數(shù)電模電路模電課件第七章

1第七章信號的運算和處理內(nèi)容提要：7.1基本運算電路7.2模擬乘法器及其在運算電路中的應(yīng)用7.3有源濾波電路7.4電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中所用放大電路7.5Multisim應(yīng)用舉例2概述一、電子信息系統(tǒng)的組成信號的提?。簜鞲衅骰蚪邮芷魉峁┑男盘枴Ｐ盘柕念A(yù)處理：利用隔離、濾波、阻抗變換等各種手段將信號分離出來并進行放大。第七章，信號的運算和處理。信號的加工：對信號進行運算、轉(zhuǎn)換、比較、取樣—保持等不同的加工。第八章，波形的產(chǎn)生和信號變換。信號的執(zhí)行：經(jīng)過功率放大驅(qū)動負載，或經(jīng)過模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換輸入計算機。第九章，功率放大。電源系統(tǒng)，第九章，直流電源。3二、理想運放利用集成運放作為放大電路，引入各種不同的反饋，就可以構(gòu)成具有不同功能的實用電路。無論哪種電路，集成運放只可能有兩個工作區(qū)。第七章內(nèi)容為線性區(qū)的應(yīng)用，第八章為非線性區(qū)的運用。通常在分析時將集成運放理想化。1、理想運放的性能指標①Aod＝∞②Rid＝∞③Rd＝0④KKCR＝∞⑤fH＝∞⑥UOI、IOI、dUOI/dT（℃）、dIOI/dT（℃）＝042、線性工作區(qū)①uO＝Aod（uP－uN）∵Aod＝∞，∴uP－uN＝0，即uP＝uN——虛短∵Rid＝∞，∴iP＝iN——虛斷②由于理想運放線性區(qū)要求輸入電壓幾乎為零，只有加入負反饋才能保證工作于線性區(qū)?？梢愿鶕?jù)電路是否引入了負反饋來判斷電路是否工作在線性區(qū)。53、非線性工作區(qū)①若電路沒有引入負反饋或是只引入了正反饋，則運放工作于非線性區(qū)。②當uP>uN，uO=+UOM；當uP<uN，uO=－UOM。③∵Rid＝∞，∴iP＝iN——虛斷（此時虛短不成立）67.1基本運算電路以輸入電壓作為自變量，以輸出電壓作為函數(shù)。當輸入電壓變化時，輸出電壓將按一定的數(shù)學(xué)規(guī)律變化?！\算電路，此時集成運放必須在深度負反饋條件下工作于線性區(qū)。比例、加減、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等基本運算電路。輸入電壓、輸出電壓均對地而言。7一、比例運算電路1、反相比例運算電路①基本電路R′=R//Rf，為補償電阻，保證集成運放輸入級差分放大電路的對稱性。一般運算電路均要求RP＝RN。8電壓并聯(lián)負反饋，由于深度是負反饋，1＋AF＝∞，Ro＝0。恒壓源，帶負載后運算關(guān)系不變。但是輸入電阻并非基本放大電路的輸入電阻（理想運放，Rid＝∞；并聯(lián)，Rif＝0），從輸入端看進去，Ri＝R。若R＝Rf，則uO＝－uI——反相器。電路缺點：為了增大輸入電阻，必須增大R，同等比例系數(shù)要求下Rf也必須增加，工藝、穩(wěn)定性、噪聲都不利。9②T型網(wǎng)絡(luò)反相比例運算電路基本電路中，若iF>>iI，則利用阻值不大的電阻就可以得到較大的輸出電壓，從而獲得較大的比例系數(shù)。當R3＝∞時，uO與uI的關(guān)系同基本反相比例電路。R3的引入使反饋系數(shù)減小，所以為了保證足夠的反饋深度，應(yīng)選用開環(huán)增益更大的集成運放。例：若要求Ri＝100k，則R1取100k，如果R2、R4也取100k，則R3只要取1.02k即可得到－50比例系數(shù)的。說明利用阻值不大的電阻R3就可以得到較大的輸入電阻和較大的比例系數(shù)，解決了基本反相比例電路的問題。102、同相比例運算電路uO與uI同相且大于uI。R′=R//Rf電壓串聯(lián)負反饋，Ri=∞，Ro=0。恒壓源，帶負載后運算關(guān)系不變。113、電壓跟隨器同相比例運算電路中，R=∞或Rf＝0，uO＝uI——電壓跟隨器因為理想運放的開環(huán)差模增益為無窮大，因而電壓跟隨器具有比射極輸出器好得多的跟隨特性。總結(jié)：單一信號作用的運算電路，分析方法為利用虛斷、虛短原則、列出關(guān)鍵節(jié)點的電流方程，整理后得到輸出、輸入電壓關(guān)系式。例7.1.1例7.1.212二、加減運算電路多個輸入信號按各自不同的比例求和或求差的電路。1、求和運算電路①反相求和運算電路R4＝R1//R2//R2//Rf13②同相求和運算電路14152、加減運算電路輸出電壓與同相輸入端信號電壓極性相同，與反相輸入端信號電壓極性相反。如果多個信號同時作用于兩個輸入端時，必然可以實現(xiàn)加減運算。①加減運算電路16②差分比例運算電路加減運算電路中，若電路只有兩個輸入且參數(shù)對稱，則電路實現(xiàn)了對差模信號的比例運算。單個集成運放構(gòu)成加減運算電路的缺點：Ⅰ電阻的選取和調(diào)整不方便Ⅱ?qū)τ诿總€信號源，輸入電阻均較小17③兩級電路無論對uI1還是uI2，輸入電阻都為無窮大。例7.1.318三、積分和微分運算電路1、積分運算電路實用電路中，為了防止低頻信號增益過大，常在電容上并聯(lián)一個電阻加以限制。192、微分運算電路①基本微分運算電路電路存在問題：當輸入電壓產(chǎn)生階躍變化或由于脈沖式大幅值干擾，都會使集成運放內(nèi)部放大管進入飽和或截止狀態(tài)，以致于即使信號消失、管子還不能回到放大區(qū)，電路出現(xiàn)阻塞、不能正常工作；同時，由于反饋網(wǎng)絡(luò)的滯后作用、與集成運放內(nèi)部的滯后環(huán)節(jié)疊加，易于滿足自激振蕩條件，電路不穩(wěn)定。20②實用微分運算電路改進措施：A在輸入端串聯(lián)一個小電阻R1，限制輸入電流，也就限制了R中的電流；B在反饋電阻上并聯(lián)兩個穩(wěn)壓二極管，限制輸出電壓——保證運放中的放大管始終工作在放大區(qū)，不出現(xiàn)阻塞；C在R上并聯(lián)小容量電容C1，起相位補償作用，提高電路的穩(wěn)定性。若輸入為方波，且RC<<T/2，則輸出為尖頂波。

