第8章_模拟信号的运算和处理

1、 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.1 基本运算电路基本运算电路8.4* 信号转换电路信号转换电路 8.2* 模拟乘法器及其应用模拟乘法器及其应用8.3* 电压比较器电压比较器 8.5 有源滤波器有源滤波器 8.7* 积分运算电路的仿真研究积分运算电路的仿真研究 8.6* 开关电容滤波器开关电容滤波器第第8章章 模拟信号的运算和处理模拟信号的运算和处理 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院 1. 1.理解集成运放的虚短和虚断的概念。理解集成运放的虚短和虚断的概念。 2.2.重点掌握应用虚短和虚断的概念分析比例、加减、

2、积分重点掌握应用虚短和虚断的概念分析比例、加减、积分基本运算电路的工作原理和输入、输出关系。了解微分、指数基本运算电路的工作原理和输入、输出关系。了解微分、指数和对数运算电路的分析方法。和对数运算电路的分析方法。 3.3.了解模拟乘法器的概念、电路组成与工作原理，理解模了解模拟乘法器的概念、电路组成与工作原理，理解模拟乘法器在运算电路的应用。拟乘法器在运算电路的应用。 4.4.理解典型电压比较器（单门限比较器、迟滞比较器）的理解典型电压比较器（单门限比较器、迟滞比较器）的电路组成、工作原理和性能特点。了解集成电压比较器的特点。电路组成、工作原理和性能特点。了解集成电压比较器的特点。 5.5.了

3、解信号转换电路。了解信号转换电路。 6.6.了解典型有源滤波器的组成和特点。了解有源滤波器的了解典型有源滤波器的组成和特点。了解有源滤波器的分析方法。分析方法。本章学习目的和要求本章学习目的和要求 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.1.1 比例运算电路比例运算电路8.1.2 加减运算电路加减运算电路8.1.3 积分运算与微分运算电路积分运算与微分运算电路8.1.4 对数运算与反对数运算电路对数运算与反对数运算电路 集成运算放大器作为一种通用器件，可以用来实现各集成运算放大器作为一种通用器件，可以用来实现各种模拟信号的运算与处理，如对模拟信号的放大、比较

4、、种模拟信号的运算与处理，如对模拟信号的放大、比较、调制、模拟信号与数字信号之间的转换等方面有着非常广调制、模拟信号与数字信号之间的转换等方面有着非常广泛的应用。因此，集成运放电路的分析和应用是模拟电子泛的应用。因此，集成运放电路的分析和应用是模拟电子技术的最重要的内容之一。技术的最重要的内容之一。8.1 基本运算电路基本运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 运算放大电路可以实现对信号的比例、加法、减法、积运算放大电路可以实现对信号的比例、加法、减法、积分、微分等数学运算。在各种运算电路中，要求输出和

5、输分、微分等数学运算。在各种运算电路中，要求输出和输入的模拟信号之间实现一定的数学运算关系，因此，运算入的模拟信号之间实现一定的数学运算关系，因此，运算电路中的集成运放必须工作在线性区（电路中的集成运放必须工作在线性区（ ）。在）。在进行定量分析时，始终将理想运放工作在线性区域时的两进行定量分析时，始终将理想运放工作在线性区域时的两个特点，即个特点，即“虚短虚短” 和和“虚断虚断” 作为作为基本的出发点。基本的出发点。NPvOOvvAvNPvv)0(NPii 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院u 研究的问题 （1）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种

6、）运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。分、对数、指数等。 （2）描述方法：线性运算关系式）描述方法：线性运算关系式 vOf (vI) （3）分析方法：）分析方法：“虚短虚短”和和“虚断虚断”是基本出发点。是基本出发点。（1）识别电路；）识别电路；（2）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。）掌握输出电压和输入电压运算关系式的求解方法。u 学习运算电路的基本要求8.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电

7、子电气工程学院1. 1. 反相运算电路反相运算电路(1). (1). 电路的组成电路的组成图图8.1.18.1.1反相比例运算电路反相比例运算电路 1) 电路引入了哪种组态的负反馈？电路引入了哪种组态的负反馈？+ +- -电压并联负反馈 2) R2？为什么？为什么？fRRR/12保证输入级的对称性保证输入级的对称性0PNvv虚地虚地8.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院(2). (2). 几项技术指标的近似计算几项技术指标的近似计算1. 1. 反相运算电路反相运算电路1) 1) 电压放大倍数电压放大倍数由由“虚

8、断虚断”，0NPii，得，得 fRii1foNNiRvvRvv1由由“虚短虚短”，PNvv，得，得foiRvRv0011RRvvAfiov图图8.1.18.1.1反相比例运算电路反相比例运算电路 iRoR2) 输入电阻输入电阻 和和 输出电阻输出电阻1RRi0oR，8.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院(3)(3)反相比例运算电路的特点反相比例运算电路的特点 1) 1)在理想情况下，反相输入端的电位等于在理想情况下，反相输入端的电位等于0 0，称为，称为“虚地虚地”。因此加在集成运放的共模输入信号很小。因此加在

