =?0uui1= i2虛短路虛短路虛開路虛開路4324111RRRRuvoM1122RuiRviiM虛開路虛開路(5-12) 1()111()111(342412414322414322RRRRRRRRRRRRRRRRRRuuAiou4324111RRRRuvoM1122RuiRviiM該放大電路，在放大倍數較大時，可避免使用大電該放大電路，在放大倍數較大時，可避免使用大電阻。但阻。但R3的存在，削弱了負反饋。的存在，削弱了負反饋。(5-13)二、同相比例運算電路二、同相比例運算電路_+ + R2R1RPuiuou-= u+= ui12RuRu

8、uiioiouRRu)1 (12反饋方式：反饋方式：電壓串聯(lián)負反饋。輸入電阻高。電壓串聯(lián)負反饋。輸入電阻高。1211RRuuAou虛短路虛短路虛開路虛開路結構特點：結構特點：負反饋引到反負反饋引到反相輸入端，信號從同相端相輸入端，信號從同相端輸入。輸入。虛開路虛開路(5-14)同相比例電路的特點：同相比例電路的特點：3. 共模輸入電壓為共模輸入電壓為ui，因此對運放的共模抑制比，因此對運放的共模抑制比要求高。要求高。1. 由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認由于電壓負反饋的作用，輸出電阻小，可認為是為是0，因此帶負載能力強。，因此帶負載能力強。2. 由于串聯(lián)負反饋的作用，輸入電阻大。由于串聯(lián)

9、負反饋的作用，輸入電阻大。(5-15)_+ + uiuoiouuuu此電路是電壓并聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸此電路是電壓并聯(lián)負反饋，輸入電阻大，輸出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出出電阻小，在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。器相同，但是電壓跟隨性能好。三、電壓跟隨器三、電壓跟隨器結構特點：結構特點：輸出電壓全輸出電壓全部引到反相輸入端，信部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。號從同相端輸入。電壓電壓跟隨器是跟隨器是同相比例運算同相比例運算放大器的特例。放大器的特例。(5-16)5.2.2 加減運算電路加減運算電路作用：作用：將若干個輸入信號之和或之差按比將若干個輸

10、入信號之和或之差按比例放大。例放大。類型：類型：同相求和和反相求和。同相求和和反相求和。方法：方法：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數無關，與輸入電壓和反饋系放大倍數無關，與輸入電壓和反饋系數有關。數有關。(5-17)一、反相求和運算一、反相求和運算R12_+ R2R11ui2uoRPui1實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，以適應不同的需要。以適應不同的需要。FPR/R/RR1211(5-18)0uuFiii1211)(21221112iiouRR

11、uRRui12iFi11R12_+ R2R11ui2uoRPui1調節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影調節(jié)反相求和電路的某一路信號的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調節(jié)方便。響輸入電壓和輸出電壓的比例關系，調節(jié)方便。(5-19)二、同相求和運算二、同相求和運算實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，以適應不同的需要。以適應不同的需要。22211R/RR/RF-R1RF+ui1uoR21R22ui2(5-20)此電路如果以此電路如果以 u+ 為輸入為輸入 ，則輸出為：則輸出為：uRRuFo)1 (1-R1RF+ui1uoR21R22u

12、i2u+ 與與 ui1 和和 ui2 的關系如何？的關系如何？)(1 (212111111211121iiFouRRRuRRRRRu注意：注意：同相求和電路的各輸入信號的放大倍數互相影響，不能同相求和電路的各輸入信號的放大倍數互相影響，不能單獨調整。單獨調整。流入運放輸入端的電流為流入運放輸入端的電流為0（虛開路）虛開路）22221211222122iiuRRRuRRRu(5-21)-R1RF+ui1uoR21R22ui2R 左圖也是同相求和運算左圖也是同相求和運算電路，電路，如何求同相輸入如何求同相輸入端的電位？端的電位？提示：提示：1. 虛開路：流入同相端的虛開路：流入同相端的電流為電流為

13、0。2. 節(jié)點電位法求節(jié)點電位法求u+。(5-22)三、單運放的加減運算電路三、單運放的加減運算電路實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，實際應用時可適當增加或減少輸入端的個數，以適應不同的需要。以適應不同的需要。R2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521R/R/RR/R/R(5-23)R2_+ R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6)(4433643RuRuR/R/Ruiiuu52211RuuRuuRuuoii虛短路虛短路虛開路虛開路虛開路虛開路)()111(44332211511122115RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiiiio6435

