2.1基本运算电路ppt课件

1、第七章第七章信号的运算和处理信号的运算和处理7.1基本运算电路重点）基本运算电路重点）7.2模拟乘法器及其运算电路的运用模拟乘法器及其运算电路的运用7.3有源滤波电路重点）有源滤波电路重点）7.4电子信息系统预处理中所用电路电子信息系统预处理中所用电路童童诗诗白白第第四四版版作业：作业：7.1，7.2 （写在书中），（写在书中）， 7.3，7.4，7.6，7.10，7.11，7.13，7.15，7.17，7.18，7.19，7.20第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理1.运算电路的基本思想：运算电路的基本思想： A.以输入电压为自变量，以输出电压为函数；以输入电压为自变量，以输出电压为

2、函数； B.通过对输入端及反馈电路的不同组合，实现各种通过对输入端及反馈电路的不同组合，实现各种数学运算功能，如比例、加减、微积分、乘除法等；数学运算功能，如比例、加减、微积分、乘除法等； C.通过输出电压反映运算结果。通过输出电压反映运算结果。 7.1.1概述概述 “运算放大器也因此得名。2.运算电路的组成特征：运算电路的组成特征： a.集成运放工作在线性工作区，必须接入负反馈；集成运放工作在线性工作区，必须接入负反馈； b.必定是满足深度负反馈条件；必定是满足深度负反馈条件； c.输入、输出信号的参考点：均以输入、输出信号的参考点：均以“地参考点。地参考点。第七章信号的运算和处理第七章信号

3、的运算和处理思考问题：思考问题：1.基本运算电路有哪些？怎样分析运算电路的运算关系？基本运算电路有哪些？怎样分析运算电路的运算关系？2.画出反相比例运算电路，推导其输出电压与输入电压的关系。画出反相比例运算电路，推导其输出电压与输入电压的关系。3.如何计算平衡电阻？如何计算平衡电阻？4.画出画出T型网络反相比例运算电路，推导其输出电压与输入电压型网络反相比例运算电路，推导其输出电压与输入电压的关系。的关系。5.画出同相比例运算电路画出同相比例运算电路6.画出电压跟随器的电路图。输入输出电压有什么关系？画出电压跟随器的电路图。输入输出电压有什么关系？7.画出差分比例运算电路，写出其输出电压与输入

4、电压的关系。画出差分比例运算电路，写出其输出电压与输入电压的关系。8.画出反相求和运算电路，写出其输出电压与输入电压的关系。画出反相求和运算电路，写出其输出电压与输入电压的关系。8.画出同相求和运算电路，写出其输出电压与输入电压的关系画出同相求和运算电路，写出其输出电压与输入电压的关系第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理反相比例运算电路反相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路电压跟随器电压跟随器微分运算电路微分运算电路积分运算电路积分运算电路7.1.2加减运算电路加减运算电路反相求和电路反相求和电路同相求和电路同相求和电路差分电路差分电路指数运算电路指数运算电路对数运算电路对数

5、运算电路乘法运算电路乘法运算电路除法运算电路除法运算电路7.1.1比例运算电路比例运算电路7.1.3微积分运算电路微积分运算电路7.1.4其他运算电路其他运算电路7.1 基本运算电路基本运算电路第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理7.1.1 比例运算电路比例运算电路 反相比例运算电路反相比例运算电路 1.基本电路基本电路(电压并联负反馈电压并联负反馈) 2.T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路 同相比例运算电路同相比例运算电路 电压跟随器电压跟随器 差分比例运算电路差分比例运算电路第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理平衡电阻平衡电阻 R2 = R1 / RF根据根据“

6、虚断虚断”，i+= i-= 0根据虚短和虚地，有根据虚短和虚地，有 u- = u+ = 0且且 iI = iF，Fo1IRuuRuu IFIofRRuuAu反相输入端反相输入端“虚地虚地”，电路的输入电阻为，电路的输入电阻为Rif = R11.基本电路基本电路(电压并联负反馈电压并联负反馈)一、反相比例运算电路一、反相比例运算电路IIFouRRu引入深度电压并联负反馈，电路的输出电阻为引入深度电压并联负反馈，电路的输出电阻为R0f =0第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理2.T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路图图7.2.2 T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路电阻

