第七章+信号的运算和处理111.ppt

模拟电子技术基础 主讲 物理与电子工程学院周功明 8 2 1 2 第7章信号的运算和处理 结束 第七章信号的运算和处理 7 1概述 7 2基本运算电路 7 3模拟乘法器及其在运算电路中的应用 7 4有源滤波器 7 5电子信息系统预处理中所用放大器 本章主要讲述理想集成运放的特点 基本运算电路和有源滤波电路等 重点掌握理想集成运放的特点及 虚短 虚断 的概念 并能应用这两个基本概念分析基本运算电路和有源滤波电路 掌握理想集成运放的线性应用和非线性应用条件 理解LPF BPF HPF BEF的工作原理及主要性能 能根据需要合理选择运算电路和滤波电路 了解干扰和噪声的来源及抑制方法 Home 内容简介 7 信号的运算与处理 教学要求 重点 掌握比例 加减 积分运算电路的工作原理和运算关系 利用 虚短 和 虚断 的概念分析各种运算电路输出电压和输入电压运算关系的方法 根据需要选择运算电路 滤波的有关概念 有源滤波电路的识别 各种滤波电路的用途及它们幅频特性的定性分析 为了训练学生的读图能力 电路的识别是课程的重点 对运算关系的分析是学习运算电路的重点 而对于滤波电路 电路的定性分析比定量计算重要 难点 运算电路和有源 滤波电路的识别 对数 指数运算电路和有源滤波电路的分析计算 8 5 1 5 第7章信号的运算和处理 结束 7 1概述 7 1 1电子信息系统的组成 信号处理的两个步骤 1 预处理 即根据实际情况利用隔离 滤波 阻抗变换等各种手段将信号分离出来并进行放大 2 当信号足够大时 对信号进行运算 转换 比较 取样 保持等加工 图7 1 1电子信息系统的示意图 8 6 1 6 第7章信号的运算和处理 结束 Ao越大 运放的线性范围越小 必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围 例 若UOM 12V Ao 106 ui 12 V时 运放处于线性区 线性放大区 7 1 2理想运放的两个工作区 8 7 1 7 第7章信号的运算和处理 结束 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 放大倍数与负载无关 分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行 运放工作在线性区的特点 一 在分析信号运算电路时对运放的处理 8 8 1 8 第7章信号的运算和处理 结束 二 分析运放组成的线性电路的出发点 虚短路虚开路放大倍数与负载无关 可以分开分析 8 9 1 9 第7章信号的运算和处理 结束 7 2 1比例运算电路 7 2基本运算电路 作用 将信号按比例放大 类型 同相比例放大和反相比例放大 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 8 10 1 10 第7章信号的运算和处理 结束 1 运算关系 虚短路 虚开路 一 反相比例运算电路 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从反相端输入 虚地 1 基本运算电路 8 11 1 11 第7章信号的运算和处理 结束 2 电路的输入电阻 Ri R RP R Rf 为保证一定的输入电阻 当放大倍数大时 需增大Rf 而大电阻的精度差 因此 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 8 12 1 12 第7章信号的运算和处理 结束 4 共模电压 输入电阻小 共模电压为0以及 虚地 是反相输入的特点 3 反馈方式 电压并联负反馈 输出电阻很小 虚地 8 13 1 13 第7章信号的运算和处理 结束 基本反相比例电路的特点 1 共模输入电压为0 因此对运放的共模抑制比要求低 2 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 3 由于并联负反馈的作用 输入电阻小 因此对输入电流有一定的要求 4 在放大倍数较大时 该电路结构不再适用 2 T形网络反相比例运算电路例 求Au 为了用低值电阻实现高电压增益的比例运算 常用T型网络代替RF 解 深负反馈 虚短 u u 0 虚地 虚断 i i 0 i1 i2 对比 可得 输入电阻 Rif R1 8 17 1 17 第7章信号的运算和处理 结束 例 求Au 虚短 虚断 2 T形网络反相比例运算电路 图7 2 2T型网反相比例运算电路 8 18 1 18 第7章信号的运算和处理 结束 8 19 1 19 第7章信号的运算和处理 结束 该放大电路 在放大倍数较大时 可避免使用大电阻 但R3的存在 削弱了负反馈 8 20 1 20 第7章信号的运算和处理 结束 二 同相比例运算电路 uP