模電第五部分信號運算和處理電路

第五部分信號運算和處理一、信號運算電路二、信號電壓比較電路三、信號有源濾波電路集成運算放大器的概述1、運算放大器的符號+－V+V－Vo+－ViAo運放的符號

2、運算放大器模型實際運放模型放大器的模型有四種:電壓放大器、電流放大器、互阻放大器和互導(dǎo)放大器。應(yīng)用最普遍的集成運算放大器的模型是電壓放大器。（VCVS）RoRi+－+－ViVo+－Vo/等效電路理想運放模型①理想化的條件

②理想運放的特征及等效電路兩輸入端之間的電壓Vi=0，既虛短。兩輸入端之間的電流Ii=0，既虛斷。等效電路+－+－ViVo+－VoVi=0Ii=0+－特征Ao

=∞Ri

=∞Ro=0B=∞CMRR=∞3、運放的電壓傳輸特性注意1、運放開環(huán)工作時Auo很大，極易進入限幅區(qū)，所以開環(huán)時不能作為放大器使用。2、在線性區(qū)uid很小，兩輸入端可視為“虛短路”；在限幅區(qū)，uid可以很大，兩輸入端不能視為“虛短路”。4、運放的兩種基本組態(tài)

集成運放的電路形式很多，但是根據(jù)信號輸入端的不同，將運放電路分成兩種最基本的組態(tài)。即反相組態(tài)和同相組態(tài)。+－+－VSVo+－R1RfRp反相組態(tài)+－+－VSVo+－R1RfRp同相組態(tài)反相組態(tài)同相組態(tài)

運放構(gòu)成信號運算電路時工作在線性區(qū),因而電路中引入負反饋。根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)的不同形式,運放可以實現(xiàn)模擬量之間的四則運算、微積分運算、指數(shù)對數(shù)運算等。一、比例運算電路1、反相比例電路利用虛短和虛斷的條件得ViR1－VoRf=Vo=－RfR1Vi

第一講信號運算電路+－ViVoR1RfRpIiIf2、符號變換器（倒相器）在上式中如果R1=Rf

則有Vo=－Vi反相比例電路的特征◆共模輸入電壓為零，對運放的共模抑制比要求較低；◆深度電壓負反饋的作用，輸出電阻可視為零；◆輸入電阻較小，Ri≈R1，對輸入電流有一定的要求。+－ViVoR1RfRpIiIf3、同相比例電路利用虛短和虛斷的條件得ViR1Vo－ViRf=Vo=

（1+

）RfR1Vi4、電壓跟隨器

如果

Rf

=0

或R1=∞就有Vo=Vi同相比例電路特征◆輸入電阻很高，可達1000M以上；◆共模電壓等于輸入電壓，對運放的CMRR要求較高。+－ViVoR1RfRpIiIf二、加法和減法電路1、反相加法電路利用虛短和虛斷的條件得I1+I2=IfVo=－R1RfR2RfVi1Vi2+（）如果R1=R2

，則有Vo=－RfR1（Vi1+Vi2

）反相求和電路的優(yōu)點是：調(diào)節(jié)某一路信號輸入電阻不會影響其它各路輸出與輸入之間的比例關(guān)系。#同相加法電路如何實現(xiàn)？+－Vi1VoR1RfRpI1IfR2I2Vi2

2、減法電路利用迭加定理分別求出Vi1和Vi2單獨作用時的Vo，R1+RfR1R3R2+R3RfR1Vi2Vi1Vo

=－如果

R1=R2

R3=Rf

RfR1Vo

=（Vi2

－Vi1

）如果R1、

Rf取定后，再想改變Vi2的比例系數(shù)的話，就不能保證RN=RP或者調(diào)整困難。①、單運放實現(xiàn)差分比例運算+－Vi1VoR1RfR3I1IfR2I2Vi2②利用雙運放實現(xiàn)減法運算圖中如果Rf1=R2，則輸出電壓的表達式為Vo

