模拟电子技术课件07.ppt

1、,第七章 信号的运算与处理,7.1 比例运算电路,7.2 基本运算电路,7.3 对数和指数运算电路,7.4 有源滤波电路,本章目录,总目录,点击即可进入学习,7.5 信号处理放大电路,习题解答,预备知识：集成运放的两种工作状态,1. 运放的电压传输特性：,设：电源电压VCC=10V。 运放的Aod=104,Ui1mV时，运放处于线性区。,Aod越大，线性区越小， 当Aod 时，线性区0,7.1 比例运算电路,2.理想运算放大器：,开环电压放大倍数 Aod= 差摸输入电阻 Rid= 输出电阻 Ro=0,为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：,理想运放工作在线性区的条件： 电路中有负反馈！,

2、运放工作在线性区的分析方法： 虚短（u+=u-） 虚断（ii+=ii-=0）,3. 线性区,虚短与虚断动画演示,4. 非线性区（正、负饱和状态）,运放工作在非线性区的条件： 电路开环工作或引入正反馈！,运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论,一. 反相比例运算,虚地点,i1=if （虚断）,因为有负反馈， 利用虚短和虚断,u+ =0,u=u+=0（虚地）,反馈方式：,电压并联负反馈,电压放大倍数:,例 R1=10k , Rf=20k , ui =-1V。求:uo 、Ri。说明R0的作用， R0应为多大？,优点： 共模输入电压=0 （u=u+=0） 缺点： 输入电阻小（ Ri=R1）,R0为平

3、衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):R0=R1/Rf,反相比例运算,电压放大倍数:,可见：在高比例系数时，R1阻值小，输入电阻小。,输入电阻：,采用T型反馈网络的反相比例电路,目的：在高比例系数时，避免R1阻值太小，使输入电阻太小。,分析：u+=u-=0（虚短） i1=i2 （虚断）,二. 同相比例运算电路,u-= u+= ui,i1=if （虚断）,平衡电阻R=Rf /R1,因为有负反馈， 利用虚短和虚断,反馈方式：,电压串联负反馈,优点： 输入电阻高 缺点： 共模输入电压0 （u=u+=ui）,电压放大倍数:,Au=1,三.电压跟随器,此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻

4、小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能更好。,ui=u+= u-= uo,因为有负反馈， 利用虚短和虚断：,1. 反相加法器：,若R1 =R2 =R,平衡电阻 R0= R1/ R2/Rf,i1 + i2= if,7.2 基本运算电路,一. 加法运算电路,虚地,2. 同相求和运算：,当R1 = R2 = Rf = R时,同相比例运算:,叠加定理,二. 减法运算电路,1、利用加法器和反相比例器,反相比例器,反相加法器,由叠加原理,2、差动减法器,ui1单独作用,反相比例器,ui2单独作用,差动减法器,同相比例器,差动减法器,ui1单独作用,ui2单独作用,叠加,则有：,1.

5、积分电路,三. 积分和微分电路,反相积分器：如果u i=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。,积分时间,设Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1F,求积到饱和值的时间：,练习: 画出在给定输入波形作用下积分器的输出波形。,应用举例：输入方波，输出是三角波。,EWB仿真,在实用电路中，为了防止低频信号增益过大，常在电容两端并联一电阻来加以限制。,实用积分运算电路,2. 微分电路：,u-= u+= 0,微分电路可把输入方波转化为尖顶波（尖脉冲）输出,EWB仿真,实用微分运算电路,输入端串联一个小电阻来限制输入电流，从而限制了电阻R中的电流。,在反馈电阻R两端并联双向稳

6、压管，以限制输出电压不超过稳压管的稳压值。,相位补偿电容，以防电路产生自激，提高电路稳定性。,保证集成运放中的放大管都始终工作在防大区，避免出现阻塞现象,利用虚短和虚断,逆函数型微分运算电路,积分运算电路,逆函数型微分运算电路,积分运算电路作反馈通路,构成逆函数型微分运算电路 即：构成与反馈通路的运算互为逆运算的运算电路,这种思路具有普遍意义：,微分运算电路作反馈通路,逆函数型积分运算电路,乘法运算电路作反馈通路,指数运算电路作反馈通路,逆函数型除法运算电路,逆函数型对数运算电路,PID调节器,比例,微分,积分,一. 对数运算电路,7.3 对数和指数运算电路,利用PN结的指数特性实现对数运算,

