《信号运算电路new》PPT课件.ppt

第五章信号运算电路第1节加减运算电路,一、加法运算电路,第1节加减运算电路,二、减法运算电路（一）利用加法运算电路实现减法运算,第1节加减运算电路,（二）用单一运算放大器实现减法运算,一、基本原理,第2节积分运算电路,式中，负号表示vO与vi在相位上是相反的。,根据“虚短”，得,根据“虚断”，得,因此,设电容器C的初始电压为零，则,（积分运算）,第2节积分运算电路,基本积分运算电路,在直流输入情况下,积分电容通常较大,输入电压波形,输出电压波形,积分电路输出电压波形,输入方波信号,输出三角波,转化为,RETURN,第2节积分运算电路,二、动态应用范围设运放允许的最大正、负输出电压为VOMVON,允许的最大输出电流为IOM。例：R1=10K，Cf=0.1F,VOM=10V,VON=-10V,IOM=5mA,RL=4K,求对输入信号的限制。,第2节积分运算电路,解：f=R1Cf=101030.110-6=10-3S=1mS若输入是直流信号Ui=U则因为即所以取t=1ms则，从输出电流的限制看当t=10-3s=1ms时两个条件相比较，应使若t越短，则允许可越大，反之越小。,所以,因为,第2节积分运算电路,（2）若输入为交流正弦信号则当有最大值，应满足表明：频率越低，允许输入信号幅度越小。从允许输出电流角度看其电流最大值为,因为,所以,第2节积分运算电路,可见输入信号在低频端，受到允许输出电压的限制；在高频端，受到允许输出电流的限制。,第2节积分运算电路,三运算误差1、理想积分器与实际积分器的阶跃响应的差别在初期，实际响应有一时间滞后，原因是运放的频带不够宽，上升速率有限，运放来不及反应；电容的吸附效应。在后期，随着积分时间的加长，积分误差加大，积分值下降，是由于各种漏电流造成，及开环增益不是无穷大。,第2节积分运算电路,2、克服措施（参数选择）(1)选择失调电压、失调电流小的器件(2)精心调零，补偿失调(3)选漏电小的电容，如聚苯乙烯、聚四氟乙烯电容。在高速运放时，为减小吸附效应，可用云母电容、其次是聚苯乙烯电容、钽电容。(4)选择增益-带宽积大的运放，直流开环增益的选择不容忽视。,第2节积分运算电路,四、有源积分器与无源积分器的区别1、无源积分器：随着电容充电，电阻上压降减小，充电电流随之减小。2、有源积分器：因存在虚地点，可以维持基本恒定的充电电流，,第2节积分运算电路,有源与无源滤波器波形区别,第2节积分运算电路,五、积分电路元件的选择（1）当时间常数=RC确定后，就可以选择R和C的值，由于反相积分电路的输入电阻Ri=R，因此往往希望R的值大一些。在R的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的C值。（2）确定RPRP为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取RP=R。,第2节积分运算电路,五、积分电路元件的选择（3）确定Rf在实际电路中，通常在积分电容的两端并联一个电阻Rf。Rf是积分漂移泄漏电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和或截止现象。为了减小误差要求Rf10R。（4）选择运算放大器为了减小运放参数对积分电路输出电压的影响，应选择：输入失调参数（UIO、IIO、IB）小，开环增益（Auo）和增益带宽积大，输入电阻高的集成运算放大器。,第2节积分运算电路,六、典型积分运算电路1、积分时间常数范围宽广的积分器当RC过小时，积分漂移增大积分漂移速度当RC过大时，电容器漏电和电路寄生参数的影响将增强。,第2节积分运算电路,积分时间常数范围宽广的积分器,取R1=RFR2=Rf,第2节积分运算电路,七、积分电路的应用,1、积分电路可实现波形变换。,第2节积分运算电路,2、积分电路具有延迟作用。积分电路的输出随时间增长，延迟时间既与输入电压有关，也与积分电路的积分时间常数有关。可接入开关前，根据延迟时间设定电路参数。3、积分电路还有移相作用。在频域分析中，即输出超前输入90度，即移相了90度。,第2节积分运算电路,六、典型积分运算电路2、反相积分电路,第2节积分运算电路,3、增量积分电路（比例积分电路）,第3节微分运算电路,第3节微分运算电路,二、有源微分运算电路,R2=Rf,为使直流电阻平衡,反相端虚地,虚断,实现了微分运算,RfC,方波可转化为尖脉冲,RETURN,微分电路输出电压波形,输入电压波形,输出电压波形,输入方波信号,输出尖脉冲波,转化为,RETURN,第3节微分运算电路,三、微分运算电路的改进1、电阻R1与C1串联，限制输入电流；2、在Rf两端并联稳压管，限制输出电压幅度；3、在电阻R3和Rf两端各并联电容，起相位补偿作用。