童诗白模电第七章

第七章信号的运算与处理电路7.1比例电路7.2基本运算电路7.3对数和反对数电路7.4集成模拟乘法器7.5有源滤波器复习：集成运放的两种工作状态1.运放的电压传输特性：Aod越大，线性区越小，当Aod→∞时，线性区→0VVuuA∞－+io+0uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区非线性区非线性区+Uom-Uom0uouiuo=Aud(u+–u)2.理想运算放大器：开环电压放大倍数Aod=∞差模输入电阻Rid=∞输出电阻Ro=0为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：虚短（u+=u-）虚断（ii+=ii-=0）3.线性区uu+－A∞+RiiRuu－+ffoi114.非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论VVuuA∞－+io++Uom-Uom0uoui一.反相比例运算_++RfR1RPuiuoi1iFii-ii+虚地点i1=iF（虚断）因为有负反馈，利用虚短和虚断u+=0u－=u+=0（虚地）平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):RP=R1//RF2o1iRuRuf电压放大倍数:1210uRRuuAif反馈方式：电压并联负反馈7.1.1基本运算电路为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大Rf，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。电压放大倍数:1210uRRuuAif采用T型反馈网络的反相比例电路112Ruiii3322RiRi又1322323RuRRiRRii44220RiRiu)//1(342142RRRRRRAu分析：u+=u-=0（虚短）i1=i2（虚断）uu+－A∞+oi1R2R4RR31ii24ii343221)(RiiRRui4132121)(RRuRRRuRRuiii该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。)//1(342142RRRRRRAu二.同相比例运算电路u-=u+=uii1=if（虚断）平衡电阻R=Rf//R1foi1i0RuuRu因为有负反馈，利用虚短和虚断反馈方式：电压串联负反馈uu+－A∞+o－uu+fiRf1iR1Ri电压放大倍数:1fio1RRuuAAu=1三.电压跟随器此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。uuo+∞uA+－－+uiui=u+=u-=uo因为有负反馈，利用虚短和虚断：1.反相加法器：若R1=R2=R,平衡电阻R0=R1//R2//Rf0uui1+i2=if7.1.2基本运算电路一.加法运算电路uuu－0u2R∞AfofRi2+i+i2u－R+i1Ri11虚地fo2i21i1RuRuRu)(i22fi11fouRRuRRu)(i2i1fouuRRuuuu－0u2R∞AfofRi2+i+i2u－R+i1Ri11)(i22fi11fouRRuRRu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。2、同相求和运算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。22211R//RR//RF-R1RF++ui1uoR21R22ui2此电路如果以u+为输入，则输出为：uRRuFo)1(1-R1RF++ui1uoR21R22ui2u+与ui1和ui2的关系如何？))(1(222212112221221iiFouRRRuRRRRRu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。0222211RuuRuuii-R1RF++ui1uoR21R22ui2R´左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？平衡电阻:R1//RF=R21//R22//R´)(222211RuRuRuiiFo三、单运放的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。R2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521R//R//RR//R//RR2_++R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6))((4433643RuRuR//R//Ruiiuu52211RuuRuuRuuoii)(443322115RuRuRuRuRuiiiio643521R//R//RR//R//R例：设计一个加减运算电路，RF=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3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。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3(2)求各电阻值。-R3RF++ui1uoR2R1ui2R4ui3FRRRRR//////3421)(332211RuRuRuRuiiiFok240FRuo=10ui1+8ui2-20ui3k241Rk302Rk123Rk804R优点：元件少，成本低。)