uN uI 反馈方式 电压串联负反馈 输入电阻高 虚短 虚断 结构特点 负反馈引到反相输入端 信号从同相端输入 虚断 图7 2 3同相比例运算电路 8 21 1 21 第7章信号的运算和处理 结束 同相比例电路的特点 3 共模输入电压为ui 因此对运放的共模抑制比要求高 1 由于电压负反馈的作用 输出电阻小 可认为是0 因此带负载能力强 2 由于串联负反馈的作用 输入电阻大 8 22 1 22 第7章信号的运算和处理 结束 三 电压跟随器 结构特点 输出电压全部引到反相输入端 信号从同相端输入 电压跟随器是同相比例运算放大器的特例 图7 2 4电压跟随器 8 23 1 23 第7章信号的运算和处理 结束 此电路是电压串联负反馈 输入电阻大 输出电阻小 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 8 24 1 24 第7章信号的运算和处理 结束 7 2 2加减运算电路 作用 将若干个输入信号之和或之差按比例放大 类型 同相求和和反相求和 方法 引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈 这样输出电压与运放的开环放大倍数无关 与输入电压和反馈系数有关 8 25 1 25 第7章信号的运算和处理 结束 一 求和运算电路 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 1 反相求和运算电路 虚短 虚断 图7 2 7反相求和运算电路 8 26 1 26 第7章信号的运算和处理 结束 图7 2 8利用叠加原理求解运算关系 8 27 1 27 第7章信号的运算和处理 结束 每个输入端的输入电阻各不相同 因此 各信号源所提供的输入电流也就不相同 2 同相求和运算电路 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 图7 2 9同相求和运算电路 8 28 1 28 第7章信号的运算和处理 结束 8 29 1 29 第7章信号的运算和处理 结束 其中 8 30 1 30 第7章信号的运算和处理 结束 式中RN R Rf 若RN RP 则 在同相求和电路中 若 则可省去R4 8 31 1 31 第7章信号的运算和处理 结束 左图也是同相求和运算电路 如何求同相输入端的电位 提示 1 虚断 流入同相端的电流为0 2 节点电位法求uP 思考题 8 32 1 32 第7章信号的运算和处理 结束 二 加减运算电路 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数 以适应不同的需要 1 单运放加减运算电路 图7 2 10加减运算电路 8 33 1 33 第7章信号的运算和处理 结束 表示反相输入端各信号单独作用和同相输入端各信号单独作用的电路如下图7 2 11 a b 图7 2 11利用叠加原理求解加减运算电路 8 34 1 34 第7章信号的运算和处理 结束 所有输入信号同时作用时的输出电压为 若只有两个输入 且电路参数对称 则输出电压为 8 35 1 35 第7章信号的运算和处理 结束 解出 单运放的加减运算电路的特例 差动放大器 8 36 1 36 第7章信号的运算和处理 结束 差动放大器放大了两个信号的差 但是它的输入电阻不高 2R1 这是由于反相输入造成的 图6 2 3例6 2 2电路 例1 用集成运放实现以下运算关系 解 比较得 选RF1 20k 得 R1 100k R3 15 4k 选RF2 100k 得 R4 100k R2 10k 8 39 1 39 第7章信号的运算和处理 结束 例 设计一个加减运算电路 RF 240k 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 画电路 系数为负的信号从反相端输入 系数为正的信号从同相端输入 8 40 1 40 第7章信号的运算和处理 结束 2 求各电阻值 uo 10ui1 8ui2 20ui3 8 41 1 41 第7章信号的运算和处理 结束 优点 元件少 成本低 缺点 1 要求R1 R2 Rf R3 R4 R5 阻值的调整 计算不方便 2 对每个信号源 输入电阻均较小 单运放的加减运算电路 改进 采用双运放电路 8 42 1 42 第7章信号的运算和处理 结束 2 双运放的加减运算电路 1 同相输入双运放加减运算电路 图7 2 13高输入电阻的差分比例运算电路 8 43 1 43 第7章信号的运算和处理 结束 若 2 反相输入双运放加减运算电路 8 44 1 44 第7章信号的运算和处理 结束 8 45 1 45 第7章信号的运算和处理 结束 1 它们都引入电压负反馈 因此输出电阻都比较小 2 关于输入电阻 反相输入的输入电阻小 