《模拟电子》课程PPT教学课件：第八章 信号的运算与处理电路

8信号的运算与处理电路 引言:集成运放一性能很理想的差分放大电路 Do 但是..3个问题? 1~2v V+=15V 差模电压增益4yo≈10dB? Vom=14v 线性范围小 ±14v 士70u ±701uV mmax 2×10 2.△o/△T≈20puVC △V/△T≈Av×△VoT=4V/c 3.3dB带宽f1≈THz 易引起频率失真

1 引言： 集成运放 性能很理想的差分放大电路 但是… 3个问题？ 1. 差模电压增益AVO  106dB ？ 2. VIO / T  20V/C 3. 3dB带宽 fH  7Hz VO / T  AVO×VIO/T = 4V/C 易引起频率失真 V 70μV 2 10 14V immax 5 =    = 线性范围小 8 信号的运算与处理电路 O  P - N V- V+ =15V 1~2V 70V Vom=14V O  P - N V- V+ =15V 1~2V 70V Vom=14V

8信号的运算与处理电路 集成运放应用概述 81基本运算电路(重点) 82实际运放电路的误差分析(只讲1例) 83对数和反对数运算电路× 284模拟乘法器 8.5有源滤波电路(概念、一阶) 286开关电容滤波器

2 8 信号的运算与处理电路 8.1 基本运算电路（重点） 8.2 实际运放电路的误差分析（只讲1例） 8.3 对数和反对数运算电路× *8.4 模拟乘法器× 8.5 有源滤波电路（概念、一阶） *8.6 开关电容滤波器× 集成运放应用概述

8信号的运算与处理电路 集成运放应用概述 1.应用分类放大一信号传递 42新蔚侧攻2个基本电路山cx 2线性应用帥条件 A、AAR(V/D 3分析任务承哀法 dx 处理一滤浪、峰值、有效值、绝对值、限幅 比较一判断电压大小(941节) 信号产生一正弦、方波、三角波(第9章) 线性应用 按工作区域分类 非线性应用—电压比较器

3 集成运放应用概述 8 信号的运算与处理电路 1. 应用分类 按功能分类 按工作区域分类 放大 — 信号传递， AV、AI、AR（V/I）、AG（I/V） 运算 — + −   、 、 、 、ln 、 、、 dt dx x x e 处理 — 滤波、峰值、有效值、绝对值、限幅 比较 — 判断电压大小（9.4.1节） 信号产生 — 正弦、方波、三角波（第9章） 线性应用 非线性应用 —— 电压比较器 2. 线性应用的条件 3. 分析任务及方法 4. 分析举例及2个基本电路

8信号的运算与处理电路 O 1~2v 集成运放应用概述 V+=15V Vo=14v 2线性应用的条件 必须引入负反馈,用X抵消X;,使V ±70pV <vim I 运放工作在线性区 由于Ao+∞,为深度负反馈,可用 虚短和虚断。 理想运放 (v=)虚短 ● ≈0 CMR -oO BW=oo A i=mm≈0虚断 0 增益与负载无关 失调=0 4

4 2. 线性应用的条件 8 信号的运算与处理电路 集成运放应用概述 − + V+ V- vP vN B vO O  P - N V- V+ =15V 1~2V 70V Vom=14V 必须引入负反馈，用Xf 抵消Xi ，使Vid < Vim，运放工作在线性区。 由于AVO → , 为深度负反馈，可用 虚短和虚断。 理想运放 AVO =  ri =  ro = 0 KCMR =  BW =  失调= 0 0 VO O ID =  A v v 0 i ID I =  r v i 虚断 – + – + – + ri ro – + iI vI AvovI vO (vP = vN ) 虚短 增益与负载无关

8信号的运算与处理电路 集成运放应用概述 3.分析任务及方法小信号低频等效电路 l + Id u+u 输入端等效电路 输出端等效电路

5 3. 分析任务及方法 任务： 集成运放应用概述 8 信号的运算与处理电路 （1）求vO 或iO 表达式 → 电路功能 （2）考虑Ri 、RO 等其他指标的要求 方法：（1）按理想运放进行分析或设计 —— 即利用深度负反馈的虚短、虚断 —— 多个基本电路的级联（组合） （2）考虑非理想参数 → 计算误差 小信号低频等效电路

集成运放应用概述4分析举例及2个基本电路 (1)反相比例电压并联负反馈(2)同相比例电压串联负反馈 R R R RI R2=RRe 虚短、虚断 R2=RIIIRe =v=0(应地) R -"=八x平衡电阻》输入端对地的静 (1+ R R态电阻相等,保证静态时输 入差分级的对称性。 输入电阻小(R1=R1 辅 A 运放共模输入电压≈0 运方 电压跟随器 有虚地—设计简单 对运放KCN要求较高 6

6 集成运放应用概述 4. 分析举例及2个基本电路 (1) 反相比例 (2) 同相比例 vI vO - + Rf R1 A vN vP R2 = R1//Rf vI vO - + Rf R1 A vN vP R2 = R1//Rf 电压并联负反馈 电压串联负反馈 虚短、虚断 vN = vP = 0 (虚地) f N O 1 I N R v v R v v − = − I 1 f O v R R v = − N P I v = v = v f N O 1 0 N R v v R v − = − I 1 f O (1 )v R R v = + 性能特点 输入电阻小（Ri = R1 ） 运放共模输入电压  0 有虚地 —— 设计简单 输入电阻大（Ri = ） 运放共模输入电压  vi 对运放KCMR 要求较高 vI vO - + A vN vP 电压跟随器 平衡电阻 → 输入端对地的静 态电阻相等，保证静态时输 入差分级的对称性

