模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課件第21講_信號(hào)的運(yùn)算

1、第二十一講 信號(hào)的運(yùn)算一、概述二、比例運(yùn)算電路三、加減運(yùn)算電路四、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路五、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路六、模擬乘法器及其在運(yùn)算電路中的應(yīng)用一、概述一、概述 1. 電子系統(tǒng)簡(jiǎn)介電子系統(tǒng)簡(jiǎn)介傳感器傳感器接收器接收器隔離、濾波隔離、濾波放大、阻抗放大、阻抗變換變換運(yùn)算、轉(zhuǎn)運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、比較換、比較功率放大功率放大A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換第七章第七章第八章第八章第九章第九章信號(hào)的產(chǎn)生信號(hào)的產(chǎn)生電子信息系統(tǒng)的供電電源電子信息系統(tǒng)的供電電源第十章第十章2. 理想運(yùn)放的參數(shù)特點(diǎn)理想運(yùn)放的參數(shù)特點(diǎn) Aod、 rid 、fH 均均為無窮大，為無窮大，ro、失調(diào)電壓及其溫漂、失調(diào)電壓及其溫漂、失調(diào)電流及其

2、溫漂、噪聲均為失調(diào)電流及其溫漂、噪聲均為0。 因?yàn)橐驗(yàn)閡O為有限值，為有限值， Aod，所以所以 uNuP0，即，即 uNuP虛短路虛短路因?yàn)橐驗(yàn)閞id，所以，所以 iNiP0虛斷路虛斷路電路特征：引入電壓負(fù)反饋。電路特征：引入電壓負(fù)反饋。無源網(wǎng)絡(luò)無源網(wǎng)絡(luò)3. 集成運(yùn)放的線性工作區(qū)集成運(yùn)放的線性工作區(qū) uOAod(uP uN)4. 研究的問題研究的問題 （1）什么是運(yùn)算電路：運(yùn)算電路的輸出電壓是輸入電）什么是運(yùn)算電路：運(yùn)算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運(yùn)算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積壓某種運(yùn)算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對(duì)數(shù)、指數(shù)等。分、微分、對(duì)數(shù)、指數(shù)等。 （

3、2）描述方法：運(yùn)算關(guān)系式）描述方法：運(yùn)算關(guān)系式 uOf (uI) （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(diǎn)。是基本出發(fā)點(diǎn)。（1）識(shí)別電路。）識(shí)別電路。（2）求解運(yùn)算關(guān)系式。）求解運(yùn)算關(guān)系式。5、學(xué)習(xí)運(yùn)算電路的基本要求、學(xué)習(xí)運(yùn)算電路的基本要求二、比例運(yùn)算電路 1. 反相輸入反相輸入1) 電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？2) 電路的輸入電阻為多少？電路的輸入電阻為多少？3) R？為什么？為什么？4) 若要若要Ri100k，比例系數(shù)為，比例系數(shù)為100，R1？ Rf？Rf太大，噪聲大。如何利用相對(duì)小太大，噪聲大。如何利用相對(duì)小的電阻獲得的電阻獲得1

4、00的比例系數(shù)？的比例系數(shù)？+_iN=iP=0，uN=uP=0虛地虛地在節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)N：RuiiRIFIffFOuRRRiuT 形反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路形反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路I12MuRRuI342142O)1 (uRRRRRRu？，則，若比例系數(shù)為？，則若要求3421ik100100k100RRRRR利用利用R4中有較大電流來獲得較大數(shù)值的比例系數(shù)。中有較大電流來獲得較大數(shù)值的比例系數(shù)。432MO)(Riiuu1I12Ruii3M3 Rui IfONfOIPN)1 ()1 (uRRuuRRuuuu運(yùn)算關(guān)系的分析方法：節(jié)點(diǎn)電流法運(yùn)算關(guān)系的分析方法：節(jié)點(diǎn)電流法2. 同相輸入同相輸入1) 電路

5、引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？2) 輸入電阻為多少？輸入電阻為多少？3) 電阻電阻R？為什么？為什么？4) 共模抑制比共模抑制比KCMR時(shí)會(huì)影響運(yùn)算精度嗎？為什么？時(shí)會(huì)影響運(yùn)算精度嗎？為什么？IPNOuuuu同相輸入比例運(yùn)算電路的特例：電壓跟隨器同相輸入比例運(yùn)算電路的特例：電壓跟隨器? )3? )2? ) 1IcoiuRRF三、加減運(yùn)算電路三、加減運(yùn)算電路 1. 反相求和反相求和3I32I211I321FPN 0RuRuRuiiiiuuRRR)(3I32I211IffFORuRuRuRRiu方法一：節(jié)點(diǎn)電流法方法一：節(jié)點(diǎn)電流法1. 反相求和反相求和I33fI22fI11f

