信号的运算和处理电路.ppt

第9章信号运算和处理电路,9.1理想运放的基本概念9.2基本运算电路9.3有源滤波电路9.4电压比较电路,内容,阅读：教材第9章,模拟电路基础,理想运放的参数理想运放的工作区域,9.1理想运放的基本概念,关键问题理想运放是对集成运放的哪些主要技术指标作了理想化处理？运放工作在线性区和非线性区时各有那些特点？,第9章信号运算和处理电路,所谓理想运放就是将集成运放的各项技术指标理想化：,开环增益,输入电阻,输出电阻,开环带宽,当v+=v-时，,无温度漂移。,1.理想运放的参数,第9章信号运算和处理电路9.1理想运放的参数,第9章信号运算和处理电路9.1理想运放的参数,1.理想运放的参数,负反馈情况下，有虚短概念成立,第9章信号运算和处理电路9.1理想运放的参数,2.理想运放的工作区域,为使运放工作在线性区，大都引入深度的负反馈，以减小运放的净输入，保证输出不超出线性范围。,2.理想运放的工作区域,第9章信号运算和处理电路9.1理想运放的参数,运放工作在非线性区时，有两点结论：,输出只有两种可能的状态，V+或V-；而,运放的输入电流等于0。,9.2基本运算电路,第9章信号运算和处理电路,比例电路求和电路积分和微分电路对数和反对数电路模拟乘法器,关键问题,如何运用虚短和虚断概念分析各种运算电路输出与输入的函数关系；微、积分电路、对数电路、模拟乘法器的工作原理和输出与输入的函数关系是怎样的？,9.2基本运算电路,第9章信号运算和处理电路,所谓运算电路，就是电路的输出信号与输入信号之间存在某种数学运算关系。,这类电路具有以下几个共同的特点:,（1）电路的输入和输出均为模拟量。,（2）通常要求运算电路中的集成运放工作在线性区。,（3）从电路结构看，运算电路中一般都引入了深度的负反馈。,1.比例电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,即,输入信号的接法有三种,1)各种比例电路的共同之处是：无论何种接法，但反馈信号必须接到反相输入端，方能保证引入的是负反馈。,讨论：,2)集成运放都工作在线性区。分析它们时，可利用前面的两条结论：,1.比例电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,讨论：,3)的正负号决定于输入接至何处：,两种不同接法下，的大小也有区别：,反相接法时，,同相接法时，,1.比例电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,讨论：,4)反相和同相比例电路中，都引入了电压负反馈，所以输出电阻很小。而反相比例电路引入并联，输入电阻不大；同相比例电路引入串联，输入电阻很大。,5)反相比例电路中，反相输入点是“虚地”点（），所以加在集成运放上的共模输入电压下降至0；同相比例电路中（），所以集成运放将承受较高的共模输入电压。,1.比例电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,例1，试用集成运放实现以下比例运算：,1.比例电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,求和电路有三种不同的输入方式,函数关系,对节点N，有,若,2.求和电路-加法电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,讨论：,1）求和电路实际上是利用“虚地”以及（虚断）的原理，通过电流相加（）来实现电压相加。,2）输出端再接一级反相器，则可消去负号，实现符合常规的算术加法。,3）这个电路的优点是：,使用方便；参数值的调整方便。,2.求和电路-加法电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,函数关系,运放在深度负反馈下，有,由平衡条件,若取则有,电路的特点,a.只需一只运放，元件少，成本低。,b.要选用KCMR较高的集成运放。,c.阻值计算和调整不方便。,2.求和电路减法电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,函数关系,由反相比例电路，得,由反向加法器，得,取,再取,主要特点,由于“虚地”，放大器无共模信号。,vo1,2.求和电路减法电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,解：（1）用反相求和电路形式,参数的计算：,由反相求和得，,与要求比较，应有,先选定，则，,得,2.求和电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,例2，用集成运放实现求和运算。1）vO=-（vS1+10vS2+2vS3）；（2）vO=1.5vS1-5vS2+0.1vS3。要求对应于各输入信号来说,电路的输入电阻大于2k。选择电路的结构形式并确定电路参数。,2.求和电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,例2，用集成运放实现求和运算。1）vO=-（vS1+10vS2+2vS3）；（2）vO=1.5vS1-5vS2+0.1vS3。要求对应于各输入信号来说,电路的输入电阻大于2k。选择电路的结构形式并确定电路参数。,解：（2）方案一：使用双集成运放，,由反相求和电路，,选,可得,。,由,选，可得,2.求和电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,例2，用集成运放实现求和运算。1）vO=-（vS1+10vS2+2vS3）；（2）vO=1.5vS1-5vS2+0.1vS3。要求对应于各输入信号来说,电路的输入电阻大于2k。选择电路的结构形式并确定电路参数。,解：（2）方案二：使用单集成运放，,由平衡条件：,所以,取，得,对于A4，有,即,又,例3，设图中电路的集成运算放大器为理想运放，分析组成何种运算电路，并写出各个电路输出电压的表达式。,2.求和电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,积分电路,讨论:,1）若，则,2）将积分电路与反相比例电路比较，可以看出，基本积分电路也是在反相比例电路基础上变化而得。