9、集成运放的共模输入信号很小。1RRAfvfR1R2)2)电压放大倍数电压放大倍数 ，决定于电阻，决定于电阻 与与 的之比，的之比，与集成运放内部参数无关。与集成运放内部参数无关。 3) 3) 电路在深度负反馈条件下，电路的输入电阻为电路在深度负反馈条件下，电路的输入电阻为, ,输出电阻近似为输出电阻近似为0 0。1R8.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院例例 8.1.2 8.1.2 将图将图8.1.18.1.1反相比例运算电路中的反相比例运算电路中的RfRf用电用电阻阻R2R3R4R2R3R4构成的构成的T T

10、型网络代替，如图所示型网络代替，如图所示 求电路的电压增益求电路的电压增益 ；vAkR511kRR39032iovv1004R 该电路作为话筒的前置放大电路，若选该电路作为话筒的前置放大电路，若选 ,，当，当 ,计算计算 的值；的值；fRkR511iovv100fR 直接用直接用 代替代替T T型网络的型网络的 电阻时，当电阻时，当 , , 时时, ,求求 的值。的值。 图图8.1.2 8.1.2 例例 8.1.28.1.2电路电路8.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院解解: :(1)(1) 图图8.1.2 例

11、例 8.1.2电路电路由虚断由虚断 ，得，得0pnii节点节点N N的电流方程为的电流方程为: :21ii 节点节点M M的电流方程为的电流方程为: :423iii由虚地由虚地 ，则，则0Nv 2100RvRvMi42300RvRvRvvMMoM解上述方程组得该电路的闭环增益为解上述方程组得该电路的闭环增益为: :134242RRRRRRvvAiovf当用当用R Rf f代替代替T T型网络的电阻时，有型网络的电阻时，有 1001RRvvAfiovfkRRf510010018.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院

12、2. 2. 同相比例运算电路同相比例运算电路图图8.1.3 8.1.3 同相比例运算电路同相比例运算电路(1). (1). 电路的组成电路的组成(2) (2) 电压放大倍数电压放大倍数虚断 0NPii虚短 PNvvofNPivRRRvvv1111RRvvAfiovf1(3). (3). 电压跟随器电压跟随器图图8.1.4 8.1.4 电压跟随器电压跟随器1iovvvA利用“虚短”和“虚断” ，得iPNovvvv8.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院例例8.1.38.1.3 图图8.1.5 8.1.5 所示为直流

13、电压表电路，磁电式电流所示为直流电压表电路，磁电式电流表指针偏移满刻度时，流过动圈电流表指针偏移满刻度时，流过动圈电流 。 AIM100 MR21?maxSV当当 时，可测的最大输入电压时，可测的最大输入电压图图8.1.5 8.1.5 例例8.1.18.1.1电路电路解：解： 利用虚短和虚断利用虚短和虚断的概念有的概念有 NSPVVV0iI111RVRVIISNMVARIVMS20010210100661max8.1.1 8.1.1 比例运算电路比例运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.1.2 8.1.2 加减运算电路加减运算电路 实现多个输入信

14、号按各自不同比例求和或求差的电路实现多个输入信号按各自不同比例求和或求差的电路统称为加减运算电路。该电路是模拟计算机的基本单元，统称为加减运算电路。该电路是模拟计算机的基本单元，且在测量和控制系统中经常用到。若所有输入信号都加在且在测量和控制系统中经常用到。若所有输入信号都加在运放的同一个输入端，则实现加法运算；反之，若在多个运放的同一个输入端，则实现加法运算；反之，若在多个输入信号中，有一部分加在同相输入端，另一部分加在反输入信号中，有一部分加在同相输入端，另一部分加在反相输入端，则实现加减混合运算。相输入端，则实现加减混合运算。 1. 1.加法电路加法电路 加法运算电路能够实现多个模拟量的

15、求和运算。集成加法运算电路能够实现多个模拟量的求和运算。集成运放可与电阻构成求和电路，它有反相输入和同相输入两运放可与电阻构成求和电路，它有反相输入和同相输入两种接法。种接法。 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院(1)(1)反相加法运算电路反相加法运算电路虚断虚断 0PNii节点节点N的电流方程的电流方程: 321iiifiiii虚地虚地0PNvv即即: 332211iNiiNiiNifONRvvRvvRvvRvv)(332211iiiiiifORvRvRvRv对上式整理得：对上式整理得：在在RRRRiii321 的情况下，可得的情况下，可得)(321ii

