信号运算与处理电路.ppt

1、2021/1/7,a,1,第7章集成运放的应用（信号的运算和处理,7.1 概述,7.2 基本信号的运算电路,7.3 模拟乘法器的应用,7.4 有源滤波电路,7.5 电子信息系统预处理中所用放大电路,2021/1/7,a,2,ri 大: 几十k M,运放的特点,KCMRR很大,ro 小：几十 几百,A 很大: 104 107,7.1 概述,理想运放的特点 1、开环差模增益 Aod= 2、差模输入电阻 rid= 3、输入偏置电流 IB1=IB2=0 4、输出电阻 r0=0 5、共模抑制比 KCMRR= 6、频带宽度 BW= 7、输入失调电压、输入失调电流均为零,7.1.1 理想运放的特性,2021

2、/1/7,a,3,7.1.2 理想运放的两个工作区,2021/1/7,a,4,例:设电源电压VCC=10V。运放的AOd=106,求ui,ui0.01mV时，运放处于线性区,Aod越大，线性区越小，当AOd时，线性区0,怎样使理想运放工作在线性区,在输出与输入之间加深度负反馈,2021/1/7,a,5,虚断路,虚短路、虚断路的概念,1、开环增益 Aod= 2、差模输入电阻 rid,iN,iP,2021/1/7,a,6,1）输入信号加在反相输入端,7.2 基本运算电路,7.2.1 比例运算电路,1. 特点,2）同相端通过R2接地，以保证运放工作于对称状态,R2=Rf/R1,3）Rf与R1组成反馈

3、网络，且为电压并联负反馈,一、反相比例运算电路,2021/1/7,a,7,i1=if,虚地,2. 分析,2021/1/7,a,8,1）uo与ui反相反相放大器； （2）Auf只与Rf，R1有关，且有三种情况； （3）当Rf=R1时，uo=-ui， 此时运放相当于作变号运算,闭环增益,3. 讨论,2021/1/7,a,9,二、同相比例运算电路,uo,uN= uP= ui,1）输入信号加在同相输入端，反馈网络加在反相输入端； （2）不存在“虚地”,特点,2021/1/7,a,10,1）uo与ui同相，且uoui， （2）若令Rf=0或R1=，则Auf=1即uo=ui 跟随器,闭环增益,讨论,202

4、1/1/7,a,11,另一种同相比例运算电路,如果令,分压,2021/1/7,a,12,三、电压跟随器,电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好,2021/1/7,a,13,7.2.2 加减运算电路,一、反相求和运算电路,虚地,用叠加原理如何,2021/1/7,a,14,通过电流相加的办法来实现电压相加,讨论,2021/1/7,a,15,增加一个输入支路，构成同相求和电路,二、 同相求和运算电路,解出,2021/1/7,a,16,信号分别从同相输入端和反相输入端加入，也称差动输入,特点,三、 减法运算电路(差动输入,电路不存在“虚地”现象,20

5、21/1/7,a,17,解出,如果令,分析,闭环增益,2021/1/7,a,18,四、 三运放电路,2021/1/7,a,19,ui1和ui2为差模输入信号，uo1和uo2也是差模信号， Rw的中点为交流零电位。 A3减法运算电路,2021/1/7,a,20,减法运算电路,2021/1/7,a,21,是一种高增益、高输入电阻和高共模抑制比的直接耦合放大器，一般具有差动输入，单端输出的形式。用于弱信号放大,调节Rw可以改变放大器的增益,讨论,精密放大器,2021/1/7,a,22,利用反相求和以实现减法运算,第1级反相比例,第2级反相求和,即,当 时,得,例 电路如图，设A1、A2为理想运放，求

6、输出信号与输入信号之间的函数关系,解,用叠加,2021/1/7,a,23,例 电路如图，设A1、A2为理想运放，试求输出信号与输入信号之间的函数关系,解 电路中A1、A2为理想运放，由输入端虚短的条件有VP1VN1= Vi1、VP2VN2=Vi2,各电流值为,又,得,2021/1/7,a,24,7.2.3 微积分运算电路,uN= uP= 0,1.微分运算电路,虚地,2021/1/7,a,25,若输入,则,移相,应用举例,2021/1/7,a,26,应用举例,积分运算电路,1) 输入方波，输出是三角波 (to时刻电容电压为0),2021/1/7,a,27,2) 输入直流电压，输出将反向积分，一定