(443322115RuRuRuRuRuiiiio缺点：要求R1//R2//R5=R3//R4//R6。阻值的调整计算不方便。单运放的加减运算电路改进：采用双运放电路。四、双运放的加减运算电路-RF1++ui1uo1R1ui2R2R3-RF2++uoR4ui3R5R625461213FFR//R//RR,R//R//RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFoRuii虚地tiCuud1CCO1.积分电路7.1.3积分和微分电路tuRCd1iuu+o∞iiAC+i－R1RCuC2.微分电路：u-=u+=0RiuOdtduCiiCCiidtduRCuiouuo1－CRAi+R+∞iiC)90sin(tRCtRCuocostui0tuo0tsinui例：,求uo。dtduRCuio90°uuo1－CRAi+R+∞iiC滤波电路的分类1.按信号性质分类2.按所用元件分类§7.2有源滤波器7.2.1滤波电路的基础知识模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器：主要由无源元件R、L和C组成有源滤波器：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。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ioUU低通高通带通带阻四种典型的频率特性ioUUioUUioUU4.按传递函数分类:一阶，二阶…高阶传递函数：ioioioUUjUjUjT)()()(ioUU)j(T幅频特性io)(相频特性)(jUi)(jUo滤波器传递函数的定义有源滤波器的优点：1.不使用电感元件，不需要磁屏蔽,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。有源滤波器的缺点：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。oF11URRRUUURR1RFC+-+iUoU1.一阶有源低通滤波器Cj11)RR1(UU1Fio传递函数RCiUCj1RCj1UiUCj11RC传递函数中出现的一次项,故称为一阶滤波器7.2.2低通滤波器幅频特性：201Fio)(11)RR1(UU)RC1(0相频特性：0argRR1RFC+-+iUoU幅频特性及幅频特性曲线ioUU01+RF/R10.707(1+RF/R1)0Cj11)RR1(UU1Fio传递函数RCURRUAUFFo11CjUURUURUUoPPPi1PPURCjUCjRCjU1111解出：ooFiojAUU2)(12)3(21FARCo1其中：RR1RFC+-+iUoUCRP二、二阶有源低通滤波器传递函数中出现的二次项，故称为二阶滤波器。一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别：-3dBAF理想低通一阶低通二阶低通阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。oioUU07.4.3其他滤波器将低通滤波器中的R、C对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。RCR1RF+-+iUoU低通滤波器R1RF+-+iUoU高通滤波器R一阶有源高通滤波器oFURRRU11UUiUCjRRU1iURCj111RCjRRUUFio111)1(1R1RF+-+iUoU高通滤波器RRCjRRUUFio111)1(12111)1(oFioRRUU幅频特性：ioUU0o707.011RRF11RRF本章小结1．集成运放可以构成加法、减法、积分、微分、对数和反对数等多种运算电路。在这些电路中，均存在深度负反馈。因此，运放工作在线性放大状态。这时可以使用理想运放模型对电路进行分析，“虚短”和“虚断”的概念是电路分析的有力工具。2．有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。7.5有源滤波电路滤波器的分类：低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）ω|A|0ωC通带阻带A0ω|A|0ωCA0通带阻带ω|A|0ωC1A0阻阻ωC2通ω|A|0ωC1A0阻ωC2通通各种滤波器理想的幅频特性：（1）低通（2）高通（1）带通（1）带阻滤波器的用途滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。1.一阶RC低通滤波器(无源)一.低通有源滤波器CjRCjuuAiO11RCj11H11j传递函数：RC1H截止频率：幅频特性：2)(11HA++++-i+uRC+uo-此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。幅频特性：2)(11HA++++-i+uRC+uo-0.707H截止频率01|A|2.一阶有源低通滤波器uu+－A+∞i+u－uRf1RRCoi)11(ujuHuRRuf)1(1oi1o)11)(1(ujRRuHf)11)(1(1HfjRR)1(OHjAiOuuA传递函数：1fo1RRA通带增益：截止频率：)1(RCHRC1H幅频特性及幅频特性曲线uu+－A+∞i+u－uRf1RRCo传递函数：iOuuA)11)(1(1HfjRR幅频特性：21)(11)1(HfRRA缺点：阻带衰减太谩。H0.7071+Rf/R101+Rf/R1|A|3.二阶有源低通滤波器uu+－A∞+miouRfRRCCR1u+u－uAuRRufO1o)1(CjuuRuuRuuommmi1