信號運算與處理電路-模電講義

1、 隨著集成電路技術的發(fā)展，各種各樣的集成電路不斷涌現。它們被工隨著集成電路技術的發(fā)展，各種各樣的集成電路不斷涌現。它們被工程技術人員當作積木塊構成各種電子系統(tǒng)。本章討論運放和乘法器的一些程技術人員當作積木塊構成各種電子系統(tǒng)。本章討論運放和乘法器的一些典型應用電路。典型應用電路。第第7章在討論在深度負反饋條件下對負反饋電路進行近似計算時，曾經章在討論在深度負反饋條件下對負反饋電路進行近似計算時，曾經得出兩個重要概念：得出兩個重要概念：1.集成運放兩個輸入端之間的電壓通常接近于零，即集成運放兩個輸入端之間的電壓通常接近于零，即vI=vN vP 0,若理想化，若理想化，vI=0，稱為虛短。，稱為虛短

2、。2.集成運放兩輸入端幾乎不取電流，即集成運放兩輸入端幾乎不取電流，即 iI 0,若理想化，若理想化，則則iI=0，iN =iP=0,稱為虛斷稱為虛斷。 利用這兩個概念分析各種運算與處理電路的線性工作（運放利用這兩個概念分析各種運算與處理電路的線性工作（運放組成的電路是負反饋電路）情況將十分方便。組成的電路是負反饋電路）情況將十分方便。虛短虛短vN =vP,虛斷虛斷iN =iP=0 8信號運算與處理電路信號運算與處理電路8.1基本運算電路基本運算電路 運放構成的基本運算電路主要有運放構成的基本運算電路主要有：比例、加法、減法、比例、加法、減法、微分、積分電路。微分、積分電路。 在分析時，在分析

3、時，要注意要注意輸入方式輸入方式，判別判別反饋的類型反饋的類型，利用虛利用虛短、虛斷的概念短、虛斷的概念，得出近似的，得出近似的結果結果。 比例放大器比例放大器1.反相比例反相比例 輸入信號從反相輸入端接入輸入信號從反相輸入端接入; 引入電壓并聯負反饋，運放工作在線性區(qū)。引入電壓并聯負反饋，運放工作在線性區(qū)。 利用虛短和虛斷的概念利用虛短和虛斷的概念，得電壓增益得電壓增益 電路特點電路特點：在理想情況下在理想情況下,該電路具有虛短、虛斷該電路具有虛短、虛斷、虛地概念。因有、虛地概念。因有“虛地虛地”，共模電壓為零共模電壓為零，故對共故對共模抑制比要求低模抑制比要求低；電路的電路的輸入電阻較小輸

4、入電阻較小，向信號源吸向信號源吸取的電流較大；電路的取的電流較大；電路的輸出電阻小輸出電阻小，帶負載能力強。帶負載能力強。 1RRvvfSo 2.同相比例同相比例 輸入信號從輸入信號從同相輸入同相輸入端接入端接入， 引入了引入了電壓串聯負反饋電壓串聯負反饋，利用虛短和虛斷的概念，有利用虛短和虛斷的概念，有11RRvvfso 1 sovv 電路特點：電路特點：在理想情況下在理想情況下,該電路具有虛短、虛斷概念。由于，共模該電路具有虛短、虛斷概念。由于，共模電壓不為零，故對運放的共模抑制比要求較高；電路的輸入電阻大，向信號電壓不為零，故對運放的共模抑制比要求較高；電路的輸入電阻大，向信號源吸取的電

