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1、电子技术,第八章 信号运算与处理,模拟电路部分,第八章 信号的运算与处理电路,8.1 理想运放及其基本组态,8.3 对数和反对数运算电路,8.4 模拟乘法器,8.5 有源滤波器,8.2 基本运算电路,由于运放的开环放大倍数很大,输入电阻高,输出电阻小,在分析时常将其理想化,称理想运放。,理想运放的条件,理想运放,线性放大区,理想运放的传输特性,非线性放大区,运放工作在线性区的特点,反相比例放大器,三种基本组态,同相比例放大器,差分放大器,结构特点:,反相比例放大器,1. 信号从反相端输入。,2. 负反馈引到反相输入端。,i1= i2,虚短,虚断,反相比例放大器放大倍数,ri=R1,RP =R1
2、 / Rf,反相比例放大器输入电阻,共模电压,输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地”是反相输入的特点。,反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小!,反相比例放大器的共模电压,1. 共模输入电压为0,因此对运放的共模抑制比要求低。,2. 由于电压负反馈的作用,输出电阻小,可认为是0,因此带负载能力强。,3. 由于并联负反馈的作用,输入电阻小,因此对输入电流有一定的要求。,反相比例电路的特点,uo,反相比例放大器的特例,uo,反相比例放大器的派生,例:求Au =?,i1= i2,虚短,虚断,反相比例放大器计算举例(1),该放大电路,在放大倍数较大时,可避免使用大电阻。,反相比例放大器计算举例(2)
3、,结构特点:,同相比例放大器,1. 信号从同相端输入。,2. 负反馈引到反相输入端。,同相比例放大器放大倍数,u-= u+= ui,虚短,虚断,同相比例放大器输入电阻,RP =R1 / Rf,共模电压,反馈方式,电压串联负反馈,输出电阻很小!,同相比例放大器的共模电压,3.由于串联负反馈的作用,输入电阻大。,1.共模输入电压为ui,因此对运放的共模抑制比要求高。,2.由于电压负反馈的作用,输出电阻小,可认为是0,因此带负载能力强。,同相比例电路的特点,同相比例放大器的特例,称电压跟随器,若:Rf=0,同相比例放大器的派生,差分放大器,结构特点:,1. 信号从同相和反相端以差分形式输入。,2.
4、负反馈引到反相输入端。,解出:,差分放大器放大倍数(1),虚短,虚断,方法一:,差分放大器放大倍数(2),方法二:,差分放大器的特例,若:Rf=R1=R2=R3=R,称减法器,则:,作用:将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型:同相、反相、差分。,方法:引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关,与输入电压和反馈系数有关。,加减运算电路,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数,以适应不同的需要。,反相求和运算(1),调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻,不影响输入电压和输出电压的比例关系,调节方便。,反相求和运算(2),实际应用时可适当增加或减少输入端
5、的个数,以适应不同的需要。,同相求和运算(1),此电路如果以 u+ 为输入 ,则输出为:,注意:同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响,不能单独调整。,流入运放输入端的电流为0(虚开路),同相求和运算(2),u+ 与 ui1 和 ui2 的关系如何?,左图也是同相求和运算电路,如何求同相输入端的电位?,提示: 1. 虚开路:流入同相端的电流为0。 2. 节点电位法求u+。,同相求和运算(3),减法运算电路,差动放大器放大了两个信号的差,但是它的输入电阻不高(=2R), 这是由于反相输入造成的。,实际应用时可适当增加或减少输入端的个数,以适应不同的需要。,加减混合运算电路(1),虚短,虚断,
6、虚断,加减混合运算电路(2),例:设计一个加减运算电路, RF=240k,使 uo=11ui2- 10ui1,解:,(1) 画电路。,系数为负的信号从反相端输入,系数为正的信号从同相端输入。,加减混合运算电路的设计(1),(2) 求各电阻值。,uo=11ui2- 10ui1,加减混合运算电路的设计(2),优点:元件少,成本低。,缺点:要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不方便。,改进:采用双运放电路。,单运放加减运算电路小结,双运放加减运算电路,例:A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V,现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路,将其变化范围变为0+5V。,