,电路在高频时，反馈网络产生了一个接近于90o相位滞后，它与运放的滞后结合在一起，很容易产生自激振荡，串联电阻在输入端，可以降低相移，从而提高微分电路高频稳定性。,第3节微分运算电路,四、间接微分运算电路,A3：因为，I入=0，所以必有I1=I2,则U02=-Ui,即,所以,习题1,理想运放电路及输入波形如图所示，已知电容C上的初始电压Uc(0)=0V,两个稳压管性能相同，Uz=4.3V,UD（ON）=0.7V,试画出输出U0的波形，并确定电压转折处的时间。,在01ms期间，UA(t)为即UA(t)随时间的增大而增大，当t=1ms时，UA(1ms)=8V在13ms期间，Ui(t)为6V,UA(t)=8-8(t-1),当t=3ms时,UA(3ms)=8V-16V=-8V在34ms期间，Ui(t)为-6V,UA(t)=-8+8(t-3),当t=4ms时,UA(4ms)=-8V+8V=0V由于输出端稳压管的双向限幅作用，当时，U0=UA当对应电压转折处的时间t1=5/8=0.625mst2=1+(8-5)/5=1.375mst3=1+(8+5)/8=2.625mst4=3+(8-5)/8=3.375ms,习题2,理想运放组成的模拟运算电路如图所示，试求输出电压U01和U0的表达式，并指出该电路实现的功能。若取C=0.1F，R1=10K,R2=20K，Ui为幅度6V频率250Hz的方波，试画出U01和U0的波形。,该电路对输入电压实现反相积分，积分常数为方波频率为250Hz,其周期t=4ms,则对应输入方波的U01和U0分别如图。在02ms时，当t2ms时，当t=2ms时，Ui由6V变为-6V，则U01下降12V，即U01=-2V。在24ms期间，则U01线性下降到-6V。当t=4ms时，U01又上跳12V，即U01=6V，以后重复此过程。,习题3,理想运放组成的模拟运算电路如图所示，试求输入Ui和输出U0的表达式。,将等式两边求导,第5节绝对值电路,一、二极管整流电路的缺点,C1,所谓绝对值电路，是指输出与输入电压的极性无关，仅与输入电压绝对值有关的电路。,取绝对值从信号看就是全波整流电路。整流指把正负极性交变的信号转换成单极性信号。,（1）非线性（2）存在死区电压,第5节绝对值电路,绝对值运算电路Io=Ui/R,第5节绝对值电路,二、线性整流电路为什么要采用精密整流电路？二极管VD和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管VD和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了提高检波精度，常需采用精密整流电路，它又称为线性整流电路。,对图示电路（1）画出其输入输出特性（2）Usr为5Sint时的Usc波形（3）说明为什么基本克服二极管死区电压的影响。答：1、半波线性整流，输入正，输出为2倍输入，输入负，输出为零。2、波形略。3、当输入为小信号时,二极管不通，运放为开环放大倍数，所以它可以降低输入电压的幅值为Vi/K0，由于放大过程中尽快进入了二极管的线性区，所以它能较好地克服了二极管的死区电压和非线性。,第5节绝对值电路,1、半波精密整流电路P63,当us为“+”时，uA为“-”，VD1导通，VD2截止，uA为0，当us为“-”时，uA为“+”，VD1截止，VD2导通，uA为uA=-(R2/R1)us,第5节绝对值电路,2、全波精密检波电路,线性全波检波电路,N1组成半波整体电路，U01与输入电压Ui的关系为当Ui0时，D2截止，D1导通，U01=0，U01为Ui由反相加法器N2求和当Ui0时，U01=0，当Ui0时，U010；D3截止，D4导通，U0=Ui；当Ui0；D2导通，D1截止，U020；D3导通，D4截止，U0=-Ui；,高输入阻抗线性全波整流电路,us,uA,VD2,VD1,uo,R1,R3,R4,-,+,+,N1,-,+,+,N2,a)电路图,当R3=R2=R1,R4=2R1时,当Ui0时，D1导通，D2截止,第6节常用特征值运算电路,一、平均值运算电路（低通滤波器实现）二、峰值运算电路,第6节常用特征值运算电路,三、有效值运算电路,习题,线性电桥放大电路中，若u采用直流，其值10V，R1R3=R120，R0.24时，试求输出电压o。如果要使失调电压和失调电流各自引起的输出小于1mV，那么输入失调电压和输入失调电流应为多少？,由图可得并将题设代入，可得Uo=UR/(2R)=10mV。设输入失调电压为u0s和输入失调电流为I0s，当输出失调电压小于1mV时，输入失调电压u0s(1103)/(1+R2/R1)=0.5mV；输入失调电流为I0s(1103)/R1(1+R2/R1)=4.17A。,其中，IES是发射结反向饱和