,3.积分和微分电路-积分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,则,3.积分和微分电路-积分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,即vO随时间而直线增长，但增长方向与vS极性相反；增长速度正比于vS和1/,3.积分和微分电路-积分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,积分电路的延迟作用,例，将vO作为电子开关的输入电压,即在输出端接一电子开关。当vO=6V时电子开关动作。设vS在t=0时刻,由0变为-3V，则vO随t线性上升。已知，请算出vo=6V时所对应的时间T。,3.积分和微分电路-积分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,讨论:,4）在积分电路输入端加上一个正弦信号，,-积分电路的移相作用。,则,3.积分和微分电路-积分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,(a),(b),解：由虚断，有,由虚地，有,当,有,例4，一求和积分电路如图(a),1）求vo的表达式，2）设两个输入信号vS1、vS2皆为阶跃信号，波形如图(b)，画出vo的波形。,3.积分和微分电路-积分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,例4，一求和积分电路如图(a),1）求vo的表达式，2）设两个输入信号vS1、vS2皆为阶跃信号，波形如图(b)，画出vo的波形。,3.积分和微分电路-积分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,(a),微分电路,讨论：,1）若vS=常数，则理想情况下vO=0；,若vS是一个直线上升的电压，则vO=常数；,若vS=Vmsint,则,3.积分和微分电路微分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,微分电路,讨论：,2）电路存在问题：，vo对vs的变化非常敏感。,当工作信号中包含高次谐波和突变部分时，微分电路非常敏感。,此外，C和R产生滞后的相移，它和集成运放内部电路的滞后作用合在一起，电路易受自激振荡。,vs突变时，iC*Rf有可能趋于vomax，使电路不能正常工作。,3.积分和微分电路微分电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,对于三极管，有,由虚地，有,4.对数和反对数电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,由虚断，有,由虚短，有,4.对数和反对数电路,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,乘法运算电路：,四象限乘法电路:vx、vy均可大于0、小于0或正负交替。,两象限乘法电路:允许两个输入端vx、vy中之一可正可负,另一端只能单极性的。,单象限乘法电路:vx、vy均限定某一种极性。,5.模拟乘法器,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,模拟乘法器常用在以下几方面：,1)除法运算电路,由虚断，得,由乘法器，有，得,v2,5.模拟乘法器,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,2)平方运算电路,3)开平方运算电路,由虚断，有,又,得,若，必须加一反相器,5.模拟乘法器,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,可得到频率是2的正弦波，实现信号的二倍频。,5.模拟乘法器,第9章信号运算和处理电路9.2基本运算电路,9.3有源滤波器,第9章信号运算和处理电路,基本概念及分类一阶有源滤波器二阶有源滤波器,关键问题,有源滤波电路与普通RC滤波电路比较，其优越性是什么？各种有源滤波电路的组成及主要特性是怎样的？,1.基本概念及分类,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,滤波器允许规定频率范围之内的信号通过，而使规定频率范围之外的信号不能通过（即遇到很大的衰减）的电子装置。,电压传递函数,对实际频率而言，有,另外，还有一个量称为时延（），定义为：,对于幅频响应，常把能通过的信号频率范围定义为通带；受阻或衰减信号频率范围称为阻带。二者的界限频率称为截止频率。,理想滤波器在通带内应具有0衰减的幅频响应和线性的相频响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。,1.基本概念及分类,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,1.基本概念及分类分类,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,RC低通滤波电路,1.基本概念及分类-无源滤波电路,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,RC高通滤波电路,1.基本概念及分类-无源滤波电路,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,无源滤波电路的主要缺点是，,增益小，,带负载能力很差，如果带一个RL，则O、A都随RL变化,其中,1.基本概念及分类-无源滤波电路,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,2.一阶有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,讨论：,1）由于传递函数的分母均为j的一次幂，故为一阶有源低通滤波器。,2）由于对偶关系，高通滤波器的组成,只需在图中将R与C位置对调。