清華大學(xué)模擬電子電路基礎(chǔ)課件7

1第七章

信號的運(yùn)算和處理§7.1集成運(yùn)放組成的運(yùn)算電路§7.2有源濾波電路2電子系統(tǒng)簡介傳感器接收器隔離、濾波放大、阻抗變換運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、比較功率放大A/D轉(zhuǎn)換第七章第八章第九章信號的產(chǎn)生電子信息系統(tǒng)的供電電源第十章3§7.1集成運(yùn)放組成的運(yùn)算電路一、概述二、比例運(yùn)算電路三、加減運(yùn)算電路四、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路五、對數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路六、實(shí)現(xiàn)逆運(yùn)算的方法七、模擬乘法器及應(yīng)用41.

理想運(yùn)放的參數(shù)特點(diǎn)

Aod、rid

、fH均為無窮大，ro、失調(diào)電壓及其溫漂、失調(diào)電流及其溫漂、噪聲均為0

因?yàn)閡O為有限值，Aod＝∞，所以uN－uP＝0，即

uN＝uP…………虛短路因?yàn)閞id＝∞，所以

iN＝iP＝0………虛斷路電路特征：引入電壓負(fù)反饋無源網(wǎng)絡(luò)2.集成運(yùn)放的線性工作區(qū)

uO＝Aod(uP－uN)一、概述53.運(yùn)算電路的作用可以實(shí)現(xiàn)某種數(shù)學(xué)運(yùn)算：輸出電壓是輸入電壓某種運(yùn)算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等4.運(yùn)算電路的組成反饋網(wǎng)絡(luò)+運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)實(shí)現(xiàn)輸入輸出的某種運(yùn)算；工作在非線性區(qū)，輸出飽和；引入電壓負(fù)反饋采用負(fù)反饋保證工作在線性區(qū)；穩(wěn)定輸出電壓，采用電壓負(fù)反饋uOiNiP＋A－反饋網(wǎng)絡(luò)uNuPuOiNiP＋A－反饋網(wǎng)絡(luò)uNuP5.運(yùn)算電路的分析方法基爾霍夫定律；疊加原理；戴維南端口等效定理；諾頓端口等效定理；虛短、虛斷;6（1）識別電路（2）求解運(yùn)算關(guān)系式6.學(xué)習(xí)運(yùn)算電路的基本要求7.運(yùn)算電路與放大電路電路分析，假設(shè)集成運(yùn)放“理想化”?IC技術(shù)的發(fā)展，集成運(yùn)放參數(shù)不斷接近“理想化”，分析誤差很??；設(shè)計電路時需要考慮非理想化因素運(yùn)算電路：強(qiáng)調(diào)運(yùn)算精度，參數(shù)為輸入電阻、輸出電阻，研究時域的問題；放大電路：強(qiáng)調(diào)傳遞關(guān)系，參數(shù)為輸入電阻、輸出電阻、截止頻率、最大不失真輸出電壓；78.分析和設(shè)計運(yùn)算電路的注意點(diǎn)8二、比例運(yùn)算電路電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？電路的輸入電阻為多少？3)R’有何作用，可否去掉？+_1.反相輸入“虛短”“虛斷”虛地節(jié)點(diǎn)電流方程：R’為補(bǔ)償電阻，保證差分放大電路的對稱性iR＋iNiPuIuOA－iFR’NPRRf補(bǔ)償電阻R’的作用？例，串入R’：9R’的接入消除了運(yùn)放輸入偏置電流（非理想因素）的影響；10要求：Aod=-500,怎么辦？電壓并聯(lián)負(fù)反饋；輸入電阻為R,輸出電阻為零；輸入與輸出相位互差180°；比例系數(shù)取決于Rf/R，而非Rf或R;Rf,R可否任意取值？反相比例運(yùn)算電路特點(diǎn)輸入電阻不能太?。?/p>

反饋電阻不能太大；R=10k;Rf=-R*Aod=5M;?例，Aod=-50,R=10,Rf=500;R=10k,Rf=500k;R=100k,Rf=5M;輸入電阻小，帶載能力↓合適噪聲大、穩(wěn)定性差；電路特性改變。＋iNiPuIR’uOA－NPRRfiF要求：輸出信號與輸入信號同相，怎么辦?分析方法：“虛短”、“虛斷”；

節(jié)點(diǎn)電流法；戴維南(Thevenin’s)端口等效定理；＋R5A－u1R2R1Rthuth例，Aod=-500,R1=10k,R2=R4=100k；R3=2.08k兩級反相比例運(yùn)算電路串聯(lián)；