16、ifOvvvRRv8.1.2 8.1.2 加减运算电路加减运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院(2) (2) 同相加法运算电路同相加法运算电路与同相比例电路进行比较可知与同相比例电路进行比较可知 ) 1 (11PfOvRRv根据根据“虚断虚断”和和“虚短虚短”的原则的原则 021ii02211RvvRvvPiPi整理得整理得) 2()/(221121RvRvRRviiP2211211)/(1RvRvRRRRviifOfRRRR/212211RvRvRviifO代入（代入（1）式）式若若 fRRRR2121iiOvvv则有则有 8.1.2 8.1.2

17、 加减运算电路加减运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院2. 2. 加减运算电路加减运算电路图图8.1.8 8.1.8 加减运算电路加减运算电路图图8.1.9 8.1.9 加减运算电路的分析加减运算电路的分析利用叠加原理利用叠加原理 输出电压为输出电压为 ，则，则令令 043iivv1Ov)(22111iiiifORvRvRv令令 021iivv输出电压为输出电压为 ，则，则2Ov)(44332RvRvRviifO)(2211443321RvRvRvRvRvvviiiifooo8.1.2 8.1.2 加减运算电路加减运算电路 退出淮阴师范学院物理与电

18、子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院例例8.1.58.1.5 电路如图电路如图8.1.108.1.10所示。所示。 (1) (1) 写出写出v vo o与与v vi1i1、v vi2i2的运算关系式；的运算关系式；(2) (2) 当当R RW W的滑动端在最上端时，若的滑动端在最上端时，若v vi1i1=10mV=10mV，v vi2i2=20mV=20mV，则，则v vo o= =？(3) (3) 若若v v0 0的最大值为的最大值为 V V，输入电压的最大值，输入电压的最大值v vi1max=10mV=10mV， v vi2max=20mV=20mV，它们的最小值均为，它们的最

19、小值均为0 0，则为了保证集成运放工，则为了保证集成运放工 作在线性区，作在线性区，R2R2的最大值为多少？的最大值为多少？14图图8.1.10 8.1.10 例例8.1.58.1.5电路电路8.1.2 8.1.2 加减运算电路加减运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院解：解： 图图8.1.10 8.1.10 例例8.1.58.1.5电路电路(1) 节点节点N、P 电流方程电流方程foNNiRvRRRvRvv2111fPPiRvRvv2pNvv)(1 (101212iiovvRRv(2) 当当 得得mV1012iivv100mVov(3) 根据题目所

20、给参数根据题目所给参数 ，R1为最小值时，为最小值时， 可以保证运放工作在线性区，输出电压应为可以保证运放工作在线性区，输出电压应为+14VmVvvii20)(max12VRvvRRvwo14201010)(10min11112min1kRRRw86. 9min1max2则则8.1.2 8.1.2 加减运算电路加减运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.1.3 8.1.3 积分运算与微分运算电路积分运算与微分运算电路1 1 积分运算电路积分运算电路 图图 8.1.4 积分运算电路积分运算电路 dtdvCdtvvdCdtdvCiOONCC)(假设电容

21、器初始电压假设电容器初始电压 ，有，有 00 CvdtiCvCO1dtRvvCdtiCNIR110PNvvCRiidtvRCI1输出信号与输入信号的积分呈正比的关系，负号表示它们在输出信号与输入信号的积分呈正比的关系，负号表示它们在相位上是相反的。相位上是相反的。 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院2. 2. 微分运算电路微分运算电路图图 8.1.5 8.1.5 微分运算电路微分运算电路虚断 0PNiidtdvCiiICR假设电容器初始电压假设电容器初始电压 ，有，有 00 CvdtdvRCRivIRO虚短虚短0PNvv图图 8.1.6 8.1.6 波形变

22、换示意图波形变换示意图 tVvmIsintRCvOcos8.1.3 8.1.3 积分运算与微分运算电路积分运算与微分运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.1.4 8.1.4 对数运算与反对数运算电路对数运算与反对数运算电路1. 1.对数运算电路对数运算电路图图 8.1.7对数运算电路对数运算电路二极管的基本公式可知二极管的基本公式可知 1/TDVvSDeIiTDVv 当当 时，有时，有 则则 TDVvSDeIi/SDTDIiVvln依据虚断，得依据虚断，得RviiIRD虚地，得虚地，得 ODvvSITORIvVvln 退出淮阴师范学院物理与电子电

23、气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院2. 2. 反对数运算电路反对数运算电路图图 8.1.5 8.1.5 反对数运算电路反对数运算电路TIVvSIROIRiRiv/Re根据根据“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点的特点 即输出电压和输入电压成反对数关系，或者说，输出电即输出电压和输入电压成反对数关系，或者说，输出电压和输入电压成指数关系。因此，反对数运算电路又称压和输入电压成指数关系。因此，反对数运算电路又称为指数运算电路。为指数运算电路。8.1.4 8.1.4 对数运算与反对数运算电路对数运算与反对数运算电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.

