信号的运算和处理电路.ppt
第9章 信号运算和处理电路,9.1 理想运放的基本概念9.2 基本运算电路9.3 有源滤波电路9.4 电压比较电路,内容,阅读：教材 第9章,模拟电路基础,理想运放的参数理想运放的工作区域,9.1 理想运放的基本概念,关键问题 理想运放是对集成运放的哪些主要技术指标作了理想化处理？运放工作在线性区和非线性区时各有那些特点？,第9章 信号运算和处理电路,所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化：,开环增益,输入电阻,输出电阻,开环带宽,当v+=v-时，,无温度漂移。,1.理想运放的参数,第9章 信号运算和处理电路 9.1理想运放的参数,第9章 信号运算和处理电路 9.1理想运放的参数,1.理想运放的参数,负反馈情况下，有虚短概念成立,第9章 信号运算和处理电路 9.1理想运放的参数,2.理想运放的工作区域,为使运放工作在线性区，大都引入深度的负反馈，以减小运放的净输入，保证输出不超出线性范围。,2.理想运放的工作区域,第9章 信号运算和处理电路 9.1理想运放的参数,运放工作在非线性区时，有两点结论：,输出只有两种可能的状态，V+或V-；而,运放的输入电流等于0。,9.2 基本运算电路,第9章 信号运算和处理电路,比例电路 求和电路 积分和微分电路 对数和反对数电路 模拟乘法器,关键问题,如何运用虚短和虚断概念分析各种运算电路输出与输入的函数关系；微、积分电路、对数电路、模拟乘法器的工作原理和输出与输入的函数关系是怎样的？,9.2 基本运算电路,第9章 信号运算和处理电路,所谓运算电路，就是电路的输出信号与输入信号之间存在某种数学运算关系。,这类电路具有以下几个共同的特点:,（1）电路的输入和输出均为模拟量。,（2）通常要求运算电路中的集成运放工作在线性区。,（3）从电路结构看，运算电路中一般都引入了深度的负反馈。,1.比例电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,即,输入信号的接法有三种,1)各种比例电路的共同之处是：无论何种接法，但反馈信号必须接到反相输入端，方能保证引入的是负反馈。,讨论：,2)集成运放都工作在线性区。分析它们时，可利用前面的两条结论：,1.比例电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,讨论：,3)的正负号决定于 输入接至何处：,两种不同接法下，的大小也有区别：,反相接法时，,同相接法时，,1.比例电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,讨论：,4)反相和同相比例电路中，都引入了电压负反馈，所以输出电阻很小。而反相比例电路引入并联，输入电阻不大；同相比例电路引入串联，输入电阻很大。,5)反相比例电路中，反相输入点是“虚地”点（），所以加在集成运放上的共模输入电压下降至0；同相比例电路中（），所以集成运放将承受较高的共模输入电压。,1.比例电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,例1，试用集成运放实现以下比例运算：,1.比例电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,求和电路有三种不同的输入方式,函数关系,对节点N，有,若,2.求和电路-加法电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,讨论：,1）求和电路实际上是利用“虚地”以及（虚断）的原理，通过电流相加（）来实现电压相加。,2）输出端再接一级反相器，则可消去负号，实现符合常规的算术加法。,3）这个电路的优点是：,使用方便；参数值的调整方便。,2.求和电路-加法电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,函数关系,运放在深度负反馈下，有,由平衡条件,若取 则有,电路的特点,a.只需一只运放，元件少，成本低。,b.要选用KCMR较高的集成运放。,c.阻值计算和调整不方便。,2.求和电路减法电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,函数关系,由反相比例电路，得,由反向加法器，得,取,再取,主要特点,由于“虚地”，放大器无共模信号。,vo1,2.求和电路减法电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,解：（1）用反相求和电路形式,参数的计算：,由反相求和得，,与要求比较，应有,先选定，则，,得,2.求和电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,例2，用集成运放实现求和运算。1）vO=-（vS1+10vS2+2vS3）；（2）vO=1.5vS1-5vS2+0.1vS3。要求对应于各输入信号来说,电路的输入电阻大于2k。选择电路的结构形式并确定电路参数。,2.求和电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,例2，用集成运放实现求和运算。1）vO=-（vS1+10vS2+2vS3）；（2）vO=1.5vS1-5vS2+0.1vS3。要求对应于各输入信号来说,电路的输入电阻大于2k。选择电路的结构形式并确定电路参数。,解：（2）方案一：使用双集成运放，,由反相求和电路，,选,可得,。,由,选，可得,2.求和电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,例2，用集成运放实现求和运算。1）vO=-（vS1+10vS2+2vS3）；（2）vO=1.5vS1-5vS2+0.1vS3。要求对应于各输入信号来说,电路的输入电阻大于2k。选择电路的结构形式并确定电路参数。,解：（2）方案二：使用单集成运放，,由平衡条件：,所以,取，得,对于A4，有,即,又,例3，设图 中电路的集成运算放大器为理想运放，分析组成何种运算电路，并写出各个电路输出电压的表达式。,2.求和电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,积分电路,讨论:,1）若，则,2）将积分电路与反相比例电路比较，可以看出，基本积分电路也是在反相比例电路基础上变化而得。,3.积分和微分电路-积分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,则,3.