同相比例運(yùn)算電路?R5=?R4＋R5A－R3u1R2R1uoi2i4i3MNT形反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路112.同相輸入“虛短”“虛斷”iR＋iNiPuIuOA－iFR’NPRRf特點(diǎn)：電壓串聯(lián)負(fù)反饋；輸入電阻為無窮大,輸出電阻為零；輸入與輸出同相位；比例系數(shù)取決于Rf/R，而非Rf或R;

共模輸入；選用高共模抑制比的集成運(yùn)放！

電壓跟隨器＋uIR’uOA－iNiFRRfuPuNNPiR電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？輸入電阻為多少？電阻R’＝？為什么？共模抑制比KCMR≠∞時會影響運(yùn)算精度嗎？12電壓跟隨器特點(diǎn)：輸出電壓完全反饋到輸入；輸出完全跟隨輸入；輸入電阻為無窮大,輸出電阻為零；電壓緩沖器，提高前級電路帶載能力；＋uIA－RRuO＋uIA－uO13回顧：信號的疊加方式！14

反相比例運(yùn)算電路：

同相比例運(yùn)算電路：如何實(shí)現(xiàn)加,減,加減運(yùn)算?電壓源串聯(lián)；

電流源并聯(lián)；iR＋iNiPu1uOA－iFR’NPRRfu2

加法：

減法：加減：三、加減運(yùn)算電路分析方法一：“虛短”、“虛斷”；諾頓(Norton’s)端口等效定理；“N”虛地輸入為等效電流源

電流源并聯(lián)實(shí)現(xiàn)“信號疊加”1.反相求和15分析方法二：“虛短”,“虛斷”節(jié)點(diǎn)電流法16特點(diǎn)：反相求和運(yùn)算電路多個輸入信號作用在反相輸入端17分析方法三：“虛短”,“虛斷”疊加原理首先求解每個輸入信號單獨(dú)作用時的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓182.

同相求和設(shè)R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf令uI2=uI3=0，求uI1單獨(dú)作用時的輸出電壓

在求解運(yùn)算電路時，應(yīng)選擇合適的方法，使運(yùn)算結(jié)果簡單明了，易于計算同理可得，

uI2、uI3單獨(dú)作用時的uO2、uO3，uO=uO1+uO2+uO3物理意義清楚，計算麻煩！電流源并聯(lián)實(shí)現(xiàn)“信號疊加”分析方法一：“虛短”,“虛斷”疊加原理19與反相求和運(yùn)算電路的結(jié)果差一負(fù)號必不可少嗎？特點(diǎn)：同相求和運(yùn)算電路多個輸入信號作用在同相輸入端；分析方法二：“虛短”,“虛斷”節(jié)點(diǎn)電流法實(shí)現(xiàn)了差分放大電路203.

加減運(yùn)算利用求和運(yùn)算電路的分析結(jié)果設(shè)R1∥R2∥Rf＝R3∥R4∥R5若R1∥R2∥Rf≠R3∥R4∥R5，uO＝?特點(diǎn)：加減運(yùn)算電路多個輸入信號分別作用在同相和反相輸入端討論一：電路如圖所示（1）組成哪種基本運(yùn)算電路？與用一個運(yùn)放組成的完成同樣運(yùn)算的電路的主要區(qū)別是什么？（2）為什么在求解第一級電路的運(yùn)算關(guān)系時可以不考慮第二級電路對它的影響？21設(shè)R1=Rf2,R3＝Rf122四、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路注意：電感感值很難做大電感存在磁通飽和問題實(shí)際應(yīng)用中，電容容值比電感感值穩(wěn)定

反相比例運(yùn)算電路：

同相比例運(yùn)算電路：如何實(shí)現(xiàn)積分、微分運(yùn)算?回顧：元件的記憶性！231.積分運(yùn)算電路分析方法：“虛短”,“虛斷”電容端電壓和電流的關(guān)系“N”虛地輸入為等效電流源電容對電流有積分作用24利用積分運(yùn)算的基本關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同的功能移相1)輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？2)輸入為方波時的輸出電壓波形？3)輸入為正弦波時的輸出電壓波形？線性積分，延時波形變換特點(diǎn)：低頻信號增益大電容電壓容易飽和，電路易出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象252.微分運(yùn)算電路限制輸入電流限制輸出電壓幅值滯后補(bǔ)償“N”虛地輸入為等效電流源

