模拟电子技术基础(第四版)第7章课件

第20讲

第七章信号运算与处理7.1概述7.2基本运算电路7.3有源滤波电路7.4预处理用放大电路9/13/20231第20讲

第七章信号运算与处理7.1概述7/30/2027.1概述一.电子系统的组成电子系统：产生、传输或处理电信号及信息的电路实体。电子系统框图电子系统的类型:1).数字系统

2).模拟系统

3).模拟/数字混合系统4).微机系统9/13/202327.1概述一.电子系统的组成电子系统：产生、传输电子系统实例：手机系统

9/13/20233电子系统实例：手机系统7/30/20233二.运放构成电路的分析方法1.理想运算放大器：开环电压放大倍数A0d=∞

差摸输入电阻Rid=∞

输出电阻R0=0理想运放工作在线性区的条件：

电路中有负反馈！2.理想运放的线性区：虚短虚断9/13/20234二.运放构成电路的分析方法1.理想运算放大器：开环电压放3.理想运放的非线性区：当：不是无穷小时，此时：有限，

UOM当：理想运放工作在非线性区的条件：

电路开环、正反馈！*理想运放工作在非线性区时：由于Rid＝

，所以，“虚断”仍成立！**对于非理想运，由于Rid很大、AOd很大，所以上述结论仍成立！9/13/202353.理想运放的非线性区：当：不是无穷小时，此时：有限，U7.2基本运算电路一.比例运算电路1.反相比例运算虚短虚地点虚断(带负载后，输出不变！)为了保证运放输入端的对称9/13/202367.2基本运算电路一.比例运算电路1.反相比例运算虚短2.同相比例运算虚断虚短*该电路中uIC＝uI，即共模电压不为0！与反相比例电路比较，哪个性能好？9/13/202372.同相比例运算虚断虚短*该电路中uIC＝uI，即共模电压3.电压跟随器虚断虚短电压跟随电路经常简化*电压跟随器的性能比分立元件的射极跟随器好很多。9/13/202383.电压跟随器虚断虚短电压跟随电路经常简化*电压跟随器的性二.加减运算电路1.反相求和运算9/13/20239二.加减运算电路1.反相求和运算7/30/202392.同相求和运算同相比例9/13/2023102.同相求和运算同相比例7/30/202310当：则：9/13/202311当：则：7/30/2023113.加减运算(单运放)根据叠加原理反相加法同相加法当：当：有：9/13/2023123.加减运算(单运放)根据叠加原理反相加法同相加法当：当：例题1求：uO与uI的关系，

Ro、Ri1、Ri2＝?解：(同相比例)(叠加原理)若：则：9/13/202313例题1求：uO与uI的关系，解：(同相比例)(叠加原理)若：例题2设计电路实现：