21③逆函數(shù)型微分運算電路將積分運算電路作為反饋回路，可以得到微分運算電路。為了保證引入的是負反饋，uI應(yīng)加在同相輸入端。利用積分運算電路實現(xiàn)微分運算的方法具有普遍意義：采用乘法運算電路作為集成運放的反饋通路，可以實現(xiàn)除法運算；利用乘方運算作為集成運放的反饋通路，可以實現(xiàn)開方運算。例7.1.4同相積分運算例7.1.5PID調(diào)節(jié)器22四、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路利用PN結(jié)伏安特性所具有的指數(shù)規(guī)律，將二極管、三極管分別接入集成運放的反饋回路和輸入回路，可以實現(xiàn)對數(shù)運算和指數(shù)運算；再利用對數(shù)運算、指數(shù)運算和加減運算電路組合，可以實現(xiàn)乘法、除法、乘方和開方運算。1、對數(shù)運算電路①利用二極管的對數(shù)運算電路23

電路存在問題：由于運算關(guān)系與UT和IS有關(guān)，因而運算精度受溫度影響；而且，二極管在電流較小時內(nèi)部載流子的復(fù)合運動不可忽略，在電流較大時的內(nèi)阻不可忽略。所以，僅在一定的電流范圍才滿足指數(shù)特性。為了擴大輸入電壓的動態(tài)范圍，實用電路中常用三極管取代二極管。24②利用三極管的對數(shù)運算電路電路存在問題：由于運算關(guān)系與UT和IS有關(guān)，因而運算精度受溫度影響；而且，在輸入電壓較小和較大的情況下，運算精度變差。25③集成對數(shù)運算電路根據(jù)差分電路的基本原理，利用特性相同的兩只晶體管進行補償，消去IS對運算關(guān)系的影響。若外接電阻R5為熱敏電阻，則可補償UT的穩(wěn)定特性。當環(huán)境溫度升高時，R5增大，使得放大倍數(shù)（1＋R2/R5）減小，補償UT的增大，使uO在uI不變時基本不變。262、指數(shù)運算電路①基本電路電路存在問題：為使晶體管導(dǎo)通，uI應(yīng)大于零，且只能在發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓范圍內(nèi)變化；受溫度影響。27②集成指數(shù)運算電路利用兩只雙極型晶體管特性的對稱性消除IS對運算關(guān)系的影響，采用熱敏電阻補償UT的變化。28五、利用對數(shù)和指數(shù)運算實現(xiàn)乘法運算和除法運算29除法運算電路則改為求差運算30六、集成運放性能指標對運算誤差的影響1、Aod和rid越大，相對誤差的數(shù)值越小。2、Aod和KCMR越大，相對誤差的數(shù)值越小。3、在集成運放同相輸入端和反相輸入端外接總電阻相同的情況下，失調(diào)溫漂越小，輸入電壓幅值越大，相對誤差的數(shù)值越小。4、失調(diào)溫漂越大，R越大，uI越小，相對誤差越大。P348～思考題自測題一習(xí)題7.1～7.16317.2模擬乘法器及其在運算電路中的應(yīng)用一常用模擬集成電路，可以實現(xiàn)兩個模擬量相乘的電子器件，利用它可以方便地實現(xiàn)乘、除、乘方和開方運算以及模擬信號的處理。一、模擬乘法器簡介1、符號兩個輸入端uX、uY

