第8章_模擬信號的運算與處理

1、 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.1 基本運算電路基本運算電路8.4* 信號轉換電路信號轉換電路 8.2* 模擬乘法器及其應用模擬乘法器及其應用8.3* 電壓比較器電壓比較器 8.5 有源濾波器有源濾波器 8.7* 積分運算電路的仿真研究積分運算電路的仿真研究 8.6* 開關電容濾波器開關電容濾波器第第8章章 模擬信號的運算和處理模擬信號的運算和處理 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院 1. 1.理解集成運放的虛短和虛斷的概念。理解集成運放的虛短和虛斷的概念。 2.2.重點掌握應用虛短和虛斷的概念分析比例、加減、

2、積分重點掌握應用虛短和虛斷的概念分析比例、加減、積分基本運算電路的工作原理和輸入、輸出關系。了解微分、指數(shù)基本運算電路的工作原理和輸入、輸出關系。了解微分、指數(shù)和對數(shù)運算電路的分析方法。和對數(shù)運算電路的分析方法。 3.3.了解模擬乘法器的概念、電路組成與工作原理，理解模了解模擬乘法器的概念、電路組成與工作原理，理解模擬乘法器在運算電路的應用。擬乘法器在運算電路的應用。 4.4.理解典型電壓比較器（單門限比較器、遲滯比較器）的理解典型電壓比較器（單門限比較器、遲滯比較器）的電路組成、工作原理和性能特點。了解集成電壓比較器的特點。電路組成、工作原理和性能特點。了解集成電壓比較器的特點。 5.5.了

3、解信號轉換電路。了解信號轉換電路。 6.6.了解典型有源濾波器的組成和特點。了解有源濾波器的了解典型有源濾波器的組成和特點。了解有源濾波器的分析方法。分析方法。本章學習目的和要求本章學習目的和要求 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.1.1 比例運算電路比例運算電路8.1.2 加減運算電路加減運算電路8.1.3 積分運算與微分運算電路積分運算與微分運算電路8.1.4 對數(shù)運算與反對數(shù)運算電路對數(shù)運算與反對數(shù)運算電路 集成運算放大器作為一種通用器件，可以用來實現(xiàn)各集成運算放大器作為一種通用器件，可以用來實現(xiàn)各種模擬信號的運算與處理，如對模擬信號的放大、比較

4、、種模擬信號的運算與處理，如對模擬信號的放大、比較、調制、模擬信號與數(shù)字信號之間的轉換等方面有著非常廣調制、模擬信號與數(shù)字信號之間的轉換等方面有著非常廣泛的應用。因此，集成運放電路的分析和應用是模擬電子泛的應用。因此，集成運放電路的分析和應用是模擬電子技術的最重要的內容之一。技術的最重要的內容之一。8.1 基本運算電路基本運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 運算放大電路可以實現(xiàn)對信號的比例、加法、減法、積運算放大電路可以實現(xiàn)對信號的比例、加法、減法、積分、微分等數(shù)學運算。在各種運算電路中，要求輸出和

5、輸分、微分等數(shù)學運算。在各種運算電路中，要求輸出和輸入的模擬信號之間實現(xiàn)一定的數(shù)學運算關系，因此，運算入的模擬信號之間實現(xiàn)一定的數(shù)學運算關系，因此，運算電路中的集成運放必須工作在線性區(qū)（電路中的集成運放必須工作在線性區(qū)（ ）。在）。在進行定量分析時，始終將理想運放工作在線性區(qū)域時的兩進行定量分析時，始終將理想運放工作在線性區(qū)域時的兩個特點，即個特點，即“虛短虛短” 和和“虛斷虛斷” 作為作為基本的出發(fā)點?；镜某霭l(fā)點。NPvOOvvAvNPvv)0(NPii 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院u 研究的問題 （1）運算電路：運算電路的輸出電壓是輸入電壓某種

6、）運算電路：運算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運算的結果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微運算的結果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等。分、對數(shù)、指數(shù)等。 （2）描述方法：線性運算關系式）描述方法：線性運算關系式 vOf (vI) （3）分析方法：）分析方法：“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是基本出發(fā)點。是基本出發(fā)點。（1）識別電路；）識別電路；（2）掌握輸出電壓和輸入電壓運算關系式的求解方法。）掌握輸出電壓和輸入電壓運算關系式的求解方法。u 學習運算電路的基本要求8.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電

7、子電氣工程學院1. 1. 反相運算電路反相運算電路(1). (1). 電路的組成電路的組成圖圖8.1.18.1.1反相比例運算電路反相比例運算電路 電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？+ +- -電壓并聯(lián)負反饋 2) R2？為什么？為什么？fRRR/12保證輸入級的對稱性保證輸入級的對稱性0PNvv虛地虛地8.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院(2). (2). 幾項技術指標的近似計算幾項技術指標的近似計算1. 1. 反相運算電路反相運算電路1) 1) 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)由由“虛斷虛斷

8、”，0NPii，得，得 fRii1foNNiRvvRvv1由由“虛短虛短”，PNvv，得，得foiRvRv0011RRvvAfiov圖圖8.1.18.1.1反相比例運算電路反相比例運算電路 iRoR2) 輸入電阻輸入電阻 和和 輸出電阻輸出電阻1RRi0oR，8.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院(3)(3)反相比例運算電路的特點反相比例運算電路的特點 1) 1)在理想情況下，反相輸入端的電位等于在理想情況下，反相輸入端的電位等于0 0，稱為，稱為“虛地虛地”。因此加在集成運放的共模輸入信號很小。因此加在集成運