=Rf2Vi1Vi2R3R1－（）電路參數(shù)調(diào)整方便，獲得廣泛應(yīng)用。+－R1Rf1RpVi1+－VoR3Rf2RpR2Vi2+－R1Rf1R2Vi1+－VoR3Rf2R4A1Vi2A2#總結(jié)運放電路的分析方法？高輸入電阻的差分比例運算電路三、積分和微分電路1、積分電路利用虛短和虛斷的條件得∫t1t2Vi·dt+Vct11RCVo=－Vo=－VcIf=IiVc

=∫t1t2If·dt+Vct11C積分電路應(yīng)用很廣，可以對信號進行變換、延遲和移相（90o）聯(lián)立求解+－ViVoRCRpIiIf+－VoVitt

2、微分電路利用虛短和虛斷的條件得Vo=－If·RIf=Ii=Vc

=VidVcdtC·聯(lián)立求解Vo=－RCdVidt積分電路應(yīng)用很廣，可以對信號進行變換、移相（90o）和識別（顯示信號中的變化量）+－ViVoRCRpIiIf+－VoVitt四、對數(shù)和指數(shù)電路1、對數(shù)電路+－uI＞0uORDRpiRiD+－uI＞0uORTRpiRiC利用PN結(jié)伏安特性所具有的指數(shù)規(guī)律，將D或T接入反饋回路或輸入回路，可實現(xiàn)對數(shù)和指數(shù)運算。uDUTeiD≈IsuD≈UTIniDIsiD=iR=uIRuo=－uD≈－UTInuIRIs①、用D和T構(gòu)成的對數(shù)運算電路+－uREFuO1RT1R3IR+－uIuOR2iIR4R1T2R5A1A2P2②、集成對數(shù)運算電路uBE1≈UTInuIR3IsuBE2≈UTInIRIsup2=uBE2－uBE1≈－UTInuIR3IRu0≈－(1+

)R2R5UTInuIR3IR

2、指數(shù)電路+－uIuORTRpiEiR①、用T構(gòu)成的指數(shù)運算電路uIUTeiR=iE≈Isuo=－iRR=－RISuIUTe②、集成指數(shù)運算電路+－uREFuO1RT1R3IR+－uIuOR2iIR4R1T2R5A1A2P2五、其它非線性電路利用指數(shù)和對數(shù)的組合，可以得到多種形式的非線性電路InmIn—1VImInVIKVImInIn+In—1—In—1V1V2In（V1V2）KV1·V2V1V2InV1V2K一、電壓比較器的概述

電壓比較器是一類重要的模擬集成電路，廣泛用于“電壓比較、電平鑒別、波形整形、波型產(chǎn)生以及A/D”變換等。在測量和控制中有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

第二講信號電壓比較電路電壓比較器的功能是比較兩個輸入電壓的大小，據(jù)此決定輸出是高電平還是低電平,符號和傳輸特性如下。－＋uiurcucc-uEEuo符號uouiuruoHuoLo△i傳輸特性1、電壓傳輸特性使輸出電壓發(fā)生跳變的輸入電壓稱為閾值電壓。①

求電平VOH和VOL②求閾值電壓VT③分析VI變化時，VO的躍變方向◆根據(jù)輸出電路確定低電平VOL和高電平VOH?！魧懗鐾喽薞P和反相端VN的表達式，令VP=VN，解得的輸入電壓就是閾值電壓VT?！?/p>

VI經(jīng)過VT時VO的躍變方向決定于（VP

－VN）的值。若VP－VN＞0，VO=VOH；若VP

－VN

＜0，VO=VOL。電壓傳輸特性的分析方法

2、電壓比較器的種類①單限比較器②遲滯比較器電路只有一個閾值電壓，輸入電壓逐漸增大或減小過程中，經(jīng)過UT時，輸出電壓產(chǎn)生躍變。電路有兩個閾值電壓，輸入電壓從小變大過程中的閾值電壓UT1，不等于從大變小過程中的閾值電壓UT2。OUOH