同相输入的输入电阻高 3 同相输入的共模电压高 反相输入的共模电压小 比例运算电路与加减运算电路小结 8 46 1 46 第7章信号的运算和处理 结束 一 积分运算电路 7 2 3积分运算电路和微分运算电路 图7 2 16积分运算电路 8 47 1 47 第7章信号的运算和处理 结束 输入方波 输出是三角波 应用举例1 8 48 1 48 第7章信号的运算和处理 结束 U 积分时限 应用举例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 8 49 1 49 第7章信号的运算和处理 结束 积分电路的主要用途 1 在电子开关中用于延迟 2 波形变换 例 将方波变为三角波 3 A D转换中 将电压量变为时间量 4 移相 应用举例3 思考 如果输入是正弦波 输出波形怎样 请自己分析 8 50 1 50 第7章信号的运算和处理 结束 uN uP 0 二 微分运算 1 基本微分运算电路 图7 2 18基本微分运算电路 8 51 1 51 第7章信号的运算和处理 结束 若输入 则 微分运算电路的输入输出波形 8 52 1 52 第7章信号的运算和处理 结束 2 实用微分运算电路 1 微分运算电路对输入信号的变化非常敏感 以致运放内部放大管进入截止或饱和 2 两部分滞后环节会造成运算电路产生自激振荡 图7 2 19实用微分运算电路 2 微分运算电路 为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡 实用电路应采取措施 限制输入电流 限制输出电压幅值 滞后补偿 8 54 1 54 第7章信号的运算和处理 结束 3 逆函数型微分运算电路 虚断 图7 2 21逆函数型微分运算电路 8 55 1 55 第7章信号的运算和处理 结束 3 逆函数型微分运算电路 虚断 图7 2 21逆函数型微分运算电路 8 56 1 56 第7章信号的运算和处理 结束 7 2 4对数运算电路和指数运算电路 1 采用二极管的对数运算电路 一 对数运算电路 虚地 图7 2 24采用二极管的对数运算电路 8 57 1 57 第7章信号的运算和处理 结束 采用二极管的对数运算电路缺陷 1 运算关系由UT IS等温度参数有关 2 仅在二极管的较大电流范围内才满足指数运算关系 电流较小时 计算误差较大 8 58 1 58 第7章信号的运算和处理 结束 图7 2 25利用三极管的对数运算电路 2 利用三极管的对数运算电路 8 59 1 59 第7章信号的运算和处理 结束 图7 2 25利用三极管的对数运算电路 2 利用三极管的对数运算电路 8 60 1 60 第7章信号的运算和处理 结束 图7 2 25利用三极管的对数运算电路 2 利用三极管的对数运算电路 8 61 1 61 第7章信号的运算和处理 结束 节点N1的电流方程 节点N2的电流方程 N2点的电位为 2 集成对数运算电路 8 63 1 63 第7章信号的运算和处理 结束 2 集成指数运算电路 图7 2 28集成指数运算电路 8 64 1 64 第7章信号的运算和处理 结束 在忽略T1基极电流的情况下 P点的电位 在T1的集电极电流为 E点的电位为 8 65 1 65 第7章信号的运算和处理 结束 输出电压为 8 66 1 66 第7章信号的运算和处理 结束 7 2 5利用对数和指数运算电路实现的乘法运算电路和除法运算电路 图7 2 29利用对数和指数运算电路实现的乘法运算电路的方框图 一 乘法运算电路的方框图 7 2 5乘法和除法电路 7 2 1由对数及指数电路组成的乘除电路 8 68 1 68 第7章信号的运算和处理 结束 图7 2 30乘法运算电路 二 乘法运算原理电路 8 69 1 69 第7章信号的运算和处理 结束 三 乘法运算电路分析 四 除法运算电路 在乘法运算电路中 将求和电路用求差电路代替 则可得到除法运算电路 8 70 1 70 第7章信号的运算和处理 结束 运算电路要求 1 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式 2 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算 3 会用 虚断 ii 0 和 虚短 u u 分析给定运算电路的输出和输入的关系 8 71 1 71 第7章信号的运算和处理 结束 7 3模拟乘法器及其在运算电路中的应用 7 3 1模拟乘法器简介 图7 3 1模拟乘法器的符号及其等效电路 一 电路 8 72 1 72 第7章信号的运算和处理 结束 1 输入电阻为无穷大 2 输出电阻为零 3 乘积系数不随信号幅值和频率发生变化 4 当输入电压之一为零时 输出电压应为零 即电路无失调电压 电流和噪声 二 理想模拟乘法器应具备的条件 8 