模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第6章 信號運算與處理電路

1.了解集成運放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.理解運算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成運放組成的比例、加減、微分和積分運算電路的工作原理，了解有源濾波器的工作原理；4.理解電壓比較器的工作原理和應用。本章要求第6章信號運算與處理電路6.1基本運算電路

集成運算放大器與外部電阻、電容、半導體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對各種模擬信號進行比例、加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)、乘法和除法等運算?；仡櫥具\算電路：1、同向比例器T形反饋網(wǎng)絡反相比例運算電路2、反向比例器一、加法運算電路

1.反相加法運算電路因虛短,u–=u+=0

平衡電阻：

因虛斷，i–=0

所以令

有:方法二：利用疊加原理

首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。2024/9/249/24/20242.同相加法運算電路由虛斷，反相輸入端電壓為:對于同相輸入端，解之得:其中，

平衡電阻：

方法2.

疊加原理：設(shè)R1∥R2∥R3∥R4＝R∥Rf利用疊加原理求解：令uI2=uI3=0，求uI1單獨作用時的輸出電壓

在求解運算電路時，應選擇合適的方法，使運算結(jié)果簡單明了，易于計算。同理可得，

uI2、uI3單獨作用時的uO2、uO3，形式與uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意義清楚，計算麻煩！2024/9/24二、減法運算電路由虛斷可得：由虛短可得：分析方法1：ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––如果取R1

=R2

，R3

=RF

如R1

=R2

=R3

=RF

R2//R3

=R1

//RF分析方法2：利用疊加原理

減法運算電路可看作是反相比例運算電路與同相比例運算電路的疊加。u+ui2uoRFui1R3R2++

–

R1+–++––由于“虛斷”，i-

=0，故iC

=iR又由于“虛地”，u+

=u-=0

可見，輸出電壓正比于輸入電壓對時間的微分。2、實現(xiàn)波形變換，如將方波變成雙向尖頂波。1.基本微分運算電路微分電路的作用：1、微分電路的作用有移相功能。三、微分運算電路2.實際微分運算電路

為了克服集成運放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實用電路應采取措施。限制輸入電流限制輸出電壓幅值滯后補償2024/9/249/24/20243.比例-微分運算電路上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-微分

控制系統(tǒng)中，PD調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)過程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應速度和工作穩(wěn)定性?！?/p>

PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++

–

R1ifiRiC1、積分運算電路由于“虛地”，u-

=0，故uO=-uC由于“虛斷”，iR

=iC

，故ui

=iRR=iCR得：τ=RC——積分時間常數(shù)四、積分運算電路移相2、利用積分運算的基本關(guān)系實現(xiàn)不同的功能1)輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？2)輸入為方波時的輸出電壓波形？3)輸入為正弦波時的輸出電壓波形？線性積分，延時波形變換2024/9/249/24/2024

3、比例-積分運算電路：將比例運算和積分運算結(jié)合上式表明：輸出電壓是對輸入電壓的比例-積分

這種運算器又稱PI

調(diào)節(jié)器,常用于控制系統(tǒng)中,以保證自控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。改變RF

和CF，可調(diào)整比例系數(shù)和積分時間常數(shù),以滿足控制系統(tǒng)的要求。ifi1uoCFuiR2R1++––++

–

RF由二極管方程知當uD

UT

時，或：利用“虛地”原理，可得：用三極管代替二極管可獲得較大的工作范圍。1)采用二極管對數(shù)運算電路五、對數(shù)與反對數(shù)運算電路

1.對數(shù)運算電路2)采用三極管對數(shù)運算電路當uI

>0時，根據(jù)集成運放反相輸入端“虛地”及“虛斷”的特點，可得：所以：可見，輸出電壓正比于輸入電壓的指數(shù)。指數(shù)運算電路2.反對數(shù)運算電路6.3

集成運放應用舉例

在自動控制和非電測量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、應變、壓力和流量等)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(電壓或電流)，而后輸入系統(tǒng)。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號的變化量常常很小(一般只有幾毫伏到幾十毫伏)，所以要將電信號加以放大。