9、放的共模輸入信號很小。1RRAfvfR1R2)2)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù) ，決定于電阻，決定于電阻 與與 的之比，的之比，與集成運放內部參數(shù)無關。與集成運放內部參數(shù)無關。 3) 3) 電路在深度負反饋條件下，電路的輸入電阻為電路在深度負反饋條件下，電路的輸入電阻為, ,輸出電阻近似為輸出電阻近似為0 0。1R8.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院例例 8.1.2 8.1.2 將圖將圖8.1.18.1.1反相比例運算電路中的反相比例運算電路中的RfRf用電用電阻阻R2R3R4R2R3R4構成的構成的T T型網(wǎng)絡

10、代替，如圖所示型網(wǎng)絡代替，如圖所示 求電路的電壓增益求電路的電壓增益 ；vAkR511kRR39032iovv1004R 該電路作為話筒的前置放大電路，若選該電路作為話筒的前置放大電路，若選 ,，當，當 ,計算計算 的值；的值；fRkR511iovv100fR 直接用直接用 代替代替T T型網(wǎng)絡的型網(wǎng)絡的 電阻時，當電阻時，當 , , 時時, ,求求 的值。的值。 圖圖8.1.2 8.1.2 例例 8.1.28.1.2電路電路8.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院解解: :(1)(1) 圖圖8.1.2 例例 8

11、.1.2電路電路由虛斷由虛斷 ，得，得0pnii節(jié)點節(jié)點N N的電流方程為的電流方程為: :21ii 節(jié)點節(jié)點M M的電流方程為的電流方程為: :423iii由虛地由虛地 ，則，則0Nv 2100RvRvMi42300RvRvRvvMMoM解上述方程組得該電路的閉環(huán)增益為解上述方程組得該電路的閉環(huán)增益為: :134242RRRRRRvvAiovf當用當用R Rf f代替代替T T型網(wǎng)絡的電阻時，有型網(wǎng)絡的電阻時，有 1001RRvvAfiovfkRRf510010018.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院2.

12、2. 同相比例運算電路同相比例運算電路圖圖8.1.3 8.1.3 同相比例運算電路同相比例運算電路(1). (1). 電路的組成電路的組成(2) (2) 電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)虛斷 0NPii虛短 PNvvofNPivRRRvvv1111RRvvAfiovf1(3). (3). 電壓跟隨器電壓跟隨器圖圖8.1.4 8.1.4 電壓跟隨器電壓跟隨器1iovvvA利用“虛短”和“虛斷” ，得iPNovvvv8.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院例例8.1.38.1.3 圖圖8.1.5 8.1.5 所示為直流電壓表

13、電路，磁電式電流所示為直流電壓表電路，磁電式電流表指針偏移滿刻度時，流過動圈電流表指針偏移滿刻度時，流過動圈電流 。 AIM100 MR21?maxSV當當 時，可測的最大輸入電壓時，可測的最大輸入電壓圖圖8.1.5 8.1.5 例例8.1.18.1.1電路電路解：解： 利用虛短和虛斷利用虛短和虛斷的概念有的概念有 NSPVVV0iI111RVRVIISNMVARIVMS20010210100661max8.1.1 8.1.1 比例運算電路比例運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.1.2 8.1.2 加減運算電路加減運算電路 實現(xiàn)多個輸入信號按各

14、自不同比例求和或求差的電路實現(xiàn)多個輸入信號按各自不同比例求和或求差的電路統(tǒng)稱為加減運算電路。該電路是模擬計算機的基本單元，統(tǒng)稱為加減運算電路。該電路是模擬計算機的基本單元，且在測量和控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到。若所有輸入信號都加在且在測量和控制系統(tǒng)中經(jīng)常用到。若所有輸入信號都加在運放的同一個輸入端，則實現(xiàn)加法運算；反之，若在多個運放的同一個輸入端，則實現(xiàn)加法運算；反之，若在多個輸入信號中，有一部分加在同相輸入端，另一部分加在反輸入信號中，有一部分加在同相輸入端，另一部分加在反相輸入端，則實現(xiàn)加減混合運算。相輸入端，則實現(xiàn)加減混合運算。 1. 1.加法電路加法電路 加法運算電路能夠實現(xiàn)多個模擬量的求和運

15、算。集成加法運算電路能夠實現(xiàn)多個模擬量的求和運算。集成運放可與電阻構成求和電路，它有反相輸入和同相輸入兩運放可與電阻構成求和電路，它有反相輸入和同相輸入兩種接法。種接法。 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院反相加法運算電路反相加法運算電路虛斷虛斷 0PNii節(jié)點節(jié)點N的電流方程的電流方程: 321iiifiiii虛地虛地0PNvv即即: 332211iNiiNiiNifONRvvRvvRvvRvv)(332211iiiiiifORvRvRvRv對上式整理得：對上式整理得：在在RRRRiii321 的情況下，可得的情況下，可得)(321iiifOvvvRRv