73 1 73 第7章信号的运算和处理 结束 三 分类 图7 3 2模拟乘法器输入信号的四个象限 图6 5 5 7 3 2变跨导式模拟乘法器的原理 恒流源式差动放大电路的输出电压为 当IEQ较小 电路参数对称时 所以 结论 输出电压正比于输入电压uI1与恒流源电流I的乘积 设想 使恒流源电流I与另一个输入电压uI2成正比 则uO正比于uI1与uI2的乘积 当uI2 uBE3时 即 图6 5 6变跨导式乘法器原理电路 8 76 1 76 第7章信号的运算和处理 结束 7 3 2变跨导型模拟乘法器的工作原理 一 差分放大器的差模传输特性 图7 3 3差分放大电路及其差模传输特性 8 77 1 77 第7章信号的运算和处理 结束 8 78 1 78 第7章信号的运算和处理 结束 8 79 1 79 第7章信号的运算和处理 结束 输出电压 二 可控恒流源差分放大电路的乘法特性 图7 3 4两象限模拟乘法器 8 80 1 80 第7章信号的运算和处理 结束 uX可正可负 但uY只能大于零 故属于两象限模拟乘法器 缺点 1 uY越小 运算误差越大 2 uo与UT有关 即k与温度有关 3 只能工作于两象限 8 81 1 81 第7章信号的运算和处理 结束 三 四象限变跨导型模拟乘法器 图7 3 5双平衡四象限变跨导型模拟乘法器 8 82 1 82 第7章信号的运算和处理 结束 8 83 1 83 第7章信号的运算和处理 结束 uX可正可负 uY可正可负 故属于四象限模拟乘法器 8 84 1 84 第7章信号的运算和处理 结束 7 3 3模拟乘法器在运算电路中的应用 一 乘方运算电路 图7 3 7平方运算电路 8 85 1 85 第7章信号的运算和处理 结束 图7 3 83次方和4次方运算电路 8 86 1 86 第7章信号的运算和处理 结束 图7 3 9N次方运算电路 8 87 1 87 第7章信号的运算和处理 结束 二 除法运算电路 图7 3 10除法运算电路 虚地 1 电路必须保证是负反馈 即 2 因uI2的极性受k的影响 该电路为两象限除法电路 8 88 1 88 第7章信号的运算和处理 结束 三 开方运算电路 图7 3 11平方根运算电路 虚地 在除法运算电路中令 得到平方根运算电路如图7 3 11所示 8 89 1 89 第7章信号的运算和处理 结束 若uI大于0 反馈变为正反馈 使运放内部晶体管工作于截止区或饱和区 输出电压接近电源电压 以至于即使uI再变得小于零 晶体管也不能回到放大区 电路不能恢复正常工作 运放出现闭锁或锁定现象 图7 3 12防止闭锁现象的平方根电路 8 90 1 90 第7章信号的运算和处理 结束 四 立方根运算电路 图7 3 13立方根运算电路 虚地 例1 图7 22是一个由理想运放构成的高输入阻抗放大器 求其输入电阻ri 图7 22高输入阻抗放大器 解两个运放都外加有负反馈 所以都工作在线性区 当时 一般为防止自激 以保证ri为正值 R要略大于R1 8 93 1 93 第7章信号的运算和处理 结束 一 滤波电路的种类 1 按信号性质分类 3 按电路功能分类 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 2 按所用元件分类 7 4有源滤波电路 模拟滤波器和数字滤波器 无源滤波器和有源滤波器 7 4 1滤波电路的基础知识 8 94 1 94 第7章信号的运算和处理 结束 低通 高通 带通 带阻 四种典型的频率特性 8 95 1 95 第7章信号的运算和处理 结束 4 按阶数分类 一阶 二阶 高阶 二 滤波器的幅频特性 图7 4 2低通滤波器的实际幅频特性 8 96 1 96 第7章信号的运算和处理 结束 1 无源低通滤波器 以一阶滤波器为例 传递函数 三 无源滤波电路和有源滤波电路 8 97 1 97 第7章信号的运算和处理 结束 1 带负载能力差 2 无放大作用 3 特性不理想 边沿不陡 截止频率处 此电路的缺点 8 98 1 98 第7章信号的运算和处理 结束 将两级一阶低通滤波器串接 各级互相影响 8 99 1 99 第7章信号的运算和处理 结束 2 有源滤波电路 1 不使用电感元件 体积小重量轻 2 有源滤波电路中可加电压串联负反馈 使输入电阻高 输出电阻低 输入输出之间具有良好的隔离 只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路 无需考虑级间影响 3 除滤波外 还可放大信号 放大倍数容易调节 8 100 1 100 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 4有源滤波电路 有源滤波电路的缺点 1 不宜用于高频 2 不宜在高电压 大电流情况下使用 3 可靠性较差 4 使用时需外接直流电源 8 101 