24、2* 模拟乘法器及其应用模拟乘法器及其应用 1. 1.模拟乘法器的符号和等效电路模拟乘法器的符号和等效电路图图8.2.1 8.2.1 模拟乘法器符号及其等效电路模拟乘法器符号及其等效电路 k为乘法器的增益系数（或相乘因子），其值可正可负，为乘法器的增益系数（或相乘因子），其值可正可负，单位为单位为 。在理想情况下，有在理想情况下，有1V。 yxRR0OR， ， ; k为常数，不随信号幅值、信号频率而变化。为常数，不随信号幅值、信号频率而变化。 当当 时，时， 。电路的失调电压、电流和噪声均为零。电路的失调电压、电流和噪声均为零。0yxvv0ovyxovkvv 8.2.18.2.1模拟乘法器简介

25、模拟乘法器简介 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院2. 2. 模拟乘法器的分类模拟乘法器的分类图图8.2.2 8.2.2 模拟乘法器的四个工作象限模拟乘法器的四个工作象限根据输入电压不同极性的限制，模拟乘法器有单象限（两根据输入电压不同极性的限制，模拟乘法器有单象限（两个输入电压均为单极性）、二象限（即一个输入电压为单个输入电压均为单极性）、二象限（即一个输入电压为单极性，另一个输入电压可正可负）和四象限（两个输入电极性，另一个输入电压可正可负）和四象限（两个输入电压可正可负，或正负交替）之分。压可正可负，或正负交替）之分。8.2.18.2.1模拟乘法器简

26、介模拟乘法器简介 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.2.2 8.2.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理变跨导型模拟乘法器的工作原理图图8.2.3 8.2.3 差分放大电路差分放大电路 ebebBBebCmrriivigEQTbbebIVrr1一般情况下一般情况下 ， 很小，则可忽很小，则可忽略略 ，得，得1TEQmVIgEEEQI21ITEEmVIg2ebxvv 222XmebmxmCvgvgvgixTCEExCmOvVRIvRgv2EQI其中其中bbr 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院图图8.2.4 8.2.4

27、变跨导二象限乘法器变跨导二象限乘法器电路中电路中 管集电极电流管集电极电流3TebeyEECRvvIi33 若若 , ,则则 3beyvv eyEERvI得yxyxeTCovkvvvRVRv2图图8.2.5 8.2.5 双平衡式四象限乘法器双平衡式四象限乘法器的极性可正可负的极性可正可负 ，而，而 必须大于零必须大于零 xvyv该电路称为二象限模变跨导式该电路称为二象限模变跨导式模拟乘法器模拟乘法器 。为了使两输入电压为了使两输入电压 和和 均能在均能在任意极性下正常工作，可采用如图任意极性下正常工作，可采用如图的双平衡式四象限乘法器的双平衡式四象限乘法器 xvyv8.2.2 8.2.2 变跨

28、导型模拟乘法器的工作原理变跨导型模拟乘法器的工作原理 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.2.3 8.2.3 模拟乘法器在运算电路中的应用模拟乘法器在运算电路中的应用1. 1. 乘方运算电路乘方运算电路图图8.2.6 8.2.6 乘方运算电路乘方运算电路2iOKvv 从理论上讲，当多个模拟乘法器串联时，可以实现从理论上讲，当多个模拟乘法器串联时，可以实现 的任意次方运算的任意次方运算 ivninOnvKv1 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院则的极性必须与相反则的极性必须与相反2. 2. 除法运算电路除法运算电路图图

29、8.2.7 8.2.7 除法运算电路除法运算电路模拟乘法器的输出电压 OIOvkvv2虚地：虚地：0PNvv虚断：虚断： 21ii 211RvRvOI即：即： 112IOvRRv2112IIOvvkRRv（1 1）（2 2）由（由（1 1）、（）、（2 2）得：）得：1IvOv1Iv只有当为正极性时，才能保证则的极性必须与相只有当为正极性时，才能保证则的极性必须与相反，运放处于负反馈工作状态。反，运放处于负反馈工作状态。2IvOvOv8.2.3 8.2.3 模拟乘法器在运算电路中的应用模拟乘法器在运算电路中的应用 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院3.3.