14、21R/R/RR/R/R(5-24)_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1 uu112RuuRuuio212RuRuui)(1212iiouuRRu解出：解出：單運放的加減運算電路的特例：差動放大器單運放的加減運算電路的特例：差動放大器(5-25)_+ + R2R1R1ui2uoR2ui1差動放大器放大了兩個信號的差，但是它的差動放大器放大了兩個信號的差，但是它的輸入電阻不高（輸入電阻不高（= =2R1）, , 這是由于反相輸入這是由于反相輸入造成的。造成的。(5-26)例：例：設計一個加減運算電路，設計一個加減運算電路， RF=240k ，使使uo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3

15、解解:(1) 畫電路。畫電路。系數為負的信系數為負的信號從反相端輸號從反相端輸入，系數為正入，系數為正的信號從同相的信號從同相端輸入。端輸入。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3(5-27)(2) 求各電阻值。求各電阻值。-R3RF+ui1uoR2R1ui2R4ui3FRRRRR/3421)(332211RuRuRuRuiiiFok240FRuo=10ui1+ 8ui2 - 20ui3k241Rk302Rk123Rk804R(5-28)優(yōu)點：優(yōu)點：元件少，成本低。元件少，成本低。)(443322115RuRuRuRuRuiiiio缺點：缺點：要求要求R1/R2/R5=R3/R4/R6

16、。阻值的調整計算不。阻值的調整計算不方便。方便。單運放的加減運算電路單運放的加減運算電路改進：改進：采用雙運放電路。采用雙運放電路。(5-29)四、雙運放的加減運算電路四、雙運放的加減運算電路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R625461213FFR/R/RR,R/R/RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo(5-30)例：例：A/D變換器要求其輸入電壓的幅度為變換器要求其輸入電壓的幅度為0 +5V，現，現有信號變化范圍為有信號變化范圍為-5V+5V。試設計一電平抬高。試設計

17、一電平抬高電路，將其變化范圍變?yōu)殡娐?，將其變化范圍變?yōu)?+5V。+5V-5V+5V+2.5V電平抬高電路電平抬高電路A/D計算機計算機uiuouo = 0.5ui+2.5 V(5-31)uo =0.5ui +2.5 V =0.5 (ui +5) V_+ + 10k 20k +5V5k ui20k uo1uo_+ + 20k 20k 10k ) 5( 5 . 0) 5(20101iiouuu) 5( 5 . 020201ioouuu(5-32)五、三運放電路五、三運放電路uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+(5-33)1 iauu 2ibuu WbaWooRu

18、uRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRuo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虛短路：虛短路：虛開路：虛開路：(5-34)(21212iiWWouuRRRRRu 三運放電路是差三運放電路是差動放大器，放大動放大器，放大倍數可變。倍數可變。 由于輸入均在同由于輸入均在同相端，此電路的相端，此電路的輸入電阻高。輸入電阻高。)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1+AR2R2uo+(5-35)例：例：由三運放放大器組成的溫度測量電路。由三運放放大器組成的溫度測量電路。uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt ：熱敏

19、電阻：熱敏電阻集成化集成化:儀表放大器儀表放大器(5-36)Rt=f (TC)uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiERRRREERRRutttti)( 22ERRRRRRRRRuRRRRRuttWWiWWo)( 2221212(5-37)1. 它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比它們都引入電壓負反饋，因此輸出電阻都比較小較小 。2. 關于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同關于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。相輸入的輸入電阻高。3. 同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。壓小。比例運算電路與

20、加減運算電路小結比例運算電路與加減運算電路小結(5-38)5.2.3 微分運算電路與積分運算電路微分運算電路與積分運算電路u= u+= 0RuioFtuCiidd1Fii 1tuRCuiodduit0t0uou i+uoRR2i1iFCtuisin若輸入：若輸入：則：則：)90sin(costRCtRCuo一、微分運算一、微分運算(5-39)i1iFtui0Ruii1tuCioFddtuRCuiod1tuo0輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三角波。ui-+RR2Cuo二、積分運算二、積分運算應用舉例應用舉例1 1：(5-40)tui0tuo0totURCu0d1U-UomMomUTRC