7、电阻R2 、 R3和和R4构构成成T形网络电路形网络电路节点节点N的电流方程为的电流方程为22M1IiRuRuI3123M3uRRRRuii4 = i2 + i3输出电压输出电压u0= -i2 R2 i4 R4 所以所以将各电流代入上式将各电流代入上式I342I42o)/1 (uRRRRRRu第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路*R2 = R1 / RF根据根据“虚短和虚短和“虚断虚断的特点，可知的特点，可知i+ = i- = 0；又又 u- = u+ = uOF11uRRRu 所以所以IOF11uuRRR 所以所以IFIOf1RRuuAu 得：

8、得：由于该电路为电压串联负由于该电路为电压串联负反馈，所以输入电阻很高。反馈，所以输入电阻很高。IIFo)1 (uRRu图图 7.2.3uRif= Ri ( 1+Aod F )第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理当当 图图7.2.3RF = 0 或或 R1 = 时，如下图时，如下图7.2.4所示所示三、电压跟随器三、电压跟随器Auf = 1u0= uI集成电压跟随器性集成电压跟随器性能优良，常用型号能优良，常用型号AD9620计算方法小结计算方法小结1.列出关键结点的电流方程，如列出关键结点的电流方程，如N点和点和P点。点。2.根据虚短根据虚短(地地)、虚断的原则，进行整理。、虚断的原

9、则，进行整理。第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理*四差分比例运算电路四差分比例运算电路11RR FFRR 图图 差分比例运算电路差分比例运算电路在理想条件下，由于在理想条件下，由于“虚断虚断”，i+ = i- = 0IF1FuRRRu OF11IF1FuRRRuRRRu 由于由于“虚短虚短”， u+ = u- ，所以：，所以：IF1FOF11IF1FuRRRuRRRuRRR 1FIIOfRRuuuAu 电压放大倍数电压放大倍数差 模 输 入差 模 输 入电阻电阻Rif = 2R1第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理五比例电路应用实例重点）五比例电路应用实例重点）两个放大级。结

10、构对称两个放大级。结构对称的的 A1、A2 组成第一级，互组成第一级，互相抵消漂移和失调。相抵消漂移和失调。A3 组成差分放大级，组成差分放大级，将差分输入转换为单端输将差分输入转换为单端输出。出。当加入差模信号当加入差模信号 uI 时，假设时，假设 R2 = R3 ，那么，那么 R1 的中的中点为交流地电位，点为交流地电位，A1、A2 的工作情况将如下页图中所示。的工作情况将如下页图中所示。图图 三运放数据放大器原理图三运放数据放大器原理图第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理由同相比例运放的电压由同相比例运放的电压放大倍数公式，得放大倍数公式，得1212I1O1212/1RRRRuu

11、 I112O1)21(uRRu 那么那么同理同理I212I213O2)21()21(uRRuRRu 所以所以I12I2I112O2O1)21()(21(uRRuuRRuu 则第一级电压则第一级电压放大倍数为：放大倍数为：12Io2o121RRuuu 改变改变 R1，即，即可调节放大倍数。可调节放大倍数。R1 开路时，得开路时，得到单位增益。到单位增益。第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理A3 为差分比例放大电路。为差分比例放大电路。当当 R4 = R5 ，R6 = R7 时，时，得第二级的电压放大倍数为得第二级的电压放大倍数为46O2O1ORRuuu 所以总的电压放大倍数为所以总的电压

12、放大倍数为)21(1246Io2o1o2o1oIoRRRRuuuuuuuuAu 在电路参数对称的条件下，差模输入电阻等于两个在电路参数对称的条件下，差模输入电阻等于两个同相比例电路的输入电阻之和同相比例电路的输入电阻之和idod211i)21(2RARRRR 第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理例：在数据放大器中，例：在数据放大器中， R1 = 2 k， R2 = R3 = 1 k， R4 = R5 = 2 k， R6 = R7 = 100 k，求电压放大倍数；，求电压放大倍数； 已知集成运放已知集成运放 A1、A2 的开环放大倍数的开环放大倍数 Aod = 105，差模输入电阻差模输

13、入电阻 Rid = 2 M，求放大电路的输入电阻。，求放大电路的输入电阻。100)2121(2100)21( 1246IO RRRRuuAu解：解： M102M 2)1012221(2)21(2 55idod211iRARRRR第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理 求和运算电路求和运算电路 反相求和运算电路反相求和运算电路 同相求和运算电路同相求和运算电路 加减运算电路加减运算电路7.2.2加减运算电路加减运算电路第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理一、求和运算电路。一、求和运算电路。1.反相求和运算电路反相求和运算电路F321/RRRRR 由于由于“虚断虚断”，i- = 0所