16、8.1.2 8.1.2 加減運算電路加減運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院(2) (2) 同相加法運算電路同相加法運算電路與同相比例電路進行比較可知與同相比例電路進行比較可知 ) 1 (11PfOvRRv根據(jù)根據(jù)“虛斷虛斷”和和“虛短虛短”的原則的原則 021ii02211RvvRvvPiPi整理得整理得) 2()/(221121RvRvRRviiP2211211)/(1RvRvRRRRviifOfRRRR/212211RvRvRviifO代入（代入（1）式）式若若 fRRRR2121iiOvvv則有則有 8.1.2 8.1.2 加減運算電路加減

17、運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院2. 2. 加減運算電路加減運算電路圖圖8.1.8 8.1.8 加減運算電路加減運算電路圖圖8.1.9 8.1.9 加減運算電路的分析加減運算電路的分析利用疊加原理利用疊加原理 輸出電壓為輸出電壓為 ，則，則令令 043iivv1Ov)(22111iiiifORvRvRv令令 021iivv輸出電壓為輸出電壓為 ，則，則2Ov)(44332RvRvRviifO)(2211443321RvRvRvRvRvvviiiifooo8.1.2 8.1.2 加減運算電路加減運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰

18、師范學院物理與電子電氣工程學院例例8.1.58.1.5 電路如圖電路如圖8.1.108.1.10所示。所示。 (1) (1) 寫出寫出v vo o與與v vi1i1、v vi2i2的運算關系式；的運算關系式；(2) (2) 當當R RW W的滑動端在最上端時，若的滑動端在最上端時，若v vi1i1=10mV=10mV，v vi2i2=20mV=20mV，則，則v vo o= =？(3) (3) 若若v v0 0的最大值為的最大值為 V V，輸入電壓的最大值，輸入電壓的最大值v vi1max=10mV=10mV， v vi2max=20mV=20mV，它們的最小值均為，它們的最小值均為0 0，則

19、為了保證集成運放工，則為了保證集成運放工 作在線性區(qū)，作在線性區(qū)，R2R2的最大值為多少？的最大值為多少？14圖圖8.1.10 8.1.10 例例8.1.58.1.5電路電路8.1.2 8.1.2 加減運算電路加減運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院解：解： 圖圖8.1.10 8.1.10 例例8.1.58.1.5電路電路(1) 節(jié)點節(jié)點N、P 電流方程電流方程foNNiRvRRRvRvv2111fPPiRvRvv2pNvv)(1 (101212iiovvRRv(2) 當當 得得mV1012iivv100mVov(3) 根據(jù)題目所給參數(shù)根據(jù)題目所給

20、參數(shù) ，R1為最小值時，為最小值時， 可以保證運放工作在線性區(qū)，輸出電壓應為可以保證運放工作在線性區(qū)，輸出電壓應為+14VmVvvii20)(max12VRvvRRvwo14201010)(10min11112min1kRRRw86. 9min1max2則則8.1.2 8.1.2 加減運算電路加減運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.1.3 8.1.3 積分運算與微分運算電路積分運算與微分運算電路1 1 積分運算電路積分運算電路 圖圖 8.1.4 積分運算電路積分運算電路 dtdvCdtvvdCdtdvCiOONCC)(假設電容器初始電壓假設電容

21、器初始電壓 ，有，有 00 CvdtiCvCO1dtRvvCdtiCNIR110PNvvCRiidtvRCI1輸出信號與輸入信號的積分呈正比的關系，負號表示它們在輸出信號與輸入信號的積分呈正比的關系，負號表示它們在相位上是相反的。相位上是相反的。 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院2. 2. 微分運算電路微分運算電路圖圖 8.1.5 8.1.5 微分運算電路微分運算電路虛斷 0PNiidtdvCiiICR假設電容器初始電壓假設電容器初始電壓 ，有，有 00 CvdtdvRCRivIRO虛短虛短0PNvv圖圖 8.1.6 8.1.6 波形變換示意圖波形變換示

22、意圖 tVvmIsintRCvOcos8.1.3 8.1.3 積分運算與微分運算電路積分運算與微分運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.1.4 8.1.4 對數(shù)運算與反對數(shù)運算電路對數(shù)運算與反對數(shù)運算電路1. 1.對數(shù)運算電路對數(shù)運算電路圖圖 8.1.7對數(shù)運算電路對數(shù)運算電路二極管的基本公式可知二極管的基本公式可知 1/TDVvSDeIiTDVv 當當 時，有時，有 則則 TDVvSDeIi/SDTDIiVvln依據(jù)虛斷，得依據(jù)虛斷，得RviiIRD虛地，得虛地，得 ODvvSITORIvVvln 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范

23、學院物理與電子電氣工程學院2. 2. 反對數(shù)運算電路反對數(shù)運算電路圖圖 8.1.5 8.1.5 反對數(shù)運算電路反對數(shù)運算電路TIVvSIROIRiRiv/Re根據(jù)根據(jù)“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的特點的特點 即輸出電壓和輸入電壓成反對數(shù)關系，或者說，輸出電即輸出電壓和輸入電壓成反對數(shù)關系，或者說，輸出電壓和輸入電壓成指數(shù)關系。因此，反對數(shù)運算電路又稱壓和輸入電壓成指數(shù)關系。因此，反對數(shù)運算電路又稱為指數(shù)運算電路。為指數(shù)運算電路。8.1.4 8.1.4 對數(shù)運算與反對數(shù)運算電路對數(shù)運算與反對數(shù)運算電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.2* 模擬乘法器及