30、开方运算电路开方运算电路0PNvv21ii 12RvRvIO212OIOkvRvRv则：则：由于由于 作用于集成运放的反相输入端，则作用于集成运放的反相输入端，则 IvIOvkRRv12)0( k若，则若，则 0IvIOvkRRv12)0( k模拟乘法器选定后，电路只能对一种极性的实现开方运算。模拟乘法器选定后，电路只能对一种极性的实现开方运算。Iv0Iv若，则若，则图图8.2.8 开方运算电路开方运算电路8.2.3 8.2.3 模拟乘法器在运算电路中的应用模拟乘法器在运算电路中的应用 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.3* 电压比较器电压比较器8.3

31、.1 单限比较器单限比较器8.3.2 滞回比较器滞回比较器 8.3.3 集成电压比较器集成电压比较器1. 电压比较器的功能：电压比较器的功能：比较电压的大小。比较电压的大小。输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。广两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。广泛用于各种报警电路。泛用于各种报警电路。. 电压比较器的描述方法电压比较器的描述方法 :电压传输特性电压传输特性 Of(I)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）

32、输出高电平）输出高电平OH和输出低电平和输出低电平OL；（2）阈值电压）阈值电压UT；（3）输入电压）输入电压过阈值电压时输出电压过阈值电压时输出电压跃变的方向。跃变的方向。电路特征：电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈。集成运放处于开环或仅引入正反馈。 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.3.18.3.1单限比较器单限比较器当时， REFIVv OHOVv 当时， REFIVv OLOVv 图图 8.3.1 8.3.1 单限比较器及其传输特性曲线单限比较器及其传输特性曲线输入电压逐渐增大或减小的过程中，当通过输入电压逐渐增大或减小的过程中，当通过，

33、输出电，输出电压就产生跃变，该电路压就产生跃变，该电路只有一个阈值电压只有一个阈值电压。当阈值电压时，这样的单限比较器称为当阈值电压时，这样的单限比较器称为过零比较器。过零比较器。 0REFTVV 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.3.28.3.2滞回比较器滞回比较器 图图 8.3.2 8.3.2 滞回比较器及其传输特性曲线滞回比较器及其传输特性曲线正反馈网络正反馈网络0NPiiINvv Fii 2即即FOPPREFRvvRvv2整理得：整理得：OFREFFFPvRRRvRRRv222当当 时，对应的输入电压即阈值电压：时，对应的输入电压即阈值电压：N

34、POFREFFFTvRRRvRRRV222 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院OFREFFFTvRRRvRRRV222当当 时时 ，zOVv当当 时，时， zOVv阈值电压阈值电压 ZFREFFFTVRRRvRRRV2221ZFREFFFTVRRRvRRRV2222门限宽度或回差门限宽度或回差 zFTTTVRRRVVV22212滞回比较器输出电压滞回比较器输出电压 有两种可能，有两种可能， 和和 。， OvzVzV可以将滞回比较器视为两个不同的单限比较器的组合。可以将滞回比较器视为两个不同的单限比较器的组合。 8.3.28.3.2滞回比较器滞回比较器 退出

35、淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院例例8.3.18.3.1 试分别求解图试分别求解图8.3.38.3.3所示电路的电压传输特性。所示电路的电压传输特性。 图图 8.3.3 8.3.3 例例8.3.18.3.1电路电路8.3.28.3.2滞回比较器滞回比较器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院解解：（：（a）电路为单限比较器，由稳压管的限幅作用可知：电路为单限比较器，由稳压管的限幅作用可知： VVvZO6当当 时时 ， ， 发生跳变，所以发生跳变，所以 VvI20PNvvOvVVT2电压传输特性曲线电压传输特性曲线8.3.2

36、8.3.2滞回比较器滞回比较器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院（b）电路为过零比较器，由于二极管的导通压降电路为过零比较器，由于二极管的导通压降 ，所以，所以VVD7 . 0VVVDOL7 . 0由稳压管的限幅作用由稳压管的限幅作用 ，则，则 VVVZOH80TV电压传输特性曲线电压传输特性曲线8.3.28.3.2滞回比较器滞回比较器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院（c）电路为反相输入的滞回比较器，由于稳压管的限幅作用，电路为反相输入的滞回比较器，由于稳压管的限幅作用， VVvZO6令令INREFOREFOPv

37、vvvvRRRvRRRv2212211因此因此 ，代入求解得代入求解得 2REFOTvvVVVT5 . 11VVT5 . 42电压传输特性曲线电压传输特性曲线8.3.28.3.2滞回比较器滞回比较器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院电路为同相输入的滞回比较器，由于稳压管的限幅作用，电路为同相输入的滞回比较器，由于稳压管的限幅作用， VVvZO6令：令：VvvRRRvRRRvNOIP3211212解出解出 ，此，此 即即 IvIvTVOITvRRRRRvV212213解得：解得： VVT5 . 11VVT5 . 72电压传输特性曲线电压传输特性曲线8.3.

