07--xbl运算电路(2010).ppt

1、(4-1),第七章 运算电路,7.3 有源滤波电路,7.1 基本运算电路,7.2 模拟乘法器及其 在运算电路中的应用,7.4 电子信息系统预处理中 所用电路,(4-2),7.1 概述,7.1.1 电子信息系统的组成:,传感器接收器,隔离、滤波放大、阻抗变换,运算、转换、比较,功率放大A/D转换,第七章,第八章,第九章,信号的产生,电子信息系统的供电电源,第十章,(4-3),7.1.2 理想运放的两个工作区,Aod、 rid 、fH 均为无穷大，ro、失调电压及其温漂、失调电流及其温漂、噪声均为0。,因为uO为有限值， Aod，所以 uNuP0，即 uNuP虚短路,因为rid，所以 iNiP0虚

2、断路,电路特征：引入电压负反馈。,无源网络,2. 集成运放的线性工作区: uOAod(uP uN),1. 理想运放的参数特点,(4-4),“虚短”和“虚断”, 是一种解题方法与思路,(4-5),“虚短”和“虚断”的应用,(4-6),线性工作区:,放大倍数与负载无关，可以分开分析。,理想运放工作区：,非线性工作区：,（1） u+u 时，uo=+Uom u+u 时，uo=Uom (2)虚断（ Ii 0）,电路特征：引入负反馈。,(4-7),7. 2 基本运算电路,1. 研究的问题,（1）什么是运算电路：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、微分、对数、指数

3、等。 （2）描述方法：运算关系式 uOf (uI) （3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。,（1）识别电路。 （2）求解运算关系式。,2、学习运算电路的基本要求,(4-8),7. 2 基本运算电路,7.2.1 比例运算电路：,一、 反相比例运算放大器：,电路引入了哪种组态的负反馈？ 电路的输入电阻为多少？ 3) R？为什么？ 4) 若要Ri100k，比例系数为100，R1？ Rf？,+,_,iN=iP=0， uN=uP=0虚地,在节点N：,Ri=R1，R0=0,电压并联负反馈,平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等),Rf太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得100的比例系数？,RP=

4、R1/RF,(4-9),T型网反相比例运算电路:,(4-10),二、 同相比例运算放大器：,电路引入了哪种组态的负反馈？ 输入 输出电阻为多少？ 电阻R？为什么？ 共模抑制比KCMR时会影响运算精度吗？为什么？,RP=R1/RF,电压串联负反馈！,共模电压：ui, 没有“虚地”概念。,Rif= ,Rof=0,(4-11),同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器,(4-12),例7.1.1,R2R4,(4-13),例7.1.2,(4-14),7.2.2 加减运算电路,一、求和运算电路：,方法一：节点电流法,1. 反相求和,(4-15),7.2.2 加减运算电路,一、求和运算电路：,1. 反相求和

5、,方法二：利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。,(4-16),2、 同相求和运算：,此电路如果以uP为输入 ，则输出为：,up ui1、ui2、ui3 ？,(4-17),2、 同相求和运算：,(4-18),2、 同相求和运算：,则R4可省掉.,(4-19),二、加减运算电路:,1、 加减运算,(4-20),二、加减运算电路:,1、 加减运算,(4-21),二、加减运算电路:,1、 加减运算,只有两个输入：,差分电路！,(4-22),2、 差分比例,解出！,差动信号放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（2R1）,

6、 这是由于反相输入造成的。,(4-23),提高输入阻抗的差分比例：,(4-24),例7.1.3(P334),(4-25),7.2.3 积分运算电路和微分运算电路,一、 积分运算电路:,(4-26),反相积分器：如果u i=直流电压U,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。,积分时限,设Uom=15V, U=+3V, R=10k ,C =1F,= 0.05秒,线性积分，延时,(4-27),反相积分器：如果ui =-U=-3V，画出uo的波形图。,设Uom=15V,U=3V, R=10k ,C=1F,(4-28),应用举例：输入方波，输出是三角波。,波形变换,(4-29),移相,应用举例：输入

7、为正弦波时的输出电压波形？,(4-30),实用 积分运算电路,(4-31),二、 微分运算电路,1、基本 微分运算电路：,为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。,限制输入电流,限制输出电压幅值,滞后补偿,实用微分运算电路,(4-32),2、实用微分运算电路：,(4-33),3、 逆函数型微分运算电路,(4-34),例7.2.4 （P337）,(4-35),例7.2.4 PID 调节器:,(4-36),7.2.4 对数运算电路和指数运算电路:,PN结V- I 特性表达式,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,利用PN结的指数特性实现对数运

8、算,(4-37),一、 对数运算电路:,1、 采用二极管的对数运算电路:,(4-38),2、利用三极管的对数运算电路：,实用电路中常常采取措施消除IS对运算关系的影响,(4-39),1、消去IS对运算关系的影响 2、R5为热敏电阻，可补偿UT温度特性,3、 集成对数运算电路：,(4-40),二、 指数运算电路,指数运算电路相当反对数运算电路。,1、 基本电路,(4-41),2、 集成指数运算电路：,(4-42),7.2.5 对数反对数型模拟乘法器,图7.2.29 对数型模拟乘法器,根据两数相乘的对数等于两数的对数之和的原理，因此可以用对数运算电路、反对数运算电路和加法器来实现模拟量的相乘。方框