uO＝10uI1＋8uI2－20uI3解：当：时即：有：取：因为：所以：可以取适当的R’使：能实现：uO＝10uI1＋8uI2－uI3吗？作业：7-4、7-7、7-10（C）、7-129/13/202314例题2设计电路实现：解：当：时即：有：取：因为：所以：可以取三.微积分运算电路电容：1.积分运算当uI＝常数时：实用中，在C上并联一个大R，以降低低频增益，克服失调电压使运放进入非线性区—积分漂移。9/13/202315三.微积分运算电路电容：1.积分运算当uI＝常数时：实用-Uom积分运算应用：1).t-u变换tui0Utuo0TMtui0tuo02).方波－三角波变换3).移相?作业：7-17、7-189/13/202316-Uom积分运算应用：1).t-u变换tui0Utuo0TuItuOt第21讲2.微分运算波形：实用电路：1.加入R1，限制iC，防止进入非线性区。2.增加小C1，超前补偿，使电路稳定。3.增加DZ，使UOM＝UZ，防止进入饱和。9/13/202317uItuOt第21讲2.微分运算波形：实用电路：1.加入例题1已知：t=0时，uC＝0V，uI＝1V。求：t＝何值时，uO＝0V。解：A1是积分电路，A2是反相加法电路。9/13/202318例题1已知：t=0时，uC＝0V，uI＝1V。求：t＝何值时例题2求：写出PID调节器的函数关系。解：有：比例P积分I微分D*：改变R1、2和C1、2的大小，可改变各项的作用比例。9/13/202319例题2求：写出PID调节器的函数关系。解：有：比例P积分I四.指数与对数运算电路1.指数运算利用PN结的指数特性实现指数运算uI>0!!改进电路：为了扩大工作范围，用三极管替代二极管。发射结饱和电流9/13/202320四.指数与对数运算电路1.指数运算利用PN结的指数特性实2.对数运算利用PN结的指数特性实现对数运算uO<0!!改进电路：为了扩大工作范围，用三极管替代二极管。发射结饱和电流9/13/2023212.对数运算利用PN结的指数特性实现对数运算uO<0!!改五.乘除法运算电路1.乘法运算乘法运算示意图：乘法器符号：运算关系：等效电路：k是乘积系数常为:0.1V－19/13/202322五.乘除法运算电路1.乘法运算乘法运算示意图：乘法器符号乘法器的工作象限：当输入uX、uY均可取＋、－值，则称：四象限乘法器也有：单、两象限乘法器2.除法运算9/13/202323乘法器的工作象限：当输入uX、uY均可取＋、－值，则称：四象该电路正常工作的条件？虚短的条件：运放有负反馈利用瞬时极性法，记X的符号为：XuI1－uI1因此：uI1与uI2反号时，是负反馈。所以：电路可以工作在II、IV象限。作业：7-21、7-22(b)uI1uI29/13/202324该电路正常工作的条件？虚短的条件：运放有负反馈利用瞬时极性法7.3有源滤波电路9/13/2023257.3有源滤波电路7/30/2023254.2.3仪用放大器在电子测量系统中，需要检测大量的电量或非电量信息，而且检测的电信号又非常的微弱，有的处在强噪声的背景下，属于微弱信号的检测。因此，对前置级获取信号的放大器，提出了如下要求：高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移、低噪声、低输出电阻等参数要求。⑴高共模抑制比、高输入电阻测量放大器一、测量放大器9/13/2023264.2.3仪用放大器在电子测量系统中，需要检测大同相并联型差分放大器由三运放组成性能优越的测量放大器，A1和A2组成双端输入/双端输出差动放大，由于信号从二个同相端输入，使输入阻抗高达10M以上。第二级又采用差动输入，在运放参数和R3严格对称时，电路具有很高的共模抑制能力和低温漂。9/13/202327同相并联型差分放大器由三运放组成性能优越的测量放大器在上述条件下，R1的中点可以认为接地。所以有：运算式子表明，该电路可以方便地通过调节R1进行增益的调整。9/13/202328在上述条件下，R1的中点可以认为接地。所以有：运算式子表明，⑵单片集成仪用放大器AD521引脚排列图典型应用时连接同相端反相端调零调增益调增益具体使用可参阅有关手册9/13/202329⑵单片集成仪用放大器AD521引脚排列图典型应用时连接同二、可编程增益放大器PGA（程控放大器）在数据采集系统中，需要有多通道或多个参数共用一个测量放大器。如有一个四通道的数据采集系统，四个通道的信号各不相同，分别为，，，的数量级，要放大到A/D转换器标准的输入电压大小。因此，计算机在选定通道号的同时，也应选定对应通道的增益要求，以实现自动增益控制和自动量程切换的测量要求，所以，程控放大器在电子测量和智能化仪器仪表中得到广泛应用。9/13/202330二、可编程增益放大器PGA（程控放大器）在数据采集系RG由程序控制来改变，从而改变增益。可编程放大器种类很多，有单运放、多运放和仪用程控放大器等，又可分模拟式和数字式等（从输出信号讲）。1.仪用可编程增益放大器它的增益方程为：请思考如何用数字电路的方法来实现电阻RG的改变？9/13/202331RG由程序控制来改变，从而改变增益。可编程放大器种类如PGA200/201为四级仪用放大器，有16种增益；PGA102为3级可编程增益放大器，8种增益控制；PGA100为8级可编程增益放大器；2.单片集成程控放大器LH0084特点：高速、高精度数字程控仪用放大器。增益精度0.05%，非线性度0.01%，增益漂移1×10-6/OC，输入阻抗1011，CRM=70dB。其内部电路图如下页所示9/13/202332如PGA200/201为四级仪用放大器，有16种增益；PGA增益控制表见教材，共有12种增益（1、2、5、10、4、8、20、40、10、20、50、100）。它是如何用数字信号来控制放大器的增益的，从中得到启发。9/13/202333增益控制表见教材，共有12种增益（1、2、5、10、4、8、4.2.4有源滤波器电路功能：让某一频段的信号顺利通过，滤除其它频段的信号，所以它实际上是一种选频电路。在微弱信号测量中，滤波器是一个非常重要的电路，模拟滤波器几乎在各种信号处理中必不可少。下图中的信号是经过低通滤波器后的情况。一、滤波器的功能与分类9/13/2023344.2.4有源滤波器电路功能：让某一频段的信号顺利通过，滤经过低通滤波器的处理，大大地提高了电路中的信/噪比滤波器的种类：从大类分：数字滤波器，模拟滤波器，本课程介绍模拟滤波器。模拟滤波器：低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器（BPF)、带阻滤波器（BEF)等四种。它们的频率特性如下：9/13/202335经过低通滤波器的处理，大大地提高了电路中的信/噪比滤LPF的理想频率特性BPF的理想频率特性HPF的理想频率特性BEF的理想频率特性上面都是理想的频率特性，在实际情况中，将采取各方面的技术和措施，使实际的频率特性向理想化接近。9/13/202336LPF的理想频率特性BPF的理想频率特性HPF的理想频率特性有源滤波器的分析过程和方法：利用电路原理中的节点电流法→电压增益的传递函数→s用代入求增益的复数表达式→画出频率特性→求滤波电路的各项指标：通带增益、滤波器的截止频率（中心频率）、品质因素、带宽等。9/13/202337有源滤波器的分析过程和方法：利用电路原理中的节点电流法→电压二、有源低通滤波器（LPF)1.有源低通滤波器的技术指标LPF的理想频率特性LPF的实际频率特性通带增益通频带内的电压放大倍数，对LPF讲，它是信号频率时的电压增益。9/13/202338二、有源低通滤波器（LPF)1.有源低通滤波器的技术指标L时，一个简单的二阶低通有源滤波器电路由二级无源RC低通滤波器加运放组成。滤波效果由二级无源RC网络决定，运放提供增益以及提高带负载能力。二阶有源低通滤波器9/13/202339时，一个简单的二阶低通有源滤波器电路由二级无源RC低