38、28.3.2滞回比较器滞回比较器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院当当 时，时， NPvv OHOVv当当 时，时，NPvv OLOVv当当 时，时，NPvv TIVv 分析比较器时：分析比较器时：输出在输出在 和和 之间转换之间转换 ，此时，此时 OHVOLV因此，求解阈值电压时，不但可以用虚断因此，求解阈值电压时，不但可以用虚断 ，而且可用虚短而且可用虚短 。 0NPiiNPvv 8.3.28.3.2滞回比较器滞回比较器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.3.3 8.3.3 集成电压比较器集成电压比较器特点：

39、特点：1. 无需限幅电路，根据所需输出高、低电平确定电源电压；无需限幅电路，根据所需输出高、低电平确定电源电压；2. 可直接驱动集成数字电路；可直接驱动集成数字电路；3. 应用灵活，可具有选通端；应用灵活，可具有选通端；4. 响应速度快；响应速度快；5. 电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。图图8.3.5 8.3.5 集成电压比较器集成电压比较器AD790AD790的基本接法的基本接法 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.4*信号转换电路信号转换电路8.4.18.4.1电压电压- -电流转换电路电流转换电路

40、8.4.2 8.4.2 电流电流- -电压转换电路电压转换电路 8.4.3 8.4.3 精密整流电路精密整流电路 常用的信号转换电路有常用的信号转换电路有电压电压- -电流（电流（V/IV/I）转换电路）转换电路、电电流流- -电压转换电路（电压转换电路（I/VI/V）、电压电压- -频率（频率（V/FV/F）转换电路）转换电路、频频率率- -电压电压(F/V)(F/V)转换电路转换电路等。等。 在控制系统中，为了驱动执行机构，常需要将电压转换在控制系统中，为了驱动执行机构，常需要将电压转换成电流；而在监测系统中，为了数字化显示，又常将电流转成电流；而在监测系统中，为了数字化显示，又常将电流转

41、换成电压，再接数字电压表。在放大电路中引人合适的反馈，换成电压，再接数字电压表。在放大电路中引人合适的反馈，就可实现上述转换。就可实现上述转换。 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.4.1 8.4.1 电压电压- -电流转换电路电流转换电路8.4.1 8.4.1 电压电压- -电流转换电路电流转换电路0NPii0NvRviiIRL同相求和运同相求和运算电路算电路 电压跟随器电压跟随器 RRRRR4321 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院2211121224334341215 . 05 . 0POPPOPIPIPvv

42、vvRRvvvvRRRvRRRvIPOvvv21则 IPOOORvvvRiv210OIORvi 8.4.1 8.4.1 电压电压- -电流转换电路电流转换电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院例例8.4.18.4.1 图是运放和三极管构成的电流输出放大器，图是运放和三极管构成的电流输出放大器，求输出电流表达式。求输出电流表达式。 图图8.4.2 8.4.2 例例8.4.18.4.1的电路图的电路图如果忽略运放反相端的电如果忽略运放反相端的电流和场效应管流和场效应管T1的栅极电的栅极电流流 利用虚短的概念得：利用虚短的概念得： QiQLRvii解：解：8.

43、4.1 8.4.1 电压电压- -电流转换电路电流转换电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院例例8.4.28.4.2 图图8.4.38.4.3是一个光电池放大与测量电路，求输出电是一个光电池放大与测量电路，求输出电流表达式。流表达式。图图8.4.3 8.4.3 例例8.4.28.4.2的电路图的电路图解：解： 运放运放 构成光电流电压变换器，输出电压为构成光电流电压变换器，输出电压为 , ,运放运放构成电压构成电压- -电流变换器，输出电流为电流变换器，输出电流为 1A1RIin21RRIIinO8.4.1 8.4.1 电压电压- -电流转换电路电流转换

44、电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.4.2 8.4.2 电流电流- -电压转换电路电压转换电路图图8.4.4 8.4.4 电流电流- -电压转换电路电压转换电路理想运放条件下，由理想运放条件下，由“虚断虚断”、“虚短虚短”的概念，有的概念，有 SFii 0PNvvfSORiv 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.4.3 8.4.3 精密整流电路精密整流电路 将交流电压转换成脉动的直流电压，称为整流。精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成脉动的直流电压。 图图8.4.5 8.4.5 整流电路的波形整流电路的

45、波形图图8.4.6 8.4.6 一般半波整流电路一般半波整流电路为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？输出电压也只反映 大于大于 的那部分电压的大小。的那部分电压的大小。 IvthV半波整流：半波整流：全波整流：全波整流： 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院。导通，截止，时，I1O21OIDD00vRRvvuf。导通，截止，时，0, 0DD00O12OIvIvvfR精密整流电路的组成精密整流电路的组成半波整流，若加半波整流，若加vI的负半周，则实现全波整流的负半周，则实现全波整流0Iv0Iv为什么是