误差分析举例:V1o、Io不为零时的情况 第82节 R 反相比例R R 理想运 R RI 放 l1a=0 u k=B/R)平衡电阻 P 3=1(m2+m) IB1(R1∥R1)-V1o IO 二1B 2 BI p=-IB2R2 B2 IB (+R )o-(1+r /B2+R, /BI BI IB IO Io R2(1+ R iBR+R(+R, R」2圆

7 误差分析举例：VIO、IIO不为零时的情况 vI vO - + Rf R1 A vN vP R2 = R1//Rf 反相比例 R1 R2 I 1 f O v R R v = − ' VP VN B 1 1 f I O 1 f 1 O ' N I (R // R ) V R R R V V − − + = P B2R2 V = − I 2 B 2 f B 1 1 f I O 1 f O (1 ) (1 )R I R I R R V R R V = + − + + ( ) IB B2 B1 2 1 I = I + I IO B2 B1 I = I − I B2 IB IO 2 1 I = I + I B1 IB IO 2 1 I = I − I 2 (1 ) (1 ) (1 ) I O 1 f I B f 2 1 f I O f 2 1 f O I R R I R R R R V R R R R V        − + +      = + + − + *第8.2节 平衡电阻 理想运 放 =0

误差分析举例:V1o、lo不为零时的情况 R 反相比例"=-nn但v=0时, RA R +12v a=(1+n)o+R-R2(1+n)m-R+R RI RI 减小误差的方法 R2 20kQ ●设置平衡电阻R2=R1∥Rt 12v 重 选用自带调零电路的运放 100Kg ●输入端加补偿(调零)电路 RI 虚短 l0K。 N P 虚断:"==v="o +12y R2=9k2 rP R4 v1+(1+) R P Rp 62Ko Rp=1kQ2 510 12Y 图8,24 v,+(1+ RI R4+r3 RP 囤824Ⅵo、fB、fo的补偿电路

8 减小误差的方法 误差分析举例：VIO、IIO不为零时的情况 2 (1 ) (1 ) (1 ) I O 1 f I B f 2 1 f I O f 2 1 f O I R R I R R R R V R R R R V        − + +      = + + − + I 1 f O v R R 反相比例 v = − 但vI = 0时，  设置平衡电阻 R2 =R1 // Rf  选用自带调零电路的运放  输入端加补偿（调零）电路 vI vO - + Rf R1 A vN vP R2 +12V 20k -12V R2 = 9k RP = 1k VRP 虚短： vN  vP  0 虚断： f N O 1 I N R v v R v v − = − P 1 f I 1 f O (1 )v R R v R R v = − + + RP 4 3 3 1 f I 1 f (1 ) V R R R R R v R R + = − + + 图8.2.4

分析举例1 为了用低值电阻实现高电压增益的反相 比例运算(习题8.1.9) 设计要求: R R R;=1MO,A=-100≈ R3 R R2 R R A A l2+l3 R4 0 0 13 十 R 取 vo=(+D+DRAM=-(2+R rRa vu R2=R1=R1=1M R3R R3,R4(k2) R RR (1+n+) R R=99kQ RR R -(1+ v1≈-(1+)v 3 9

9 分析举例1 vI - vO + Rf R1 A vN vP R2 = R1//Rf 设计要求： Ri = 1M ，AV = -100 解：R1 = Ri = 1M 1 f I O R R v v  AV = = − Rf = AV R1 = 100M R2 = R1 // Rf  1M 为了用低值电阻实现高电压增益的反相 比例运算（习题8.1.9） i1 1 2 i  i I 1 2 M v R R v = − 2 3 4 i + i = i 4 M O 3 M 2 0 M 0 R v v R v R v − = − + − 1 I 3 2 4 2 4 ( ) R v R R R = − R + R + vI vO - + R2 R1 A i2 i1 R5 R4 R3 i3 i4 vM R2 = R1 = Ri = 1M 取： R2 >> R3 ,R4 (k) I 3 4 I 3 4 2 4 O (1 ) (1 )v R R v R R R R v = − + +  − + R4 = 99k R3 = 1k (1 ) 3 4 2 4 I 1 2 O R R R R v R R v = − + + 4 M 2 3 4 O ) 1 1 1 ( R v R R R  v = + +

分析举例2理想运放构成的电路如图所示该电路采用 (1)求闭环增益4p 2R1 (2)当满足(R-R1)R≈0.05%时, R 求电路的输入阻抗Rn=? U02 解:(1)由4的虚短、虚断得: 13 R 12 RI (2)由R的定义式得:Rr= epl R,=20kQ 而i i+-0i P R R R, R RR 因A2构成反相比例,所以: R 2R, 2R1,R Rn=元.=R-R1 =2000R1 y (-v1)=2v; Re=40MQ f Hot

10 分析举例2 理想运放构成的电路如图所示，该电路采用 了自举扩展的方法提高电路的输入阻抗。 (1) 求闭环增益AVF ； (2) 当满足(R−R1 )/R  0.05%时， 求电路的输入阻抗Rif ＝？ A2 A1 vo 2R1 R1 R2 Rp2 Rp1 R vi R2 ii i1 i3 i2 vo2 R1 = 20k 解: (1) 由A1的虚短、虚断得： 1 2 i  i i 1 2 o v R R v = − (2) 由Ri的定义式得： i i if i v R = R v v R v i i i i o2 1 i i 1 3 0 − + − 而 = + = 因A2构成反相比例，所以： o 2 1 o2 2 v R R v = − i i 1 2 2 1 ( ) 2 2 v v R R R R = − − = 1 1 i i 1 i i RR R R v R v R v i − = − = 1 1 1 i i i f 2000R R R R R i v R = − = =  Rif = 40M (+) (+) (-) (-) (+)