6、O3O2O1OuRRuRRuRRuuuu方法二：利用疊加原理方法二：利用疊加原理 首先求解每個(gè)輸入信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的輸出電壓，然后將所首先求解每個(gè)輸入信號(hào)單獨(dú)作用時(shí)的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號(hào)同時(shí)作用時(shí)的輸出電壓。有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號(hào)同時(shí)作用時(shí)的輸出電壓。I33fO3I22fO2uRRuuRRu同理可得1I1fO1uRRu2. 同相求和同相求和 設(shè)設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rf利用疊加原理求解：利用疊加原理求解： 令令uI2= uI3=0，求，求uI1單獨(dú)單獨(dú)作用時(shí)的輸出電壓作用時(shí)的輸出電壓 在求解運(yùn)算電路時(shí)，應(yīng)選擇合適的方法，使運(yùn)算結(jié)果在求解運(yùn)算電路時(shí)，應(yīng)

7、選擇合適的方法，使運(yùn)算結(jié)果簡(jiǎn)單明了，易于計(jì)算。簡(jiǎn)單明了，易于計(jì)算。1I4321432f1O)1 (uRRRRRRRRRu 同理可得，同理可得， uI2、 uI3單獨(dú)作用時(shí)的單獨(dú)作用時(shí)的uO2、 uO3，形式與，形式與uO1相同，相同， uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意義清楚，計(jì)算麻煩！物理意義清楚，計(jì)算麻煩！ 2. 同相求和同相求和 設(shè)設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rfff3I32I211IPfPfO)()1 (RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu與反相求和運(yùn)算電路與反相求和運(yùn)算電路的結(jié)果差一負(fù)號(hào)的結(jié)果差一負(fù)號(hào)4321iiii4P3PI32PI

8、21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)( )(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu必不可少嗎？必不可少嗎？3. 加減運(yùn)算加減運(yùn)算 利用求和運(yùn)算電路的分析結(jié)果利用求和運(yùn)算電路的分析結(jié)果)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu設(shè)設(shè) R1 R2 Rf R3 R4 R5)(I1I2fOuuRRu若若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?實(shí)現(xiàn)了差分實(shí)現(xiàn)了差分放大電路放大電路四、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路四、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路 1. 積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路RuiiRCI)(11O IO21tuuRCu

9、ttIO1uRCu)()(1 1O12IO21ItuttuRCuttu為常量，則在若RuCuuICO1移相移相利用積分運(yùn)算的基本關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同的功能利用積分運(yùn)算的基本關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同的功能1) 輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出電壓波形？輸入為階躍信號(hào)時(shí)的輸出電壓波形？2) 輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？3) 輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？線性積分，延時(shí)線性積分，延時(shí)波形變換波形變換2. 微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路tuRCRiutuCiiRCRddddIOI 為了克服集成運(yùn)為了克服集成運(yùn)放的阻塞現(xiàn)象和自放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實(shí)用電路激振蕩，實(shí)用電路應(yīng)采取措

10、施。應(yīng)采取措施。限制輸限制輸入電流入電流限制輸出限制輸出電壓幅值電壓幅值滯后補(bǔ)償滯后補(bǔ)償RuiiRIC對(duì)輸入電壓的極性和幅值有何要求？對(duì)輸入電壓的極性和幅值有何要求？RIuUuuSITBEOln五、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路五、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算對(duì)數(shù)運(yùn)算實(shí)用電路中常常采取措施實(shí)用電路中常常采取措施消除消除IS對(duì)運(yùn)算關(guān)系的影響對(duì)運(yùn)算關(guān)系的影響TBEeSCUuIi 利用利用PN結(jié)端電結(jié)端電壓與電流的關(guān)系壓與電流的關(guān)系集成對(duì)數(shù)運(yùn)算電路集成對(duì)數(shù)運(yùn)算電路TBE1eS3I1I1CUuIRuii3SITBE1lnRIuUuSTSREFTBE2ln lnIIURIUUuR同理，3ITBE