5、流較?。浑娐返妮敵鲭娮栊?，帶負載能力強。源吸取的電流較?。浑娐返妮敵鲭娮栊?，帶負載能力強。 當當 R1= ,Rf=1時，電壓增益為時，電壓增益為1，輸出電壓與輸入電壓大小相等，輸出電壓與輸入電壓大小相等，相位相同，稱此電路為相位相同，稱此電路為電壓跟隨器電壓跟隨器。此電路隔離性好，常作為緩沖級。此電路隔離性好，常作為緩沖級。8.1.1加法電路加法電路利用虛短、虛斷，有利用虛短、虛斷，有)()(22112211RvRvRvRvRvRvssfossfo 8.1.2減法電路減法電路 利用反相信號求和實現減法運算利用反相信號求和實現減法運算1111sfovRRv 112122221112221)()(

6、)(222RRvvRRRvRRvRRRvRvRvfssfssffsofo 當當，2.利用差分式電路實現減法運算利用差分式電路實現減法運算 電壓增益電壓增益 輸入信號從兩個輸入端接入，放大的是兩輸入信號之差，因此稱為差分輸入信號從兩個輸入端接入，放大的是兩輸入信號之差，因此稱為差分式放大器。電路引入了電壓負反饋。式放大器。電路引入了電壓負反饋。利用虛短和虛斷的概念，有利用虛短和虛斷的概念，有ofSffNSPvRRRvRRRvvRRRv 11112323112RRvvvfiio 電路特點電路特點:該電路具有該電路具有虛短虛短、虛斷虛斷概念。概念。共模電壓不為零共模電壓不為零，故對運，故對運放的共模

7、抑制比要求較高；電路的放的共模抑制比要求較高；電路的輸出電阻小輸出電阻小，帶負載能力強。，帶負載能力強。 該電路可用于檢測儀器中。性能更好的差分式放大電路用多該電路可用于檢測儀器中。性能更好的差分式放大電路用多只運放實現。只運放實現。例例8.1.1 圖圖8.1.4所示為一高輸入阻抗，低輸出阻抗的儀用放大器。假設所示為一高輸入阻抗，低輸出阻抗的儀用放大器。假設集成運放是理想的，試證明集成運放是理想的，試證明)2/()()(124312111RRvvRvvvvRR )(21(211234vvRRRRvo )(21()(2112344334vvRRRRvvRRvo 由前差分電路結果得由前差分電路結果

8、得解：解：1)A1、A2組成的第組成的第一級差分電路引入電壓一級差分電路引入電壓串聯負反饋；串聯負反饋；A3組成組成的第二級差分電路也的第二級差分電路也引入電壓串聯負反饋；引入電壓串聯負反饋；2）電路為深度負反）電路為深度負反饋。由虛短和虛斷：饋。由虛短和虛斷： 8.1.3積分電路積分電路 輸入信號從反相端輸入輸入信號從反相端輸入，稱稱為為反相反相積分電路。積分電路。利用虛斷和虛地概念利用虛斷和虛地概念 dtRvCdtiCviiisccc1121 當輸入電壓為圖當輸入電壓為圖8.1.6a所所示的階躍電壓，輸出電壓與示的階躍電壓，輸出電壓與時間成近似線性關系。時間成近似線性關系。 tVdtVRC

9、vvSSco1 dtvRCvvsco1 圖圖8.1.5積分器實際應用時，由于集成運放的輸入失調電壓、積分器實際應用時，由于集成運放的輸入失調電壓、輸入偏置電流和失調電流的影響，常出現積分誤差。應選用輸入偏置電流和失調電流的影響，常出現積分誤差。應選用VIO、 IIO、 IIB 較小和低漂移運放，并在同相端接入可調平衡電較小和低漂移運放，并在同相端接入可調平衡電阻。阻。 積分電容的漏電流也是產生積分誤差的一個原因。積分電容的漏電流也是產生積分誤差的一個原因。 8.1.4微分電路微分電路dtdvRCvso 當輸入電壓為圖當輸入電壓為圖8.1.9a所所示的階躍電壓，輸出電壓示的階躍電壓，輸出電壓與時