积分和微分电路-积分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,即vO随时间而直线增长，但增长方向与vS极性相反；增长速度正比于vS和1/,3.积分和微分电路-积分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,积分电路的延迟作用,例，将vO作为电子开关的输入电压,即在输出端接一电子开关。当vO=6V时电子开关动作。设vS在t=0时刻,由0变为-3V，则vO随t线性上升。已知，请算出vo=6V时所对应的时间T。,3.积分和微分电路-积分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,讨论:,4）在积分电路输入端加上一个正弦信号，,-积分电路的移相作用。,则,3.积分和微分电路-积分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,(a),(b),解：由虚断，有,由虚地，有,当,有,例4，一求和积分电路如图(a),1）求vo的表达式，2）设两个输入信号vS1、vS2皆为阶跃信号，波形如图(b)，画出vo的波形。,3.积分和微分电路-积分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,例4，一求和积分电路如图(a),1）求vo的表达式，2）设两个输入信号vS1、vS2皆为阶跃信号，波形如图(b)，画出vo的波形。,3.积分和微分电路-积分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,(a),微分电路,讨论：,1）若vS=常数，则 理想情况下 vO=0；,若vS是一个直线上升的电压，则vO=常数；,若vS=Vmsint,则,3.积分和微分电路微分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,微分电路,讨论：,2）电路存在问题：，vo对vs的变化非常敏感。,当工作信号中包含高次谐波和突变部分时，微分电路非常敏感。,此外，C和R产生滞后的相移，它和集成运放内部电路的滞后作用合在一起，电路易受自激振荡。,vs突变时，iC*Rf有可能趋于vo max，使电路不能正常工作。,3.积分和微分电路微分电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,对于三极管，有,由虚地，有,4.对数和反对数电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,由虚断，有,由虚短，有,4.对数和反对数电路,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,乘法运算电路：,四象限乘法电路:vx、vy均可大于0、小于0或正负交替。,两象限乘法电路:允许两个输入端vx、vy中之一可正可负,另一端只能单极性的。,单象限乘法电路:vx、vy均限定某一种极性。,5.模拟乘法器,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,模拟乘法器常用在以下几方面：,1)除法运算电路,由虚断，得,由乘法器，有，得,v2,5.模拟乘法器,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,2)平方运算电路,3)开平方运算电路,由虚断，有,又,得,若，必 须加一反相器,5.模拟乘法器,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,可得到频率是2的正弦波，实现信号的二倍频。,5.模拟乘法器,第9章 信号运算和处理电路 9.2 基本运算电路,9.3 有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路,基本概念及分类一阶有源滤波器二阶有源滤波器,关键问题,有源滤波电路与普通RC滤波电路比较，其优越性是什么？各种有源滤波电路的组成及主要特性是怎样的？,1.基本概念及分类,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,滤波器允许规定频率范围之内的信号通过，而使规定频率范围之外的信号不能通过（即遇到很大的衰减）的电子装置。,电压传递函数,对实际频率而言，有,另外，还有一个量称为时延（），定义为：,对于幅频响应，常把能通过的信号频率范围定义为通带；受阻或衰减信号频率范围称为阻带。二者的界限频率称为截止频率。,理想滤波器在通带内应具有0衰减的幅频响应和线性的相频响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。,1.基本概念及分类,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,1.基本概念及分类分类,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,RC低通滤波电路,1.基本概念及分类-无源滤波电路,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,RC高通滤波电路,1.基本概念及分类-无源滤波电路,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,无源滤波电路的主要缺点是，,增益小，,带负载能力很差，如果带一个RL，则O、A都随RL变化,其中,1.基本概念及分类-无源滤波电路,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,2.一阶有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,讨论：,1）由于传递函数的分母均为j的一次幂，故为一阶有源低通滤波器。,2）由于对偶关系，高通滤波器的组成,只需在图 中将R与C位置对调。,3）在有源滤波器中，集成运放起着放大的作用，提高了电路的增益。,4）一阶滤波器的缺点是，当0时，幅频特性衰减太慢，与理想的低通特性相差太远。,2.一阶有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,由于,3.二阶有源滤波器-简单的二阶低通滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,3.