電子技術(shù)及其應(yīng)用基礎(chǔ) 模擬部分 李哲英02anal6

1、第6章 模擬信號處理電路6-1 放大電路6-2 信號發(fā)生器電路6-3 模擬信號運算電路6-4 濾波電路 6-5 模擬信號變換電路6-6 開關(guān)電容電路 基本任務(wù)：（1）根據(jù)實際電路或電路的物理模型建立分析模型（2）找出電路基本行為特性及電路主要參數(shù)的作用 Analog signal processing5-16-1-1、同相放大器 6-1-2、反相放大器 6-1-3、差分放大電路 分析前提：理想運算放大器_ v+= v， I +=I=0 線性非時變元件6-1 放大電路 Amplify circuits2+-RR2R1voviv+= v i v+= v- 具有信號電壓放大能力 電壓放大倍數(shù)1 同相

2、輸入和輸出信號的相位相同。 v i vo 6-1 放大電路 1、電路行為特性分析 理想情況下viRR1R2v+v-voK(v+- v-)6-1-1 同相放大器 Non-invert input3（1）電路中的電阻 電壓放大倍數(shù)僅與外電阻有關(guān) R沒有對行為產(chǎn)生影響 （2）對運算放大器的要求 閉環(huán)放大倍數(shù)遠(yuǎn)小于開環(huán)放大倍數(shù) 最高輸出電壓低于器件飽和電壓 信號最大變化率小于放大器的跟蹤速度 頻率與增益的乘積滿足器件的帶寬增益乘積 6-1 放大電路 +-RR2R1vovi2、參數(shù)特性分析 理想情況下viRR1R2v+v-voK(v+- v-)6-1-1 Non-invert input4考慮兩輸入端之

3、間的等效電阻。 vi= vo =0vO6-1 放大電路 +-RR2R1vovi非理想情況下viRR1R2v+v-voK(v+- v-)若v+= v- ，i+= i- i+i- 克服輸入偏置電流引起的輸入失調(diào)電壓。 6-1-1 Non-invert input5同相放大器分析示例 例6-1-1 設(shè)輸入電壓幅度為020mV，電源電壓為12V。問在不考慮信號頻率的條件下，電壓增益最大為多少？如果考慮信號頻率為10kHz，同相放大電路的電壓增益又是多少？解：（1）不考慮頻率，用運算放大器飽和輸出電壓作為限制條件 10V/20mV = 500倍 （2）考慮信號頻率，必須用小信號幅頻特性作為限制條件 40

4、dB = 100倍6-1 放大電路 6-1-1 同相放大器+-RR2R1vovi66-1-2 反相放大器 Invert input反相指輸入和輸出信號的相位相反。 v+= 0，v=0 輸入和輸出信號的相位相反 是一個比例放大器v i vo 6-1 放大電路 1、電路行為特性分析 理想情況下-+RR2R1voviviR1RR2v+v-voK(v+- v-)76-1 放大電路 6-1-2 Invert input2、參數(shù)特性分析 理想情況下（1）電路中的電阻 電壓放大倍數(shù)僅與外電阻有關(guān) R沒有對行為產(chǎn)生影響 放大倍數(shù)小于時，應(yīng)采用大信號參數(shù)（2）對運算放大器的要求 閉環(huán)放大倍數(shù)遠(yuǎn)小于開環(huán)放大倍數(shù)

5、最高輸出電壓低于器件飽和電壓 信號最大變化率小于放大器的跟蹤速度 頻率與增益的乘積滿足器件的帶寬增益乘積 -+RR2R1voviviR1RR2v+v-voK(v+- v-)8v+= -i+R 6-1 放大電路 考慮兩輸入端之間的等效電阻。 非理想情況下6-1-2 Invert input-+RR2R1voviviR1RR2v+v-voK(v+- v-)i-i+若v+= v- ，i+= i- 克服輸入偏置電流引起的輸入失調(diào)電壓。 9例6-1-2 設(shè)輸入信號的最大電壓幅度為5V，頻率為10kHz，電源電壓為12V，問電壓增益最大為多少？ 解：（1）不考慮信號頻率，用運算放大器飽和輸出電壓作為限制條

