模擬電子電路原理與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)：7信號(hào)的運(yùn)算和處理

1、信號(hào)的運(yùn)算和處理概 述基本運(yùn)算電路電壓、電流、電阻的測(cè)量電流源比例運(yùn)算加減運(yùn)算微分與積分對(duì)數(shù)與指數(shù)電壓源電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路集成模擬乘法器有源濾波器基本原理功 能應(yīng) 用相乘運(yùn)算平方立方開(kāi)平方開(kāi)立方除法運(yùn)算低通濾波器基礎(chǔ)知識(shí)一階有源低通二階有源低通其他濾波器運(yùn)算電路要求小結(jié)Exituiuo+UOM-UOMAo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負(fù)反饋才能使其擴(kuò)大輸入信號(hào)的線性范圍。uiuo_+Ao例：若UOM=12V，Ao=106， 則|ui|12V時(shí)，運(yùn)放 處于線性區(qū)。線性放大區(qū)概 述 運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將作為理想運(yùn)放。理想運(yùn)放的條

2、件虛短路放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)。分析多個(gè)運(yùn)放級(jí)聯(lián)組合的線性電路時(shí)可以分別對(duì)每個(gè)運(yùn)放進(jìn)行。虛開(kāi)路運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)一、在分析信號(hào)運(yùn)算電路時(shí)對(duì)運(yùn)放的處理概 述Exit二、分析運(yùn)放組成的線性電路的出發(fā)點(diǎn)虛短路虛開(kāi)路放大倍數(shù)與負(fù)載無(wú)關(guān)， 可以分開(kāi)分析。u+uo_+uIi信號(hào)的放大、運(yùn)算有源濾波電路運(yùn)放線性應(yīng)用概 述Exit基本運(yùn)算電路作用：將信號(hào)按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。比例運(yùn)算電路Exiti1= i2uo_+R2R1RPuii1i21.放大倍數(shù)虛短路虛開(kāi)路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋

3、引到反相輸入端，信號(hào)從反相端輸入。一、反相比例運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路ExitExit2.電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時(shí)輸入級(jí)的對(duì)稱性。RP =R1 / R2為保證一定的輸入電阻，當(dāng)放大倍數(shù)大時(shí)，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。uo_+R2R1RPuii1i2一、反相比例運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路4.共模電壓電位為0，虛地輸入電阻小、共模電壓為 0 以及“虛地”是反相輸入的特點(diǎn)。3.反饋方式電壓并聯(lián)負(fù)反饋輸出電阻很??！一、反相比例運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路uo_+R2R1RPuii1i2Ex

4、ituo_+R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3MT形網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路i1= i2一、反相比例運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路Exit 該放大電路，在放大倍數(shù)較大時(shí)，可避免使用大電阻。但R3的存在，削弱了負(fù)反饋。T形網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路一、反相比例運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路Exit_+R2R1RPuiuou-= u+= ui反饋方式：電壓串聯(lián)負(fù)反饋。輸入電阻高。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：負(fù)反饋引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入?；具\(yùn)算電路比例運(yùn)算電路二、同相比例運(yùn)算電路Exit_+uiuo 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號(hào)從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運(yùn)算放大器的特例。三、電壓跟

5、隨器基本運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路Exit作用：將若干個(gè)輸入信號(hào)之和或之差按比例放大。類型：同相求和和反相求和。方法：引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋或電壓串聯(lián)負(fù)反饋。這樣輸出電壓與運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)無(wú)關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。加減運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路ExitR12_+R2R11ui2uoRPui1 實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。一、反相求和運(yùn)算加減運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路i12iFi11 調(diào)節(jié)某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系。Exit 實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。-R1RF+ui1uoR21R22ui2二、同相求和運(yùn)算加減運(yùn)算

6、電路基本運(yùn)算電路 此電路如果以 u+ 為輸入 ，則輸出為：Exit 流入運(yùn)放輸入端的電流為0（虛開(kāi)路）若: R1=Rf=R21=R22二、同相求和運(yùn)算加減運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路-R1RF+ui1uoR21R22ui2Exit 實(shí)際應(yīng)用時(shí)可適當(dāng)增加或減少輸入端的個(gè)數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。R2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6R1/R2/Rf = R3/R4/R6三、單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路ExitR2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6三、單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路圖1R2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6 因

