第7章信號運算和處理

1、 運算放大器是運算放大器是由直接耦合多級由直接耦合多級放大電路集成制放大電路集成制造的高增益放大造的高增益放大器，它是模擬集器，它是模擬集成電路最重要的成電路最重要的品種，廣泛應(yīng)用品種，廣泛應(yīng)用于各種電子電路于各種電子電路之中。之中。第第7章信號運算和處理章信號運算和處理7.1 7.1 理想集成運算放大器理想集成運算放大器7.27.2 集成運放在信號運算方面的應(yīng)用集成運放在信號運算方面的應(yīng)用7.3 7.3 集成運放在信號處理方面的應(yīng)用集成運放在信號處理方面的應(yīng)用 7.1.1 理想運算放大器的條件 7.1.2 理想運算放大器的分析依據(jù)7.1 理想集成運算放大器理想集成運算放大器 滿足下列參數(shù)指標(biāo)

2、的運算放大器可以視為理想運算滿足下列參數(shù)指標(biāo)的運算放大器可以視為理想運算放大器。放大器。1. 1.差模電壓放大倍數(shù)差模電壓放大倍數(shù)A Au ud d= = ，實際上實際上A Av vd d80dB80dB即可。即可。 2. 2.差模輸入電阻差模輸入電阻r rid id= = ，實際上實際上r rid id比輸入端外電路的電阻大比輸入端外電路的電阻大2 23 3個個 數(shù)量級即可。數(shù)量級即可。3. 3.輸出電阻輸出電阻r ro o=0=0，實際上實際上r ro o比輸入端外電路的電阻小比輸入端外電路的電阻小1 12 2個量級個量級 即可。即可。 4. 4.帶寬足夠?qū)?。帶寬足夠?qū)挕?5. 5.共模抑

3、制比足夠大。共模抑制比足夠大。 實際上在做一般原理性分析時，產(chǎn)品運算放大器都可以視實際上在做一般原理性分析時，產(chǎn)品運算放大器都可以視為理想的。只要實際的運用條件不使運算放大器的某個技術(shù)指為理想的。只要實際的運用條件不使運算放大器的某個技術(shù)指標(biāo)明顯下降即可。標(biāo)明顯下降即可。5.3.1 理想集成運算放大器的條件 idR2 2、線性分析依據(jù)、線性分析依據(jù): :（有負(fù)反饋或閉環(huán)）（有負(fù)反饋或閉環(huán)）(u+- - u- -)Au0 = uoAu0=u uo o= =有限值有限值所以：所以：u+= u- -虛短虛短動畫動畫)(0 虛斷IIuuOufR7.1.1 理想集成運算放大器的分析依據(jù)理想集成運算放大器

4、的分析依據(jù)+-I I+ +I I- -R Ri id dU UO O3 3 非線性分析依據(jù)（無負(fù)反饋或開環(huán)）非線性分析依據(jù)（無負(fù)反饋或開環(huán)）u+ u- -時，u0= UOMu+WL帶阻濾波器是由低通帶阻濾波器是由低通RCRC環(huán)節(jié)和高通環(huán)節(jié)和高通RCRC環(huán)節(jié)并聯(lián)而成的。環(huán)節(jié)并聯(lián)而成的。 高通WL 低通 WH ui uo WHWL7.3.2 7.3.2 比較器比較器 比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準(zhǔn)電壓相比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準(zhǔn)電壓相比較的電路。比較的電路。 常用的幅度比較電路有電壓幅度比較器、窗口比較常用的幅度比較電路有電壓幅度比較器、窗口比較器和具有滯回特性的比較器。這些比較器

5、的閾值是固器和具有滯回特性的比較器。這些比較器的閾值是固定的，有的只有一個閾值，有的具有兩個閾值。定的，有的只有一個閾值，有的具有兩個閾值。1 1 一般的比較器一般的比較器2 2 滯回比較器滯回比較器3 3 窗口比較器窗口比較器SchmittSchmitt觸發(fā)器觸發(fā)器 (1) (1) 過零比較器和電壓幅度比較器過零比較器和電壓幅度比較器 過零電過零電壓比較器是壓比較器是典型的幅度典型的幅度比較電路，比較電路，它的電路圖它的電路圖和傳輸特性和傳輸特性曲線如圖所曲線如圖所示。示。1 1 一般的比較器一般的比較器 傳輸特性傳輸特性例：已知輸入信號波形如圖，畫出輸出電壓的波形例：已知輸入信號波形如圖，