7、uo = 0.5ui+2.5 V,双运放加减运算电路设计(1),uo =0.5ui +2.5 V,=0.5 (ui +5) V,双运放加减运算电路设计(2),三运放加减运算电路,虚短:,虚断:,三运放加减运算电路分析(1),三运放电路是差动放大器,放大倍数可变。 由于输入均在同相端,此电路的输入电阻高。,三运放加减运算电路分析(2),例:由三运放放大器组成的温度测量电路。,Rt :热敏电阻,集成化:仪表放大器,三运放加减运算电路应用(1),Rt=f (TC),三运放加减运算电路应用(2),1. 它们都引入电压负反馈,因此输出电阻都比较小 。,2. 关于输入电阻:反相输入的输入电阻小,同相输入的
8、输入电阻高。,3. 同相输入的共模电压高,反相输入的共模电压小。,加减运算电路小结,微分运算电路(1),u= u+= 0,微分运算电路(2),若输入:,微分运算电路(3),则:,微分运算电路的缺点与改进,缺点:对高频噪声敏感。,积分运算电路(1),积分运算电路(2),u= u+= 0,输入方波,输出是三角波。,积分运算电路的应用(1),U,积分时限,积分运算电路的应用(2),如果积分器从某一时刻输入一直流电压,输出将反向积分,经过一定的时间后输出饱和。,3. 在电子开关中用于延迟。,积分电路的主要用途:,1. 波形变换。例:将方波变为三角波。,2. A/D转换中,将电压量变为时间量。,4. 移
9、相。,对数运算电路(1),对数运算电路(2),虚断:,虚短:,反对数运算电路,符号:,类型:,模拟乘法器,模拟乘法器的应用平方,若:ux =uy=u,模拟乘法器的应用除法,模拟乘法器的应用除法,i1= i2,虚断,虚短,模拟乘法器的应用开方,故称负压开方电路,模拟乘法器的应用开方,模拟乘法器的应用开立方,模拟乘法器的应用求有效值,滤波电路的分类,1. 按信号性质分类,3. 按电路功能分类:,低通滤波器;高通滤波器; 带通滤波器;带阻滤波器,2. 按所用元件分类,模拟滤波器和数字滤波器,无源滤波器和有源滤波器,4. 按阶数分类:,一阶,二阶 高阶,有源滤波电路,传递函数:,幅频特性,相频特性,传
10、递函数的定义,低通,高通,带通,带阻,四种典型的频率特性,传递函数:,无源滤波器的缺点(1),1. 带负载能力差。,2. 无放大作用。,3. 特性不理想,边沿不陡。,截止频率处:,此电路的缺点:,无源滤波器的缺点(2),将两级一阶低通滤波器串接,?,各级互相影响!,无源滤波器的缺点(3),1. 不使用电感元件,体积小重量轻。,2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈,使输入电阻高、输出电阻低,输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路,无需考虑级间影响。,3. 除滤波外,还可放大信号,放大倍数容易调节。,有源滤波器的优点,传递函数中出现 的一次项,故称为一阶滤波
11、器。,一阶有源低通滤波器,幅频特性:,相频特性:,一阶低通幅频和相频特性,有放大作用,3. 运放输出,带负载能力强。,幅频特性与一阶无源低通滤波器类似,电路的特点:,2. =o 时,1. =0 时,一阶有源低通滤波器的特点,解出:,其中:,传递函数中出现 的二次项,故称为二阶滤波器。,二阶有源低通滤波器,二阶低通幅频特性(1),R1= 时:AF=1, =o时:,二阶低通幅频特性(2),例:两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器。,分析简单,由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器,阶数越高,幅频特性曲线越接近理想滤波器。,一阶低通和二阶低通幅频曲线的区别,将低通滤波器中的R、C 对调,低通滤波器就变成了高通滤波器。,如何组成高通滤波器,一阶有源高通滤波器,幅频特性:,一阶高通幅频特性,1. 不宜用于高频。,2. 不宜在高电压、大电流情况下使用。,3. 可靠性较差。,4. 使用时需外接直流电源。,有源滤波器的缺点,熟悉乘法器的原理及应用。,掌握理想运放工作在线性区的特点。,本章基本要求,掌握高通、低通、带通、带阻四种滤波器幅频特性。,了解积分电路、微分电路的原理。,掌握比例放大电路、求和电路原理及计算。,电子技术,第八章 结 束,模拟电路部分,
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