模擬電子技術7信號的運算與處理電路

1、第七章 信號的運算與處理電路,7.1 比例電路,7.2 基本運算電路,7.3 對數(shù)和反對數(shù)電路,7.4 集成模擬乘法器,7.5 有源濾波器,預備知識：集成運放的兩種工作狀態(tài),1. 運放的電壓傳輸特性：,設：電源電壓±VCC=±10V。 運放的Aod=104,│Ui│≤1mV時，運放處于線性區(qū)。,Aod越大，線性區(qū)越小，當Aod →∞時，線性區(qū)→0,2.理想運算放大器：,開環(huán)電壓放大倍數(shù)

2、Aod=∞差摸輸入電阻 Rid=∞輸出電阻 Ro=0,為了擴大運放的線性區(qū)，給運放電路引入負反饋：,理想運放工作在線性區(qū)的條件： 電路中有負反饋！,運放工作在線性區(qū)的分析方法：虛短（u+=u-）虛斷（ii+=ii-=0）,3. 線性區(qū),4. 非線性區(qū)（正、負飽和狀態(tài)）,,運放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！,運放工作在非線性區(qū)的分析方法在下一章討論,7.1 比例運算電路,一. 反相

3、比例運算,虛地點,i1=if （虛斷）,因為有負反饋，利用虛短和虛斷,u+ =0,u－=u+=0（虛地）,反饋方式：,電壓并聯(lián)負反饋,電壓放大倍數(shù):,例題1. R1=10k? , Rf=20k? , ui =-1V。求:uo 、Ri。說明R0的作用， R0應為多大？,特點：共模輸入電壓=0（u－=u+=0）缺點：輸入電阻?。?Ri=R1）,R0為平衡電阻(使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等):R0=R1//Rf,采用T型反饋網(wǎng)絡的反

4、相比例電路,目的：在高比例系數(shù)時，避免R1阻值太小，使輸入電阻太小。,分析：u+=u-=0（虛短） i1=i2 （虛斷）,二. 同相比例運算電路,u-= u+= ui,i1=if （虛斷）,平衡電阻R=Rf//R1,因為有負反饋，利用虛短和虛斷,反饋方式：,電壓串聯(lián)負反饋,特點：輸入電阻高缺點：共模輸入電壓≠0（u－=u+=ui）,電壓放大倍數(shù):,Au=1,三.電壓跟隨器,此電路是同相比例運算的特殊情況

5、，輸入電阻大，輸出電阻小。在電路中作用與分立元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。,ui=u+= u-= uo,因為有負反饋，利用虛短和虛斷：,1. 反相加法器：,若R1 =R2 =R,,平衡電阻R0= R1// R2//Rf,i1 + i2= if,7.2 基本運算電路,一. 加法運算電路,虛地,2. 同相求和運算：,當R1 = R2 = Rf = R時,,同相比例運算:,二. 減法運算電路,1、利用加法器和反相比例器,,

6、疊加原理,2、差動減法器,ui1作用,ui2作用,綜合：,,,,則有：,1. 積分電路,三. 積分和微分電路,反相積分器：如果u i=直流電壓,輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。,,,,積分時間,設Uom=15V,ui=+3V, R=10k? ,C=1?F,求積到飽和值的時間：,EWB演示——積分器,練習: 畫出在給定輸入波形作用下積分器的輸出波形。,應用舉例：輸入方波，輸出是三角波。,2. 微分電路：,u-=

7、 u+= 0,,一. 對數(shù)電路,7.3 對數(shù)和反對數(shù)運算電路,利用PN結(jié)的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算,BJT的發(fā)射結(jié)有,注意：ui必須大于零，電路的輸出電壓小于0.7V,利用虛短和虛斷，有,用三極管實現(xiàn)對數(shù)運算,二. 反對數(shù)（指數(shù)）電路,uO是ui的反對數(shù)運算（指數(shù)運算）,用三極管實現(xiàn)反對數(shù)運算電路,,,利用虛短和虛斷，電路有,要求,以上兩個電路溫漂很嚴重，實際電路都有溫度補償電路,基本原理,三. 對數(shù)反對數(shù)型模擬乘法器,舉例：,若取 R1

8、＝R2＝R3＝R4＝R，可得：,對于差放有：,7.4 集成模擬乘法器,一.基本原理,模擬乘法器功能：實現(xiàn)兩個模擬量相乘,其中K為比例因子，,量綱:V-1,符號：,二.模擬乘法器的應用,1. 乘法運算,立方運算電路,2. 平方和立方運算,平方運算電路,uo=KuXuY,uo=K(ui)2,uo=K2(ui)3,3. 除法運算電路,根據(jù)虛斷,如果令K= R2 / R1則:,注意：為保證電路為負反饋，必須有：,,EWB演示——除法器,4. 開

9、平方運算電路,ui為負值！,負反饋條件？,,有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。,濾波器的功能：對頻率進行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。,7.5 有源濾波電路,濾波器的分類：,低通濾波器（LPF） 高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（BEF）,各種濾波器理想的幅頻特性：,（1）低通,（2）

10、高通,（1）帶通,（1）帶阻,濾波器的用途,濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。,1. 一階RC低通濾波器(無源),一. 低通有源濾波器,傳遞函數(shù)：,截止頻率：,幅頻特性：,幅頻特性：,2.一階有源低通濾波器,傳遞函數(shù)：,通帶增益：,截止頻率：,幅頻特性及幅頻特性曲線,傳遞函數(shù)：,幅頻特性：,缺點：阻帶衰減太謾。,3.二階有源低通濾波器,傳遞函數(shù)：,當 Ao＜3時，濾波器可

11、以穩(wěn)定工作 。 此時特性與Q有關。當Q=0.707時，幅頻特性較平坦。 當f＞＞fL時，幅頻特性曲線的斜率 為-40dB/dec。,當Ao≥3時，源濾波器自激。,幅頻特性及幅頻特性曲線,傳遞函數(shù)：,通帶增益：,截止頻率：,二. 高通有源濾波器,1.一階有源高通濾波器,幅頻特性：,缺點：阻帶衰減太謾。,幅頻特性及幅頻特性曲線,傳遞函數(shù)：,2. 二階有源高通濾波器,由此繪出頻率響應特性曲線,(2)通帶增益,（1）幅頻特性：,其中：,當

12、AO≥3時，電路自激。,幅頻特性曲線,當 Ao＜3時，濾波器可以穩(wěn)定工作 。 此時特性與Q有關。當Q=0.707時，幅頻特性較平坦。 當f ＜＜ fL時，幅頻特性曲線的斜率為+40dB/dec。,可由低通和高通串聯(lián)得到,低通截止頻率,高通截止頻率,必須滿足,三. 有源帶通濾波器,,可由低通和高通并聯(lián)得到,必須滿足,四. 有源帶阻濾波器,本章小結(jié),1．集成運放可以構(gòu)成加法、減法、積分、微分、對數(shù)和反對數(shù)等多種運算電路。在這些電路中

13、，均存在深度負反饋。因此，運放工作在線性放大狀態(tài)。這時可以使用理想運放模型對電路進行分析，“虛短”和“虛斷”的概念是電路分析的有力工具。2．集成模擬乘法器是一種重要的模擬集成電路，在信號處理和頻率變換方面得到了廣泛的應用。集成模擬乘法器內(nèi)部電路較為復雜，對生產(chǎn)工藝的要求也較高。熟練掌握這種器件在各種運算電路中的使用方法，是要求的重點。3．有源濾波器是一種重要的信號處理電路，它可以突出有用頻段的信號，衰減無用頻段的信號，抑制干擾和噪聲