模拟电子电路第7章：信号的运算和处理电路.ppt

(4-1),第7章信号的运算和处理电路,7.1信号运算电路集成运放的非线性应用,7.3有源滤波电路,7.2电压比较器集成运放的非线性应用,(4-2),7.1信号运算电路,Ao越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。,7.1.1概述,(4-3),运放线性运用,在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加了负反馈，运放工作于线性状态。,(4-4),由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,理想运放的条件：(线性应用时）,(4-5),理想运放的符号,下面我们利用集成运放电路构成各种信号运算电路，并利用虚断和虚短的概念对其进行分析：,(4-6),7.1.2信号运算电路,(1)反相比例运算放大器,i1=i2,虚地,(4-7),电路的输入电阻：,Ri=R1,反馈方式：,电压并联负反馈,理想输出电阻为0！,(4-8),(2)同相比例运算放大器,u-=u+=ui,电压串联负反馈,共模电压：ui,没有虚地概念。,(4-9),(3)差动放大器实现减法运算,解出：,可见输出电压和2个输入电压的差模信号成比例关系,(4-10),(4)电压跟随器,该集成运算电路在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,(4-11),以上电路的比较归纳：,1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。,2.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,(4-12),(5)反相求和运算：,(4-13),(6)同相求和运算：,此电路如果以u+为输入，则输出为：,u+ui1、ui2？,节点电流法则,(4-14),所以：,请特别注意，同相求和电路的两个输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,(4-15),(7)微分运算：,u-=u+=0,(4-16),若输入：,则：,(4-17),(8)积分运算：,应用举例：,1、输入方波，输出是三角波。,(4-18),2、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,思考：问TM为多少时候，输出电压等于输入电压？,(4-19),(4-20),(4-21),(4-22),三运放电路是差动放大器，放大倍数可调。,(4-23),（10）对数运算电路：,用三极管构成的对数运算电路,(4-24),由发射节BE的伏安特性，可以得到，,其中IS为反向饱和电流，典型值为108到1014安培，VT为温度的电压当量，值为0.026v,由三极管的特性可得到：,由此公式可得到：,(4-25),由集成运放的特性，可以得到：,(2),联立（1）（2）得到：,(1),由三极管的特性可知,(4-26),（12）反对数运算电路（指数运算电路）,和对数运算电路的差别在于三极管和电阻位置相反。,(4-27),可见，输出和输入成指数关系,(4-28),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。,（13）模拟乘法器的基本原理,(4-29),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19.01所示。,图19.01模拟乘法器符号,(4-30),对数反对数型模拟乘法器原理,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,(4-31),三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,(4-32),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算电路，电路如图19.06所示。立方运算电路如图19.07所示。,(4-33),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,(4-34),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,(4-35),7.2集成运放的非线性应用,所谓非线性应用是指，由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。,(4-36),1、电路中的运放处于非线性状态。,比如：运放开环应用,(4-37),2、电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管）。,ui0时：,uiUREF2,若UREF2uI=3时候，Q=1/(3-AF)1时，幅频特性在处将抬高,(4-79),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。,(4-80),（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,(4-81),增益计算,通常有C1=C2=C，联立求解以上三式，可得滤波器的传递函数,(4-82),(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-40dB/dec的速率下降，比一阶的下降快。,(4-83),二阶压控型有源高通滤波器的电路图。二阶压控型HPF,(4-84),由此绘出的频率响应特性曲线如图13.13所示,(2)传递函数,(4-85),结论：当时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dec；当3时，电路自激。,(4-86),二阶压控型有源带通和带阻滤波器的电路图如图所示。,有源带通滤波器(BPF)和带阻滤波器(BEF),二阶压控型BPF,二阶压控型BEF,(4-87),带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节组合而成的。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。,(4-88),解：根据f0，选取C再求R。1.C的容量不易超过。因大