24、其應用模擬乘法器及其應用 1. 1.模擬乘法器的符號和等效電路模擬乘法器的符號和等效電路圖圖8.2.1 8.2.1 模擬乘法器符號及其等效電路模擬乘法器符號及其等效電路 k為乘法器的增益系數(shù)（或相乘因子），其值可正可負，為乘法器的增益系數(shù)（或相乘因子），其值可正可負，單位為單位為 。在理想情況下，有在理想情況下，有1V。 yxRR0OR， ， ; k為常數(shù)，不隨信號幅值、信號頻率而變化。為常數(shù)，不隨信號幅值、信號頻率而變化。 當當 時，時， 。電路的失調電壓、電流和噪聲均為零。電路的失調電壓、電流和噪聲均為零。0yxvv0ovyxovkvv 8.2.18.2.1模擬乘法器簡介模擬乘法器簡介 退

25、出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院2. 2. 模擬乘法器的分類模擬乘法器的分類圖圖8.2.2 8.2.2 模擬乘法器的四個工作象限模擬乘法器的四個工作象限根據(jù)輸入電壓不同極性的限制，模擬乘法器有單象限（兩根據(jù)輸入電壓不同極性的限制，模擬乘法器有單象限（兩個輸入電壓均為單極性）、二象限（即一個輸入電壓為單個輸入電壓均為單極性）、二象限（即一個輸入電壓為單極性，另一個輸入電壓可正可負）和四象限（兩個輸入電極性，另一個輸入電壓可正可負）和四象限（兩個輸入電壓可正可負，或正負交替）之分。壓可正可負，或正負交替）之分。8.2.18.2.1模擬乘法器簡介模擬乘法器簡介

26、退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.2.2 8.2.2 變跨導型模擬乘法器的工作原理變跨導型模擬乘法器的工作原理圖圖8.2.3 8.2.3 差分放大電路差分放大電路 ebebBBebCmrriivigEQTbbebIVrr1一般情況下一般情況下 ， 很小，則可忽很小，則可忽略略 ，得，得1TEQmVIgEEEQI21ITEEmVIg2ebxvv 222XmebmxmCvgvgvgixTCEExCmOvVRIvRgv2EQI其中其中bbr 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院圖圖8.2.4 8.2.4 變跨導二象限乘法器

27、變跨導二象限乘法器電路中電路中 管集電極電流管集電極電流3TebeyEECRvvIi33 若若 , ,則則 3beyvv eyEERvI得yxyxeTCovkvvvRVRv2圖圖8.2.5 8.2.5 雙平衡式四象限乘法器雙平衡式四象限乘法器的極性可正可負的極性可正可負 ，而，而 必須大于零必須大于零 xvyv該電路稱為二象限模變跨導式該電路稱為二象限模變跨導式模擬乘法器模擬乘法器 。為了使兩輸入電壓為了使兩輸入電壓 和和 均能在均能在任意極性下正常工作，可采用如圖任意極性下正常工作，可采用如圖的雙平衡式四象限乘法器的雙平衡式四象限乘法器 xvyv8.2.2 8.2.2 變跨導型模擬乘法器的工

28、作原理變跨導型模擬乘法器的工作原理 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.2.3 8.2.3 模擬乘法器在運算電路中的應用模擬乘法器在運算電路中的應用1. 1. 乘方運算電路乘方運算電路圖圖8.2.6 8.2.6 乘方運算電路乘方運算電路2iOKvv 從理論上講，當多個模擬乘法器串聯(lián)時，可以實現(xiàn)從理論上講，當多個模擬乘法器串聯(lián)時，可以實現(xiàn) 的任意次方運算的任意次方運算 ivninOnvKv1 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院則的極性必須與相反則的極性必須與相反2. 2. 除法運算電路除法運算電路圖圖8.2.7 8.2

29、.7 除法運算電路除法運算電路模擬乘法器的輸出電壓 OIOvkvv2虛地：虛地：0PNvv虛斷：虛斷： 21ii 211RvRvOI即：即： 112IOvRRv2112IIOvvkRRv（1 1）（2 2）由（由（1 1）、（）、（2 2）得：）得：1IvOv1Iv只有當為正極性時，才能保證則的極性必須與相只有當為正極性時，才能保證則的極性必須與相反，運放處于負反饋工作狀態(tài)。反，運放處于負反饋工作狀態(tài)。2IvOvOv8.2.3 8.2.3 模擬乘法器在運算電路中的應用模擬乘法器在運算電路中的應用 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院3.3.開方運算電路開方運

30、算電路0PNvv21ii 12RvRvIO212OIOkvRvRv則：則：由于由于 作用于集成運放的反相輸入端，則作用于集成運放的反相輸入端，則 IvIOvkRRv12)0( k若，則若，則 0IvIOvkRRv12)0( k模擬乘法器選定后，電路只能對一種極性的實現(xiàn)開方運算。模擬乘法器選定后，電路只能對一種極性的實現(xiàn)開方運算。Iv0Iv若，則若，則圖圖8.2.8 開方運算電路開方運算電路8.2.3 8.2.3 模擬乘法器在運算電路中的應用模擬乘法器在運算電路中的應用 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.3* 電壓比較器電壓比較器8.3.1 單限比較器單