、一個輸出端uO輸入的兩個模擬信號是互不相關(guān)的物理量，輸出信號uO＝kuXuYk為乘積系數(shù)，其值多為±0.1V－1322、等效電路理想模擬乘法器：①ri1和ri2為無窮大②ro為零③k值不隨信號幅值而變化，且不隨頻率而變化④當uX或uY為零時uO為零，電路沒有失調(diào)電壓、電流和噪聲333、輸入信號的四個象限34二、模擬乘法器在運算電路中的應(yīng)用1、乘方運算輸出為輸入的二倍頻電壓信號a3次方運算電路uo1＝k2uI3b4次方運算電路

uo2＝k2uI435N次方運算電路：uo1＝k1lnuI；uo2＝k1k2NlnuI；uo3＝k3uIk1k2N＝k3uIkN362、除法運算利用反函數(shù)型運算電路的基本原理，將模擬乘法器放在集成運放的反饋通路中，即可構(gòu)成除法運算電路。

為了保證為負反饋，ui1必須和ui2同相，瞬時極性法分析為兩象限除法運算電路

uI2的極性受k的限制。373、開方運算利用乘方運算電路作為集成運放的反饋通路，就可以構(gòu)成開方運算電路。注：uI<038防止閉鎖現(xiàn)象的平方根電路：若某種原因使uI>0,則反饋極性變正，最終使集成運放內(nèi)部晶體管截止或飽和，輸出接近電源電壓，導(dǎo)致uI最終>0，電路不能恢復(fù)正常工作，運放出現(xiàn)閉鎖。39立方根運算電路：將3次方電路作為集成運放的反饋通路例7.2.1P357～思考題自測題三習(xí)題7.17、7.18407.3有源濾波電路對于信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，而阻止其它頻率信號通過。一、濾波電路的基礎(chǔ)知識1、濾波電路的種類fp截止頻率412、濾波器的幅頻特性實際的濾波器不可能具有上圖理想的幅頻特性，在通帶和阻帶之間存在著過渡帶。423、無源濾波電路和有源濾波電路若濾波電路僅由無源元件（電阻、電容、電感）組成，則稱為無源濾波電路。若濾波電路不僅由無源元件，還由有源元件（雙極型管、單極型管、集成運放）組成，則稱為有源濾波電路。①無源低通濾波器4344

表明，帶負載后，通帶放大倍數(shù)的數(shù)值減小，通帶截止頻率升高?？梢?，無源濾波電路的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負載而變化，這一缺點常常不符合信號處理的要求，因而產(chǎn)生了有源濾波電路。45②有源濾波電路為了使負載不影響濾波特性，可在無源濾波電路和負載之間加一個高輸入電阻低輸出電阻的隔離電路，最簡單的方法是加一個電壓跟隨器。

電壓跟隨器，輸出電壓恒定＝UP，僅僅取決于RC的值，負載變化放大倍數(shù)的表達式不變，因此頻率特性不變。有源濾波電路一般由RC網(wǎng)絡(luò)和集成運放組成，因而必須在合適的直流供電的情況下才能起濾波作用，同時還可以進行放大。組成電路時應(yīng)選用帶寬合適的集成運放。有源濾波電路不適于高壓大電流的負載，只適用于信號處理。通常，直流電源中整流后的濾波電路均采用無源電路；而在大電流負載時，應(yīng)采用LC電路。464、有源濾波電路的傳遞函數(shù)“拉氏變換”將頻域函數(shù)線性化RC環(huán)節(jié)越多，階數(shù)越高，過渡帶越窄。47二、低通濾波器以有源濾波器為例，闡明有源濾波電路的組成、特點及分析方法。1、同相輸入低通濾波器①一階電路通帶截止頻率fp＝f048②簡單二階電路一階電路過渡帶較寬，幅頻特性的最大衰減斜率僅為-20dB/十倍頻。增加RC環(huán)節(jié)，可加大衰減斜率。49

雖然衰減頻率達-40dB/十倍頻，但是fp遠離f0，若使f＝f0附近的電壓放大倍數(shù)增大，則可使fp接近f0，濾波特性趨于理想。引入正反饋，可以增大放大倍數(shù)。50③壓控電壓源二階低通濾波電路將簡單二階電路中的C1的接地改為接到集成運放的輸出端。電路既有正反饋、又有負反饋。只要正反饋引入得當，就可能在f＝f0時使電壓放大倍數(shù)數(shù)值增大，又不會因正反饋過強而產(chǎn)生自激振蕩。51522、反相輸入低通濾波器①一階電路幅頻特性見圖7.3.11（b）53②二階電路

與同相輸入電路類似，增加RC環(huán)節(jié)，可以使濾波器的過渡帶變窄，衰減斜率的值加大。為了改善f0附近的頻率特性，也可采用與壓控電壓源二階濾波器相似的方法，即多路反饋的方法。