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模拟电子技术基础

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模拟电子技术基础. 课件制作:. . 郑恒秋. §7.2 基本运算电路. 一、比例运算电路 √ 二、加减运算电路 √ 三、积分和微分运算电路 √ 四、对数和指数运算电路 五、用对数和指数运算电路实现的 乘除运运算电路. 四、对数和指数运算电路. 利用 PN 结伏安特性的指数规律,将二极管或三极管分别接入集成运放的反馈回路和输入回路,可以实现对数运算和指数运算。 1 、对数运算电路 ⑴采用二极管的对数运算电路. 存在的问题: ①运算关系与 U T 和 I S 有关,运算精度受温 度的影响;

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模拟电子技术基础

课件制作:

郑恒秋

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§7.2 基本运算电路
  • 一、比例运算电路√
  • 二、加减运算电路√
  • 三、积分和微分运算电路√
  • 四、对数和指数运算电路
  • 五、用对数和指数运算电路实现的 乘除运运算电路
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四、对数和指数运算电路
  • 利用PN结伏安特性的指数规律,将二极管或三极管分别接入集成运放的反馈回路和输入回路,可以实现对数运算和指数运算。
  • 1、对数运算电路
  • ⑴采用二极管的对数运算电路
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存在的问题:
  • ①运算关系与UT和IS有关,运算精度受温 度的影响;
  • ②二极管在电流小时内部载流子的复合 运动不可忽略,电流大时内阻不可忽 略,仅在一定的电流范围内才满足指 数特性。
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存在的问题:
  • ①与二极管构成的对数运算电路一样, 运算关系与UT和IS有关,运算精度受温 度的影响;
  • ②输入电压较小和较大的情况下,运算 精度变差。
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⑶集成对数运算电路
  • 在集成对数运算电路中,根据差分电路的原理,利用特性相同的两只晶体管进行补偿,消去IS对运算关系的影响。如ICL8048的电路如图所示。
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这种电路用对管消除了温度对IS的影响,但仍然存在UT的影响。可以把外接电阻R5换成热敏电阻补偿UT的影响。这种电路用对管消除了温度对IS的影响,但仍然存在UT的影响。可以把外接电阻R5换成热敏电阻补偿UT的影响。
  • R5应具有正温度系数。当环境温度升高时, R5的阻值变大,使放大倍数(1+R2/R5)减小,以补偿UT增大输出的影响。
  • 也可以把R2换成负温度系数的热敏电阻来补偿UT的影响。
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2、指数运算电路
  • ⑴基本电路 将对数电路中的电阻和三极管位置互换就得到了指数电路。
  • 注意:①uI应大于零,且只能在发射结导通电压范围内, 变化范围小;
  • ②运算精度受温度影响大。
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⑵集成指数运算电路
  • 原理与对数电路相同。
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可见,利用对管消除了IS的影响,但仍受UT的影响,可以把R3的一部分换成负温度系数的热敏电阻来补偿UT的影响。可见,利用对管消除了IS的影响,但仍受UT的影响,可以把R3的一部分换成负温度系数的热敏电阻来补偿UT的影响。
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五、用对数和指数运算电路实现的乘除运算电路五、用对数和指数运算电路实现的乘除运算电路
  • 用对数和指数运算电路实现的乘除运运算电路的方块图如下:

根据这种构思的具体电路如下:

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如果将电路中的求和电路换成求差电路,就可得到除法运算电路。如果将电路中的求和电路换成求差电路,就可得到除法运算电路。

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§7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用
  • 象运放一样,模拟乘法器以往大多用在模拟计算机上。六十年代之前,模拟乘法器基本上是模拟功能块式的。
  • 1968年B.吉尔伯特发表了变跨导模拟乘法器的著名论文,从而在理论与实践上实现了集成式。
  • 第一代产品:如Motorala的MC1595,它实现了相乘功能,还必须由集成运放构成附加的单端化电路。
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第二代产品:七十年代初期,把变跨导电路与单端化集成运放电路做在了同一个芯片上,成为一个完整的单片集成模拟四象限乘法器。第二代产品:七十年代初期,把变跨导电路与单端化集成运放电路做在了同一个芯片上,成为一个完整的单片集成模拟四象限乘法器。
  • 第三代产品:七十年代中期,利用激光微调电阻技术,把吉尔伯特核心电路、单端化运放以及有源反馈放大器集成在一个芯片上,精度大大提高。
  • 一、模拟乘法器简介
  • 二、变跨导型模拟乘法器的工作原理
  • 三、模拟乘法器在运算电路中的应用
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一、模拟乘法器简介
  • 模拟乘法器有两个输入端,一个输出端,如图所示。