31、限比較器8.3.2 滯回比較器滯回比較器 8.3.3 集成電壓比較器集成電壓比較器1. 電壓比較器的功能：電壓比較器的功能：比較電壓的大小。比較電壓的大小。輸入電壓是模擬信號；輸出電壓表示比較的結果，只有高電平和低電平輸入電壓是模擬信號；輸出電壓表示比較的結果，只有高電平和低電平兩種情況，為二值信號。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。廣兩種情況，為二值信號。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。廣泛用于各種報警電路。泛用于各種報警電路。. 電壓比較器的描述方法電壓比較器的描述方法 :電壓傳輸特性電壓傳輸特性 Of(I)電壓傳輸特性的三個要素：電壓傳輸特性的三個要素：（1）輸出高電平）輸出高

32、電平OH和輸出低電平和輸出低電平OL；（2）閾值電壓）閾值電壓UT；（3）輸入電壓）輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向。躍變的方向。電路特征：電路特征：集成運放處于開環(huán)或僅引入正反饋。集成運放處于開環(huán)或僅引入正反饋。 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.3.18.3.1單限比較器單限比較器當時， REFIVv OHOVv 當時， REFIVv OLOVv 圖圖 8.3.1 8.3.1 單限比較器及其傳輸特性曲線單限比較器及其傳輸特性曲線輸入電壓逐漸增大或減小的過程中，當通過輸入電壓逐漸增大或減小的過程中，當通過，輸出電，輸出電壓就

33、產(chǎn)生躍變，該電路壓就產(chǎn)生躍變，該電路只有一個閾值電壓只有一個閾值電壓。當閾值電壓時，這樣的單限比較器稱為當閾值電壓時，這樣的單限比較器稱為過零比較器。過零比較器。 0REFTVV 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.3.28.3.2滯回比較器滯回比較器 圖圖 8.3.2 8.3.2 滯回比較器及其傳輸特性曲線滯回比較器及其傳輸特性曲線正反饋網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡0NPiiINvv Fii 2即即FOPPREFRvvRvv2整理得：整理得：OFREFFFPvRRRvRRRv222當當 時，對應的輸入電壓即閾值電壓：時，對應的輸入電壓即閾值電壓：NPOFREFFFT

34、vRRRvRRRV222 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院OFREFFFTvRRRvRRRV222當當 時時 ，zOVv當當 時，時， zOVv閾值電壓閾值電壓 ZFREFFFTVRRRvRRRV2221ZFREFFFTVRRRvRRRV2222門限寬度或回差門限寬度或回差 zFTTTVRRRVVV22212滯回比較器輸出電壓滯回比較器輸出電壓 有兩種可能，有兩種可能， 和和 。， OvzVzV可以將滯回比較器視為兩個不同的單限比較器的組合?？梢詫乇容^器視為兩個不同的單限比較器的組合。 8.3.28.3.2滯回比較器滯回比較器 退出淮陰師范學院物理與

35、電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院例例8.3.18.3.1 試分別求解圖試分別求解圖8.3.38.3.3所示電路的電壓傳輸特性。所示電路的電壓傳輸特性。 圖圖 8.3.3 8.3.3 例例8.3.18.3.1電路電路8.3.28.3.2滯回比較器滯回比較器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院解解：（：（a）電路為單限比較器，由穩(wěn)壓管的限幅作用可知：電路為單限比較器，由穩(wěn)壓管的限幅作用可知： VVvZO6當當 時時 ， ， 發(fā)生跳變，所以發(fā)生跳變，所以 VvI20PNvvOvVVT2電壓傳輸特性曲線電壓傳輸特性曲線8.3.28.3.2滯回比較

36、器滯回比較器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院（b）電路為過零比較器，由于二極管的導通壓降電路為過零比較器，由于二極管的導通壓降 ，所以，所以VVD7 . 0VVVDOL7 . 0由穩(wěn)壓管的限幅作用由穩(wěn)壓管的限幅作用 ，則，則 VVVZOH80TV電壓傳輸特性曲線電壓傳輸特性曲線8.3.28.3.2滯回比較器滯回比較器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院（c）電路為反相輸入的滯回比較器，由于穩(wěn)壓管的限幅作用，電路為反相輸入的滯回比較器，由于穩(wěn)壓管的限幅作用， VVvZO6令令INREFOREFOPvvvvvRRRvR

37、RRv2212211因此因此 ，代入求解得代入求解得 2REFOTvvVVVT5 . 11VVT5 . 42電壓傳輸特性曲線電壓傳輸特性曲線8.3.28.3.2滯回比較器滯回比較器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院電路為同相輸入的滯回比較器，由于穩(wěn)壓管的限幅作用，電路為同相輸入的滯回比較器，由于穩(wěn)壓管的限幅作用， VVvZO6令：令：VvvRRRvRRRvNOIP3211212解出解出 ，此，此 即即 IvIvTVOITvRRRRRvV212213解得：解得： VVT5 . 11VVT5 . 72電壓傳輸特性曲線電壓傳輸特性曲線8.3.28.3.2滯回比

