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1、第七章第七章 信号的运算和信号的运算和处置置 6学学时第一第一节 根本运算根本运算电路路第二第二节 模模拟乘法器及其在运算乘法器及其在运算电路中路中的运用的运用第三第三节 有源有源滤波波电路路第四第四节 电子信息系子信息系统预处置中所用放置中所用放大大电路了解路了解重点掌握：理想运放的根本运算重点掌握：理想运放的根本运算电路的路的分析方法：分析方法：节点点电流法和叠加原理流法和叠加原理法，有源法，有源滤波波电路的任路的任务原理、主原理、主要性能目的、分析方法要性能目的、分析方法 。7.1.1. 7.1.1. 概述概述 由由假假设干干相相互互结合合，相相互互作作用用的的根根本本电路路组成成的的，
2、具具有有特特定定功功能能的的电路路整整体体，称称为电子子系系统。电子子系系统的的功功能能实现伴随着信息的伴随着信息的处置，所以置，所以电子系子系统也是信息也是信息处置系置系统。 电子子信信息息系系统大大致致包包含含信信号号的的提提取取、信信号号的的预处置、信号的加工、信号的置、信号的加工、信号的执行四个行四个环节。传感器、接感器、接纳器器信号、噪声信号、噪声隔离、隔离、滤波波阻抗阻抗变换运算、运算、转换比比较、取、取样坚持持功放功放ADC一、电路的组成一、电路的组成第七章第七章第八章第八章信号的产生信号的产生第九章第九章电子信息系子信息系统的供的供电电源源第十章第十章二、理想集成运放的特点和任
3、务特性二、理想集成运放的特点和任务特性1、理想集成运放的性能目的、理想集成运放的性能目的 实践践集集成成运运放放的的特特性性很很接接近近理理想想集集成成运运放放，我我们仅仅在在进展展误差差分分析析时，才才思思索索理理想想化化后后呵呵斥斥的的影影响响，普普通通工工程程计算其影响可以忽略。算其影响可以忽略。F 开环差模增益：开环差模增益：F 差模输入电阻：差模输入电阻：F 输出电阻：输出电阻：F 共模抑制比：共模抑制比：F 上限截止频率：上限截止频率：F 失失调电压、失、失调电流及其温漂：均流及其温漂：均为0，无噪声。，无噪声。2、理想集成运放任务于线性区、理想集成运放任务于线性区 “虚虚短短：运
4、运放放的的同同相相输入入端端和和反反相相输入入端端的的电位位“无无穷接近，好象短路一接近，好象短路一样，但却不是真正的短路。，但却不是真正的短路。 “虚虚断断：运运放放的的同同相相输入入端端和和反反相相输入入端端的的电流流趋于于0，好象断路一，好象断路一样，但却不是真正的断路。，但却不是真正的断路。 “虚短、和虚短、和 “虚断是分析运算虚断是分析运算电路的根本出路的根本出发点。点。 理理想想运运放放任任务于于线性性区区，因因其其放放大大倍倍数数趋于于无无穷大大，所所以以在在输入入端端只只需需加加一一个个无无穷小小的的电压，其其输出出就就会会超超出出其其线性性任任务区区，因因此此，只只需需电路路
5、引引入入负反反响响，才才干干使使其其任任务于于线性区。性区。3、理想集成运放任、理想集成运放任务于非于非线性区性区 电路路中中没没有有引引入入负反反响响或或引引入入的的是是正正反反响响，理理想想运运放放任任务于于非非线性性区区。因因其其放放大大倍倍数数趋于于无无穷大大，所所以以输出出电压只需两种能只需两种能够： 为了了坚持持运运放放差差放放输入入级的的对称称性性，同同相相输入入端端的的电阻阻R为uI=0时反反相相输入入端的等效端的等效电阻：阻： R= R/ Rf 。 对于于理理想想的的集集成成动放放，虚短和虚断成立。虚短和虚断成立。一、反相比例运算一、反相比例运算电路路电路路的的输入入电阻阻为
6、R，为了了保保证较大大的的比例系数以及工比例系数以及工艺等等缘由由, R不能太大。不能太大。1、根本、根本电路路 2 2、T T型网络反相比例运算电路型网络反相比例运算电路当当R3=时0二、同相比例运算电路二、同相比例运算电路特点：特点：输入入电阻大，阻大，输出出电阻小阻小三、三、电压跟随器：跟随器：将将输出出电压全部反响到反相全部反响到反相输入端入端uIuouo例例7.1.1：如：如图，知，知R2R4, R1 =R2,求求uo与与uI的比例系数。的比例系数。解：解： 电路与路与T型网型网络反相比例反相比例运算运算电路完全一路完全一样R2R4， R1 =R2假假设R4开路开路例例7.1.2：如