7、时间TM后输出饱和,积分停止,U,积分时限,定时,2021/1/7,a,28,对数运算电路,7.2.4 对数和指数运算电路,2021/1/7,a,29,uO是ui的对数运算,三极管的发射结有,注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏,利用虚短和虚断，有,利用三极管实现对数运算,2021/1/7,a,30,指数运算电路相当于反对数运算电路,指数运算电路,2021/1/7,a,31,1 理想运算放大电路的两个重要结论是_。 a.虚地与反相 b.虚短与虚地 c.虚短与虚断 d.断路和短路 2 集成运放一般分为两个工作区，它们是_工作区。 a.线性与非线性 b.正反馈与负反馈 c.虚短和虚断

8、3 施加深度负反馈可使运放进入_；使运放开环或加正反馈可使运放进入 _。 a.非线性区 b.线性工作区 4 集成运放能处理_。 a.交流信号 b.直流信号 c.交流信号和直流信号 5 由理想运放构成的线性应用电路，其电路放大倍数与运放本身的参数_。 a.有关 b.无关 c.有无关系不确定,课堂练习,2021/1/7,a,32,7.2.5 实际运放电路的误差分析,共模抑制比KCMR为有限值的情况,输入失调电压VIO、输入失调电流IIO 不为零时的情况,2021/1/7,a,33,1. 共模抑制比KCMR为有限值的情况,同相比例运算电路,闭环电压增益,理想情况,越大，误差越小,2021/1/7,a

9、,34,2.输入失调电压VIO、输入失调电流IIO不为零时的情况,输入为零时的等效电路,2021/1/7,a,35,解得误差电压,当 时，可以 消除偏置电流 引起的 误差，此时,当电路为积分运算时,即 换成电容C，则,时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态,引起的误差仍存在,2021/1/7,a,36,减小误差的方法,输入端加补偿电路,利用运放自带的调 零电路,2021/1/7,a,37,功能：实现两个模拟量相乘,其中K为乘积系数,量纲:V-1,符号,7.3 模拟乘法器及其应用,7.3.1 模拟乘法器简介,2021/1/7,a,38,理想模拟乘法器应具备如下条件,1)ri1和ri2为无穷大

10、； (2)ro为零； (3)K值不随信号幅值而变化，且不随频率而变化； (4)当vx或vY为零时vo为零，电路没有失调电压、电流和噪声,2021/1/7,a,39,对于差放有,7.3.2 模拟乘法器的基本工作原理,书p339,乘法,2021/1/7,a,40,7.3.2 模拟乘法器的应用,1. 相乘运算电路,模拟相乘电路,立方运算电路,2. 乘方运算电路,平方运算电路,a,41,3. 除法运算电路,据虚断,如果令K= R2 / R1则,工作（保证负反馈）条件,a,42,4. 开方运算电路,v1必须为负值,二极管作用,防止出现闭锁现象,a,43,5. 开立方运算电路,2021/1/7,a,44,

11、7.4 有源滤波电路,滤波电路的种类,低通滤波电路 高通滤波电路 带通滤波电路 带阻滤波电路,一阶有源滤波电路,二阶有源滤波电路,按阶次,2021/1/7,a,45,7.4.1 基本概念,1. 基本概念,滤波器：使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号得电子装置,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器,电路传递函数定义,时，有,其中,模，幅频响应（特性,相位角，相频响应,拉氏变换,2021/1/7,a,46,2. 分类 按幅频特性分,低通（LPF）用于工作信号为低频（或直流），并且需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合整流后滤波,高通（HPF）用于信号处于高频，并且需要削弱低频的场合阻

