电路基础与集成电子技术-87j 其他线性应用电路

第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.028.7.2数据放大器8.7集成运放其他几种线性应用电路8.7.1电流-电压变换器和电压-电流变换器8.7.3绝对值电路8.7.4接地阻抗模拟变换器8.7.5有效值电路8.7.6有源滤波器8.7.7二极管限幅电路第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.028.7.1电流-电压变换器和电压-电流变换器电压-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，是很有实用价值的电子电路。通过运放可以实现多种电流电压和电压电流变换电路。8.7.1.1电流-电压变换器ARf'RO+_Sui图8.7.1电流-电压变换器图8.7.1是电流－电压变换器。由图可知OSfuiR输出电压与输入电流成比例。也就是说将输入电流转化成了输出电压。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02例8.2：图8.7.2为电流－电压转换电路的一个应用实例。图中AD590为半导体温度传感器，流过它的电流I与温度有关。绝对零度时，I=0A，温度每增加1K，I增加1A。所以电流I为温度的函数。试分析该电路的测温工作原理。AR'DZR1RWR2Rf1I1IfIV15-+15V5.1VUOAD590图8.7.2AD590测温电路图8.7.2虚线框内为电流－电压转换电路。Off11f1()UIRIIR由图可知：第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02Off11f1()UIRIIRAD590在0℃时的电流为273A，温度每增加1C,电流增加1A。为了使0℃时输出显示0.00V，用电流I1来抵消AD590在0℃时的电流273A的偏移量，使If=0。AR'DZR1RWR2Rf1I1IfIV15-+15V5.1VUOAD590当温度升高时，I增加，而I1已固定，I增加的部分必然要由If来补充，这样输出电压就有了数值。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02AR'DZR1RWR2Rf1I1IfIV15-+15V5.1VUOAD590我们希望输出电压值代表摄氏温度值，在数值上正好与摄氏度一致，使输出电压量与摄氏温度成正比的，这就需要合理选择电阻。AD590的电流I的变化量1A/℃，有线性关系。如果，可得输出电压每摄氏度的变化量f110kR63Off1110101010mV/CUIR这样输出电压每10mV代表1℃，100mV就代表10℃。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.028.7.1.2电压-电流变换器AuOuSRRLiOAuSRLiORR34R1R2'Ou(a)负载不接地情况(b)负载接地情况图8.7.3电压-电流变换器图8.7.3为电压-电流变换电路，图8.7.3(a)为负载不接地的情况，图8.7.3(b)为负载接地的情况。由图8.7.3(a)可知OS1iuR该电路将输入电压转换为输出电流，iO与uS成比例。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02对负载接地的图8.7.3(b)，通过叠加原理可得以下各式：21SO1212'RRuuuRRRRAuSRLiORR34R1R2'OuOO43'uuuiRR'344oO3434RRRuuiRRRR因为+uu所以'34421oOSO34341212'RRRRRuiuuRRRRRRRR3241RRRR可得341234123412,RRRRRRRRRRRR第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02所以'34421oOSO34341212'RRRRRuiuuRRRRRRRR3241RRRR可得341234123412,RRRRRRRRRRRR设于是OS41iuR说明iO与uS成正比，实现了输入电压到输出电流的线性变换。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.028.7.2数据放大器A2A1A3R1R2R2R3R3R3R3us1us2uouo1uo2图8.7.4数据放大器电路图数据放大器通常用于放大传感器送出的微弱电信号，为此要求数据放大器有很高的电压增益；由于传感器的内阻往往不是常量，故要求放大器有足够高的输入电阻。传感器输出信号中往往含有较大的共模信号，因此要求数据放大器具有很高的共模抑制比。即对数数据放大器有“三高”要求。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02A2A1A3R1R2R2R3R3R3R3us1us2uouo1uo2同相比例同相比例差分比例根据虚短、虚断的概念，有：AS1BS2,uuuu对A、B两点，可列出如下的节点电流方程：O1AAB21uuuuRRBO2AB21uuuuRRAB第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02O1AAB21uuuuRRBO2AB21uuuuRRO1O2S1S2S1S22212()uuuuuuRRR2O1O2S1S212(1)()RuuuuR2OS1S212(1)()RuuuR2OS2S112(1)()RuuuR或，显然调节R1可以改变放大器的增益。产品数据放大器，如AD624等，R1由多个电阻串联，有引线连出，R1可通过选择连线接成多种阻值，可得到不同的电压放大倍数。AS1BS2,uuuu将代入上式，可得第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02A1A2AuR2RRR1D2DuIuOuO12R由运放构成的精密整流电路如图8.7.5所示。图8.7.5反相输入绝对值电路8.7.3绝对值电路8.7.3.1反相输入绝对值电路第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02A1A2AuR2RRR1VD2VDuIuOuO12R1.当输入电压uI0时，uO10，则VD1导通，VD2截止。