21、U1URCUTomMTM積分時限積分時限應用舉例應用舉例2：如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經過一定的時間后輸出輸出將反向積分，經過一定的時間后輸出飽和。飽和。思考：思考：如果輸入是正弦波，輸出波形怎樣，請如果輸入是正弦波，輸出波形怎樣，請自己計算。運放實驗中請自己驗證。自己計算。運放實驗中請自己驗證。(5-41)其他一些運算電路：對數與指數運算電路、乘其他一些運算電路：對數與指數運算電路、乘法與除法運算電路等，由于課時的限制，不作法與除法運算電路等，由于課時的限制，不作為講授內容。為講授內容。積分電路的主要用途：積分電路的主要用途：1.

22、 在電子開關中用于延遲。在電子開關中用于延遲。2. 波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣?。波形變換。例：將方波變?yōu)槿遣ā?. A/D轉換中，將電壓量變?yōu)闀r間量。轉換中，將電壓量變?yōu)闀r間量。4. 移相。移相。(5-42)運算電路運算電路要求要求1. 熟記各種單運放組成的基本運算電路的電熟記各種單運放組成的基本運算電路的電路圖及放大倍數公式。路圖及放大倍數公式。2. 掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算。掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算。3. 會用會用 “虛開路虛開路(ii=0)”和和“虛短路虛短路(u+=u) ”分析給定運算電路的分析給定運算電路的 放大倍數。放大倍數。(5-43)濾波電路的分類

23、濾波電路的分類1. 按信號性質分類按信號性質分類3. 按電路功能分類按電路功能分類: 低通濾波器；高通濾波器；低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器帶通濾波器；帶阻濾波器2. 按所用元件分類按所用元件分類模擬濾波器和數字濾波器模擬濾波器和數字濾波器無源濾波器和有源濾波器無源濾波器和有源濾波器4. 按階數分類按階數分類: 一階，二階一階，二階 高階高階5.3 有源濾波器有源濾波器(5-44)傳遞函數：傳遞函數：ioioioUUUUT)j ()j ()j (ioUUT)j (幅頻特性幅頻特性io)(相頻特性相頻特性)j (iU)j (oU濾濾波波器器傳遞函數的定義傳遞函數的定義(5-45)

24、ioUU低通低通高通高通帶通帶通帶阻帶阻四種典型的頻率特性四種典型的頻率特性ioUUioUUioUU(5-46)RUUioj1j1RCj11oj11)1(RCo無源濾波器的缺點無源濾波器的缺點（以一階濾波器為例）（以一階濾波器為例）傳遞函數：傳遞函數：RCRiUoU(5-47)ojTj11)(2)(11)j (oT1. 帶負載能力差。帶負載能力差。2. 無放大作用。無放大作用。3. 特性不理想，邊沿不陡。特性不理想，邊沿不陡。截止頻率處：截止頻率處：21ioUUioUU01 0.707o截止頻率截止頻率此電路的缺點：此電路的缺點：(5-48)將兩級一階低通濾波器串接將兩級一階低通濾波器串接)j

25、 ()j ()j (21TTT？)j ()j ()j (21TTT各級互相影響！各級互相影響！RCRCR(5-49)有源濾波器的優(yōu)點：有源濾波器的優(yōu)點：1. 不使用電感元件，體積小重量輕。不使用電感元件，體積小重量輕。2. 有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負反饋，使輸入有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個低階濾波電路串起來就可的隔離。只需把幾個低階濾波電路串起來就可構成高階濾波電路，無需考慮級間影響。構成高階濾波電路，無需考慮級間影響。3. 除濾波外，還可放大信號，放大倍數容易調節(jié)。除濾波外，還可放

26、大信號，放大倍數容易調節(jié)。(5-50)有源濾波器的缺點：有源濾波器的缺點：1. 不宜用于高頻。不宜用于高頻。2. 不宜在高電壓、大電流情況下使用。不宜在高電壓、大電流情況下使用。3. 可靠性較差?？煽啃暂^差。4. 使用時需外接直流電源。使用時需外接直流電源。(5-51)oFURRRU11iUCRCUj1j1iUCj11UUCRRUUFioj11)1 (1一、一階有源低通濾波器一、一階有源低通濾波器傳遞函數中出現傳遞函數中出現 的一次項，故稱為的一次項，故稱為一階濾波器一階濾波器。RR1RFC+-+iUoU(5-52)21)(11)1 (oFioRRUU)1(RCooargtg幅頻特性：幅頻特性