12、容放大器的耦合,带通（BPF）用于突出有用频段的信号，削弱其它频段的信号或干扰和噪声载波通信,带阻（BEF）用于抑制干扰,全通（APF,2021/1/7,a,47,无源滤波电路：由无源元件R、L、C组成的滤波电路。 有源滤波电路：由晶体管和R、C网络组成的滤波电路,4、由集成运放（工作在线性区）和RC网络组成的有源滤波电路的优点： （1）体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。 （2）电路中的集成运放可以加串联负反馈，使ri高，ro低。 （3）除起有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易调节,3、无源滤波电路和有源滤波电路,2021/1/7,a,48,1、RC无源一阶低通滤波电路,7.4.2 低通

13、滤波电路,一阶RC无源滤波电路,缺点：带负载的能力差，例如 R=27k，RL=3k，对于直流而言，uo只有ui的十分之一，而当RL断开时，uo=ui,为了提高带负载的能力，此时可以加电压跟随器，以提高带负载的能力,2021/1/7,a,49,传递函数,其中,特征角频率,故，幅频相应为,2. RC有源一阶低通滤波电路,2021/1/7,a,50,3. 压控电压源二阶低通滤波电路,压控电压源电路（VCVS,得滤波电路传递函数,二阶,书352,式7.4.14,2021/1/7,a,51,称为通带增益(中频,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,用 代入，可得频率响应,2021/1/7,a,52,归一

14、化的幅频响应,相频响应,电压增益与通带增益的比,2021/1/7,a,53,归一化的幅频响应波特图,2021/1/7,a,54,7.4.3 高通滤波电路,1. RC有源一阶高通滤波电路,2021/1/7,a,55,2. 压控电压源二阶高通滤波电路,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路,传递函数,归一化的幅频响应,2021/1/7,a,56,1. 低通和高通串联,必须满足,7.4.4 带通滤波电路,低通特征角频率,高通特征角频率,2021/1/7,a,57,2. 压控电压源二阶带通滤波电路,传递函数,得,7.4.34,2021/1/7,a,58,7.4.5 带阻滤波电路,1. 低通和高通

15、并联,必须满足,通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合,2021/1/7,a,59,2. 双T有源二阶带阻滤波电路,双T选频网络,2021/1/7,a,60,双T有源二阶带阻滤波电路,2021/1/7,a,61,在电子信息系统中，通过传感器或其它途径所采集的信号往往很小，不能直接进行运算、滤波等处理，必须进行放大,75 电子信息系统预处理中所用放大电路,751 仪表用放大器 集成仪表用放大器，也称为精密放大器，用于弱信号放大,从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模

16、信号的能力,1. 特点,仪表用放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输入电阻和高共模抑制比,2021/1/7,a,62,2. 基本电路,2021/1/7,a,63,3. 集成仪表用放大器,2021/1/7,a,64,4. 应用举例,图为采用PN结温度传感器的数字式温度计电路，测量范围为-50+150，分辨率为0.1。 图中R1 、R2、D和Rwl构成测量电桥，D为温度传感器。电桥的输出信号接到集成仪表放大INAl02的输人端进行放大。A2构成的电压跟随器，起隔离作用。电压比较器驱动电压表，实现数字化显示,数字式温度计,2021/1/7,a,65,设放大后电路的灵敏度为10mV，则在温度从-

17、50变化到+150 时，输出电压的变化范围为2 V，即从-0.5+1.5 V。当INAl02的电源电压为+18V时，可将INAl02的引脚、和连接在一起，设定仪表放大器的电压放大倍数为10，因而仪表放大器的输出电压范围为-5+15 V。根据运算电路的分析方法，可以求出A1和A2输出电压的表达式为,改变Rw2滑动端的位置可以改变放大电路的电压放大倍数，从而调整数字电压表的显示数据,2021/1/7,a,66,某些传感器属于电容性传感器，如压电式加速度传感器、压力传感器等。这类传感器的阻抗非常高，呈容性，输出电压很微弱；它们工作时，将产生正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度,7.5.2 电荷放大器,为了减少传感器输出电缆的电容对放大电路的影响，一般常将电荷放大器装在传感器内； 为了防止传感器在过载时有较大的输出，则在集成运放