6、件 10/5 = 2 （2）考慮信號頻率，必須用大信號幅頻特性作為限制條件 9.4dB = 3倍6-1 放大電路 反相放大器分析示例6-1-2 反相放大器-+RR2R1vovi10一、單運放差分電路 二、三運放差分電路 6-1 放大電路 6-1-3 差分放大器 Differential input+-R1vi2vi1R3R2R4vo+-R1vi2vi1R1R2R2voRR-+-RW116-1 放大電路 6-1-3 差分放大器_單運放差分電路 +-R1vi2vi1R3R2R4vo1、電路行為特性分析 理想情況下vi2vi1R4R3R2R1vov-v+12（1）電路中的電阻 兩輸入的電壓放大倍數(shù)必

7、須相等（2）對運算放大器的要求與同相放大器相同 6-1 放大電路 6-1-3 差分放大器_單運放差分電路 +-R1vi2vi1R3R2R4vo2、參數(shù)特性分析 理想情況下仿真vi2vi1R4R3R2R1vov-v+136-1 放大電路 6-1-3 差分放大器_三運放差分電路 1、電路行為特性分析 理想情況下+-R1vi2vi1R1R2R2voRR-+-+RWvi2vi1R2R1R2R1vo-+-+-RRvo2vo1RW輸入放大差分放大146-1 放大電路 6-1-3 差分放大器_三運放差分電路 2、參數(shù)特性分析 理想情況下+-R1vi2vi1R1R2R2voRR-+-RWvi2vi1R2R1R

8、2R1vo-+-+-RRvo2vo1RW輸入放大差分放大 輸入端具有相當(dāng)高的電阻 共模抑制比由電阻決定 無偏置電流通道 15例6-1-6 試分析電阻電橋測量電路的基本特性。解：（1）電路行為特性分析 （2）參數(shù)分析 必須滿足rr 通過測量電橋向運算放大器提供偏置電流通道 當(dāng)rr，則vi1-vi2 -5r/2r 6-1 放大電路 三運放差分電路示例6-1-3 差分放大器voRW+-RR5VrR1R1R2R2vi2vi1r + rrr-+-+-5V16第6章 模擬信號處理電路6-1 放大電路6-2 信號發(fā)生器電路6-3 模擬信號運算電路6-4 濾波電路 6-5 模擬信號變換電路6-6 開關(guān)電容電路

9、 基本任務(wù)：（1）根據(jù)實際電路或電路的物理模型建立分析模型（2）找出電路基本行為特性及電路主要參數(shù)的作用 Analog signal processing5-176-2-1、基本工作原理 6-2-2、基本信號發(fā)生電路 6-2 Signal Generator信號周期信號 非周期信號 函數(shù)發(fā)生電路原理 振蕩電路原理 正弦波振蕩電路 脈沖發(fā)生電路 信號發(fā)生控制輸出驅(qū)動電源18 利用相應(yīng)的電路實現(xiàn)對輸入信號的某種運算，使輸出信號的波形滿足相應(yīng)的函數(shù)。 令a=0，則 6-2-1 基本工作原理_函數(shù)發(fā)生電路原理 6-2 信號發(fā)生電路 19 沒有外來輸入信號作用，仍能輸出具有一定幅度的周期信號。6-2-1

10、 基本工作原理_振蕩電路原理 AFXY+振蕩電路基本條件： （1）幅度條件A + F = 2n （2）相位條件AFY6-2 信號發(fā)生電路 20一、電路行為特性分析 二、參數(shù)分析 6-2 信號發(fā)生電路 6-2-2 基本振蕩電路_正弦波振蕩電路 AFY+R2RvoCRCR1+R2Rvo1/SCRR11/SC21Z1Z2令Vo=Vf一、電路行為特性分析6-2 信號發(fā)生電路 +R2Rvo1/SCRR11/SC6-2-2 基本振蕩電路_正弦波振蕩電路 +R2Rvo1/SCRR11/SCvf滿足振蕩條件22s=jw 電路振蕩時的諧振頻率為： f0 =1/2pRC 二、參數(shù)特性分析+R2Rvo1/SCRR1