27、：相頻特性：相頻特性： 90RCo1max21T T maxT(5-53)21)(11)1 (oFioRRUU)1 (1RRUUFio有放大作用有放大作用21)1 (1RRUUFio3. 運放輸出，帶負載能力強。運放輸出，帶負載能力強。幅頻特性與一階幅頻特性與一階無源低通濾波器無源低通濾波器類似類似電路的特點：電路的特點：2. = o 時時1. =0 時時(5-54)URRUAUFFo11CUURUURUUoPPPij1PPURCUCRCUj11j1j1解出：解出：ooFioAUU2j)(12)3(21FARCo1其中：其中：RR1RFC+-+iUoUCRP二、二階有源低通濾波器二、二階有源低

28、通濾波器傳遞函數中出現傳遞函數中出現 的二次項，故稱為的二次項，故稱為二階濾波器二階濾波器。(5-55)ioUU02121 o3dBP21221oPooFioAUU2j)(12(5-56)R1= 時時：AF=1ooFioAUU2j)(122)(11oioUU21ioUU = o時：時：RC+-+iUoUCRP(5-57)RR1RFC+-+iU1oURR1RFC+-+oUCRRUUTFioj11)1 ()j (111CRRUUTFooj11)1 ()j (11222121)j1 (1)1 ()j ()j ()j (CRRUUTTTFio由低階有源濾波器構成高階有源濾波器由低階有源濾波器構成高階有

29、源濾波器例：例：兩個一階有源濾波器串接構成二階有源濾波器。兩個一階有源濾波器串接構成二階有源濾波器。分析分析簡單簡單(5-58)一階低通和二階低通一階低通和二階低通幅頻特性曲線幅頻特性曲線的區(qū)別：的區(qū)別：-3dBAF理想低通理想低通一階低通一階低通二階低通二階低通階數越高，階數越高，幅頻特性曲線幅頻特性曲線越接近理想濾波器。越接近理想濾波器。oioUU0(5-59)如何組成高通濾波器？將低通濾波器中的將低通濾波器中的R、C 對調，低通對調，低通濾波器就變成了高通濾波器。濾波器就變成了高通濾波器。RCR1RF+-+iUoU低通濾波器低通濾波器R1RF+-+iUoU高通濾波器高通濾波器R(5-60

30、)三、一階有源高通濾波器三、一階有源高通濾波器oFURRRU11UUiUCRRUj1iURC1j11RCRRUUFio1j11)1 (1R1RF+-+iUoU高通濾波器高通濾波器R(5-61)RCRRUUFio1j11)1 (12111)1 (oFioRRUU幅頻特性：幅頻特性：ioUU0 o707. 011RRF11RRF(5-62)電壓源的要求：電壓源的要求：輸出電阻小。輸出電阻小。所以，要有電壓負反饋。所以，要有電壓負反饋。電路組成：電路組成：比例放大器。比例放大器。一、電壓源一、電壓源_+ + R2R1RPUoUs反向比例放大器組成的電壓源反向比例放大器組成的電壓源5.4 電壓源、電流

31、源與電壓、電流、電壓源、電流源與電壓、電流、電阻的測量電阻的測量(5-63)電路特點電路特點: :1. 輸出電壓的大小調節(jié)方便。輸出電壓的大小調節(jié)方便。2. 同相比例放大器組成的電壓源的輸出同相比例放大器組成的電壓源的輸出大于輸入。大于輸入。3. 反相比例放大器組成的電壓源輸出可反相比例放大器組成的電壓源輸出可以小于輸入。以小于輸入。4. 同相比例放大器的輸入電阻大，從信同相比例放大器的輸入電阻大，從信號源取得的電流小。號源取得的電流小。(5-64)要求：要求：輸出電阻大。所以，要有電流負反饋。輸出電阻大。所以，要有電流負反饋。_+ + R2R1RPUsRFRLFILSFFFFLURRRRRRUI122/負載負載懸地！懸地！二、電流源二、電流源sFURRU12