測量放大電路的作用是將測量電路或傳感器送來的微弱信號進行放大，再送到后面電路去處理。一般對測量放大電路的要求是輸入電阻高、噪聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、線性度好、失調(diào)小、并有一定的抗干擾能力。一、電流源電路如圖所示，它實際上是一個電流串聯(lián)負反饋電路，在理想的情況下有：

所以輸出電流IL為

即IL與負載電阻RL無關(guān)，又因為該電路引入的是電流串聯(lián)負反饋，其輸入電阻和輸出電阻均很大，具有電流源性質(zhì)。 此時輸出電壓UL為二、

電壓源電路如圖所示，它實際上是一個電壓串聯(lián)負反饋電路，在理想的情況下有：

輸出電壓的大小與負載電阻RL無關(guān)，由于該電路引入的是電壓串聯(lián)負反饋，其輸入電阻很大，輸出電阻很小，具有電壓源性質(zhì)。三、直流電壓表電流表的內(nèi)阻為Rg，從圖中可得被測電壓UX為

若電阻R=10Ω，當微安表的滿量程讀數(shù)為100μA時，直流毫伏表的滿量程為100

10-6A

10Ω=10-3V=1mV。該毫伏表的特點是：

1、能測量小于1mV的微弱信號，靈敏度高；

2、具有很高的輸入電阻；

3、同時毫伏表的滿量程電壓值不受表頭內(nèi)阻Rg阻值的影響，只要是100μA滿量程的電流表均可利用，互換性較好。

直流電壓表如果將上述1mV表頭作為基本元件，配以分壓器，就可以構(gòu)成多量程的直流電壓表，電路如圖所示。四、測量放大器-精密相減器+–ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui+A2A1A3

––––––+對A1和A2有對A3有

改變R1的阻值，即可調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)五、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

設(shè)集成運放是理想的，利用“虛短”和“虛斷”的概念，可知uN=uP=0，i0=iR，從而可得

iO與uI成線性關(guān)系，且與負載電阻RL無關(guān)，實現(xiàn)了電壓-電流轉(zhuǎn)換。電壓-電流轉(zhuǎn)換電路

豪蘭德（Howland）電流源電路。設(shè)集成運放是理想的，利用“虛短”和“虛斷”的概念，可知uN=uP，i1=if，列出節(jié)點N和節(jié)點P的KCL方程分別為求解可得

若取

六、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

該電路中引入了電壓并聯(lián)負反饋，在理想運放條件下，輸入電阻Rif=0，因而if=iS，所以輸出電壓七、

高精度整流電路工作原理如下：

1、當ui<0時，集成運放的輸出電壓uA>0，二極管D2截止，D1導通，集成運放工作在深度負反饋狀態(tài)，這時的電路相當于反相比例電路，因此輸出電壓uo為

當R1=Rf時，uo=-ui，由于ui<0，所以輸出電壓uo為正值。

2、當ui>0時，uA<0，二極管D2導通，集成運放仍然工作在深度負反饋狀態(tài)，且uA

-0.7V，D1截止，反饋電阻Rf上沒有電流流過。又因為集成運放的反相輸入端為虛地點，所以輸出電壓uo=0。

高精度整流電路綜上所述，可以畫出它的輸入輸出波形如圖所示，在電路中即使輸入電壓小于二極管的死區(qū)電壓，輸出電壓uo仍為

|-ui|。所以該整流電路具有較高的精度。

高精度整流電路如果利用反相求和電路，讓圖電路的輸出-Kui與ui相加，就可以實現(xiàn)全波整流，電路如圖所示。

濾波器是一種選頻電路。

它能選出有用的信號，而抑制無用的信號，使一定頻率范圍內(nèi)的信號能順利通過，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號不易通過，衰減很大。

無源濾波器：由電阻、電容和電感組成的濾波器。

有源濾波器：含有運算放大器的濾波器。

缺點：低頻時體積大，很難做到小型化。

優(yōu)點：體積小、效率高、頻率特性好。6.4

有源濾波電路一、濾波器的基礎(chǔ)知識1、濾波電路的分類1）按信號性質(zhì)分類3）按電路功能分類:低通濾波器LPF；高通濾波器HPF；帶通濾波器BPF；帶阻濾波器BEF；2）按所用元件分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器無源濾波器和有源濾波器4）按階數(shù)分類:

一階，二階…高階

低通帶通帶阻2、四種典型的頻率特性高通

3、無源濾波電路和有源濾波電路2024/9/24負載變化，通帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化?？蛰d時帶負載時

無源濾波電路的濾波參數(shù)隨負載變化；有源濾波電路的濾波參數(shù)不隨負載變化，可放大，不能輸出高電壓大電流。有源濾波電路

用電壓跟隨器隔離濾波電路與負載電阻2024/9/242024/9/241、有源低通濾波器uoRFR1Cui+–+–uC+–+–+R由同相比例運算關(guān)系得：二、一階有源濾波器2.電壓傳遞函數(shù)：幅角為:其模為:3.幅頻特性：

低通濾波器具有使低頻信號易通過，而抑制高頻信號的作用。時，時，時，O

n

頻率特性

當

>

n時，|T(j

)|

衰減很快，稱一階有源低通濾波器。uoRFR1Cui+–+–uC+–+–+R

特點：一階低通有源濾波器與無源低通濾波器的通帶截止頻率相同；但通帶電壓放大倍數(shù)得到提高。

缺點：一階低通有源濾波器在f>f0

時，濾波特性不理想。對數(shù)幅頻特性下降速度為-20dB/十倍頻。

解決辦法：采用二階低通有源濾波器。一階有源低通濾波器：

為了改善濾波效果，使

>

0時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++

–

R1+–ui+–RC一階二階幅頻特性

0|Auf0||T(j

)|

O

為了改善濾波效果，使

>

0時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。二階有源低通濾波器：二、有源高通濾波器RFR1Cui+–+–+–+Ruo1.電路：

由同相比例運算關(guān)系得出其模為幅角為2.電壓傳遞函數(shù)：時，時，時，高通濾波器具有使高頻信號易通過，而抑制低頻信號的用。頻率特性O(shè)

0

一階有源高通濾波器，當

＜

0時，|T(j

)|

衰減很快。

為了改善濾波效果，使

＜

0時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。3.幅頻特性：

二階有源高通濾波器RFR1Cui+–+–+–+Ruo三、帶通濾波電路(BPF)

只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，將此頻帶以外的信號阻斷。低通高通fHfO低通ffLO高通阻阻fHfLfO通阻阻fH通二階有源帶通濾波電路四、帶阻濾波器(BEF)

在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。低通高通f2f1fO低通f1f2fO高通低通高通fO常用有源帶阻濾波電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)常用有源帶阻濾波電路運算電路與有源濾波器的比較相同之處電路中均引入深度負反饋，因而集成運放均工作在線性區(qū)。均具有“虛短”和“虛斷”的特點，均可用節(jié)點電流法求解電路。不同之處運算電路研究的是時域問題，有源濾波電路研究的是頻域問題；測試時，前者是在輸入信號頻率不變或直流信號下測量輸出電壓與輸入電壓有效值或幅值的關(guān)系，后者是在輸入電壓幅值不變的情況下測量輸出電壓幅值與輸入電壓頻率的關(guān)系。運算電路用運算關(guān)系式描述輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，有源濾波器用電壓放大倍數(shù)的幅頻特性描述濾波特性。一、概述1.電壓比較器的功能：比較電壓的大小。廣泛用于各種報警電路。輸入電壓是連續(xù)的模擬信號；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。2.電壓比較器的描述方法:電壓傳輸特性uO＝f(uI)電壓傳輸特性的三個要素：（1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL（2）閾值電壓UT（3）輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向6.5電壓比較器3.

幾種常用的電壓比較器（1）單限比較器：只有一個閾值電壓（3）窗口比較器：有兩個閾值電壓，輸入電壓單調(diào)變化時輸出電壓躍變兩次。（2）滯回比較器：具有滯回特性輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓單調(diào)變化使輸出電壓只躍變一次?；夭铍妷?、集成運放的非線性工作區(qū)電路特征：集成運放處于開環(huán)或僅引入正反饋集成運放工作在非線性區(qū)的特點1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當u+>u－

時，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時，uo=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

2.i+=i－

0仍存在“虛斷”現(xiàn)象uo

u+–u–

–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)二、單限電壓比較器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI>0時uO＝－UOM;uI<0時uO＝＋UOM