优点：负载不直接与RC网络联接，而通过高输入电阻，低输出电阻的运放连接，其RC网络的滤波性能不受负载的影响。电路除有滤波功能外，还有放大作用。通带增益的计算：当时，C1、C2可视作开路，所以电路是一个同相比例放大器，其通带增益为：求出电路增益的传递函数要分析它的滤波效果时，先9/13/202340优点：负载不直接与RC网络联接，而通过高输入电阻，低令C1=C2=C时，联立上述三个方程，解得该电路电压增益拉氏表示的传递函数如下：根据电路原理有：9/13/202341令C1=C2=C时，联立上述三个方程，解得该电路电压通带截止频率求取：将上式中s换成,并令则

根据截止频率的定义，当时，上式右边分母之模为(上限频率对应的增益下降到中频时的0.707倍）即9/13/202342通带截止频率求取：将上式中s换成,并令解得：由右式画出折线化幅频特性如图所示：从波特图可知：二阶低通有源滤波器（LPF）在时，特性近似以-40dB/十倍频程斜率下降，比一阶下降快了。但还不够，还应进一步向理想逼近。9/13/202343解得：由右式画出折线化幅频特性如图所示：从波特图可知：二阶低2.二阶压控电压源LPF它与普通二阶低通有源滤波器不同的地方是C1电容不接地，而是连接到电路的输出端了。这样连的思路是：在附近形成一定的正反馈，，使该点频率附近的特性起峰来改善滤波效果。电路的主要性能⑴通带增益根据定义，它为时的电压增益9/13/2023442.二阶压控电压源LPF它与普通二阶低通有源滤波器节点1方程：联立解后得传递函数：⑵传递函数式子说明，通带增益应小于3，否则系统将会不稳定。9/13/202345节点1方程：联立解后得传递函数：⑵传递函数式⑶频率特性将上式中s换成,并令则

比较该式与前面二阶低通滤波器频率特性，只是分母虚部的系数不同。所以，在f<<fo和f>>fo时，两式近似相等，只有在fo附近起峰。当f=fo时，增益的复数表达式为原式9/13/202346⑶频率特性将上式中s换成,并其模为电路的品质因素所以有表达式用Q联系后有由此画出的幅频特性为

