信号运算与处理电路-模电讲义.

随着集成电路技术的发展，各种各样的集成电路不断涌现。它们被工程技术人员当作积木块构成各种电子系统。本章讨论运放和乘法器的一些典型应用电路。第7章在讨论在深度负反馈条件下对负反馈电路进行近似计算时，曾经得出两个重要概念：1.集成运放两个输入端之间的电压通常接近于零，即vI=vN–vP0,若理想化，vI=0，称为虚短。2.集成运放两输入端几乎不取电流，即iI0,若理想化，则iI=0，iN=iP=0,称为虚断。利用这两个概念分析各种运算与处理电路的线性工作（运放组成的电路是负反馈电路）情况将十分方便。虚短vN=vP,虚断iN=iP=08信号运算与处理电路8.1基本运算电路运放构成的基本运算电路主要有：比例、加法、减法、微分、积分电路。在分析时，要注意输入方式，判别反馈的类型，利用虚短、虚断的概念，得出近似的结果。比例放大器1.反相比例输入信号从反相输入端接入;引入电压并联负反馈，运放工作在线性区。利用虚短和虚断的概念，得电压增益电路特点：在理想情况下,该电路具有虚短、虚断、虚地概念。因有“虚地”，共模电压为零，故对共模抑制比要求低；电路的输入电阻较小，向信号源吸取的电流较大；电路的输出电阻小，带负载能力强。1RRvvfSo2.同相比例输入信号从同相输入端接入，引入了电压串联负反馈，利用虚短和虚断的概念，有11RRvvfso1sovv电路特点：在理想情况下,该电路具有虚短、虚断概念。由于，共模电压不为零，故对运放的共模抑制比要求较高；电路的输入电阻大，向信号源吸取的电流较小；电路的输出电阻小，带负载能力强。当R1=,Rf=1时，电压增益为1，输出电压与输入电压大小相等，相位相同，称此电路为电压跟随器。此电路隔离性好，常作为缓冲级。8.1.1加法电路利用虚短、虚断，有)()(22112211RvRvRvRvRvRvssfossfo8.1.2减法电路利用反相信号求和实现减法运算1111sfovRRv112122221112221)()()(222RRvvRRRvRRvRRRvRvRvfssfssffsofo当，2.利用差分式电路实现减法运算电压增益输入信号从两个输入端接入，放大的是两输入信号之差，因此称为差分式放大器。电路引入了电压负反馈。利用虚短和虚断的概念，有ofSffNSPvRRRvRRRvvRRRv11112323112RRvvvfiio电路特点:该电路具有虚短、虚断概念。共模电压不为零，故对运放的共模抑制比要求较高；电路的输出电阻小，带负载能力强。该电路可用于检测仪器中。性能更好的差分式放大电路用多只运放实现。例8.1.1图8.1.4所示为一高输入阻抗，低输出阻抗的仪用放大器。假设集成运放是理想的，试证明)2/()()(124312111RRvvRvvvvRR))(21(211234vvRRRRvo))(21()(2112344334vvRRRRvvRRvo由前差分电路结果得解：1)A1、A2组成的第一级差分电路引入电压串联负反馈；A3组成的第二级差分电路也引入电压串联负反馈；2）电路为深度负反馈。由虚短和虚断：8.1.3积分电路输入信号从反相端输入，称为反相积分电路。利用虚断和虚地概念dtRvCdtiCviiisccc1121当输入电压为图8.1.6a所示的阶跃电压，输出电压与时间成近似线性关系。tVdtVRCvvSSco1dtvRCvvsco1图8.1.5积分器实际应用时，由于集成运放的输入失调电压、输入偏置电流和失调电流的影响，常出现积分误差。应选用VIO、IIO、IIB较小和低漂移运放，并在同相端接入可调平衡电阻。积分电容的漏电流也是产生积分误差的一个原因。8.1.4微分电路dtdvRCvso当输入电压为图8.1.9a所示的阶跃电压，输出电压与时间关系如图8.1.9b。如果输入为正弦信号vs=sint,则输出信号vo=–RCsint电路对高频噪声特别敏感。归纳与推广上述电路可在复频域里分析，电阻、电容等写成复阻抗的形式Z(s),s为复频率。