38、較器滯回比較器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院當當 時，時， NPvv OHOVv當當 時，時，NPvv OLOVv當當 時，時，NPvv TIVv 分析比較器時：分析比較器時：輸出在輸出在 和和 之間轉換之間轉換 ，此時，此時 OHVOLV因此，求解閾值電壓時，不但可以用虛斷因此，求解閾值電壓時，不但可以用虛斷 ，而且可用虛短而且可用虛短 。 0NPiiNPvv 8.3.28.3.2滯回比較器滯回比較器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.3.3 8.3.3 集成電壓比較器集成電壓比較器特點：特點：1. 無需限

39、幅電路，根據(jù)所需輸出高、低電平確定電源電壓；無需限幅電路，根據(jù)所需輸出高、低電平確定電源電壓；2. 可直接驅動集成數(shù)字電路；可直接驅動集成數(shù)字電路；3. 應用靈活，可具有選通端；應用靈活，可具有選通端；4. 響應速度快；響應速度快；5. 電源電壓升高，工作電流增大，工作速度加快。電源電壓升高，工作電流增大，工作速度加快。圖圖8.3.5 8.3.5 集成電壓比較器集成電壓比較器AD790AD790的基本接法的基本接法 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.4*信號轉換電路信號轉換電路8.4.18.4.1電壓電壓- -電流轉換電路電流轉換電路8.4.2 8.4

40、.2 電流電流- -電壓轉換電路電壓轉換電路 8.4.3 8.4.3 精密整流電路精密整流電路 常用的信號轉換電路有常用的信號轉換電路有電壓電壓- -電流（電流（V/IV/I）轉換電路）轉換電路、電電流流- -電壓轉換電路（電壓轉換電路（I/VI/V）、電壓電壓- -頻率（頻率（V/FV/F）轉換電路）轉換電路、頻頻率率- -電壓電壓(F/V)(F/V)轉換電路轉換電路等。等。 在控制系統(tǒng)中，為了驅動執(zhí)行機構，常需要將電壓轉換在控制系統(tǒng)中，為了驅動執(zhí)行機構，常需要將電壓轉換成電流；而在監(jiān)測系統(tǒng)中，為了數(shù)字化顯示，又常將電流轉成電流；而在監(jiān)測系統(tǒng)中，為了數(shù)字化顯示，又常將電流轉換成電壓，再接數(shù)字

41、電壓表。在放大電路中引人合適的反饋，換成電壓，再接數(shù)字電壓表。在放大電路中引人合適的反饋，就可實現(xiàn)上述轉換。就可實現(xiàn)上述轉換。 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.4.1 8.4.1 電壓電壓- -電流轉換電路電流轉換電路8.4.1 8.4.1 電壓電壓- -電流轉換電路電流轉換電路0NPii0NvRviiIRL同相求和運同相求和運算電路算電路 電壓跟隨器電壓跟隨器 RRRRR4321 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院2211121224334341215 . 05 . 0POPPOPIPIPvvvvRRvvvvR

42、RRvRRRvIPOvvv21則 IPOOORvvvRiv210OIORvi 8.4.1 8.4.1 電壓電壓- -電流轉換電路電流轉換電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院例例8.4.18.4.1 圖是運放和三極管構成的電流輸出放大器，圖是運放和三極管構成的電流輸出放大器，求輸出電流表達式。求輸出電流表達式。 圖圖8.4.2 8.4.2 例例8.4.18.4.1的電路圖的電路圖如果忽略運放反相端的電如果忽略運放反相端的電流和場效應管流和場效應管T1的柵極電的柵極電流流 利用虛短的概念得：利用虛短的概念得： QiQLRvii解：解：8.4.1 8.4.1

43、 電壓電壓- -電流轉換電路電流轉換電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院例例8.4.28.4.2 圖圖8.4.38.4.3是一個光電池放大與測量電路，求輸出電是一個光電池放大與測量電路，求輸出電流表達式。流表達式。圖圖8.4.3 8.4.3 例例8.4.28.4.2的電路圖的電路圖解：解： 運放運放 構成光電流電壓變換器，輸出電壓為構成光電流電壓變換器，輸出電壓為 , ,運放運放構成電壓構成電壓- -電流變換器，輸出電流為電流變換器，輸出電流為 1A1RIin21RRIIinO8.4.1 8.4.1 電壓電壓- -電流轉換電路電流轉換電路 退出淮陰師范

44、學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.4.2 8.4.2 電流電流- -電壓轉換電路電壓轉換電路圖圖8.4.4 8.4.4 電流電流- -電壓轉換電路電壓轉換電路理想運放條件下，由理想運放條件下，由“虛斷虛斷”、“虛短虛短”的概念，有的概念，有 SFii 0PNvvfSORiv 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.4.3 8.4.3 精密整流電路精密整流電路 將交流電壓轉換成脈動的直流電壓，稱為整流。精密整流電路的功能是將微弱的交流電壓轉換成脈動的直流電壓。 圖圖8.4.5 8.4.5 整流電路的波形整流電路的波形圖圖8.4.6

45、 8.4.6 一般半波整流電路一般半波整流電路為什么一般的整流電路不能作為精密的信號處理電路？為什么一般的整流電路不能作為精密的信號處理電路？輸出電壓也只反映 大于大于 的那部分電壓的大小。的那部分電壓的大小。 IvthV半波整流：半波整流：全波整流：全波整流： 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院。導通，截止，時，I1O21OIDD00vRRvvuf。導通，截止，時，0, 0DD00O12OIvIvvfR精密整流電路的組成精密整流電路的組成半波整流，若加半波整流，若加vI的負半周，則實現(xiàn)全波整流的負半周，則實現(xiàn)全波整流0Iv0Iv為什么是為什么是精密整流？