電容對電流有積分作用分析方法：“虛短”,“虛斷”電容端電壓和電流的關(guān)系特點(diǎn)：高頻信號增益大，噪聲影響大電容電壓容易飽和，電路易出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象反饋網(wǎng)絡(luò)滯后，對高頻信號輸入易產(chǎn)生自激振蕩如何基于同相比例運(yùn)算電路的知識構(gòu)成積分、微分運(yùn)算電路?26

反相比例運(yùn)算電路：

同相比例運(yùn)算電路：如何實(shí)現(xiàn)對數(shù)、指數(shù)運(yùn)算?回顧：PN結(jié)的伏安特性！五、對數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路271.對數(shù)運(yùn)算實(shí)用電路中常常采取措施消除IS對運(yùn)算關(guān)系的影響利用PN結(jié)端電壓與電流的關(guān)系對輸入電壓的極性和幅值有何要求？缺點(diǎn)是什么？如何改進(jìn)？28集成對數(shù)運(yùn)算電路292.指數(shù)運(yùn)算電路對輸入電壓的極性和幅值有何要求？3.乘法、除法運(yùn)算電路六、實(shí)現(xiàn)逆運(yùn)算的方法1.電路的結(jié)構(gòu)為什么不標(biāo)定＋、－？

運(yùn)算電路必須引入負(fù)反饋！2.例：利用積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)微分運(yùn)算A1、A2輸入端極性？31七、模擬乘法器及其在運(yùn)算電路中的應(yīng)用1.模擬乘法器簡介1)變跨導(dǎo)型模擬乘法器的基本原理實(shí)際電路需在多方面改進(jìn)，如線性度、溫度的影響、輸入電壓的極性等方面322)

模擬乘法器的符號及等效電路

理想情況下，ri1、ri2、fH為無窮大，失調(diào)電壓、電流及其溫漂為0，ro為0，ux、uy幅值頻率變化時k

值不變

有單象限、兩象限和四象限之分332.在運(yùn)算電路中的基本應(yīng)用2)乘方運(yùn)算1)乘法運(yùn)算

實(shí)際的模擬乘法器k常為+0.1V-1或－0.1V-1若k=+0.1V-1，uI1=uI2=10V，則uO=10V實(shí)現(xiàn)了對正弦波電壓的二倍頻變換34

為使電路引入的是負(fù)反饋，k和uI2的極性應(yīng)如何？3)除法運(yùn)算運(yùn)算電路中集成運(yùn)放必須引入負(fù)反饋！若集成運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端互換，則k和uI2的極性應(yīng)如何？35為滿足上式，電路中uI、uO、k的極性是什么？為什么？若集成運(yùn)放的負(fù)反饋通路中為某種運(yùn)算電路，則整個電路實(shí)現(xiàn)其逆運(yùn)算，如除法運(yùn)算電路、開方運(yùn)算電路。如何實(shí)現(xiàn)開三次方運(yùn)算電路？若uO<0，則有何變化？4)開方運(yùn)算36該電路可等效成差分放大電路的哪種接法？與該接法的分立元件電路相比有什么優(yōu)點(diǎn)？討論一：分析以各集成運(yùn)放為核心器件分別組成哪種基本運(yùn)算電路，并求解各電路的運(yùn)算關(guān)系。37討論二求解圖示電路已知R1＝R2，求解uO=f(uI)=?二極管什么時候?qū)ǎ渴裁磿r候截止？38討論三K2閉合，然后斷開；K1接到uI，經(jīng)過t1毫秒后接至uREF，再經(jīng)過t2毫秒后uO=0，求t2。其他討論：

輸入輸出電阻的“大小”

帶載能力的“大小”3940§7.3有源濾波電路一.概述二.低通濾波器三.高通、帶通、帶阻濾波器四.狀態(tài)變量型濾波器41一、概述1.濾波電路的功能使指定頻段的信號順利通過，其它頻率的信號被衰減2.濾波電路的種類低通濾波器（LPF）通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率下降速率理想幅頻特性無過渡帶用幅頻特性描述濾波特性，要研究

、(fP)