11、1/SC6-2-2 基本振蕩電路_正弦波振蕩電路 令w0=1/RC 當(dāng)w= w0 時滿足相位條件，則當(dāng)滿足幅度條件時仿真6-2 信號發(fā)生電路 23參數(shù)設(shè)計：+R2Rvo1/SCRR11/SC6-2-2 基本振蕩電路_正弦波振蕩電路 當(dāng)w= w0 =1/RC時滿足相位條件R1=5kR2= 2R1=10k當(dāng)滿足幅度條件時設(shè)正弦波頻率為160Hz，則選C=0.1uF， R=10k思考：（1）起振（2）穩(wěn)幅A + F = 2nR1或R2隨時間變化6-2 信號發(fā)生電路 24T脈沖信號的周期 TT1VT1/T 占空比 V 脈沖信號的幅度 一、脈沖信號6-2-2 基本振蕩電路_脈沖發(fā)生電路 二、脈沖信號發(fā)生

12、電路+-voRR1CR21、電路行為特性分析 2、參數(shù)分析 6-2 信號發(fā)生電路 256-2-2 基本振蕩電路_脈沖發(fā)生電路 二、脈沖信號發(fā)生電路1、電路行為特性分析 +-voRR1CR2+-voRR11/SCR2vf滿足振蕩條件6-2 信號發(fā)生電路 26（1）電容充電階段（放大器飽和輸出階段） 6-2-2 基本振蕩電路_脈沖發(fā)生電路 二、脈沖信號發(fā)生電路2、參數(shù)特性分析 +-voRR1CR2（2）電容放電階段（放大器零輸出階段） vCFVOvOVOTT/26-2 信號發(fā)生電路 27例6-2-2 設(shè)脈沖信號頻率為1kHz，幅度為5V，使用LM324，試計算電路中的元件參數(shù)，并確定運放的電源電壓

13、。 解：（1）計算R、R1 、R1和C （2）選擇 LM324電源電壓令f = 1/2RC = 1000Hz，RC = 0.510-3R2=1.13R1令R1 = 10kW，則R2 = 11.3kW 令R = 10kW，則C = 0.05mFLM324的電源電壓約為7V。 脈沖信號發(fā)生電路示例6-2-2 基本信號發(fā)生電路+-voRR1CR2vCFVOvOVOTT/26-2 信號發(fā)生電路 28第6章 模擬信號處理電路6-1 放大電路6-2 信號發(fā)生器電路6-3 模擬信號運算電路6-4 濾波電路 6-5 模擬信號變換電路6-6 開關(guān)電容電路 基本任務(wù)：（1）根據(jù)實際電路或電路的物理模型建立分析模型

14、（2）找出電路基本行為特性及電路主要參數(shù)的作用 Analog signal processing5-296-3-1、加法/減法電路 add and subtract6-3-2、對數(shù)放大器電路 Logarithm6-3-3、乘法電路 Multiplication6-3 模擬運算電路 Calculating circuits6-3-4、積分/微分電路 Integrator and differential 指電路對輸入的電壓信號進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，并把結(jié)果以信號波形方式輸出。 30實現(xiàn)輸入信號求和放大。 一、加法電路反相加法器 同相加法器 二、減法電路差分電路 取反加法電路 6-3-1 加法/減法電路