7、图，知：如图，知uO=55uI，求，求R5的值。的值。解：解：A1构成同相比例运算构成同相比例运算电路路A2构成反相比例运算构成反相比例运算电路路假假设ui与地接反，与地接反， 那么那么A1 、A2都构成反相比例运算都构成反相比例运算电路路1、反相求和运算、反相求和运算电路：路：一、求和运算一、求和运算电路路7.1.3.加减运算电路加减运算电路作用：将假作用：将假设干个干个输入信号入信号之和或之差按比例放大。之和或之差按比例放大。实践运用践运用时可适当添加或减少可适当添加或减少输入端的个数，以入端的个数，以顺应不同的需求不同的需求2、同相求和运算电路：、同相求和运算电路：二、加减运算电路二、加
8、减运算电路缺陷：缺陷：电阻的阻的选取与取与调整整不方便，不方便，输入入电阻小。阻小。可采用两可采用两级电路方式：路方式：右右图称称为差分比例运算差分比例运算电路路两两级都引入都引入电压串串联负反响，反响，输入入电阻无阻无穷大。大。第一第一级为同相比例运算同相比例运算电路路利用叠加原理，第二利用叠加原理，第二级电路的路的输出出令令R1=Rf2，Rf1=R3，那么那么例例7.1.3：设计一个运算电路，要求：设计一个运算电路，要求uO=10uI15uI24uI3解：由解：由题意，采用如意，采用如图电路方式路方式实现作作 业业 7.37.47.67.1.4.积分运算电路和微分运算电路积分运算电路和微分
9、运算电路Rf ：防止低：防止低频时增益增益过大大一、积分运算电路一、积分运算电路运用运用举例：例：tui0tuo0输入入阶跃信号信号运用运用举例：例：uI为常量常量时，求，求t1到到t2的的积分分输出是斜出是斜线，经过一定一定时间后后饱和和tui0tuo0输入方波入方波输出是三角波出是三角波输入正弦波入正弦波输出余弦波出余弦波超前超前90 -Uom运用运用举例例3：二、微分运算电路二、微分运算电路t0uo假设输入：假设输入：那么：那么：运用运用举例：例：输入方波，入方波，输出是尖出是尖顶波波运用运用举例例2：输入正弦波入正弦波输出余弦波出余弦波滞后滞后90uit0适用微分运算电路适用微分运算电
10、路限制限制输入入电流流限制限制输出出电压补偿电容，提高容，提高稳定性定性3、逆函数型微分运算电路、逆函数型微分运算电路利用利用积分运算分运算电路来路来实现微分运算微分运算电路具有普遍意路具有普遍意义例例7.1.4 同相积分运算电路同相积分运算电路同相同相积分运算分运算电路路例例7.1.5 7.1.5 调理器电路调理器电路7.1.5 7.1.5 对数运算电路和指数运算电路对数运算电路和指数运算电路一、对数运算电路一、对数运算电路1、采用二极管的、采用二极管的对数运算数运算电路路2、利用三极管的对数运算电路、利用三极管的对数运算电路3、 集成对数运算电路集成对数运算电路二、二、 指数运算电路指数运
11、算电路7.1.6 7.1.6 利用利用对数和指数运算数和指数运算电路路实现的乘法运的乘法运算算电路和除法运算路和除法运算电路路求差运算求差运算电路路除法除法电路路乘法乘法电路路7.2 模拟乘法器及其在运算电路中的运用7.2.1 模模拟乘法器乘法器简介介理想情况下理想情况下: :ri1ri1、 ri2 ri2、fHfH为无无穷大，大， ro ro为0 0，失失调电压、电流及其温漂流及其温漂为0 0， k k 值不随不随ux ux 、uy uy 幅幅值和和频率率的的变化而化而变化。化。有有单象限、两象限和四象限之分。象限、两象限和四象限之分。模模拟乘法器的符号及等效乘法器的符号及等效电路路7.2.
12、2 变跨跨导型模型模拟乘法器的根本原理乘法器的根本原理 实践电路需在多方面改良，如线性度、温度的影响、输入电压的极性等方面。7.2.3 模拟乘法器在运算电路中的运用模拟乘法器在运算电路中的运用2)2)乘方运算乘方运算1)1)乘法运算乘法运算 实践的模拟乘法器k常为+0.1V-1或0.1V-1。 假设k= +0.1V-1，uI1= uI2=10V，那么 uO=10V。实现了了对正弦波正弦波电压的二倍的二倍频变换3次方和次方和4次方运算电路次方运算电路3)3)除法运算除法运算运算运算电路中集成运放必需引入路中集成运放必需引入负反响！反响！4)4)开方运算开方运算作作 业业 7.97.107.117
13、.3.1. 滤波电路的根底知识滤波电路的根底知识一、一、滤波波电路的种路的种类 滤波波器器：是是一一种种能能使使有有用用频率率信信号号经过，而而同同时抑抑制或衰减无用制或衰减无用频率信号的率信号的电子安装。子安装。LPF：低通滤波器：低通滤波器HPF：高通滤波器：高通滤波器BPF：带通滤波器：带通滤波器BEF：带阻滤波器：带阻滤波器APF：全通滤波器：全通滤波器1. 按信号性按信号性质分分类3. 按按电路功能分路功能分类: 2. 按所用元件分按所用元件分类模模拟滤波器和数字波器和数字滤波器波器无源无源滤波器和有源波器和有源滤波器波器4. 按按阶数分数分类: 一一阶，二，二阶 高高阶 理想低通理