UOL電壓傳輸特性UiUTUOUiUOLUOHUT2UT1電壓傳輸特性

①高、低電平②鑒別靈敏度③轉(zhuǎn)換速度輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需要的時間。比較器在穩(wěn)態(tài)時所對應(yīng)的電壓值。閾值附近狀態(tài)躍變所需要的最小輸入變化量。③窗口比較器電路有兩個閾值電壓，輸入電壓從小變大或從大變小過程中使輸出電壓產(chǎn)生兩次躍變。UiUT2UT1UOO電壓傳輸特性

3、電壓比較器的特性單限比較器的應(yīng)用很多，可將任意波形變?yōu)榫匦尾?。VIVREFVOttVIVREFVOtt干擾信號OVOH

VOL傳輸特性VIVREF+VO－VIVREFR二、單限比較器【例】

電路及輸入信號波形ui分別如圖(a)、(b)所示，其中C為交流耦合電容,試分別畫出uo1和uo2的波形圖。注意解題的步驟和分析過程◆輸出電壓為±VOM◆閾值電壓VT的估算VN=VI，VP=±R1+RfR1R1+RfRfVOM+VREF令VN=VPVT=±R1+RfR1R1+RfRfVOM+VREF+VO－VIVREFRfR1Rp三、遲滯比較器VT+=R1+RfR1R1+RfRfVOM+VREFVT－=－R1+RfR1R1+RfRfVOM+VREF◆討論VI變化時，VO的躍變方向設(shè)輸出為正VOH則此時

VP=VT+當(dāng)VI由零向正方向增加，未達到VT+時，輸出一直為VOH。只有增加到VI

＞VP=VT+時，輸出才有VOH→VOL。輸入再增加輸出一直保持VOL不變。此時

VP=VT－。+VO－VIVREFRfR1Rp若減小VI，只要VI

＞VP=VT－，則VO將始終保持VOL不變。只有VI

＜VP=VT－時，VO才有VOL→VOH。VIttVT+VT－VO整形VOVIVOLVOHVT－VT+電壓傳輸特性+VO－VIVREFRfR1Rp閱讀相關(guān)資料了解其它應(yīng)用四、窗口比較器若VR1＞VR2，分析后得電壓傳輸特性VIVR1VR2VO#設(shè)計一個選擇電流放大系數(shù)范圍的電路？R+－VIVR1+VO－VR2D2D1RRRA1A2五、集成電壓比較器

單片集成電壓比較器的響應(yīng)速度非?？?，轉(zhuǎn)換時間僅為1~3ns?？勺鳛槟M電路與數(shù)字電路的接口電路，輸出電平與TTL、CMOS或ECL兼容，芯片帶負載能力強，可以直接驅(qū)動繼電器和指示燈。

單片集成電壓比較器有單比較器、雙比較器和四比較器之分。有的輸出管集電極開路，使用時必須外加一個上拉電阻到正電源電壓。有的電壓比較器具有選通端，用來控制比較器處于工作狀態(tài)或禁止?fàn)顟B(tài)。有的電壓比較器還帶有鎖存功能，可將比較后的狀態(tài)鎖存起來。1、集成專用電壓比較器舉例2、AD790及其基本接法LM119管腳圖由LM119構(gòu)成的雙限比較器及其電壓傳輸特性報警電路六、模擬開關(guān)

模擬開關(guān)是電子系統(tǒng)中常用的基本單元電路，用來控制信號的通斷。模擬開關(guān)可由雙極型晶體管構(gòu)成，也可以用MOS場效應(yīng)管構(gòu)成。CMOS模擬開關(guān)具有電路簡單、功耗小、導(dǎo)通電阻小、關(guān)斷電阻大等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號，也可傳輸模擬信號，它是一種模擬器件，與數(shù)字電路中的數(shù)據(jù)選擇器有所不同。數(shù)數(shù)據(jù)選擇器只能傳輸數(shù)字信號。常用的模擬開關(guān)1、CC4066模擬開關(guān)CC4066具有4個獨立的CMOS雙向模擬開關(guān)，其結(jié)構(gòu)和引腳分別如圖所示。其中，C為控制端。當(dāng)C端施加高電平時，開關(guān)S接通，加在S一端的信號被傳輸?shù)絊的另一端。反之，C端為低電平，開S斷開，