46、为什么是精密整流？精密整流？ (b) (b) 输出波形输出波形例：设二极管的导通电压为例：设二极管的导通电压为0.7V0.7V，集成运放的，集成运放的开环差模放大倍数为开环差模放大倍数为5050万倍，那么为使二极管万倍，那么为使二极管D D1 1导通，集成运放的净输入电压导通，集成运放的净输入电压1DVVvvNP4 . 1)1057 . 0(58.4.4 8.4.4 精密整流电路精密整流电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院全波精密整流电路全波精密整流电路)0( 0)0( 2IO1IIO1vvvvvIO1Ovvv。时，IOI0vvv。时，IOI0vvvI

47、Ovv 二倍频三角波二倍频三角波绝对值运算电路绝对值运算电路8.4.4 8.4.4 精密整流电路精密整流电路 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.5有源滤波器有源滤波器8.5.1 8.5.1 滤波器的作用与分类滤波器的作用与分类 8.5.2 8.5.2 低通滤波器低通滤波器 8.5.3 8.5.3 高通滤波器高通滤波器 8.5.4 8.5.4 带通滤波器带通滤波器 8.5.5 8.5.5 带阻滤波器带阻滤波器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院1. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 滤波器：是一种能使有用

48、频率信号通过而同时抑制或衰减无滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无 用频率信号的电子装置。用频率信号的电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义时，有时，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A)( 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应群时延响应群时延响应)( d)(d)(s 图图 8.5.1 8.5.1 滤波电路的一般结构框图滤波电路的一般结构框图8.5.18.5.1滤波器的作用与分类滤波器的作用与分类 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学

49、院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院2. 分类分类低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）带通（带通（BPF）带阻（带阻（BEF）全通（全通（APF）通带：通带：能够通过的频率范围能够通过的频率范围 阻带：阻带：被衰减或抑制的频率范围被衰减或抑制的频率范围截止频率：截止频率：通带和阻带的临界频率通带和阻带的临界频率8.5.18.5.1滤波器的作用与分类滤波器的作用与分类 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院3. 3. 无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器 图图 8.5.3 8.5.3 无源低通滤波电路无源低通滤波电路无源滤波器：无源滤波器：由无源器件

50、由无源器件R R、L L、C C组成的滤波电路；组成的滤波电路；有源滤波器：有源滤波器：由无源器件和晶体管、集成运放等有源器件由无源器件和晶体管、集成运放等有源器件 共同组成的滤波电路。共同组成的滤波电路。LLLLLioVRRjRRRRCjRRCjVVA/1/1/1LLVHRRRACRRfLH/21接入负载接入负载R RL L后通带增益下降，而且上限截止频率升高，改变后通带增益下降，而且上限截止频率升高，改变了电路的滤波特性，表明无源滤波电路带负载能力较差。了电路的滤波特性，表明无源滤波电路带负载能力较差。8.5.18.5.1滤波器的作用与分类滤波器的作用与分类 退出淮阴师范学院物理与电子电气

51、工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.5.2 8.5.2 低通滤波器低通滤波器1. 1. 一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器通带电压增益同相比例放通带电压增益同相比例放大电路的增益大电路的增益A AVFVF101)()(RRsVsVAAfPoVF sVsRCsViP11 sRCRRsVsVsAfiOV111)(1RCf210令令 ，而，而 ，则，则 js cffVjRRffjRRsA111111)(101所以cVjAsA1)(0200)(1)()()(ciAjVjVjA为特征角频率为特征角频率RC1c 而而 ，则，则电路的传递函数电路的传递函数 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院

52、淮阴师范学院物理与电子电气工程学院200)(1)()()(ciAjVjVjA 该电路具有低通特点，但滤波效果不够好，它的衰该电路具有低通特点，但滤波效果不够好，它的衰减率只是减率只是20dB/20dB/十倍频程。十倍频程。 为了使低通滤波器的过渡带变窄，过渡带中为了使低通滤波器的过渡带变窄，过渡带中 的下降的下降速率加大，可利用多个速率加大，可利用多个RCRC环节构成多阶低通滤波电路。环节构成多阶低通滤波电路。 VA8.5.2 8.5.2 低通滤波器低通滤波器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院2. 2. 二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器（1 1） 电

53、路构成电路构成正反馈正反馈+ + +低通滤波器的通带电压增益低通滤波器的通带电压增益11011RRAAAVFVF（2 2）传递函数）传递函数集成运放的同相输入电压集成运放的同相输入电压 VFOPAsVsV 与与 的关系为的关系为 sVP sVA sRCsVsVAP1对于节点对于节点A,A,有有 0RsVsVsRsVsVRsVsVpAoAAi（8.5.4）（8.5.5）（8.5.6）8.5.2 8.5.2 低通滤波器低通滤波器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院将式将式(8.5.4)-(8.5.4)-式式(8.5.6)(8.5.6)联立求解，可得电路的传递函