6、畫出輸出電壓的波形iuttouMUOMUO 將過零電壓比較器的一個輸入端從接地改接到一個電壓值U UR R 上 , 就得到電壓幅度比較器，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖所示。( (a) a)電路圖電路圖( (b)b)傳輸特性曲線傳輸特性曲線(2) (2) 固定電壓比較器固定電壓比較器( ( 輸出限幅）輸出限幅）ouiuRU理想實際ZUZUiuou1RZDRUouiuRU理想實際ZUZU另一種形式另一種形式的輸出限幅的輸出限幅固定電壓比固定電壓比較器較器iut10V-10V5V例：已知輸入信號波形如圖，畫出輸出電壓的波形例：已知輸入信號波形如圖，畫出輸出電壓的波形tOuMUOMUO例：電路如圖，已

7、知例：電路如圖，已知ui=Uimsinwt，且且RCT/2，畫出畫出UO1、UO2和和UO3的波形，的波形，設(shè)集成運放的最大設(shè)集成運放的最大 輸出電壓輸出電壓為為UOPP ui t uo2 t UOPP -2UOPP uo3 t UOPP 8+uiuo1uo2uo3RLRC uo1 t UOPP -UOPP 實例：街燈控制應(yīng)用電路實例：街燈控制應(yīng)用電路iuRU光檢測電路15V-15VCCV繼電器開關(guān)街燈光線保護作用：防止三極保護作用：防止三極管發(fā)射結(jié)反偏擊穿管發(fā)射結(jié)反偏擊穿在夜晚，在夜晚，uiUR集成運放的輸集成運放的輸出接近于出接近于-15-15V V，三極管截止三極管截止，繼電器中的電繼電

8、器中的電流為流為0 0，開關(guān)，開關(guān)斷開，街燈關(guān)斷開，街燈關(guān)閉。閉。2 2 滯回比較器滯回比較器單門限比較器，電路簡單，靈敏度高，但是抗干擾單門限比較器，電路簡單，靈敏度高，但是抗干擾能力差，為了提高抗干擾性，可采用滯回比較器。能力差，為了提高抗干擾性，可采用滯回比較器。電路分析電路分析估算跳變點的電壓估算跳變點的電壓很大時當(dāng)iuZUuo)(RRR)(RRRRZTUUu211212uI逐漸減小，當(dāng)逐漸減小，當(dāng)ui=u+時，輸出開始跳變，由時，輸出開始跳變，由- -UZ跳變?yōu)樘優(yōu)閁Z很小時當(dāng)iuZUuo)(RRR)(RRRRZTUUu211212ui逐漸增大，當(dāng)逐漸增大，當(dāng)ui=u+時，輸出開始

9、跳變，時，輸出開始跳變，由由UZ跳變?yōu)樘優(yōu)? -UZ例例1：電路如圖，已知輸入波形，畫出輸出電壓的波形：電路如圖，已知輸入波形，畫出輸出電壓的波形)(RRR)(RRRRZTUUu211212解V5 . 4)(RRR)(RRRRZTUUu211212V5 . 5iut1 0 V5 .5 V-4 .5 VtOvZVZV例例2：電路分別如圖：電路分別如圖1、圖、圖2，已知輸入波形，分別畫出輸出電壓，已知輸入波形，分別畫出輸出電壓的波形的波形tiu5Vtiu5VtouV.T54uV.T55utiu5.5V4.5VOut實例：街燈控制應(yīng)用電路實例：街燈控制應(yīng)用電路iuRU光光檢檢測測電電路路15V-1

10、5VCCV繼電器開關(guān)街燈噪噪聲聲光光線線光光線線該電路在實際該電路在實際應(yīng)用中常會出應(yīng)用中常會出現(xiàn)噪聲光源，現(xiàn)噪聲光源，如在很短時間如在很短時間內(nèi)云層引起的內(nèi)云層引起的光密度的脈動。光密度的脈動。輸出就會出現(xiàn)輸出就會出現(xiàn)誤動作。誤動作。RUtiutou實例：街燈控制應(yīng)用電路實例：街燈控制應(yīng)用電路iuRU光光檢檢測測電電路路CCV繼電器開關(guān)街燈噪噪聲聲光光線線光光線線1R2RRDTUtiutTUOu3 3 窗口比較器窗口比較器ouiuLUHURRRRouiuLUHUouiuLUHURRRROu2R1RRfRCD2D1方波發(fā)生器方波發(fā)生器tOuCv0OMUOMUOMRRRU211OMRRRU211動畫動畫2R1R3RC4R5ROvA1A21OvvD1D2tZVZV01OvtOvOMAXVOMINV三角波發(fā)生三角波發(fā)生器器動畫動畫(2)(2)比較