二阶有源滤波器-简单的二阶低通滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,又,A,P,N,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,1）低通滤波器,取,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,1）低通滤波器,令,当,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,当 时，即。,当 时，则。,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,电路的物理意义：,从输入回路看,采用两级RC，则当=0时，,运放本身输出和输入同相。,=0,0,0,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,电路的物理意义：,从输出到输入反馈电路而言，运放的输出经一节高通滤波器和一节低通滤波器组成带通滤波器，使得在0附近的信号衰减少，而其他频率的信号衰减得多，从而提高0附近的增益，将曲线拉平。,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,2）高通滤波器,将低通滤波器中阻容元件互换，就很容易将LPF变换成相应的HPF。,对偶关系：,幅频特性对偶,HPF和LPF的频率响应曲线以=p对称，二者随频率的变化相反。,传递函数对偶,电路结构上的对偶,如,R与C对换。,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,3）带通、带阻滤波器,带通电路：,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,3）带通、带阻滤波器,带阻电路：,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,(a),由于,反相输入的一阶低通滤波电路。,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,(b),由于,反相输入的一阶高通滤波电路。,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,(c),反相输入二阶低通滤波电路。,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,(d),从物理概念上定性地分析:,当很低时，C1,C2,C3相当于开路，R2R3C3支路类似于低通滤波器。,当很高时，C1,C2,C3相当于短路,R4C1C2支路类似于“高通滤波器。,一个同相输入的带阻滤波器。,第9章 信号运算和处理电路 9.3 有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,R1-C1起低通滤波作用；C2-Rf起高通滤波作用。二者串接在一起组成带通滤波器。,二阶压控高通有源滤波电路。,9.4 电压比较器,第9章 信号运算和处理电路,基本概念 过零比较器 单门限电压比较器 迟滞比较器 窗口比较器,关键问题:,电路构成、分析方法、传输特性,1.基本概念,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,特点：,1）运放工作在开环状态，没有引入深度的负反馈。,分析方法：,抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件（v+=v-）所对应的输入电压值来分析输入与输出间的关系。,2）比较器中的运放通常工作在非线性区。放大、运算电路中常用的虚短等深度反馈概念对于比较器不再适用。,2.过零比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,DZ2被反向击穿，,2.过零比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,深度负反馈，“虚地”,3.单门限电压比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,解：输出跳变的临界条件 v-=v+=0,输出跳变时，,即,3.单门限电压比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,例9.4-1，下图所示电路，估算电路域值，并画出传输特性。,3.单门限电压比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,例9.4-2,设vi（0，当vi增加到V+时，vO产生跳变。,当viVTH1时，则vO由VO+变为VO-0，此时V+2也随之变成,当vO跳变为VO-后，如果vi下降，则必须使viVTH2，vO才又发生跳变。,4.迟滞比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,VTH1,VTH2,由VTH2的表达式可见：,是一负值，,VTH2本身可正可负。,当,滞环全部移至纵坐标的右侧；,上限触发电平,下限触发电平,-门限宽度回差电压,4.迟滞比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,优点:,有较强的抗干扰能力。,响应速度快，输出跳变边沿陡。,4.迟滞比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,同相输入方式的求和型单限比较器。,当v+=0时，vO发生跳变。此时的vi即门限电压：,由,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,例9.4-3，指出图中电路属于何种类型比较器，并画出相应传输特性。设集成运放，。,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,反馈回路中有二极管，造成反馈回路具有方向性：,当vo=Vo+0时，D反偏而截止。,当，vo由Vo+跳变成，则v+也变，此时二极管正偏，因而导通。,图 9.410 例9.4-3电路的传输特性,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,【例9.4-4】设上例电路的输入信号都是峰值为10V的对称三角波，试根据它的传输特性画出相应的输出波形。,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,用于判断输入电平是否处于两个已知电压之间的电压比较器,当 时，；，。有,当 时，；，。有,当 时，D1、D2止。vo=0。,4.窗口比较器,第9章 信号运算和处理电路 9.4 电压比较器,