、下降速率42高通濾波器（HPF）帶通濾波器（BPF）帶阻濾波器（BEF））全通濾波器（APF））理想濾波器的幅頻特性阻容耦合通信電路抗已知頻率的干擾f-φ轉(zhuǎn)換43空載時帶負(fù)載時3.無源濾波電路和有源濾波電路負(fù)載變化，通帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。44無源濾波電路的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化，可用于高電壓大電流，如直流電源中的濾波電路；有源濾波電路的濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化，可放大，是信號處理電路，其輸出電壓和電流的大小受到元件自身參數(shù)和供電電源的限制有源濾波電路用電壓跟隨器隔離濾波電路與負(fù)載電阻4.教學(xué)基本要求：電路識別、幅頻特性的分析計算45二、低通濾波器1.同相輸入s=jω，得傳遞函數(shù)對LPF，頻率趨于0時的放大倍數(shù)即為通帶放大倍數(shù)一階LPF經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)頻率趨于0時的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)決定于RC環(huán)節(jié)表明進(jìn)入高頻段的下降速率為－20dB/十倍頻（1）一階電路461.同相輸入

（1）一階電路：幅頻特性

為了使過渡帶變窄，需采用多階濾波器，即增加RC環(huán)節(jié)。在Au(s)表達(dá)式分母中s的方次就是濾波器的階數(shù)47（2）簡單二階LPF截止頻率fp≈0.37f0分析方法：電路引入了負(fù)反饋，具有“虛短、虛斷”的特點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)電流法求解輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系C1=C248（3）壓控電壓源二階LPF引入正反饋為使fp=f0，且在f=f0時幅頻特性按－40dB/十倍頻下降。

f→0時，C1斷路，正反饋斷開，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)；

f→∞，C2短路，正反饋不起作用，放大倍數(shù)小→0；因而有可能在f=f

0時放大倍數(shù)等于或大于通帶放大倍數(shù)。對于不同頻率的信號正反饋的強(qiáng)弱不同49壓控電壓源二階LPF的分析列P、M點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電流方程，整理可得：502.反相輸入低通濾波器積分運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)為加R2后，f→0，C斷開，通帶放大倍數(shù)，51三、高通、帶通、帶阻有源濾波器1.高通濾波器（HPF）OOO

與LPF有對偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得一階HPF、簡單二階HPF、壓控電壓源二階HPF電路2.帶通濾波器（BPF）3.帶阻濾波器（BEF）fH＜fLfH＞fL52討論頻率趨于零，電壓放大倍數(shù)趨于通帶放大倍數(shù)的濾波器有哪幾種？頻率趨于無窮大，電壓放大倍數(shù)趨于通帶放大倍數(shù)的濾波器有哪幾種？頻率趨于零，電壓放大倍數(shù)趨于零的濾波器有哪幾種？頻率趨于無窮大，電壓放大倍數(shù)趨于零的濾波器有哪幾種？53四、狀態(tài)變量型濾波器要點(diǎn)：將比例、積分、求和等基本運(yùn)算電路組合成自由設(shè)置傳遞函數(shù)、實(shí)現(xiàn)各種濾波功能的電路，稱為狀態(tài)變量型濾波器通帶放大倍數(shù)決定于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)利用“逆運(yùn)算”方法

f→0時負(fù)反饋?zhàn)顝?qiáng)，A1輸出電壓→0；f→∞時C相當(dāng)于短路，A2輸出電壓→0，電路開環(huán)，A1輸出電壓→±UOM，工作到非線性區(qū)；需引入負(fù)反饋決定通帶放大倍數(shù)54四、狀態(tài)變量濾波器二階電路的組成通帶放大倍數(shù)決定于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)55運(yùn)算電路與有源濾波器的比較相同之處電路中均引入深度負(fù)反饋，因而集成運(yùn)放均工作在線性區(qū)均具有“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，均可用節(jié)點(diǎn)電流法求解電路不同之處運(yùn)算電路研究的是時域問題，有源濾波電路研究的是頻域問題；測試時，前者是在輸入信號頻率不變或直流信號下測量輸出電壓與輸入電壓有效值或幅值的關(guān)系，后者是在輸入電壓幅值不變的情況下測量輸出電壓幅值與輸入電壓頻率的關(guān)系運(yùn)算電路用運(yùn)算關(guān)系式描述輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，有源濾波器用電壓放大倍數(shù)的幅頻特性描述濾波特性56討論雙T網(wǎng)絡(luò)A1組成HPF電路為LPF圖示電路是哪種有源濾波器？第七章信號的運(yùn)算和處理內(nèi)容重點(diǎn)節(jié)：7.1.2-7.1.5,7.2.3,7.3.1,7.3.2一,7.3.3一