15、Adder/subtract 6-3 模擬運算電路 R1vo+-R1R2Rvi2vi1+-vi2vi1RR1R2Rvo+-R2R3R1R4vovi1vi2+-+-v1v2voRRR3R4R2R1R31一、加法器_反相加法器v+= v = 0，Ii1 +Ii2+If =0（1）電路行為分析 （2）參數(shù)分析 令1/(1+D)=1+k， 得R1vo+-R1R2Rvi2vi16-3 模擬運算電路 6-3-1 加法/減法電路R1vo+-R1(1+D)R2Rvi2vi1對電阻R1誤差限制32（1）電路行為分析 v+= v（2）參數(shù)分析 兩輸入電阻的誤差要求不大，但必須注意因為偏置電流引起的輸出失調(diào)電壓。

16、+-vi2vi1RR1R2Rvo6-3 模擬運算電路 6-3-1 加法/減法電路一、加法器_同相加法器33（1）電路行為分析 如果R1=R3，R2=R4，則 （2）參數(shù)分析 必須按照差分電路對電阻的要求選擇電路的電阻參數(shù)。 +-R2R3R1R4vovi1vi26-3 模擬運算電路 6-3-1 加法/減法電路二、減法器_差分減法器34+-+-v1v2voRRR3R4R2R1R 對電路要求與加法器和反相放大的要求相同，但必須注意連電路連接時要求前極電路輸出電阻小、后級電路輸入電阻大的要求。 課后練習(xí)6-3 模擬運算電路 （1）電路行為分析 （2）參數(shù)分析 6-3-1 加法/減法電路二、減法器_取反

17、相加減法器35vo = -vce = -vbe （1）電路行為分析 v-=v+= 0 ii = vi / R1，ic =ii vo = -VTln (vi/R1)+VTlnIES 是一種非線性放大器 。 對器件特性和參數(shù)依賴較大，精度不易做得很高。 Tvi+-voR1R+-bceviR1RvoK(v+-v-)rTIc6-3 模擬運算電路 6-3-2 對數(shù)放大電路 LogarithmVT = 26mV利用PN結(jié)的指數(shù)伏安特性36vo = -26( mV)ln ( vi /R1)+常數(shù) （2）參數(shù)分析 輸出電壓的幅度不可能超過b-e結(jié)壓降 電阻R用于抑制失調(diào)電壓，應(yīng)選擇R=R1 。 對數(shù)放大器的特

18、性僅與R1有關(guān)。 6-3 模擬運算電路 Tvi+-voR1R6-3-2 對數(shù)放大電路 Logarithm37一、電路基本工作原理與理想特性 二、模擬乘法器的工程應(yīng)用參數(shù) （a）乘法器電路符號（b）四象限乘法器傳輸特性1）輸出失調(diào)電壓 2）滿量程誤差 3）非線性誤差 4）誤差溫度系數(shù) 2）小信號帶寬 3）轉(zhuǎn)換速率 vxvyvo=K vy vyvyvxvo6-3 模擬運算電路 6-3-3 乘法電路 Multiplayer38一、一階積分電路 二、一階微分電路 +-R1RCvovi+-voCRR1vi6-3 模擬運算電路 6-3-4 Integrator and differential39積分電路

19、實際上就是一種低通濾波器。 高頻信號的增益為零 低頻信號的增益很大 直流信號的增益為無限大 6-3 模擬運算電路 6-3-4 積分/微分電路一、一階積分電路+-R1RCvovi（1）電路行為分析 當(dāng)vi=u(t) 時，tvi輸入階躍信號理想積分器輸出信號tvoFirst order401）理想積分器的時間常數(shù)t=RC，因此必須根據(jù)信號所要求的最大積分時間選擇積分常數(shù)，否則將會引起信號失真。 2）必須考慮運算放大器失調(diào)電壓Vos和偏置電流Ib所引起的誤差。 選擇失調(diào)電壓小的運算放大器 選擇偏置電流小的運算放大器 選擇較大的電容值 ，使RC盡量大 6-3 模擬運算電路 （2）參數(shù)分析 6-3-4