14、以：所以：i1 + i2 + i3 = iF又因又因“虚地虚地”，u- = 0所以：所以：FO3I32I21I1RuRuRuRu )(I33FI22FI11FOuRRuRRuRRu 当当 R1 = R2 = R3 = R 时，时，)(I3I2I11FOuuuRRu 图图 7.2.7第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理2同相求和运算电路同相求和运算电路由于由于“虚断虚断”，i+ = 0，所以：，所以：RuRuuRuuRuu 3I32I21I1解得：解得：I33I22I11uRRuRRuRRu 其中：其中：RRRRR /321由于由于“虚短虚短”，u+ = u-)(1()1()1(I33I

15、22I111F1F1FOuRRuRRuRRRRuRRuRRu 图图 7.2.9第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理二、加减运算电路二、加减运算电路利用叠加原理求解利用叠加原理求解图图(a)为反相求和运算电路为反相求和运算电路)(I22FI11FO1uRRuRRu第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理)(I44FI33FO2uRRuRRu图图(b)为同相求和运算电路为同相求和运算电路)(2I21I14I43I3FORuRuRuRuRu若电路只有二个输入，且参数若电路只有二个输入，且参数对称，电路如图对称，电路如图7.2.12)(I1I2FOuuRRu上式则为上式则为图图7.2.12

16、差分比例运算电路差分比例运算电路电路实现了对输入差模信号的比例运算电路实现了对输入差模信号的比例运算若若R1/R2/RfR3/R4/R5第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理改进电路图：高输入电阻差分比例运算电路改进电路图：高输入电阻差分比例运算电路I1IF1o1)1 (uRRuI23F2o13F2o)1 (uRRuRRu若若R1 = RF2，R3 = RF1)(1 (I1I23F2ouuRRu第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理例：用集成运放实现以下运算关系例：用集成运放实现以下运算关系I3I2I1O3 . 1102 . 0uuuu 解：解：)3 . 12 . 0()(I3I1

17、I33F1I11F1O1uuuRRuRRu )10()(I2O1I24F2O12F2OuuuRRuRRu 第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理)3 . 12 . 0()(I3I1I33F1I11F1O1uuuRRuRRu )10()(I2O1I22F2O14F2OuuuRRuRRu比较得：比较得：10, 1,3 . 1,2 . 02F24F23F11F1 RRRRRRRR选选 RF1 = 20 k，得：，得： R1 = 100 k， R3 = 15.4 k；选选 RF2 = 100 k，得：，得： R4 = 100 k， R2 = 10 k。 k8/F1311RRRR k3 . 8/F

18、2422RRRR第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理 积分运算电路积分运算电路 微分运算电路微分运算电路 基本微分运算电路基本微分运算电路 实用微分运算电路实用微分运算电路 逆函数型微分运算电路逆函数型微分运算电路 比例、积分、微分运算电路比例、积分、微分运算电路-PID电路电路7.2.3积分电路和微分电路积分电路和微分电路第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理一、积分运算电路一、积分运算电路RR 由于由于“虚地虚地”，u- = 0，故，故uO = -uC由于由于“虚断虚断”，iI = iC ，故故uI = iIR = iCR得：得： tuRCtiCuuCCd1d1IO = RC

19、积分时间常数积分时间常数图图 7.2.16第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理积分电路的输入、输出波形积分电路的输入、输出波形( (一一) )输入电压为阶跃信号输入电压为阶跃信号图图 6.3.2t0t1tuIOtuOOUI)(d10IIOttRCUtuRCu 当当 t t0 时，时，uI = 0， uO = 0；当当 t0 t1 时，时， uI = 0，uo 坚持坚持 t = t1 时的输出电压值不时的输出电压值不变。变。即输出电压随时间而向负方向直线增长。即输出电压随时间而向负方向直线增长。 问题：如输入波形为方波，输出波形为何波？问题：如输入波形为方波，输出波形为何波？第七章信号的

20、运算和处理第七章信号的运算和处理( (二二) )输入电压为正弦波输入电压为正弦波tUu sinmI tRCUttURCu cosdsin1mmO tuOORCU m可见，输出电压的相位比输入电压的相位领可见，输出电压的相位比输入电压的相位领先先 90 。因而，此时积分电路的作用是移相。因而，此时积分电路的作用是移相。 tuIOUm 2 3图图 7.2.17注意：为防止低频信号增益过大，常在电容上并联电阻。注意：为防止低频信号增益过大，常在电容上并联电阻。 如图如图7.2.16第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理二、微分运算电路二、微分运算电路图图 7.2.18基本微分电路基本微分电路由