46、精密整流？ (b) (b) 輸出波形輸出波形例：設二極管的導通電壓為例：設二極管的導通電壓為0.7V0.7V，集成運放的，集成運放的開環(huán)差模放大倍數(shù)為開環(huán)差模放大倍數(shù)為5050萬倍，那么為使二極管萬倍，那么為使二極管D D1 1導通，集成運放的凈輸入電壓導通，集成運放的凈輸入電壓1DVVvvNP4 . 1)1057 . 0(58.4.4 8.4.4 精密整流電路精密整流電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院全波精密整流電路全波精密整流電路)0( 0)0( 2IO1IIO1vvvvvIO1Ovvv。時，IOI0vvv。時，IOI0vvvIOvv 二倍頻三角

47、波二倍頻三角波絕對值運算電路絕對值運算電路8.4.4 8.4.4 精密整流電路精密整流電路 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.5有源濾波器有源濾波器8.5.1 8.5.1 濾波器的作用與分類濾波器的作用與分類 8.5.2 8.5.2 低通濾波器低通濾波器 8.5.3 8.5.3 高通濾波器高通濾波器 8.5.4 8.5.4 帶通濾波器帶通濾波器 8.5.5 8.5.5 帶阻濾波器帶阻濾波器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院1. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時

48、抑制或衰減無濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制或衰減無 用頻率信號的電子裝置。用頻率信號的電子裝置。有源濾波器：由有源器件構成的濾波器。有源濾波器：由有源器件構成的濾波器。濾波電路傳遞函數(shù)定義濾波電路傳遞函數(shù)定義時，有時，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A)( 模，幅頻響應模，幅頻響應 相位角，相頻響應相位角，相頻響應群時延響應群時延響應)( d)(d)(s 圖圖 8.5.1 8.5.1 濾波電路的一般結構框圖濾波電路的一般結構框圖8.5.18.5.1濾波器的作用與分類濾波器的作用與分類 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理

49、與電子電氣工程學院2. 分類分類低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）帶通（帶通（BPF）帶阻（帶阻（BEF）全通（全通（APF）通帶：通帶：能夠通過的頻率范圍能夠通過的頻率范圍 阻帶：阻帶：被衰減或抑制的頻率范圍被衰減或抑制的頻率范圍截止頻率：截止頻率：通帶和阻帶的臨界頻率通帶和阻帶的臨界頻率8.5.18.5.1濾波器的作用與分類濾波器的作用與分類 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院3. 3. 無源濾波器和有源濾波器無源濾波器和有源濾波器 圖圖 8.5.3 8.5.3 無源低通濾波電路無源低通濾波電路無源濾波器：無源濾波器：由無源器件由無源器件R R、

50、L L、C C組成的濾波電路；組成的濾波電路；有源濾波器：有源濾波器：由無源器件和晶體管、集成運放等有源器件由無源器件和晶體管、集成運放等有源器件 共同組成的濾波電路。共同組成的濾波電路。LLLLLioVRRjRRRRCjRRCjVVA/1/1/1LLVHRRRACRRfLH/21接入負載接入負載R RL L后通帶增益下降，而且上限截止頻率升高，改變后通帶增益下降，而且上限截止頻率升高，改變了電路的濾波特性，表明無源濾波電路帶負載能力較差。了電路的濾波特性，表明無源濾波電路帶負載能力較差。8.5.18.5.1濾波器的作用與分類濾波器的作用與分類 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學

51、院物理與電子電氣工程學院8.5.2 8.5.2 低通濾波器低通濾波器1. 1. 一階有源低通濾波器一階有源低通濾波器通帶電壓增益同相比例放通帶電壓增益同相比例放大電路的增益大電路的增益A AVFVF101)()(RRsVsVAAfPoVF sVsRCsViP11 sRCRRsVsVsAfiOV111)(1RCf210令令 ，而，而 ，則，則 js cffVjRRffjRRsA111111)(101所以cVjAsA1)(0200)(1)()()(ciAjVjVjA為特征角頻率為特征角頻率RC1c 而而 ，則，則電路的傳遞函數(shù)電路的傳遞函數(shù) 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與

52、電子電氣工程學院200)(1)()()(ciAjVjVjA 該電路具有低通特點，但濾波效果不夠好，它的衰該電路具有低通特點，但濾波效果不夠好，它的衰減率只是減率只是20dB/20dB/十倍頻程。十倍頻程。 為了使低通濾波器的過渡帶變窄，過渡帶中為了使低通濾波器的過渡帶變窄，過渡帶中 的下降的下降速率加大，可利用多個速率加大，可利用多個RCRC環(huán)節(jié)構成多階低通濾波電路。環(huán)節(jié)構成多階低通濾波電路。 VA8.5.2 8.5.2 低通濾波器低通濾波器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院2. 2. 二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器（1 1） 電路構成電路構成正反