7、利用虚短和虚断,BJT的发射结有,注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7V,利用虚短和虚断，有,用三极管实现对数运算,注意：ui必须大于零，保证二极管能导通或三极管能正常放大。电路的输出电压小于0.7V。,用三极管实现对数运算,用二极管实现对数运算,可实现任意底对数运算,用三极管实现对数运算,用二极管实现对数运算,受温度影响，运算精度差。,集成对数运算电路，根据差分电路的基本原理，利用特性相同的两只管子进行补偿，消去Is对运算关系的影响。,消去Is对运算关系的影响,二. 指数运算电路,uO是ui的指数运算,用三极管实现指数运算电路,利用虚短和虚断，电路有,要求,以上两个电路温漂很严重，

8、实际电路也常采用两只对管进行温度补偿。,集成指数运算电路,模拟乘法运算电路基本原理,三. 利用对数与指数运算电路实现模拟乘法和除法运算电路,模拟除法运算电路基本原理,例：,若取 R1R2R3R4R，可得：,以模拟乘法运算电路为例,uo3,对于差放有：,四、 集成模拟乘法器,（一）基本原理,缺点： 1、uY的值越小，运算误差越大； 2、电路受温度变化的影响； 3、电路只能工作在两象限。 ux可正可负 uY0,模拟乘法器输入信号的四个象限,双平衡四象限变跨导型模拟乘法器,模拟乘法器功能：实现两个模拟量相乘,其中K为比例因子，,量纲:V-1,符号：,其值多为+0.1V-1或-0.1V-1,（二）模拟

9、乘法器的应用,1. 乘法运算,立方运算电路,2. 平方和立方运算,平方运算电路,uo=KuXuY,uo=K(ui)2,uo=K2(ui)3,3. 除法运算电路,根据虚断,如果令K= R2 / R1则:,注意：为保证电路为负反馈，必须有：,？,两象限工作电路,4. 开平方运算电路,单象限工作电路,为保证电路为负反馈，ui与K符号相反！,电路容易发生闭锁现象,防止闭锁现象的平方根电路,二极管导通，电路工作,二极管截止，防止闭锁,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。,滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。,7.4 有源滤波电路,滤波器的分类：,低通滤波器（L

10、PF） 高通滤波器（HPF） 带通滤波器（BPF） 带阻滤波器（BEF）,各种滤波器理想的幅频特性：,（1）低通,（2）高通,（3）带通,（4）带阻,滤波器的用途,滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。,1. 一阶RC低通滤波器(无源),一. 低通有源滤波器,传递函数：,截止频率：,幅频特性：,幅频特性：,2.一阶有源低通滤波器,传递函数：,通带增益：,截止频率：,EWB仿真,幅频特性及幅频特性曲线,传递函数：,幅频特性：,缺点：阻带衰减太慢。,3.二阶有源低通滤波器,传递函数：,EWB仿真,当 Ao3时，滤波器可以稳定工作 。 此

11、时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。 当ffL时，幅频特性曲线的斜率 为-40dB/dec。,当Ao3时，源滤波器自激。,幅频特性及幅频特性曲线,常见三种类型二阶LPF,【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 ，品质因数 ，试选择并计算滤波电路中的各电阻和电容值。,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

12、在10103Hz时，电容范围选在10.01微法。,由题意fo=1000Hz，初选0.022微法电容，为此有,取7.2K的标称值,再由Q值求R1和R2,已知,所以,又因,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。,传递函数：,通带增益：,截止频率：,二. 高通有源滤波器,1.一阶有源高通滤波器,EWB仿真,幅频特性：,缺点：阻带衰减太慢。,幅频特性及幅频特性曲线,传递函数：,2. 二阶有源高通滤波器,由此绘出频率响应特性曲线,(2)通带增益,（1）幅频特性：,其中：,当A

13、O3时，电路自激。,幅频特性曲线,当 Ao3时，滤波器可以稳定工作 。 此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。 当f fL时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dec。,可由低通和 高通串联得到,低通截止频率,高通截止频率,必须满足,三. 有源带通滤波器,可由低通和高通并联得到,必须满足,四. 有源带阻滤波器,五、全通滤波电路,开关电容网络的基本结构与原理：电路两个节点间接有带高速开关的电容器，在开关的作用下，其效果相当于两个节点间连接的电阻。基本电路有下面两种。,并联型结构,串联型结构,假定 为理想电压源,对并联型电路，当开关接向1时， 向C充电，充电电荷为 ；当开关接向2时，

14、C向 放电；,六、开关电容滤波器(SCF),并联型结构,此时C上的电荷变化为,假定开关的频率很高，且 ，所以可以认为电容C的充放电是连续的，其电流也为连续 ，此时的平均电流为：,这电流与下图中的电流相等，因此，以很高的频率在 和 之间开关电容时，其两端相当于一只等效电阻 。,对串联型开关电容电路，当S接向1时，C被短路；当S接向2时，电容充电存贮电荷：,所以，开关S在一周内，其平均电流及电路的作用效果与并联型电路完全相同，同样可以等效成一只电阻。,在实际的电路中，开关由MOS管承担。所以，其基本的开关电容网络电路为：,并联型,串联型结构,串联型,例：由开关电容网络组成反相积分器,用串联型开关电