由于运放A1、A2的反相输入端均为虚地，所以uA=0。反相加法器A2只有通过2R这一路输入，于是有00uI00IOuuIOuu第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.022.当输入电压uI0时，uO10，则VD1截止，VD2导通，于是有uA=-uI，此时反相求和放大器A2的输出电压为综合以上两点可知，无论uI为正或为负，uO则恒为正，即OIuuIIIO2uuuuuI0A1A2AuR2RRR1VD2VDuIuOuO12R-uI第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.028.7.3.2同相输入绝对值电路1．当输入电压uI0时，uO10，则VD1导通，A1处于跟随状态，uO1=uI，所以VD2截止，根据虚断和虚短的概念，可以得到：A1A2AuRRRR1VD2VDuIuOuO12RR图8.7.6同相绝对值电路uI0uO10uO1=uI第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.0211I22IuuuuuuA1A2AuRRRR1VD2VDuIuOuO12RR于是所以AIuuOIuu第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.022．当输入电压uI0时，uO10，则VD1截止，VD2导通，A1构成同相比例运算电路，于是uA=2uI对A2则有IOAI2uuuuRROIuuOIuu综合以上两点可知：该绝对值运算电路输入电阻较大。所以第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02该电路称为绝对值运算电路，也称为精密整流电路。之所以称为精密，是因为输出电压不是经过二极管的单向导电而得到的，所以二极管的死区不会在输出产生误差。问题：该电路为什么称为精密整流电路？二极管的死区电压是否会对输出电压产生影响？当uI0时，信号经2R传输，由A2构成反相比例运算得到输出；当uI0时，信号有一路经2R传输，另一路因VD1开路，uO1很负，VD2不可能微导通，不存在位于死区工作的情况。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.028.7.4接地阻抗模拟变换器R1AR2iUoUiIZ1I图8.7.7接地阻抗模拟变换电路阻抗模拟变换器是用来实现阻抗特性的模拟与变换的运放电路，电路如图8.7.7所示。由图可知，所以1iII2iiioi1112i1RZUUUUZIIRRRURZZRRIUZ21iii第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02当上式中的Z为电阻时：ZRRIUZ21iii1i2RZRR，呈现负电阻特性；当Z为电容时：11i222jjjRRCZLRRC呈现模拟电感特性，模拟电感为122RLCR第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02+-A1Z1Z3Z2Z5Z4Z1Uo1.Ui.++-A2+Ii.Ii.I2.I2.I2.由于集成电路工艺不能制作大容量的电容器，所以，往往采用模拟电容变换电路。根据图8.7.8，用虚短和虚断特性可以列出下列方程式图8.7.8模拟电容器电路52O1i45ZUUUZZo1i22UUIZiii112i33()UUIZZIIZZ所以454iiiO1i4552i22225ZZZUUUUUZZZIUZZZZZ例8.3：图8.7.8所示的是另一种适合做模拟电容的运放应用电路。试推导输入阻抗表达式。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02于是输入阻抗41ii253ZZUIZZZi125ii34UZZZZIZZ当是电阻时，Zi呈现电容性，相当一个模拟电容。当调节Z1、Z2、Z3、Z4的阻值时，可以控制模拟电容的容量。因为大容量的电容器体积大，可以采用模拟电容去取代大容量的电容器，以缩小印制电路板的面积。另外大容量的电容器稳定性也较差，采用模拟电容以后，有利于提高电容的稳定性。适当改变Z1~Z5的性质也可获得模拟电感。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.028.7.5有效值电路REFUA1A2yxyKxyxyKx1M2Mouo2uo1uiuo3uCRRR图8.7.9有效值电路图8.7.9是一个方均根值电路，即有效值电路。模拟乘法器M1实现平方运算，运算放大器A1是积分器，对M1的的输出求平均值，M1和A1组成开平方电路。于是可实现方均根运算TttuTu02Iod)(1第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02一个非正弦信号具有多种频率成分，滤波，就是保留信号中所需要的频率成分，抑制其他频率成分。滤波有两种方法：模拟滤波和数字滤波。前者是利用滤波电路频带的不同实现滤波；后者是将模拟量转化为数字量后用软件实现，属数字信号处理的内容。模拟滤波器又分无源和有源两种。无源滤波器由无源元件R、L和C组成，有源滤波器则由集成运放和R、C电路构成，两者相比，有源滤波电路具有以下优点：●构成的低频滤波器不使用电感、体积小、重量轻；●滤波的同时对信号具有放大作用，避免了信号的过度衰减；●集成运放输入阻抗高，输出阻抗低，对信号具有缓冲作用，避免前后级的互相影响，便于设计。8.7.6有源滤波器第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02有源滤波器按频率特性分为：低通（LPF，Low-passfilter）；高通（HPF，High-passfilter）；带通（BPF，Band-passfilter）；带阻滤波器（BRF，Band-rejectfilter）。它们的幅度频率特性曲线如图14.01.01所示。LPF下图是一个低通滤波电路(LPF)滤除信号中的高频干扰的示意图。第8章运算放大器和模拟乘法器线性应用电路2010.02滤波器的幅度频率特性曲线如图8.7.10所示。图(a)为低通滤波电路；图(b)为高通滤波电路；图(c)为带通滤波电路；图(d)为带阻滤波电路的幅度频率特性曲线。OfA过渡带阻带通带0A02A01.0AHfOfA0ALf01.0A通带阻带过渡带02AOfA过渡带0A02A通带LfHf阻带阻带0