20、積分/微分電路一、一階積分電路+-R1RCvovi仿真41積分電路示例例6-3-1 試分析該比例積分放大器的行為特性。解：6-3 模擬運算電路 6-3-4 積分/微分電路+-RR1viCRfvo仿真42 微分電路可以被看作是一種隔離直流電壓信號的電路。 6-3 模擬運算電路 6-3-4 積分/微分電路二、一階微分電路（1）電路行為分析 +-RR1viCvovit輸入階躍信號微分器輸出信號votttvivo（2）電路行為分析 與積分電路相同仿真43第6章 模擬信號處理電路6-1 放大電路6-2 信號發(fā)生器電路6-3 模擬信號運算電路6-4 濾波電路 6-5 模擬信號變換電路6-6 開關(guān)電容電路

21、基本任務(wù)：（1）根據(jù)實際電路或電路的物理模型建立分析模型（2）找出電路基本行為特性及電路主要參數(shù)的作用 Analog signal processing5-446-4-1、濾波器的基本概念 6-4-2、低通濾波器LP 6-4 濾波電路 Filter circuits6-4-3、高通濾波器HP 6-4-4、帶通濾波器BP 工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的 組成信號的各頻率的正弦波叫做信號的諧波成分或頻率成分。 只允許一定頻率范圍內(nèi)的頻率成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。 456-4-1、濾波器的基本概念利用電路的頻率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。

22、 通頻帶 ：增益幅度不為零的頻率范圍。 阻帶 ：增益幅度為零的頻率范圍 。 低通濾波器高通濾波器帶通濾波器 6-4 濾波電路 466-4-2、低通濾波器LP (low path)只允許低于截止頻率的信號通過。一、一階低通Butterworth濾波器 二、二階低通Butterworth濾波器 6-4 濾波電路 RviCR1-+vo-+R1RCR2vivoRC-+RCviR2R1vo47一、一階低通Butterworth濾波器6-4 濾波電路 6-4-1 低通濾波器-+R1RCR2vivo正弦穩(wěn)態(tài)時，s = j（1）電路行為分析 （2）參數(shù)分析 48（1）電路行為分析 （2）參數(shù)分析 k =1+R

23、2/R1 Q=1/(3-k) w0=1/RC 6-4 濾波電路 二、二階低通Butterworth濾波器6-4-1 低通濾波器RC-+RCviR2R1voP通帶增益品質(zhì)因數(shù)特征角頻率49只允許高于截止頻率的信號通過 。k = 1+R1/R2 Q=1/(3-k) w0=1/RC 6-4 濾波電路 6-4-3、高通濾波器HP (High pass)（1）電路行為分析 （2）參數(shù)分析 RvivoCR1+RR2Cvp50第6章 模擬信號處理電路6-1 放大電路6-2 信號發(fā)生器電路6-3 模擬信號運算電路6-4 濾波電路 6-5 模擬信號變換電路6-6 開關(guān)電容電路 基本任務(wù)：（1）根據(jù)實際電路或電路

24、的物理模型建立分析模型（2）找出電路基本行為特性及電路主要參數(shù)的作用 Analog signal processing5-516-5 模擬信號變換電路6-5-2、信號調(diào)制電路模塊用于對模擬信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，以便傳輸或處理。 幅度調(diào)制頻率調(diào)制鍵控頻移調(diào)制信號調(diào)制最大值提取電路有效值提取電路信號參數(shù)提取正弦波方波轉(zhuǎn)換電路電壓頻率轉(zhuǎn)換頻率電壓轉(zhuǎn)換信號類型轉(zhuǎn)換6-5-1、模擬信號變換的基本概念 526-5-1、模擬信號變換的基本概念一、模擬信號變換的基本定義 信號變換指把一種波形轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N波形，在變換過程的前后， 保持信息不變或不受破壞。 （1）vA vBvB = f (vA) （2）vB vAvA = g (vB)（3） vB = f (vA)、 vA = g(vB)為可恢復(fù)變換對vB = f ( g(vB) )二、模擬信號變換損失 （1）幅度損失（2）相位損失6-5 模擬信號變換電路 536-5-2、信號調(diào)制電路模塊 modulation 把一個低頻信號用一個高頻信號馱載起來，形成一個以低頻