53、饋正反饋+ + +低通濾波器的通帶電壓增益低通濾波器的通帶電壓增益11011RRAAAVFVF（2 2）傳遞函數(shù)）傳遞函數(shù)集成運放的同相輸入電壓集成運放的同相輸入電壓 VFOPAsVsV 與與 的關系為的關系為 sVP sVA sRCsVsVAP1對于節(jié)點對于節(jié)點A,A,有有 0RsVsVsRsVsVRsVsVpAoAAi（8.5.4）（8.5.5）（8.5.6）8.5.2 8.5.2 低通濾波器低通濾波器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院將式將式(8.5.4)-(8.5.4)-式式(8.5.6)(8.5.6)聯(lián)立求解，可得電路的傳遞函數(shù)為聯(lián)立求解，可得

54、電路的傳遞函數(shù)為 231sCRsCRAAsVsVsAVFVFio當當 時，電路才能穩(wěn)定工作；時，電路才能穩(wěn)定工作；3VFA當當 時，電路將自激振蕩。時，電路將自激振蕩。3VFA令令特征角頻率特征角頻率 ，等效品質因素等效品質因素 ，則（，則（8.5.7）式變?yōu)槭阶優(yōu)镽Cc1VFAQ31 (8.5.7) 222cccVFsQsAsA二階低通濾波二階低通濾波電路傳遞函數(shù)電路傳遞函數(shù)的標準形式的標準形式8.5.2 8.5.2 低通濾波器低通濾波器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院用用 取代取代 由式由式(8.5.7)(8.5.7)可得可得jscccVFQjAj

55、A221 (8.5.11)幅頻特性：幅頻特性：2221ccVFQAjA相頻特性：相頻特性： 21arctanccQ當當 時，時， , ,即通帶電壓增益；即通帶電壓增益； 0VFAjA當當 時，時， ； 0jA當當 時，即時，即 , ,cVFAQjAVFAjAQc二階比一階低通濾波電二階比一階低通濾波電路的濾波效果好得多路的濾波效果好得多! ! 8.5.2 8.5.2 低通濾波器低通濾波器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院例例8.5.18.5.1 電路如圖電路如圖8.5.58.5.5（a a）所示，要求特征頻率）所示，要求特征頻率 ， 等效品質因數(shù)等效品質

56、因數(shù) ，試求該電，試求該電路中的各電阻阻值約為多少。路中的各電阻阻值約為多少。 KHzf10FC1 . 01Q解：解： 因為因為 ，故，故RCf210kCfR59. 11590101 . 0102121630因為因為 ，故，故VFAQ31213QAVF由于由于 ，因而有，因而有 。 211RRAfVF1RRf為使集成運放兩輸入端電阻對稱，應有為使集成運放兩輸入端電阻對稱，應有 kRRRf18. 32/1kRRf36. 618.5.2 8.5.2 低通濾波器低通濾波器 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.5.3 8.5.3 高通濾波器（高通濾波器（HPFH

57、PF）圖圖8.5.6 8.5.6 二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器利用有源低通濾波電路同樣的分析方法，得電路中傳遞函數(shù)為利用有源低通濾波電路同樣的分析方法，得電路中傳遞函數(shù)為 222ccVFsQssAsA二階有源二階有源RCRC高通濾波電路高通濾波電路傳遞函數(shù)的標準形式傳遞函數(shù)的標準形式 式中 ， 。RCc1VFAQ31 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.5.4 8.5.4 帶通濾波器（帶通濾波器（BPFBPF）圖圖8.5.78.5.7帶通濾波器組成原理帶通濾波器組成原理 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院圖圖

58、8.5.6 8.5.6 二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器低通濾低通濾波器波器高通濾高通濾波器波器為了使電路分析簡單，通常選取為了使電路分析簡單，通常選取 ， ， RR 3RR24CCC21帶通濾波電路的傳遞函數(shù)帶通濾波電路的傳遞函數(shù) 2)()3(1sRCsRCAsRCAsAVFVF式中式中 ，令，令 ， ，則有，則有 110RRAfVFRCc1VFAQ31， 22)(cccVFsQssAsA二階有源帶通濾電路二階有源帶通濾電路傳遞的標準形式。傳遞的標準形式。 8.5.4 8.5.4 帶通濾波器（帶通濾波器（BPFBPF） 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程

59、學院以以 取代取代s，可得，可得 j ccVFjQAsA1可得電路的幅頻特性可得電路的幅頻特性 221ccVFQAsA為了確定帶通濾波器的帶寬，令上式分母為為了確定帶通濾波器的帶寬，令上式分母為 ，即，即21ccQ解方程，取正根，可得兩個截止角頻率分別為解方程，取正根，可得兩個截止角頻率分別為QQQccL24122QQQccH241228.5.4 8.5.4 帶通濾波器（帶通濾波器（BPFBPF） 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院通帶帶寬為通帶帶寬為QfQBWccLH222可見，可見，Q Q越大，越接近中心頻率增益越大，通帶寬度越大，越接近中心頻率增益越

60、大，通帶寬度BWBW越窄，越窄，電路的選擇性越好。電路的選擇性越好。 221ccVFQAsA幅頻特性幅頻特性8.5.4 8.5.4 帶通濾波器（帶通濾波器（BPFBPF） 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院8.5.5 8.5.5 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEFBEF）圖圖8.5.98.5.9帶阻濾波器組成原理帶阻濾波器組成原理 退出淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院通常選取通常選取 RRR4325RR CCC32CC21可得帶阻濾波電路的傳遞函數(shù)可得帶阻濾波電路的傳遞函數(shù) 22)()2(211sRCsRCAsRCAsAVF