54、数为联立求解，可得电路的传递函数为 231sCRsCRAAsVsVsAVFVFio当当 时，电路才能稳定工作；时，电路才能稳定工作；3VFA当当 时，电路将自激振荡。时，电路将自激振荡。3VFA令令特征角频率特征角频率 ，等效品质因素等效品质因素 ，则（，则（8.5.7）式变为式变为RCc1VFAQ31 (8.5.7) 222cccVFsQsAsA二阶低通滤波二阶低通滤波电路传递函数电路传递函数的标准形式的标准形式8.5.2 8.5.2 低通滤波器低通滤波器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院用用 取代取代 由式由式(8.5.7)(8.5.7)可得可得js

55、cccVFQjAjA221 (8.5.11)幅频特性：幅频特性：2221ccVFQAjA相频特性：相频特性： 21arctanccQ当当 时，时， , ,即通带电压增益；即通带电压增益； 0VFAjA当当 时，时， ； 0jA当当 时，即时，即 , ,cVFAQjAVFAjAQc二阶比一阶低通滤波电二阶比一阶低通滤波电路的滤波效果好得多路的滤波效果好得多! ! 8.5.2 8.5.2 低通滤波器低通滤波器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院例例8.5.18.5.1 电路如图电路如图8.5.58.5.5（a a）所示，要求特征频率）所示，要求特征频率 ， 等

56、效品质因数等效品质因数 ，试求该电，试求该电路中的各电阻阻值约为多少。路中的各电阻阻值约为多少。 KHzf10FC1 . 01Q解：解： 因为因为 ，故，故RCf210kCfR59. 11590101 . 0102121630因为因为 ，故，故VFAQ31213QAVF由于由于 ，因而有，因而有 。 211RRAfVF1RRf为使集成运放两输入端电阻对称，应有为使集成运放两输入端电阻对称，应有 kRRRf18. 32/1kRRf36. 618.5.2 8.5.2 低通滤波器低通滤波器 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.5.3 8.5.3 高通滤波器（高

57、通滤波器（HPFHPF）图图8.5.6 8.5.6 二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器利用有源低通滤波电路同样的分析方法，得电路中传递函数为利用有源低通滤波电路同样的分析方法，得电路中传递函数为 222ccVFsQssAsA二阶有源二阶有源RCRC高通滤波电路高通滤波电路传递函数的标准形式传递函数的标准形式 式中 ， 。RCc1VFAQ31 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.5.4 8.5.4 带通滤波器（带通滤波器（BPFBPF）图图8.5.78.5.7带通滤波器组成原理带通滤波器组成原理 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电

58、子电气工程学院图图8.5.6 8.5.6 二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器低通滤低通滤波器波器高通滤高通滤波器波器为了使电路分析简单，通常选取为了使电路分析简单，通常选取 ， ， RR 3RR24CCC21带通滤波电路的传递函数带通滤波电路的传递函数 2)()3(1sRCsRCAsRCAsAVFVF式中式中 ，令，令 ， ，则有，则有 110RRAfVFRCc1VFAQ31， 22)(cccVFsQssAsA二阶有源带通滤电路二阶有源带通滤电路传递的标准形式。传递的标准形式。 8.5.4 8.5.4 带通滤波器（带通滤波器（BPFBPF） 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院

59、物理与电子电气工程学院以以 取代取代s，可得，可得 j ccVFjQAsA1可得电路的幅频特性可得电路的幅频特性 221ccVFQAsA为了确定带通滤波器的带宽，令上式分母为为了确定带通滤波器的带宽，令上式分母为 ，即，即21ccQ解方程，取正根，可得两个截止角频率分别为解方程，取正根，可得两个截止角频率分别为QQQccL24122QQQccH241228.5.4 8.5.4 带通滤波器（带通滤波器（BPFBPF） 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院通带带宽为通带带宽为QfQBWccLH222可见，可见，Q Q越大，越接近中心频率增益越大，通带宽度越大，越

60、接近中心频率增益越大，通带宽度BWBW越窄，越窄，电路的选择性越好。电路的选择性越好。 221ccVFQAsA幅频特性幅频特性8.5.4 8.5.4 带通滤波器（带通滤波器（BPFBPF） 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院8.5.5 8.5.5 带阻滤波器（带阻滤波器（BEFBEF）图图8.5.98.5.9带阻滤波器组成原理带阻滤波器组成原理 退出淮阴师范学院物理与电子电气工程学院淮阴师范学院物理与电子电气工程学院通常选取通常选取 RRR4325RR CCC32CC21可得带阻滤波电路的传递函数可得带阻滤波电路的传递函数 22)()2(211sRCsRC