7、此,所有輸入信號(hào)同時(shí)作用時(shí)的輸出電壓為若:R1/R2/Rf = R3/R4/R6圖2Exit_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：特例：差動(dòng)放大器三、單運(yùn)放的加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路Exit-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6四、雙運(yùn)放的加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路Exit微分與積分運(yùn)算電路u= u+= 0u i+uoRR2i1iFC一、微分運(yùn)算基本運(yùn)算電路Exituit0t0uo若輸入：則：微分與積分運(yùn)算電路一、微分運(yùn)算基本運(yùn)算電路u i+uoRR2i1iFCExiti1iFui-+RR2Cuo微分與積分運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路二、積分

8、運(yùn)算Exittuo0輸入方波，輸出三角波。應(yīng)用舉例1：tui0積分電路的主要用途：1.在電子開(kāi)關(guān)中用于延遲。2. 波形變換。3. A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變 為時(shí)間量。4. 移相。微分與積分運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路二、積分運(yùn)算Exittui0tuo0U-UomTM積分時(shí)限應(yīng)用舉例2：如果積分器從某一時(shí)刻輸入一直流電壓， 輸出將反向積分，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后輸出飽和。思考：如果輸入是正弦波，輸出波形怎樣。微分與積分運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路二、積分運(yùn)算Exit 利用PN結(jié)的指數(shù)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算BJT的發(fā)射結(jié)有 當(dāng) 時(shí)，對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路Exit 其中，IES 是發(fā)射結(jié)反向飽和電流，

9、vO是vS的對(duì)數(shù)運(yùn)算。注意：vS必須大于零，電路的輸出電壓小于0.7伏利用虛短和虛斷，電路有：對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路ExitvO是vS的反對(duì)數(shù)運(yùn)算（指數(shù)運(yùn)算）要求說(shuō)明：實(shí)用電路加有溫度補(bǔ)償電路2. 反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路利用虛短和虛斷，電路有：Exit 基本原理 實(shí) 現(xiàn) 框 圖 3. 對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)型模擬乘法器對(duì)數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路Exit對(duì)于差放有：集成模擬乘法器 一. 基本原理Exit二. 功能：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘其中K為比例因子，量綱:V-1符號(hào)：集成模擬乘法器Exit 三. 應(yīng)用1. 相乘運(yùn)算模擬相乘器立方運(yùn)算電路 2. 平方和立方運(yùn)

10、算平方運(yùn)算電路集成模擬乘法器Exit3. 除法運(yùn)算據(jù)虛斷如果令K= R2 / R1則工作（負(fù)反饋）條件？ 三. 應(yīng)用集成模擬乘法器Exit4. 開(kāi)平方運(yùn)算電路)(1112OvRRKv-=v1為負(fù)值！負(fù)反饋條件？二極管作用？ 三. 應(yīng)用集成模擬乘法器Exit5. 開(kāi)立方運(yùn)算電路 三. 應(yīng)用集成模擬乘法器Exit1. 熟記各種單運(yùn)放組成的基本運(yùn)算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。2. 掌握以上基本運(yùn)算電路的級(jí)聯(lián)組合的計(jì)算。3. 會(huì)用 “虛開(kāi)路(ii=0)”和“虛短路(u+=u) ”分析給定運(yùn)算電路的 放大倍數(shù)。運(yùn)算電路要求集成模擬乘法器Exit濾波電路的分類1. 按信號(hào)性質(zhì)分類3. 按電路功能分類: 低

11、通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器2. 按所用元件分類濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)模擬濾波器和數(shù)字濾波器無(wú)源濾波器和有源濾波器4. 按階數(shù)分類: 一階，二階 高階有源濾波器Exit傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性濾波器傳遞函數(shù)的定義濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)有源濾波器Exit低通高通帶通帶阻四種典型的頻率特性濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)有源濾波器Exit無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)： （以一階濾波器為例）傳遞函數(shù)：RCR濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)有源濾波器Exit1. 帶負(fù)載能力差。2. 無(wú)放大作用。3. 特性不理想，邊沿不陡。截止頻率處：010.707o截止頻率此電路的缺點(diǎn)：有源濾波器濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)Exit傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項(xiàng)