10、間關系如圖與時間關系如圖8.1.9b。 如果輸入為正弦信號如果輸入為正弦信號vs = sin t, 則輸出信號則輸出信號vo= RC sin t電路對高頻噪聲特別敏感。電路對高頻噪聲特別敏感。 歸納與推廣歸納與推廣上述電路可在復頻域里分析，電阻、電容等寫成復阻抗的形式上述電路可在復頻域里分析，電阻、電容等寫成復阻抗的形式Z(s),s為復頻率。為復頻率。如反相比例電路的輸出電壓可寫成如反相比例電路的輸出電壓可寫成 )()()()(1sVsZsZsVsfo 例如圖例如圖所示的復合運算電路，其輸入和輸出信所示的復合運算電路，其輸入和輸出信號之間在復頻域中的關系為號之間在復頻域中的關系為式中第一、二項

11、表示比例運算；第三項表示微分運算；第四項式中第一、二項表示比例運算；第三項表示微分運算；第四項為積分運算。常稱其為為積分運算。常稱其為 PID調節(jié)器調節(jié)器。8.2實際運放運算電路的誤差分析實際運放運算電路的誤差分析 上面討論基本運算電路時，認為運放是理想的，即認為它的增益和輸入上面討論基本運算電路時，認為運放是理想的，即認為它的增益和輸入電阻及共模抑制比無窮大，輸出電阻為零，失調電流和電壓及其溫漂為零。電阻及共模抑制比無窮大，輸出電阻為零，失調電流和電壓及其溫漂為零。實際運放，除增益、輸入和輸出電阻接近理想，所帶來的誤差可忽略外，實際運放，除增益、輸入和輸出電阻接近理想，所帶來的誤差可忽略外，

12、而共模抑制比，失調電流和電壓及其溫漂的存在將在電路輸出端產生誤差而共模抑制比，失調電流和電壓及其溫漂的存在將在電路輸出端產生誤差，影響運算精度。，影響運算精度。 1共模抑制比為有限值的情況共模抑制比為有限值的情況以同相運算電路為例來討論。以同相運算電路為例來討論。 由上式可知，運放的開環(huán)增益由上式可知，運放的開環(huán)增益AVO和和共模抑制比共模抑制比KCMR越大，運算電路的增益越大，運算電路的增益AVF越接近理想情況下的值。越接近理想情況下的值。2.輸入失調電壓和失調電流不為零時的情況輸入失調電壓和失調電流不為零時的情況fRRR/12 同相輸入端電壓同相輸入端電壓假定運放的開環(huán)增益假定運放的開環(huán)增

13、益和輸入電阻為無窮大和輸入電阻為無窮大，外電路外電路 選選8.3對數和反對數運算電路對數和反對數運算電路8.3.1對數運算電路對數運算電路。室室溫溫時時等等于于，為為發(fā)發(fā)射射結結反反向向飽飽和和電電流流mVVIRIvvIivvveIiiTESESSTESCTBEoVvESECTBE26lnln/ 電路的輸出電壓和輸入電壓成對數關系。電路的輸出電壓和輸入電壓成對數關系。8.3.2反對數運算電路反對數運算電路 電路的輸出電壓和輸入電壓成反對數關系。電路的輸出電壓和輸入電壓成反對數關系。8.4模擬乘法器模擬乘法器 8.4.1基本概念基本概念 實現兩模擬輸入信號相乘的電路稱為模擬乘法器。實現兩模擬輸入

14、信號相乘的電路稱為模擬乘法器。 集成模擬乘法器主要有兩種結構形式：一類由對數和集成模擬乘法器主要有兩種結構形式：一類由對數和反對數電路構成；另一類為變跨導式。反對數電路構成；另一類為變跨導式。 分同相和反相模擬乘法器。分同相和反相模擬乘法器。 右圖為模擬乘法器的電右圖為模擬乘法器的電路符號，路符號，K為比例常數。為比例常數。8.4.2 模擬乘法器的應用模擬乘法器的應用1.除法運算電路除法運算電路 只有當只有當 vX2 為正極性時，才能保證電路處于負反饋工作狀為正極性時，才能保證電路處于負反饋工作狀態(tài)態(tài)，所得結果才正確。所得結果才正確。(+)()()2.開平方電路開平方電路電路如圖所示，由虛地的

