模拟信号运算电路.ppt

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1、第七章模拟信号运算电路,模拟电子技术基础,概述,线性放大区,例：若UOPP=12V，Ao=106，则|ui|12V时，运放处于线性区。,Ao越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。,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，称其所谓的理想运放。,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。,运放工作在线性区的特点,一、在分析信号运算电路时对运放的处理,二、分析运放组成的线性电路的出发点,虚短路虚断路放大倍数与负载无关，,7.2 比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：反相输入、同相输入、差分比例输入,方法：引入深度电压

2、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。,7.2.1 反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,iI=iF,1.放大倍数,虚短路,虚断路,虚地,2.电路的输入电阻,rif=R1,R2=R1/RF,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。,3.反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小！,反相比例运算电路的特点：,1.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。,2.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。,

3、3.在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,当R1=RF 时，Auf=-1，称为单位增益倒相器,R1=10k，RF=20k，uI=-1V。求：uo，R2 应为多大？,Auf=-(RF/R1)=-20/10=-2Uo=Auf uI=(-2)(-1)=2VR2=R1/RF=10/20=6.7 k,例7.2.2 求Auf=?,i1=i2,虚短路,虚断路,虚地,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。,7.2.2 同相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,u-=u+=ui,虚短路,虚断路,虚断路,反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。,同

4、相比例运算电路的特点：,1.同相比例运算放大电路是一个深度电压串联负反馈电路，u+=u-=ui，不存在“虚地”现象。,2.电压放大倍数Auf=1+(RF/R1)，具有同相比例运算功能。,3.由于串联负反馈的作用，输入电阻很高，输出 电阻很小，可认为是0，因此带负载能力强。,例题7.2.3 R1=10k,RF=20k,ui=-1V。求：uo，R2应为多大？,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，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。,电压跟随器,结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,7.2.3 差分比例运算

5、电路,通常要求R1=R1，RF=RF,i-=i+=0（虚断）,R1=R1，RF=RF时,u-=u+（虚短）,比例运算电路的比较归纳,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，同相输入的输入电阻高。3.以上放大器均可级联，级联时放大倍 数分别独立计算。,例题7.2.4 R1=10k,R2=20k,ui1=-1V，ui2=1V。求：uo,若ui1=sint(V)，ui 2=1V，求：uo,7.2.4 比例电路应用实例：三运放电路,uo2,虚短路：,虚断路：,改变Rw,可灵活改变放大倍数。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。,例7.2.5 由三运放

6、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,Rt=f(TC),例7.2.6 如图电路中，设RW=2k，R=1k，R1=2k，R2=100k，求Au=？,作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,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。,7.3 求和电路,一、反相求和运算,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。,虚短,虚地,虚断,实质：利用“虚短”和“虚断”的特点，通过各路电流相加的方法来实现输入电压的相加。,优点：调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，

7、不影响其他各路输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,例 假设一个控制系统中的温度、压力和速度等物理量经传感器后分别转换成模拟电压量，要求该系统的输出电压与上述各物理量之间的关系为,求上述求和电路中的参数。,解,设,则,二、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。,（虚断）,其中,（虚短）,其中,注意：(1)同相求和电路不存在“虚地”现象；(2)R+与各输入回路的电阻有关，因此各输入 信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,在同相比例运放基础上改进,此电路如果以 u+为输入，则输出为：,u+与 ui1 和 ui2 的关系如何？,流入运放输入端的电流为0（虚断）

8、,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。,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。,虚短,虚断,虚断,解出：,单运放的加减运算电路的特例：差动放大器,差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。,例7.3.2 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。,(2)求各电阻值。,uo=10ui1+8ui2-20ui3,优点：元件少，成本低。,缺点：要求R1/R2/R5=R3

9、/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,例7.3.3 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。,uo=0.5ui+2.5 V,uo=0.5ui+2.5 V,=0.5(ui+5)V,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。,比例运算电路与加减运算电路小结,7.4 积分和微分电路,7.4.1 积分电路,一、电路组成,虚短,虚地

10、,（虚断）,积分时间常数,二、输入、输出波形,1.输入电压为矩形波时,2.输入电压为正弦波时,移相,3.输入电压为方波时，输出为三角波,U,积分时限,例7.4.1 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。,例7.4.2 设积分电路的输入电压为方波，若电路参数为以下三种情况，分别画出相应的输出电压波形。,解：,期间，,时，,当 时，,期间，,时，,时，,时，,波形变换：方波三角波,期间，,时，,比第(1)种情况输出幅度增加一倍,期间，,时，,与矛盾,时，,即当 t=7mS事，uo3增加到-14V，此后保持不变，uo3 的波形为,波形变换：方波三角波,波形变

11、换：方波梯形波,三、积分电路的误差,原因：1.集成运放不是理想特性引起；2.由积分电容引起。,积分电路的主要用途：,1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.移相。,u=u+=0,7.4.2 微分电路,若输入：,则：,基本微分电路的缺点：,输入信号频率升高时，信噪比下降；容易产生自激振荡，电路稳定性差；输入电压发生突变时有可能使运放“堵塞”，使电路不能正常工作。,改进措施：,7.5 对数和指数电路,7.5.1 对数电路,（虚地）,iR=iD（虚断）,为增大工作范围，将双极型三极管接成二极管的形式作为反馈支路。,7.5.2 指数电路,u=u+=0,i=i+=0,7.6 乘

12、法和除法电路,7.6.1 由对数及指数电路组成的乘除电路,由对数及指数电路组成的乘法电路框图,除法,由对数及指数电路组成的除法电路框图,7.6.2 模拟乘法器,模拟乘法器的符号,K 0 时，同相乘法器；K 0 时，反相乘法器；,模拟乘法器的工作象限：四象限、二象限、单象限,变跨导式模拟乘法器,恒流源差动放大器的输出电压,当IEQ 较小，时，,而 IEQ=0.5 I,当 ui2 uBE3 时，,VT3,跨导随 ui2 而变变跨导式乘法器,此电路中ui2 必须为正，因此是二象限乘法器,模拟乘法器的应用,1.平方运算,2.除法运算,对理想运放 u=u+=0 i=i+=0,开方运算,式中及 ui1 的选取必须保证根号内的表达式为正值,3.倍频,4.功率测量,5.自动增益控制,运算电路要求,1.熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2.掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3.会用“虚断(ii=0)”和“虚短(u+=u)”分析给定运算电路的 放大倍数。,第七章 结束,模拟电子技术基础,