14、想低通滤波器波器LPF 高通高通滤波器波器HPF 带通通滤波器波器BPF 带阻阻滤波器波器BEF 全通全通滤波器：波器：f=0范范围内信号都能内信号都能经过。1.抑制抑制50Hz的干的干扰信号信号应选用哪种用哪种类型的型的滤波波电路？路？2.放大音放大音频信号信号应选用用 。3.为获得得输入入电压中的低中的低频信号，信号，应选用用 。4.为获得得输入入电压中的高中的高频信号，信号，应选用用 。5.输 入入 信信 号号 频 率率 趋 于于 零零 时 输 出出 电 压 幅幅 值 趋 于于 零零 的的 电 路路 为 。6.输 入入 信信 号号 频 率率 趋 于于 无无 穷 大大 时 输 出出 电 压
15、 幅幅 值 趋 于于 零零 的的 电 路路 为 。7.输入入信信号号频率率趋于于零零和和无无穷大大时输出出电压幅幅值均均趋于于零零的的电路路为 。8.输入入信信号号频率率趋于于零零和和无无穷大大时输出出电压幅幅值均均为通通带放放大倍数的大倍数的电路路为 。带阻阻滤波器波器带通通滤波器波器低通低通滤波器波器高通高通滤波器波器高通、高通、带通通滤波器波器低通、低通、带通通滤波器波器带通通滤波器波器带阻阻滤波器波器二、滤波器的幅频特性二、滤波器的幅频特性 过渡渡带越窄，越窄，频率特性越陡，越接近理想率特性越陡，越接近理想滤波器的特性，波器的特性，电路的路的选择性越好，性越好，滤波特性越波特性越好。好
16、。通带电压增益通带电压增益通带截止频率通带截止频率义务：求解通：求解通带电压增益增益Aup、通、通带截止截止频率率fp、过渡渡带的斜率。的斜率。 1、无源低通、无源低通滤波器：由无源器件波器：由无源器件R、L、C构成。构成。三、无源滤波电路和有源滤波电路三、无源滤波电路和有源滤波电路 求求图示示RC低低通通滤波波器器在在带负载和和不不带负载情情况况下下放放大大倍数的倍数的频率特性表达式，并画出其幅率特性表达式，并画出其幅频特性波特特性波特图。 不不带负载时：低通电路的幅频特性曲线和相频特性曲线低通电路的幅频特性曲线和相频特性曲线过渡渡带的斜率的斜率为 -20dB/十倍十倍频程程 带负载时：带负
17、载时：通通带电压增益数增益数值减小、减小、通通带截止截止频率升高，都随率升高，都随负载而而变化。化。无源无源滤波波电路缺陷路缺陷:1带载才干很差，当才干很差，当负载变化化时，其放大倍数减，其放大倍数减小，上限截止小，上限截止频率增大；率增大；特性不理想，特性不理想，边沿不沿不陡。陡。电路的幅路的幅频特性波特特性波特图在在无无源源滤波波电路路和和负载间加加一一个个高高输入入电阻阻，低低输出出电阻阻的的隔隔离离电路路电压跟跟随随器器，就就构构成成了有源了有源滤波波电路。路。2、有源低通、有源低通滤波波电路路传送函数：送函数：滤波器波器输出量与出量与输入量之比入量之比滤滤波波器器四、有源滤波电路的传
18、送函数四、有源滤波电路的传送函数传送函数中出送函数中出现 的一次的一次项，故称，故称为一一阶滤波器。波器。7.3.2. 低通滤波器低通滤波器一、同相输入低通滤波器一、同相输入低通滤波器一一阶电路路电路的路的优点：点：有放大作用有放大作用 运放运放输出，出，带负载才干才干强电路的缺陷：路的缺陷：特性不理想，特性不理想，边沿不陡沿不陡 为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即添加RC环节。在Au(s)表达式分母中s的方次就是滤波器的阶数。幅幅频特性特性二阶电路二阶电路简单二阶低通滤波电路的幅频特性简单二阶低通滤波电路的幅频特性fp=0.37fo衰减斜率衰减斜率为 -40dB/十倍十倍频程程引入正反响
19、引入正反响为使使 fp=f0，且在，且在f=f0时幅幅频特性按特性按40dB/十倍十倍频下降下降,引入正反响引入正反响. f0时，C1断路，正反响断开，放大倍数为通带放大倍数； f ， C2短路，正反响不起作用，放大倍数小0 ； 因此有能因此有能够在在f = f 0时放大倍数等于或大于通放大倍数等于或大于通带放大倍数。放大倍数。对于不同于不同频率的信号正反响的率的信号正反响的强弱不同。弱不同。压控电压源二阶低通滤波电路压控电压源二阶低通滤波电路 列列P、M点的点的节点点电流方程，流方程，整理可得：整理可得：反相输入低通滤波器反相输入低通滤波器积分运算分运算电路的路的传送函数送函数为加加R2后，后， f0，C 断开，通断开，通带放大倍数，放大倍数，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. 带通通滤波器波器BPFfHfL3. 带阻滤波器带阻滤波器BEFfHfL作作 业：业：7.19