21、于由于“虚断虚断”，i- = 0，故，故iC = iR又由于又由于“虚地虚地”， u+ = u- = 0 tuRCRiRiuCRddCO 可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。可见，输出电压正比于输入电压对时间的微分。实现波形变换，如将方波变成双向尖顶波。实现波形变换，如将方波变成双向尖顶波。1.基本微分运算电路基本微分运算电路微分电路的作用：微分电路的作用：微分电路的作用有移相微分电路的作用有移相 功能。功能。第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理2.实用微分运算电路实用微分运算电路基本微分运算电路在输入信号时，集成运放内部的放大基本微分运算电路在输入信号时，集成运放内部的放大管会

22、进入饱和或截止状态，以至于即使信号消失，管子管会进入饱和或截止状态，以至于即使信号消失，管子还不能脱离原状态回到放大区，出现阻塞现象。还不能脱离原状态回到放大区，出现阻塞现象。图7.2.19实用微分运算电路图图7.2.20微分电路输入、输出波形分析微分电路输入、输出波形分析第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理3.逆函数型微分运算电路逆函数型微分运算电路若将积分电路作为反馈回路，若将积分电路作为反馈回路，则可得到微分运算电路。则可得到微分运算电路。+-A1+-A2+-uIu0u02R1R2R3R4R5C图图7.2.21逆函数型微分运算电路逆函数型微分运算电路tuRCRRuddI132O公

23、式推导过程略公式推导过程略推论：推论：采用乘法运算电路作为运放的反馈通路，可实现除法运算采用乘法运算电路作为运放的反馈通路，可实现除法运算采用乘方运算电路作为运放的反馈通路，可实现开方运算采用乘方运算电路作为运放的反馈通路，可实现开方运算第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理11RuiiifdtuCRuRRuRiuiFiFCFfo111dtuCRdtiCuiFfFc111uiuo +-R2CFi1R1PI调节器ifucRF-+A1比例积分运算电路比例积分运算电路-PI调节器调节器比例微分运算电路比例微分运算电路-PD调节器调节器uiuo +-R2CFi1R1PD调节器ifucR-+A1C

24、)dd(i1OtuRCuRRui第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理比例、积分、微分运算电路比例、积分、微分运算电路-PID电路电路dtuCRdtduCRuCCRRuIIIo211221121)(第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理 对数运算电路对数运算电路 采用二极管和三极管的对数运算电路采用二极管和三极管的对数运算电路 集成对数运算电路集成对数运算电路ICL8048 指数运算电路指数运算电路 基本电路基本电路 集成指数运算电路集成指数运算电路7.2.4对数运算电路和指数运算电路对数运算电路和指数运算电路第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理一、对数运算电路一、对数运算

25、电路由二极管方程知由二极管方程知)1e (DSD TUuIi当当 uD UT 时，时，TUuIiDeSD 或：或：SDDlnIiUuT 利用利用“虚地原理，可得：虚地原理，可得：RIuUIiUIiUuuTRTTSISSDDOlnlnln 用三极管代替二极管可获得较大的工作范围。用三极管代替二极管可获得较大的工作范围。图图7.2.4和图和图7.2.51.采用二极管和三极管的对数运算电路采用二极管和三极管的对数运算电路第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理2.集成对数运算电路集成对数运算电路ICL8048图图7.2.26集成对数运算电路集成对数运算电路利用特性相利用特性相同的二只三同的二只三

26、极管进行补极管进行补偿，消去对偿，消去对IS运算关系运算关系的影响。的影响。3RI52Oln)1 (RIuURRuTR5为具有正温度系数的补偿电阻，可补偿为具有正温度系数的补偿电阻，可补偿UT的温度特性的温度特性第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理二、指数运算电路二、指数运算电路当当 uI 0 时，根据时，根据集成运放反相输入端集成运放反相输入端“虚地及虚地及“虚断的虚断的特点，可得：特点，可得：TTUuUuIIiIBEeeSSI 所以：所以：TUuRRIRiRiuIeSIO 可见，输出电压正比于输入电压的指数。可见，输出电压正比于输入电压的指数。图图 7.2.27指数运算电路指数运算电路1.基本电路基本电路第七章信号的运算和处理第七章信号的运算和处理2.集成指数运算电路集成指数运算电路在集成运算电路中，利用二只双