其输出为:uO=kuXuY

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其等效电路如图所示。

  • 理想模拟乘法器的条件:
  • ⑴ri1和ri2为无穷大;
  • ⑵ rO为零;
  • ⑶k值不随信号幅值而变化,也不随频率而变化;
  • ⑷当uX或uY为零时,uO为零,电路没有失调电压、电流和噪声。
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输入信号uX或和uY为的极性有四种可能的组合,即四个象限,如图所示。输入信号uX或和uY为的极性有四种可能的组合,即四个象限,如图所示。
  • 根据输入信号允许的极性,模拟乘法器有单象限、两象限和四象限之分。
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二、变跨导型模拟乘法器的工作原理
  • 1、差分放大电路的差模传输特性
  • 电路如图所示。
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2、可控恒流源差分放大电路的乘法特性
  • 电路如图所示。
  • 式中uX可正可负,uY必须大于零。
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上述乘法器的缺点:
  • ⑴uY的值越小,运算误差越大;
  • ⑵uO与UT有关,受温度影响;
  • ⑶电路只能工作在两象限。
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当uX<<2UT,且uY<<2UT,时:

由于uX和uY<均可正可负,所以时四象限模拟乘法器。

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可以用下面的电路把平衡输出转换成单端输出。可以用下面的电路把平衡输出转换成单端输出。
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三、模拟乘法器在运算电路中的应用
  • 1、乘方运算电路 平方运算电路如图:
  • 如果加耦合电容隔离直流成分,则可得到二倍频。
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理论上可以用多个乘法器串联组成任意次幂的运算电路,实际上,当串联的数目超过三个时,运算误差的积累使精度变差,不再适用。可以采用模拟乘法器与集成对数、指数电路组合而成,如图所示:理论上可以用多个乘法器串联组成任意次幂的运算电路,实际上,当串联的数目超过三个时,运算误差的积累使精度变差,不再适用。可以采用模拟乘法器与集成对数、指数电路组合而成,如图所示:
  • 设k1=10, k2=0.1V-1, 则当N>1时,电路实现乘方运算。
  • 若N=2,则电路为平方运算电路;若N=10,则电路为10次幂运算电路。
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2、除法运算电路
  • 用模拟乘法器组成的除法电路如图所示。

电路要正常工作,必须保证引入的是负反馈,即i1=i2。

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当ui1>0V时,要求u´O<0V,而当ui1<0V时,要求u´O>0V, 即u´O应与uO同号,只有这样才能保证引入的是负反馈。
  • 由于u´O=kuOuI2因此,当乘法器的k小于零时, uI2<0V ;乘法器的k大于零时, uI2>0V 。
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三、模拟乘法器在运算电路中的应用
  • 3、开方运算电路
  • 用模拟乘法器组成的开方电路如图所示。

电路要正常工作,也必须保证引入的是负反馈,即i1=i2。

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因为uO大于零,所以uI必须小于零;由于根号下的数要大于零,所以模拟乘法器的k应大于零。因为uO大于零,所以uI必须小于零;由于根号下的数要大于零,所以模拟乘法器的k应大于零。
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如果因某种原因使uI大于零,必然使负反馈变成正反馈,使电路出现闭锁现象,又称锁定现象。为防止该现象发生,可在输出回路串接一个二极管,如图所示:如果因某种原因使uI大于零,必然使负反馈变成正反馈,使电路出现闭锁现象,又称锁定现象。为防止该现象发生,可在输出回路串接一个二极管,如图所示:
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将3次方电路作为集成运放的反馈通路,可构成立方根运算电路,如图所示:将3次方电路作为集成运放的反馈通路,可构成立方根运算电路,如图所示:
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与乘方电路相似,当多个模拟乘法器串联实现高次根的运算时,将产生较大的误差。为提高精度,反馈网络中的的模拟乘法器也可用下图实现:与乘方电路相似,当多个模拟乘法器串联实现高次根的运算时,将产生较大的误差。为提高精度,反馈网络中的的模拟乘法器也可用下图实现:

设k1=10, k2=0.1V-1, 则k=1,当N<1时,电路实现开方运算。

若N=0.5,则电路为开平方运算电路;若N=0.1,则

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解:⑴只有电路中引入负反馈,才能正常工作,因 此要求u´O与 uI1符号相反,已知uO与uI1反相,u´O应与uO同号,因为k<1,所以uI3应小于零。 ⑵P点电位:
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作业
  • P382 7.17
  • P383 7.21
  • P384 7.22