11、1P2N2lnRIuUuuuR3IT52N252Oln)1 ()1 (RIuURRuRRuRBEIuu 對(duì)輸入電壓的極性和幅值有何要求？對(duì)輸入電壓的極性和幅值有何要求？TIeSOUuRRIRiu2. 指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路TIeSEUuRIii3. 乘法、除法運(yùn)算電路乘法、除法運(yùn)算電路六、模擬乘法器及其在運(yùn)算電路中的應(yīng)用1. 模擬乘法器簡(jiǎn)介模擬乘法器簡(jiǎn)介1) 變跨導(dǎo)型模擬乘法器的基本原理變跨導(dǎo)型模擬乘法器的基本原理XcmcC2C1O)(uRgRiiuTTEQm2UIUIgeBE3YRuuIeTYmBE3Y2RUuguu，則若YXeTcO2uuRURu 實(shí)際電路需在多方面改進(jìn)，如線性度、溫度的

12、影響、實(shí)際電路需在多方面改進(jìn)，如線性度、溫度的影響、輸入電壓的極性等方面。輸入電壓的極性等方面。 理想情況下，理想情況下，ri1、 ri2、fH為無窮大，為無窮大， 失調(diào)電壓、電流失調(diào)電壓、電流及其溫漂為及其溫漂為0，ro為為0， ux 、uy 幅值變化時(shí)幅值變化時(shí) k 值不變。值不變。 有單象限、兩象限和四象有單象限、兩象限和四象限之分。限之分。2)2)模擬乘法器的符號(hào)及等效電路模擬乘法器的符號(hào)及等效電路YXOukuu ) cos21 (2 sin2 sin22i22iOiItkUtkUutUu則若2. 在運(yùn)算電路中的基本應(yīng)用在運(yùn)算電路中的基本應(yīng)用2)2)乘方運(yùn)算乘方運(yùn)算1)1)乘法運(yùn)算乘法

13、運(yùn)算I2I1Oukuu 實(shí)際的模擬乘法器實(shí)際的模擬乘法器k常為常為+0.1V-1或或0.1V-1。 若若k= +0.1V-1，uI1= uI2=10V，則則 uO=10V。2IOkuu 實(shí)現(xiàn)了對(duì)正弦波實(shí)現(xiàn)了對(duì)正弦波電壓的二倍頻變換電壓的二倍頻變換 為使電路引入的是負(fù)反饋，為使電路引入的是負(fù)反饋，k和和uI2的極性應(yīng)如何？的極性應(yīng)如何？21ii 2. 在運(yùn)算電路中的基本應(yīng)用在運(yùn)算電路中的基本應(yīng)用3)3)除法運(yùn)算除法運(yùn)算I2I112OkuuRRu運(yùn)算電路中集成運(yùn)放必須引入負(fù)反饋！運(yùn)算電路中集成運(yùn)放必須引入負(fù)反饋！1i2i 若集成運(yùn)放的同相輸入端與若集成運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端互換，則反相輸入端

14、互換，則k和和uI2的的極性應(yīng)如何？極性應(yīng)如何？2O1I1RuRuOI2I112OukuuRRu2OI12OkuuRRu為滿足上式，電路中為滿足上式，電路中uI、 uO、k的極性是什么？為什么？的極性是什么？為什么？3. 開方運(yùn)算開方運(yùn)算I12OukRRu 若集成運(yùn)放的負(fù)反饋通路中為某種運(yùn)算電路，則整個(gè)若集成運(yùn)放的負(fù)反饋通路中為某種運(yùn)算電路，則整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)其逆運(yùn)算，如除法運(yùn)算電路、開方運(yùn)算電路。電路實(shí)現(xiàn)其逆運(yùn)算，如除法運(yùn)算電路、開方運(yùn)算電路。如何實(shí)現(xiàn)開三次方運(yùn)算電路？如何實(shí)現(xiàn)開三次方運(yùn)算電路？若若uO0，則有何變化？，則有何變化？討論一：電路如圖所示（1）組成哪種基本運(yùn)算電路？與用一個(gè)運(yùn)放組成的）組成哪種基本運(yùn)算電路？與用一個(gè)運(yùn)放組成的完成同樣運(yùn)算的電路的主要區(qū)別是什么？完成同樣運(yùn)算的電路的主要區(qū)別是什么？（2）為什么在求解第一級(jí)電路的運(yùn)算關(guān)系時(shí)可以不）為什么在求解第一級(jí)電路的運(yùn)算關(guān)系時(shí)可以不考慮第二級(jí)電路對(duì)它的影響？考慮第二級(jí)電路對(duì)它的影響？討論二：求解圖