时的模与通带增益比9/13/202347其模为电路的品质因素所以有表达式用Q联系后有由此画出的幅频特【例】某电路采用压控型二阶LPF滤波器，要求滤波的截止频率为，品质因素，试选择并计算滤波电路中的各电阻和电容值。从波特图可知，它的滤波特性比普通的要好一些9/13/202348【例】某电路采用压控型二阶LPF滤波器，要求滤波的截止频率解：在有源滤波电路中，有多种定型的电路可供选用，因此在设计电路时，选定电路类型后，只要根据要求，对电路的参数进行选择就行了。本题选用二阶压控型低通有源滤波器，电路如图所示。在实际设计中，由于电阻的规格很多，电容标称较少，所以通常根据指标要求，先选定电容，后选电阻。对低通滤波器，其滤波范围大概在10~103Hz时，电容范围选在1~0.01微法。9/13/202349解：在有源滤波电路中，有多种定型的电路可供选用，因此在设计电1.由题意fo=1000Hz，初选0.022微法电容，为此有取7.2K的标称值2.由Q值求R1和R2已知所以又因9/13/2023501.由题意fo=1000Hz，初选0.022微法电容，为此有即3.由运放二个输入端上的电阻平衡要求考虑将Rf=0.57R1代入，解得Rf=22.608k，R1=39.663k，所以，可选取标称电阻：R1=39k,Rf=22k。三、开关电容滤波器(SCF-SwitchedCapacitorFilters)这种滤波器是由开关电容网络构成的滤波器，是一种模拟滤波器的新器件。⑴开关电容滤波器的基本电路9/13/202351即3.由运放二个输入端上的电阻平衡要求考虑将Rf=0.574.2.5在系统可编程模拟电路(ispPAC)PAC是继PLD后推出的模拟可编程电路，由美国Lattice公司于1999年11月推出。它和ispPLD一样，ispPAC也允许使用者在EDA9/13/2023524.2.5在系统可编程模拟电路(ispPAC)P平台上进行模拟电路的设计、修改，编程和仿真，并通过编程电缆下载到具体的芯片上。目前市场上提供的可编程模拟电路（PAC）主要有三种：①信号处理用（放大、衰减、滤波）；②信号运算用（加、减、积分运算）；③信号转换用（D/A转换）。主要用在工业自动控制、电子测量、生物医疗技术等场合。二、在系统可编程模拟电路器件Lattice公司推出了三种在系统可编程模拟器件9/13/202353平台上进行模拟电路的设计、修改，编程和仿真，并通过编程电缆下ispPAC10、ispPAC20、ispPAC80ispPAC10内部结构图ispPAC20内部结构图由ispPAC10内部结构图可见：有四个PAC单元、模拟布线池（ARP：AnalogRoutingPool)、配置存储器、参考电压和自校正单元、isp接口等，用的是5V单电源供电。9/13/202354ispPAC10、ispPAC20、ispPAC80isispPAC20内部结构只有两个PAC单元、两个比较器、一个8位D/A、模拟布线池、配置存储器、参考电压和自校正单元、isp接口等。其中PAC块是基本单元，如图所示：IA1，IA2是差分输入，增益可调仪用放大器，OAI是差分输出求和放大器。9/13/202355ispPAC20内部结构只有两个PAC单元、两个比较器、一个差分仪用放大器的输入极性可编程，输入增益分10档可编程，增益调节范围为±1~±10000。反馈网络由Rf和Cf阵列组成，Rf由一个可编程的开关控制其通断，反馈电容Cf阵列提出供用户120多个可编程极点频率，用以调谐电路的频率响应。9/13/202356差分仪用放大器的输入极性可编程，输入增益分10档可编程，增益模拟布线池（ARP）是可编程的关键部分，它为各元件间、各PAC的输入和输出之间提供可能，使器件中的基本单元通过ARP实现互连，而不需要外部连线即可构成非常复杂的电路。模拟布线池9/13/202357模拟布线池（ARP）是可编程的关键部分，它为各元件间PAC块可以独立使用，也可与其它PAC块级连实现增益不同的模拟调理电路。如用ispPAC10的四个模块，可以实现1~10000增益配置。同时可以根据用途的不同（放大、滤波、转换）等，进行不同的配置。ispPAC10双列直插引脚排列图9/13/202358PAC块可以独立使用，也可与其它PAC块级连实现增益不同的模三、在系统可编程模拟电路（ispPAC）的设计软