15、容网络组成的反相积分器电路如图所示：,例：由开关电容网络组成反相积分器,该电路的积分时间常数为,由于时间常数决定于两电容比值，及开关频率，而电容值又可以精确控制，因此，时间常数可以精确控制。,电路的频率特性表达式为：,其中通带截止频率为：,一阶低通开关电容滤波器（LPSCF）,而,可得：,所以,电路的通带增益为：,信号处理是一门应用面与涉及面都很广的学科，有数字信号处理和模拟信号处理，这里不作展开讨论，只就模拟信号的处理作一些分析。,一、信号处理电路概述,1. 信号处理电路的作用,一个典型的电子系统应该包括三个部分：信号获取、信号放大与处理、信号执行。,7.5 信号处理放大电路（简介）,信号处

16、理电路,信号获取（电的、非电的），各种传感器,放大，滤波，隔离，线性化处理，抗扰等,微机测控系统,2.信号处理电路的组成,信号处理电路通常由放大器、滤波器和线性化处理等电路组成，它是A/D转换器或是显示器之前的必可少的电路。,下图是振动分析系统的(测电梯擅动）原理框图,根据不同的传感器要求，信号处理电路能完成各种处理，如电荷/电压转换、电流/电压转换、频率/电压转换、阻抗变换等，并对变换后的电信号实现放大、有源滤波或运算。其中电信号放大器也应根据不同的要求来选：电荷放大器、仪表用放大器、程控放大器、隔离放大器等。,目前，信号处理电路已设计成专用集成电路（ASIC），它们有：可编程数据放大器、高

17、共模抑制比隔离放大器模块、集成调制解调器、模拟开关、采样/保持器、开关电容滤波器等。,二、 干扰与噪声,放大电路的信号/噪声比（S/N）是反映放大电路抗干扰能力的一个重要指标。尤其是在微弱信号放大中，信噪比小的时候噪声会将信号淹没，放大电路无法工作。所以认识噪声，滤除噪声，检出真正有用信号，提高信号/噪声比（S/N），也是信号处理电路的一项重要技术,在工业与自然界中，存在着各种干扰源（噪声源），如大功率电力电子器件的接入、大功率用电设备的开启与断开、雷击闪电等都会使空间电场和磁场产生有序或无序的变化，这些都是干扰源（或噪声源）。这些源产生的电磁波或尖峰脉冲通过磁、电耦合或是通过电源线等路径进入

18、放大电路，各种电气设备，形成各种形式的干扰。,1.干扰与噪声源,几种比较典型干扰对信号波形的影响,高频寄生振荡干扰,叠加了整流电流纹波,失真的脉冲波,市电低频干扰,方波信号振铃干扰,正弦信号中叠加了尖峰脉冲干扰,几种比较典型干扰对信号波形的影响,干扰源有来自电子系统的外部，也存在在电路和电子系统内部。如电子器件内部由于物理因素产生的电流或电压噪声，是电路内部存在的杂散信号，如图,噪声电压波形,存在于电路和电子系统内部的干扰信号，不能用屏蔽或合理接地等方法加以消除。这种系统内部的噪声往往成为测量精度的制约因素。如传感器本身噪声，决定传感器的分辨率；放大器输入为零（短路）时的噪声大小就限制了放大器

19、能检测微弱信号的能力；在测控系统中，随机噪声还会造成误输出或误动作。所以，干扰和噪声是弱信号检测、放大中必须重示的问题，信号/噪声比（S/N）是放大电路中一个十分重要的指标。,热噪声由导体中的载流子随热运动而引起,载流子无规则的热运动造成电流大小的波动，该波动电流在导体两端形成的电位差称为噪声热电压。一个阻值为R的电阻器（包括晶体管的体电阻、沟导电阻等）在BW带宽内所产生的热噪声电压的大小可用下式表示：,其中k是玻耳兹曼常数，T是绝对温度。,电阻热噪声的功率谱密度：,其噪声电流表示为：,散粒噪声的功率谱密度：,它属于白噪声（其功率谱密度与工作频率f无关时称白噪声。）,低频噪声（ 噪声）,这种噪声通常存在于晶体管等电子线路中，认为 是半导体中的载流子在晶体表面的产生与复合引 起，还有待于进一步的深入研究。,一是回避干扰与噪声源，选用低噪声器件；二是切断或削弱干扰、噪声源与电子电路的之间的耦合通路。,在电子技术测控系统中，对干扰与噪声抑制方法主要有屏蔽、合理接地、隔离、合理布线、净化电源、滤波、采用专用器件等等措施。