《模电信号运算》PPT课件.ppt

ANALOG ELECTRONICS,模拟电子技术电子教案,编制：周展怀,广东工业大学物理与光电工程学院,电工电子部,二零零八年三月,7.1 7.27.37.4,基本运算电路模拟乘法器及其在运算电路中的应用有源滤波电路电子信息系统预处理中所用放大电路,第7章,信号的运算与处理,(7-3),一、概述,二、比例运算电路,三、加减运算电路,四、积分运算电路和微分运算电路,五、对数运算电路和指数运算电路,六、模拟乘法器及其在运算电路中的应用,(7-4),1.电子系统简介,概述,7.1 基本运算电路,传感器接收器,隔离、滤波放大、阻抗变换,运算、转换、比较,功率放大A/D转换,第七章,第八章,第九章,信号的产生,电子信息系统的供电电源,第十章,数电第十一章,2.理想运放的参数特点,Aod、rid、fH 均为无穷大；ro、失调电压及其温漂、失调电流及其温漂、噪声均为0。,3.集成运放的线性工作区 uOAod(uP uN),因为uO为有限值，Aod，所以 uNuP0，即 uNuP虚短路,因为rid，所以 iNiP0虚断路,分析运算电路的基本依据,(7-5),4.学习的要点,（1）什么是运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式 uOf(uI)（3）分析方法：“虚短”和“虚断”是基本出发点。,（1）识别电路。（2）求解运算关系式。,5、学习运算电路的基本要求,7.1.2 比例运算电路,1.反相输入,电路引入了哪种组态的负反馈？电路的输入电阻为多少？3)R？为什么？4)若要Ri100k，比例系数为100，R？Rf？,Rf太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得100的比例系数？,+,_,iN=iP=0，uN=uP=0虚地,在结点N：,电压并联负反馈,(7-6),T 形反馈网络反相比例运算电路,利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。,+,_,7.1.2 比例运算电路,1.反相输入,Rf太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得100的比例系数？,据KVL:,电路引入了哪种组态的负反馈？,电流并联 负反馈,比例系数=-100,使用较小的电阻，获得较大的Ri，较大的比例系数,(7-7),T 形反馈网络反相比例运算电路,+,_,7.1.2 比例运算电路,1.反相输入,电流并联 负反馈,比例系数=-100,使用较小的电阻，获得较大的Ri，较大的比例系数,比例系数=-100,例,0）,(7-8),2.同相输入,据“虚短”和“虚断”,同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器,例,若 uI 与地接反。,+,-,+,-,输入与输出关系无变！,（详见仿真）,(7-9),7.1.3 加减运算电路,1.反相求和,2.同相求和,设 R1 R2 R3 R4 R Rf,RP,RN,与反相求和电路的结果差一负号,(7-10),设 R1 R2 Rf R3 R4 R5,若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?,3.加减运算,利用求和运算电路的分析结果,实现了差分放大,仅正反相端单输入且参数对称时,则,例,设计一个运算电路，能满足：,解,采用单运放：,设 R1 R4 R2 R3 Rf，且Rf=100k,(7-11),则,例,设计一个运算电路，能满足：,解,采用单运放：,设 R1 R4 R2 R3 Rf，且Rf=100k,采用两级反相输入运放：,(7-12),7.1.4 积分运算电路和微分运算电路,1.积分运算电路,利用积分运算的基本关系实现不同的功能,移相,1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？,2)输入为方波时的输出电压波形？,线性积分，延时,波形变换,虚断,虚地,防止低频信号增益过大,(7-13),为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。,限制输出电压幅值,2.微分运算电路,虚断,虚地,滞后补偿,限制 输入电流,7.1.5 对数运算和指数运算电路,1.对数运算电路,实用电路中常常采取措施消除IS对运算关系的影响,利用PN结端电压与电流的关系,虚断,虚地,(7-14),2.指数运算电路,3.基于对数与指数运算电路实现的乘法、除法运算电路指数运算电路,(7-15),7.2 模拟乘法器及其在运算电路中的应用,7.2.1 模拟乘法器简介,1.变跨导型模拟乘法器的基本原理,实际电路需在多方面改进，如线性度、温度的影响、输入电压的极性等方面。,2.模拟乘法器的符号及等效电路,有单象限、两象限和四象限之分。,(7-16),在运算电路中的基本应用,2.乘方运算,1.乘法运算,实际的模拟乘法器k常为+0.1V-1或0.1V-1。若k=+0.1V-1，uI1=uI2=10V，则 uO=10V。,实现了对正弦波电压的二倍频变换,3.除法运算,(7-17),3.除法运算,4.开方运算,作业；,7.2;7.3；7.4(c，d),(7-18),7.3有源滤波电路,7.3.1 滤波电路概述,2.滤波器的种类与频率特性,低通滤波器（LPF）,高通滤波器（HPF）,带通滤波器（BPF）,带阻滤波器（BEF）,1.滤波电路的功能 使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。