如反相比例电路的输出电压可写成)()()()(1sVsZsZsVsfo例如图所示的复合运算电路，其输入和输出信号之间在复频域中的关系为式中第一、二项表示比例运算；第三项表示微分运算；第四项为积分运算。常称其为PID调节器。8.2实际运放运算电路的误差分析上面讨论基本运算电路时，认为运放是理想的，即认为它的增益和输入电阻及共模抑制比无穷大，输出电阻为零，失调电流和电压及其温漂为零。实际运放，除增益、输入和输出电阻接近理想，所带来的误差可忽略外，而共模抑制比，失调电流和电压及其温漂的存在将在电路输出端产生误差，影响运算精度。1共模抑制比为有限值的情况以同相运算电路为例来讨论。由上式可知，运放的开环增益AVO和共模抑制比KCMR越大，运算电路的增益AVF越接近理想情况下的值。2.输入失调电压和失调电流不为零时的情况fRRR//12同相输入端电压假定运放的开环增益和输入电阻为无穷大，外电路选8.3对数和反对数运算电路8.3.1对数运算电路。室温时等于，为发射结反向饱和电流mVVIRIvvIivvveIiiTESESSTESCTBEoVvESECTBE26lnln/电路的输出电压和输入电压成对数关系。8.3.2反对数运算电路电路的输出电压和输入电压成反对数关系。8.4模拟乘法器8.4.1基本概念实现两模拟输入信号相乘的电路称为模拟乘法器。集成模拟乘法器主要有两种结构形式：一类由对数和反对数电路构成；另一类为变跨导式。分同相和反相模拟乘法器。右图为模拟乘法器的电路符号，K为比例常数。8.4.2模拟乘法器的应用1.除法运算电路只有当vX2为正极性时，才能保证电路处于负反馈工作状态，所得结果才正确。(+)(–)(–)2.开平方电路电路如图所示，由虚地的概念有v1为负极性，电路才能正常工作。正电压开平方电路如图8.4.5所示，分析可知，v1为正时，电路为负反馈。3.调制和解调调制—将音频信号“装载”于高频信号的过程。可用模拟乘法器实现，如图8.4.6所示乘法器的输出是一标准的调幅波。解调（检波）：从调幅波中提取调制信号（音频信号）的过程。8.5有源滤波电路滤波器是一种能使有用频率信号通过而同时抑制（或大为衰减）无用频率信号的电子装置。常用作信号处理、数据传送和抑制干扰等。本节主要讨论的有源模拟滤波器是由电阻、电容和集成运放构成。有源模拟滤波器具有输入阻抗大、输出阻抗低的特点并具有一定的电压放大和缓冲作用。有源模拟滤波器存在工作频率难以作的很高。8.5.1基本概念和初步定义滤波电路的一般结构如图8.5.1所示。假定滤波电路为线性时不变网络，在复频域内有)()()(jejAjAdd)()(称为电路的电压传递函数，一般为复数。对于实际频率来说（s=j),则有滤波电路所关心的另一量是时延，它定义为通常用复频特性来表征一个滤波电路的特性，欲使信号通过滤波器的失真小，则应考虑相位和时延响应。2有源滤波器的分类通带：复频响应中，传递函数值不变所对应的频率范围。阻带：信号受阻或衰减的频率范围。截止频率：通带和阻带的界限频率。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器分为低通(LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)和带阻(BRF)滤波器四种类型。1.一阶低通滤波器一阶滤波器包含一个RC电路。图6.3.17(a)为一阶低通滤波器电路，运放构成同相放大器，由图可求得LPF的传递函数2.二阶有源滤波器为了改进滤波器的频率特性，可采用二阶有源滤波器。一个二阶滤波器包含两个RC支路，图8.5.4是常用的二阶滤波器电路。分析结果可用于低通、高通及带通滤波器。滤波器稳定工作的条件为A0=AVF3,当A0=AVF3时，A(s)将有极点在右半平面或虚轴上，电路将自激振荡。作业8.1.18.1.38.1.48.1.68.1.78.1.108.1.118.1.148.1.168.1.188.2.28.3.28.4.28.4.38.4.48.5.18.5.3