,3）在有源滤波器中，集成运放起着放大的作用，提高了电路的增益。,4）一阶滤波器的缺点是，当0时，幅频特性衰减太慢，与理想的低通特性相差太远。,2.一阶有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,由于,3.二阶有源滤波器-简单的二阶低通滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,3.二阶有源滤波器-简单的二阶低通滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,又,A,P,N,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,1）低通滤波器,取,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,1）低通滤波器,令,当,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,当时，即。,当时，则。,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,电路的物理意义：,从输入回路看,采用两级RC，则当=0时，,运放本身输出和输入同相。,=0,0,0,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,电路的物理意义：,从输出到输入反馈电路而言，运放的输出经一节高通滤波器和一节低通滤波器组成带通滤波器，使得在0附近的信号衰减少，而其他频率的信号衰减得多，从而提高0附近的增益，将曲线拉平。,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,2）高通滤波器,将低通滤波器中阻容元件互换，就很容易将LPF变换成相应的HPF。,对偶关系：,幅频特性对偶,HPF和LPF的频率响应曲线以=p对称，二者随频率的变化相反。,传递函数对偶,电路结构上的对偶,如,R与C对换。,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,3）带通、带阻滤波器,带通电路：,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,3）带通、带阻滤波器,带阻电路：,3.二阶有源滤波器-二阶压控电压源有源滤波器,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,(a),由于,反相输入的一阶低通滤波电路。,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,(b),由于,反相输入的一阶高通滤波电路。,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,(c),反相输入二阶低通滤波电路。,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,(d),从物理概念上定性地分析:,当很低时，C1,C2,C3相当于开路，R2R3C3支路类似于低通滤波器。,当很高时，C1,C2,C3相当于短路,R4C1C2支路类似于“高通滤波器。,一个同相输入的带阻滤波器。,第9章信号运算和处理电路9.3有源滤波器,例1，试分析图中的各个电路，判断它们各属于何种类型的有源滤波电路（低、高、带阻或带通）。,R1-C1起低通滤波作用；C2-Rf起高通滤波作用。二者串接在一起组成带通滤波器。,二阶压控高通有源滤波电路。,9.4电压比较器,第9章信号运算和处理电路,基本概念过零比较器单门限电压比较器迟滞比较器窗口比较器,关键问题:,电路构成、分析方法、传输特性,1.基本概念,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,特点：,1）运放工作在开环状态，没有引入深度的负反馈。,分析方法：,抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件（v+=v-）所对应的输入电压值来分析输入与输出间的关系。,2）比较器中的运放通常工作在非线性区。放大、运算电路中常用的虚短等深度反馈概念对于比较器不再适用。,2.过零比较器,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,DZ2被反向击穿，,2.过零比较器,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,深度负反馈，“虚地”,3.单门限电压比较器,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,解：输出跳变的临界条件v-=v+=0,输出跳变时，,即,3.单门限电压比较器,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,例9.4-1，下图所示电路，估算电路域值，并画出传输特性。,3.单门限电压比较器,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,例9.4-2,设vi（0，当vi增加到V+时，vO产生跳变。,当viVTH1时，则vO由VO+变为VO-0，此时V+2也随之变成,当vO跳变为VO-后，如果vi下降，则必须使vi0时，D反偏而截止。,当，vo由Vo+跳变成，则v+也变，此时二极管正偏，因而导通。,图9.410例9.4-3电路的传输特性,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,【例9.4-4】设上例电路的输入信号都是峰值为10V的对称三角波，试根据它的传输特性画出相应的输出波形。,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,用于判断输入电平是否处于两个已知电压之间的电压比较器,当时，；，。有,当时，；，。有,当时，D1、D2止。vo=0。,4.窗口比较器,第9章信号运算和处理电路9.4电压比较器,