12、，故稱為一階濾波器。RR1RFC+-+一、一階有源低通濾波器有源濾波器低通濾波器Exit幅頻特性：相頻特性：一、一階有源低通濾波器低通濾波器有源濾波器Exit有放大作用3. 運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。幅頻特性與一階無(wú)源低通濾波器類似電路的特點(diǎn)：2. =o 時(shí)1. =0 時(shí)一、一階有源低通濾波器低通濾波器有源濾波器ExitRR1RFC+-+CRP低通濾波器有源濾波器二、二階有源低通濾波器Exit03dB解出：其中：傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的二次項(xiàng)，故稱為二階濾波器。二、二階有源低通濾波器低通濾波器有源濾波器ExitR1= 時(shí)：AF=1 =o時(shí)：RC+-+CRP二、二階有源低通濾波器低通濾波器有源濾波器Ex

13、itRR1RFC+-+RR1RFC+-+1. 由低階有源濾波器構(gòu)成高階有源濾波器例：一階構(gòu)成二階。有源濾波器小結(jié)分析簡(jiǎn)單Exit2. 一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別：-3dBAF理想低通一階低通二階低通階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器。0有源濾波器小結(jié)Exit將低通濾波器中的R、C 對(duì)調(diào)，低通濾波器就變成了高通濾波器。RCR1RF+-+低通濾波器R1RF+-+高通濾波器R有源濾波器其他濾波器Exit一階有源高通濾波器R1RF+-+高通濾波器R有源濾波器其他濾波器Exit幅頻特性：0o一階有源高通濾波器有源濾波器其他濾波器Exit電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路電壓源的要求： 輸出電阻

14、小。所以，要有電壓負(fù)反饋。電路組成： 比例放大器。_+R2R1RPUoUs反向比例放大器組成的電壓源一、電壓源Exit電路特點(diǎn):1. 輸出電壓的大小調(diào)節(jié)方便。2. 同相比例放大器組成的電壓源的輸出大于輸入。3. 反相比例放大器組成的電壓源輸出可以小于輸入。4. 同相比例放大器的輸入電阻大，從信號(hào)源取得的電流小。電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路一、電壓源Exit要求：輸出電阻大。所以，要有電流負(fù)反饋。_+R2R1RPUsRFRLFIL負(fù)載懸地I1I2二、電流源電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路ExitR1R1+AR2R2uoUsRLIL負(fù)載接地的電流源自己推導(dǎo)二、電流源電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路E

15、xit指針式萬(wàn)用表的缺點(diǎn)：（1）不能測(cè)量微小電壓和微小電流；（2）萬(wàn)用表的內(nèi)阻不是0或，因此引起誤差；（3）作交流測(cè)量時(shí)，表盤(pán)刻度是非線性的，影響精度。三、電壓、電流與電阻的測(cè)量電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路Exit虛短路 把表頭改裝成靈敏度較高、輸入電阻較大的電壓表。_+RFRGF輸入電阻大，電壓表內(nèi)阻取。1. 電壓表UxIG三、電壓、電流與電阻的測(cè)量電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路IG正比于UX虛開(kāi)路若：RF=10，表頭的滿偏電流IGmax=100A，則：滿偏電壓 Uxmax= IGmaxRF=1mVExit此電路的優(yōu)點(diǎn)：(1) 量程由表頭的滿偏電流 IG 和電阻 RF 決定。 RF可選用小電阻，準(zhǔn)確測(cè)量較小的電壓(2) 輸入電阻高，對(duì)被測(cè)電路影響小(3) 測(cè)量值與表頭內(nèi)阻RG無(wú)關(guān)，表頭的互換性好UX= UF=RF IG_+RFRGF1. 電壓表三、電壓、電流與電阻的測(cè)量電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路Exit電壓表擴(kuò)大量程_+RFRGFIG1mV表頭分壓電阻的計(jì)算：取R1=100kR