1 101 第7章信号的运算和处理 结束 传递函数 幅频特性 相频特性 四 有源滤波电路的传递函数 8 102 1 102 第7章信号的运算和处理 结束 一 同相输入低通滤波器 7 4 2低通滤波器 1 一阶电路 8 103 1 103 第7章信号的运算和处理 结束 传递函数中出现 的一次项 故称为一阶滤波器 幅频特性 相频特性 8 104 1 104 第7章信号的运算和处理 结束 低通滤波仿真 8 105 1 105 第7章信号的运算和处理 结束 有放大作用 3 运放输出 带负载能力强 幅频特性与一阶无源低通滤波器类似 电路的特点 2 o时 1 0时 8 106 1 106 第7章信号的运算和处理 结束 2 简单二阶电路 图7 4 7简单二阶低通滤波电路 8 107 1 107 第7章信号的运算和处理 结束 令 8 108 1 108 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 8简单二阶低通滤波电路的幅频特性 8 109 1 109 第7章信号的运算和处理 结束 3 压控电压源二阶低通滤波电路 8 110 1 110 第7章信号的运算和处理 结束 解出 其中 传递函数中出现 的二次项 故称为二阶滤波器 8 111 1 111 第7章信号的运算和处理 结束 8 112 1 112 第7章信号的运算和处理 结束 R1 时 AF 1 o时 8 113 1 113 第7章信号的运算和处理 结束 由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器 例 两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器 分析简单 8 114 1 114 第7章信号的运算和处理 结束 8 115 1 115 第7章信号的运算和处理 结束 一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别 阶数越高 幅频特性曲线越接近理想滤波器 8 116 1 116 第7章信号的运算和处理 结束 二 反相输入低通滤波器 1 一阶电路 图7 4 11反相输入一阶低通滤波电路 8 117 1 117 第7章信号的运算和处理 结束 1 二阶电路 图7 4 12反相输入简单二阶低通滤波电路 8 118 1 118 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 13无限增益多路反馈二阶低通滤波电路 8 119 1 119 第7章信号的运算和处理 结束 其中 8 120 1 120 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 14四阶低通滤波器方框图 8 121 1 121 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 15三种类型二阶LPF的的幅频特性 8 122 1 122 第7章信号的运算和处理 结束 将低通滤波器中的R C对调 低通滤波器就变成了高通滤波器 7 4 3其它滤波电路 一 高通滤波电路 8 123 1 123 第7章信号的运算和处理 结束 8 124 1 124 第7章信号的运算和处理 结束 幅频特性 高通滤波仿真 8 125 1 125 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 16二阶高通滤波电路 8 126 1 126 第7章信号的运算和处理 结束 二 带通滤波电路 图7 4 17由低通滤波器和高通滤波器串联组成的带通滤波器 带通滤波仿真 8 127 1 127 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 18压控电压源二阶带通滤波电路 8 128 1 128 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 19压控电压源二阶带通滤波电路幅频特性 8 129 1 129 第7章信号的运算和处理 结束 三 带阻滤波电路 图7 4 20带阻滤波器的方框图 8 130 1 130 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 21有源带阻滤波电路 8 131 1 131 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 22常用有源带阻滤波电路图 8 132 1 132 第7章信号的运算和处理 结束 图7 4 23图7 4 22所示带阻滤波器的幅频特性 8 133 1 133 第7章信号的运算和处理 结束 四 全通滤波电路