清華大學模擬電子電路基礎(chǔ)7課件

1第七章

信號的運算和處理§7.1集成運放組成的運算電路§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集成運放組成的運算電路一、概述二、比例運算電路三、加減運算電路四、積分運算電路和微分運算電路五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路六、實現(xiàn)逆運算的方法七、模擬乘法器及應(yīng)用53.運算電路的作用可以實現(xiàn)某種數(shù)學運算：輸出電壓是輸入電壓某種運算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等4.運算電路的組成反饋網(wǎng)絡(luò)+運算放大器工作在線性區(qū)實現(xiàn)輸入輸出的某種運算；工作在非線性區(qū)，輸出飽和；引入電壓負反饋采用負反饋保證工作在線性區(qū)；穩(wěn)定輸出電壓，采用電壓負反饋uOiNiP＋A－反饋網(wǎng)絡(luò)uNuPuOiNiP＋A－反饋網(wǎng)絡(luò)uNuP5.運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）求解運算關(guān)系式6.學習運算電路的基本要求7.運算電路與放大電路電路分析，假設(shè)集成運放“理想化”?IC技術(shù)的發(fā)展，集成運放參數(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算電路：強調(diào)運算精度，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)計運算電路的注意點8二、比例運算電路電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？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)點電流方程：R’為補償電阻，保證差分放大電路的對稱性10要求：Aod=-500,怎么辦？電壓并聯(lián)負反饋；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？反相比例運算電路特點輸入電阻不能太?。?/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－NPRRfiF2.同相輸入“虛短”“虛斷”iR＋iNiPuIuOA－iFR’NPRRf特點：電壓串聯(lián)負反饋；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放！

電壓跟隨器＋uIR’uOA－iNiFRRfuPuNNPiR電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？輸入電阻為多少？電阻R’＝？為什么？共模抑制比KCMR≠∞時會影響運算精度嗎？12回顧：信號的疊加方式！14

反相比例運算電路：

同相比例運算電路：如何實現(xiàn)加,減,加減運算?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)實現(xiàn)“信號疊加”1.反相求和15分析方法二：“虛短”,“虛斷”節(jié)點電流法16特點：反相求和運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單獨作用時的輸出電壓

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

uI2、uI3單獨作用時的uO2、uO3，uO=uO1+uO2+uO3物理意義清楚，計算麻煩！電流源并聯(lián)實現(xiàn)“信號疊加”分析方法一：“虛短”,“虛斷”疊加原理實現(xiàn)了差分放大電路203.

加減運算利用求和運算電路的分析結(jié)果設(shè)R1∥R2∥Rf＝R3∥R4∥R5若R1∥R2∥Rf≠R3∥R4∥R5，uO＝?特點：加減運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）組成哪種基本運算電路？與用一個運放組成的完成同樣運算的電路的主要區(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＝Rf1231.積分運算電路分析方法：“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利用積分運算的基本關(guān)系實現(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：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26

反相比例運算電路：

同相比例運算電路：如何實現(xiàn)對數(shù)、指數(shù)運算?回顧：PN結(jié)的伏安特性！五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路271.對數(shù)運算實用電路中常常采取措施消除IS對運算關(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？缺點是什么？如何改進？28集成對數(shù)運算電路六、實現(xiàn)逆運算的方法1.電路的結(jié)構(gòu)為什么不標定＋、－？

運算電路必須引入負反饋！2.例：利用積分運算實現(xiàn)微分運算A1、A2輸入端極性？31七、模擬乘法器及其在運算電路中的應(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際電路需在多方面改進，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.在運算電路中的基本應(yīng)用2)乘方運算1)乘法運算

實際的模擬乘法器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反饋，k和uI2的極性應(yīng)如何？3)除法運算運算電路中集成運放必須引入負反饋！若集成運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？若集成運放的負反饋通路中為某種運算電路，則整個電路實現(xiàn)其逆運算，如除法運算電路、開方運算電路。如何實現(xiàn)開三次方運算電路？若uO<0，則有何變化？4)開方運算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？討論一：分析以各集成運放為核心器件分別組成哪種基本運算電路，并求解各電路的運算關(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)?？什么時候截止？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空載時帶負載時3.無源濾波電路和有源濾波電路負載變化，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載電阻4.教學基本要求：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：電路引入了負反饋，具有“虛短、虛斷”的特點，利用節(jié)點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=f0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弱不同49壓控電壓源二階LPF的分析列P、M點的節(jié)點電流方程，整理可得：502.反相輸入低通濾波器積分運算電路的傳遞函數(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：將比例、積分、求和等基本運算電路組合成自由設(shè)置傳遞函數(shù)、實現(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)決定于負反饋網(wǎng)絡(luò)利用“逆運算”方法

f→0時負反饋最強，A1輸出電壓→0；f→∞時C相當于短路，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)決定于負反饋網(wǎng)絡(luò)55運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反饋，因而集成運放均工作在線性區(qū)均具有“虛短”和“虛斷”的特點，均可用節(jié)點電流法求解電路不同之處運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)系運算電路用運算關(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？第七章信號的運算和處理內(nèi)容重點節(jié)：7.1.2-7.1.5,7.2.3,7.3.1,7.3.2一,7.3.3一次重點節(jié)：7.3.3二、三不要求節(jié)：7.1.7,7.2.2,7.3.4-5,7.4要求掌握集成運放線性工作區(qū)的特點會用‘虛短’‘虛斷’方法分析比例、求和、加減、積分、微分、基本對數(shù)和指數(shù)、用模擬乘法器組成的除法和開方等各種運