15、概念有電路如圖所示，由虛地的概念有 v1為負極性，電路才能正常工作。為負極性，電路才能正常工作。 正電壓開平方電路如圖正電壓開平方電路如圖8.4.5所示，所示，分析可知，分析可知，v1為正為正時，電路為負反饋。時，電路為負反饋。3.調制和解調調制和解調調制調制將音頻信號將音頻信號“裝載裝載”于高頻信號的過程。于高頻信號的過程?？捎媚M乘法器實現，如圖可用模擬乘法器實現，如圖8.4.6所示所示乘法器的輸出是一標準的調幅波。乘法器的輸出是一標準的調幅波。解調解調（檢波）：從調幅波中提取調制信號（音頻信號）的過程。（檢波）：從調幅波中提取調制信號（音頻信號）的過程。8.5有源濾波電路有源濾波電路 濾

16、波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制（或大濾波器是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制（或大為衰減）無用頻率信號的電子裝置。為衰減）無用頻率信號的電子裝置。 常用作信號處理、數據傳送和抑制干擾等。常用作信號處理、數據傳送和抑制干擾等。 本節(jié)主要討論的有源模擬濾波器是由電阻、電容和集成本節(jié)主要討論的有源模擬濾波器是由電阻、電容和集成運放構成。運放構成。 有源模擬濾波器具有輸入阻抗大、輸出阻抗低的特點并有源模擬濾波器具有輸入阻抗大、輸出阻抗低的特點并具有一定的電壓放大和緩沖作用。具有一定的電壓放大和緩沖作用。 有源模擬濾波器存在工作頻率難以作的很高。有源模擬濾波器存在工作頻率難以作的很高。8.5

17、.1基本概念和初步定義基本概念和初步定義 濾波電路的一般結構如圖濾波電路的一般結構如圖8.5.1所示。假定濾波電路為線性所示。假定濾波電路為線性時不變網絡，在復頻域內有時不變網絡，在復頻域內有)()()( jejAjA dd)()(稱為電路的稱為電路的電壓傳遞函數電壓傳遞函數，一般為復數。，一般為復數。對于實際頻率來說對于實際頻率來說（s=j ),則有則有濾波電路所關心的另一量是濾波電路所關心的另一量是時延時延，它定義為，它定義為通常用復頻特性來表征一個濾波電路的特性，欲使信號通通常用復頻特性來表征一個濾波電路的特性，欲使信號通過濾波器的失真小，則應考慮相位和時延響應。過濾波器的失真小，則應考

18、慮相位和時延響應。 2 有源濾波器的分類有源濾波器的分類 通帶通帶：復頻響應中，復頻響應中，傳遞函數值不變所對應的頻率范圍。傳遞函數值不變所對應的頻率范圍。 阻帶：阻帶：信號受阻或衰減的頻率范圍信號受阻或衰減的頻率范圍 。 截止頻率截止頻率：通帶和阻帶的界限頻率。通帶和阻帶的界限頻率。 按照按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器分通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器分為低通為低通(LPF)、高通高通(HPF)、帶通、帶通(BPF)和帶阻和帶阻(BRF)濾波器四種類型。濾波器四種類型。1.一階低通濾波器一階低通濾波器 一階濾波器包含一個一階濾波器包含一個RC電路。圖電路。圖6.3.17(a)為一階低通濾波器電路，運放為一階低通濾波器電路，運放構成同相放大器，由圖可求得構成同相放大器，由圖可求得LPF的傳遞函數的傳遞函數 2.二階有源濾波器二階有源濾波器 為了改進濾波器的頻率特性，可采用二階有源濾波器。一個二階濾波為了改進