第7章信号运算和处理

1、 运算放大器是运算放大器是由直接耦合多级由直接耦合多级放大电路集成制放大电路集成制造的高增益放大造的高增益放大器，它是模拟集器，它是模拟集成电路最重要的成电路最重要的品种，广泛应用品种，广泛应用于各种电子电路于各种电子电路之中。之中。第第7章信号运算和处理章信号运算和处理7.1 7.1 理想集成运算放大器理想集成运算放大器7.27.2 集成运放在信号运算方面的应用集成运放在信号运算方面的应用7.3 7.3 集成运放在信号处理方面的应用集成运放在信号处理方面的应用 7.1.1 理想运算放大器的条件 7.1.2 理想运算放大器的分析依据7.1 理想集成运算放大器理想集成运算放大器 满足下列参数指标

2、的运算放大器可以视为理想运算满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。放大器。1. 1.差模电压放大倍数差模电压放大倍数A Au ud d= = ，实际上实际上A Av vd d80dB80dB即可。即可。 2. 2.差模输入电阻差模输入电阻r rid id= = ，实际上实际上r rid id比输入端外电路的电阻大比输入端外电路的电阻大2 23 3个个 数量级即可。数量级即可。3. 3.输出电阻输出电阻r ro o=0=0，实际上实际上r ro o比输入端外电路的电阻小比输入端外电路的电阻小1 12 2个量级个量级 即可。即可。 4. 4.带宽足够宽。带宽足够宽。 5. 5.共模抑

3、制比足够大。共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。标明显下降即可。5.3.1 理想集成运算放大器的条件 idR2 2、线性分析依据、线性分析依据: :（有负反馈或闭环）（有负反馈或闭环）(u+- - u- -)Au0 = uoAu0=u uo o= =有限值有限值所以：所以：u+= u- -虚短虚短动画动画)(0 虚断IIuuOufR7.1.1 理想集成运算放大器的分析依据理想集成运算放大器

4、的分析依据+-I I+ +I I- -R Ri id dU UO O3 3 非线性分析依据（无负反馈或开环）非线性分析依据（无负反馈或开环）u+ u- -时，u0= UOMu+WL带阻滤波器是由低通带阻滤波器是由低通RCRC环节和高通环节和高通RCRC环节并联而成的。环节并联而成的。 高通WL 低通 WH ui uo WHWL7.3.2 7.3.2 比较器比较器 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较的电路。 常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较器和具有滞回特性的比较器。这些比较器

5、的阈值是固器和具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。1 1 一般的比较器一般的比较器2 2 滞回比较器滞回比较器3 3 窗口比较器窗口比较器SchmittSchmitt触发器触发器 (1) (1) 过零比较器和电压幅度比较器过零比较器和电压幅度比较器 过零电过零电压比较器是压比较器是典型的幅度典型的幅度比较电路，比较电路，它的电路图它的电路图和传输特性和传输特性曲线如图所曲线如图所示。示。1 1 一般的比较器一般的比较器 传输特性传输特性例：已知输入信号波形如图，画出输出电压的波形例：已知输入信号波形如图，

6、画出输出电压的波形iuttouMUOMUO 将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值U UR R 上 , 就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图所示。( (a) a)电路图电路图( (b)b)传输特性曲线传输特性曲线(2) (2) 固定电压比较器固定电压比较器( ( 输出限幅）输出限幅）ouiuRU理想实际ZUZUiuou1RZDRUouiuRU理想实际ZUZU另一种形式另一种形式的输出限幅的输出限幅固定电压比固定电压比较器较器iut10V-10V5V例：已知输入信号波形如图，画出输出电压的波形例：已知输入信号波形如图，画出输出电压的波形tOuMUOMUO例：电路如图，已

7、知例：电路如图，已知ui=Uimsinwt，且且RCT/2，画出画出UO1、UO2和和UO3的波形，的波形，设集成运放的最大设集成运放的最大 输出电压输出电压为为UOPP ui t uo2 t UOPP -2UOPP uo3 t UOPP 8+uiuo1uo2uo3RLRC uo1 t UOPP -UOPP 实例：街灯控制应用电路实例：街灯控制应用电路iuRU光检测电路15V-15VCCV继电器开关街灯光线保护作用：防止三极保护作用：防止三极管发射结反偏击穿管发射结反偏击穿在夜晚，在夜晚，uiUR集成运放的输集成运放的输出接近于出接近于-15-15V V，三极管截止三极管截止，继电器中的电继电

8、器中的电流为流为0 0，开关，开关断开，街灯关断开，街灯关闭。闭。2 2 滞回比较器滞回比较器单门限比较器，电路简单，灵敏度高，但是抗干扰单门限比较器，电路简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，为了提高抗干扰性，可采用滞回比较器。能力差，为了提高抗干扰性，可采用滞回比较器。电路分析电路分析估算跳变点的电压估算跳变点的电压很大时当iuZUuo)(RRR)(RRRRZTUUu211212uI逐渐减小，当逐渐减小，当ui=u+时，输出开始跳变，由时，输出开始跳变，由- -UZ跳变为跳变为UZ很小时当iuZUuo)(RRR)(RRRRZTUUu211212ui逐渐增大，当逐渐增大，当ui=u+时，输出开始

9、跳变，时，输出开始跳变，由由UZ跳变为跳变为- -UZ例例1：电路如图，已知输入波形，画出输出电压的波形：电路如图，已知输入波形，画出输出电压的波形)(RRR)(RRRRZTUUu211212解V5 . 4)(RRR)(RRRRZTUUu211212V5 . 5iut1 0 V5 .5 V-4 .5 VtOvZVZV例例2：电路分别如图：电路分别如图1、图、图2，已知输入波形，分别画出输出电压，已知输入波形，分别画出输出电压的波形的波形tiu5Vtiu5VtouV.T54uV.T55utiu5.5V4.5VOut实例：街灯控制应用电路实例：街灯控制应用电路iuRU光光检检测测电电路路15V-1

10、5VCCV继电器开关街灯噪噪声声光光线线光光线线该电路在实际该电路在实际应用中常会出应用中常会出现噪声光源，现噪声光源，如在很短时间如在很短时间内云层引起的内云层引起的光密度的脉动。光密度的脉动。输出就会出现输出就会出现误动作。误动作。RUtiutou实例：街灯控制应用电路实例：街灯控制应用电路iuRU光光检检测测电电路路CCV继电器开关街灯噪噪声声光光线线光光线线1R2RRDTUtiutTUOu3 3 窗口比较器窗口比较器ouiuLUHURRRRouiuLUHUouiuLUHURRRROu2R1RRfRCD2D1方波发生器方波发生器tOuCv0OMUOMUOMRRRU211OMRRRU211动画动画2R1R3RC4R5ROvA1A21OvvD1D2tZVZV01OvtOvOMAXVOMINV三角波发生三角波发生器器动画动画(2)(2)比较