9、图如图所示。,(4-43),乘法运算电路：,(4-44),乘法器是又一种广泛使用的模拟集成电路，它可以实现乘、除、开方、乘方、调幅等功能，广泛应用于模拟运算、通信、测控系统、电气测量和医疗仪器等许多领域。,7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用,(4-45),7.3.1 模拟乘法器简介,其中K为比例因子， 具有 的量纲。,模拟乘法器是一种能实现模拟量相乘的集 成电路，设vO和vX、vY分别为输出和两路输入,理想模拟乘法器:,1、ri1 、ri2 = ,2、ro = 0,3、k 保持恒定，,4、ux、uy=0时，u0=0，,(4-46),图7.3.4模拟乘法器原理图,如果能用 vy去控制IE，

10、即实现 IE vy。 vO就基本上与两输入电压之积成例。,对于差动放大电路，输出电压为,7.3.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理,2020/7/22,式中的gm是可变的，受一个输入信号的控制，所以该电路成为变跨导模拟乘法器。由于IEvY，而IE gm，所以vY gm。,根据图7.3.4 的原理可以制成所谓变跨导模拟乘法器。在推导高频微变等效电路时，将放大电路的增益写成为,问题： 1、运算误差 2、受温度影响 3、只能两相限工作（uy单端输入引起）,(4-48),理想情况下，ri1、 ri2、fH为无穷大， 失调电压、电流及其温漂为0，ro为0， ux 、uy 幅值变化时 k 值不变。,有单象限

11、、两象限和四象限之分。,2)模拟乘法器的符号及等效电路,(4-49),7.3.3 模拟乘法器在运算电路中的应用,一、 乘方运算电路：,1、 平方运算电路：,将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是平方运算电路。,(4-50),3、N次方运算电路,2、3次方和4次方运算电路：,如果令K= R2 / R1则,二、 除法运算电路：,它是由一个运算放大器和一个模拟乘法器组合而成的。,u0 与u0同相，才能保证负反馈。 u12与k同符号。,运算电路中集成运放必须引入负反馈！,(4-52),三、开平方运算电路：,为满足上式，电路中uI、 k的 极性是什么？为什么？,当uI0,当uI0，k 0,如何实现开三

12、次方运算电路？,开立方电路,当vI为正值时，vO为负值，当vI为负值时，vO为正值。模拟乘法器还有许多应用。,开立方运算电路,(4-54),例7.2.1,(4-55),无源滤波器：由无源器件构成的滤波器。,7.4.1 滤波电路的基础知识:,7.4 有源滤波电路,一、 滤波电路的功能 使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,(4-56),二、 滤波电路的种类:,低通滤波器（LPF）,通带放大倍数,通带截止频率,下降速率,理想幅频特性 无过渡带,用幅频特性描述滤波特性，要研究 、 ( fP、下降速率)。,(4-57),高通滤波器（HPF）,带通滤波器

13、（BPF）,带阻滤波器（BEF）,全通滤波器（APF）,理想滤波器的幅频特性,阻容耦合,通信电路,抗已知频率的干扰,f-转换,(4-58),1、无源低通滤波器,三、无源滤波电路和有源滤波电路：,空载时：,(4-59),1、无源低通滤波器,三、无源滤波电路和有源滤波电路：,带负载后：,空载时：,二者均发生变化！,(4-60),空载时,带负载时,负载变化，通带放大倍数和截止频率均变化。,无源低通滤波器的幅频特性：,此电路的缺点：,1、带负载能力差； 2、无放大作用； 特性不理想，边沿不陡。,(4-61),2、 有源滤波电路：,用电压跟随器隔离滤波电路与负载电阻,无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有

14、源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大。 无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。,(4-62),一阶低通滤波器的传递函数如下,四、有源滤波电路的传递函数：,(4-63),7.4.2 低通有源滤波器,一、同相低通滤波电路：,传递函数,1、 一阶低通滤波电路,特征频率,通带截止频率,(4-64),一、同相低通滤波电路：,7.4.2 低通有源滤波器,1、 一阶低通滤波电路,幅频特性,通带截止频率,(4-65),为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为

15、二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。,2、简单二阶低通滤波电路,(4-66),2、简单二阶低通滤波电路,（1）通带增益 当 f = 0, 或频率很低时，各电容器可视为开路，通带内的增益为,(4-67),2、简单二阶低通滤波电路,（2）传递函数：,截止频率 fp 0.37f0,列P、M点的节点电流方程：,(4-68),2、简单二阶低通滤波电路,（2）传递函数：,截止频率 fp 0.37f0,(4-69),电容器C1原来是接地的，现在改接到输出端(形成电压交流正反馈）。显然C1的改接不影响通带增益。,3、二阶压控型低通滤波器：,引入正反馈,为使 fp=f0，且在f=f0时幅频特性按

16、40dB/十倍频下降。,f0时，C1断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大倍数；,f ， C2短路，正反馈不起作用，放大倍数小0 ；,因而有可能在f = f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。,(4-70),列P、M点的节点电流方程，整理可得：,3、二阶压控型低通滤波器：,(4-71),二、 反相输入低通滤波器,积分运算电路的传递函数为,加R2后， f0，C 断开，通带放大倍数，,(4-72),7.4.3 其他滤波电路,与LPF有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路。,1. 高通滤波器（HPF）,(4-

17、73),2. 带通滤波器（BPF）,fHfL,(4-74),3. 带阻滤波器（BEF）,(4-75),4. 全通滤波器,全通滤波电路的相频特性：,(4-76),运算电路与有源滤波器的比较,相同之处 电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。 均具有“虚短”和“虚断”的特点，均可用节点电流法求解电路。 不同之处 运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。 运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。,(4-77),7.5.1 仪表用放大器,7.5 电子信息系统预处理中所用电路,一、仪表用放大器特点：,1、 精密非常严密的输入输出关系,2、 高增益、高输入阻抗,3、 较强