,理想滤波器的幅频特性,全通滤波器（APF）,阻容耦合,通信电路,抗已知频率的干扰,f-转换,低通滤波器（LPF）,通带放大倍数,通带截止频率,下降速率,理想幅频特性无过渡带,(7-19),空载时,带负载时,3.无源滤波电路和有源滤波电路,负载变化，通带放大倍数和截止频率均变化。,(1)RC无源低通滤波器,(2)有源滤波电路,无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大，不能输出高电压大电流。,用电压跟随器隔离滤波电路与负载电阻.,(7-20),对于LPF，频率趋于0时的放大倍数即为通带放大倍数。求解传递函数时，只需将放大倍数中的 j用 s 取代即可。,频率趋于0时的放大倍数为通带放大倍数,决定于RC环节,表明进入高频段的下降速率为20dB/十倍频,（1）一阶电路,1.同相输入低通滤波器,7.3.2 低通滤波器,为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加RC环节。,一阶LPF,（2）简单二阶LPF,(7-21),（2）简单二阶LPF,截止频率 fp 0.37f0,分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。,（3）压控电压源二阶LPF,引入正反馈,(7-22),（3）压控电压源二阶LPF,为使 fp=f0，且在f=f0时幅频特性按40dB/十倍频下降。,f0时，C1断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大倍数；,f，C2短路，正反馈不起作用，放大倍数小0；,因而有可能在f=f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。,引入正反馈,列P、M点的节点电流方程，整理可得：,(7-23),（3）压控电压源二阶LPF,列P、M点的节点电流方程，整理可得：,例A,要求当f0=100kHz，Q=1时，试确定电路中的R和C的参数值。,解,若取C=1000pF,为使运放两输入端对地电阻平衡：应使,(7-24),7.3.3 高通、带通、带阻有源滤波器1.高通滤波器（HPF）,与LPF有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路。,2.带通滤波器（BPF）,3.带阻滤波器（BEF）,fHfL,(7-25),1.二阶有源高通滤波器,可见高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互为“镜像”关系。,(7-26),2.带通滤波器(BPF),只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号阻断。,阻,阻,f2,f1,通,(7-27),带通滤波器的典型电路,中心频率,通带电压放大倍数,(7-28),3.带阻滤波器(BEF),在规定的频带内，信号被阻断，在此频带以外的信号能顺利通过。,f2,f1,通阻通,(7-29),带阻滤波器的典型电路,中心频率,通带电压放大倍数,(7-30),运算电路与有源滤波器的比较,相同之处电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。均具有“虚短”和“虚断”的特点，均可用节点电流法求解电路。不同之处运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。,(7-31),7.4 电子信息系统预处理中所用的放大电路简介,1.三运放构成的精密放大器,(7-32),2.型号为INA102的集成仪表用放大器,(7-33),3.数字式温度计电路,(7-34),4.ISO100光电耦合放大器,(7-35),(7-36),(7-37),(7-38),(7-39),四、状态变量型滤波器,要点：将比例、积分、求和等基本运算电路组合成自由设置传递函数、实现各种滤波功能的电路，称为状态变量型滤波器。通带放大倍数决定于负反馈网络。利用“逆运算”方法。,f0时负反馈最强，A1输出电压0；f 时C 相当于短路，A2输出电压0，电路开环，A1输出电压UOM，工作到非线性区；需引入负反馈决定通带放大倍数。,(7-40),四、状态变量滤波器 二阶电路的组成,(7-41),运算电路与有源滤波器的比较,相同之处电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。均具有“虚短”和“虚断”的特点，均可用节点电流法求解电路。不同之处运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。,(7-42),(7-43),(7-44),(7-45),(7-46),(7-47),(7-48),(7-49),(7-50),(7-51),(7-52),(7-53),(7-54),1.反相求和,方法二：利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。,(7-55),则,例,设计一个运算电路，能满足：,解,采用单运放：,设 R1 R4 R2 R3 Rf，且Rf=100k,采用两级运放：前级同相求和，后级差分运算,(7-56),对输入电压的极性和幅值有何要求？,五、对数运算电路和指数运算电路,1.对数运算,实用电路中常常采取措施消除IS对运算关系的影响,利用PN结端电压与电流的关系,(7-57),集成对数运算电路,(7-58),理想情况下，ri1、ri2、fH为无穷大，失调电压、电流及其温漂为0，ro为0，ux、uy 幅值变化时 k 值不变。,有单象限、两象限和四象限之分。,2.模拟乘法器的符号及等效电路,(7-59),(7-60),(7-61),