集成運放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護集成運放的輸入端，需加輸入端限幅電路。集成運放的凈輸入電壓最大值為±UD1、過零電壓比較器電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)運放處于開環(huán)狀態(tài)閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對應的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––當ui<UR時，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo=–

Uo

(sat)參考電壓2、任意電壓比較器uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2當ui

單方向變化時，uo

只變化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––電壓傳輸特性–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR例如：若UR=0,過零電壓比較器利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲妷簜鬏斕匦渊CUo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR=0tuiOtuo+Uo(sat)–Uo(sat)OURuouiR2++

–

R1+–++––輸出帶限幅的電壓比較器設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為UZ，忽略穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航祫t

ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ

–UZ

電壓傳輸特性

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOURui<UR時，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––3.一般單限比較器（1）若要UT<0，則應如何修改電路？（2）若要改變曲線躍變方向，則應如

何修改電路？（3）若要改變UOL、UOH呢？作用于反相輸入端存在干擾時單限比較器的uI、uO

波形

單限比較器的作用：檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。

缺點：抗干擾能力差。

解決辦法：

采用具有滯回傳輸特性的比較器。三、滯回比較器1、閾值電壓滯回比較器的特點：可大大提高比較器的抗干擾能力。2、工作原理及電壓傳輸特性

設(shè)uI＜－UT，uO＝+UZ。此時uP＝+UT，增大

uI至+UT，

uO從+UZ躍變?yōu)椋璘Z。

設(shè)uI＞+UT，uO＝－UZ。此時uP＝－UT，減小uI至-UT，

uO從－UZ躍變?yōu)?UZ。1.若要電壓傳輸特性曲線左右移動，則應如何修改電路？討論一：如何改變滯回比較器的電壓傳輸特性2.若要電壓傳輸特性曲線上下移動，則應如何修改電路？3.若要改變輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓的躍變方向，則應如何修改電路？改變輸出限幅電路應用舉例抗干擾單門限比較器遲滯比較器整形OuItUTHUTLOuOtUOHUOLOuItUTHUTLOuOtUOHUOL波形變換OuItUTOuOtUOHUOL

當uI>URH時，uO1=－uO2=UOM，D1導通，D2截止；uO=UZ。

當uI<URH時，uO2=－uO1=UOM，D2導通，D1截止；uO=UZ

。

當URL<uI<URH時，

uO1=uO2=－UOM，D1、D2均截止；uO=0。四、窗口電壓比較器窗口電壓比較器：檢測輸入電壓是否在兩個規(guī)定電壓之間，討論二：

已知各電壓比較器的電壓傳輸特性如圖所示，說出它們各為哪種電壓比較器；輸入電壓為5sinωt(V)，畫出各電路輸出電壓的波形。

你能分別組成具有圖示電壓傳輸特性的電壓比較器電路嗎？同相輸入單限比較器反相輸入滯回比較器窗口比較器6.5.4集成電壓比較器一、集成電壓比較器的主要特點和分類：1.具有較高的開環(huán)差模增益；2.具有較快的響應速度；3.具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；4.具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及較低的溫漂。分類：單、雙和四電壓比較通用型、高速型、低電壓型和高精度型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出型一、集成電壓比較器的主要特點和分類：二、集成電壓比較器的基本接法1.通用型集成電壓比較器AD790引腳圖+12V單電源供電，邏輯電源為5V。±5V雙電源供電，邏輯電源為5V?！?5V雙電源供電，邏輯電源為5V。2.集電極開路集成電壓比較器LM119金屬封裝的管腳圖反相輸入2同相輸入2電路為雙限比較器，能實現(xiàn)線與功能由LM119構(gòu)成的雙限比較器及其電壓傳輸特性

6.5

使用運算放大器應注意的幾個問題3.調(diào)零

如常用的

741，其中電位器RP可選擇10kΩ的電位器,如圖所示。1.選用元件2.消振

根據(jù)實際要求來選用運算放大器,主要是根據(jù)使用條件及運放的參數(shù)進行選擇。

這是為避免運算放大器內(nèi)部晶體管的極間電容和其他寄生參數(shù)的影響,使電路產(chǎn)生自激振蕩，即外加消振的方法。

由于運放內(nèi)部參數(shù)不可能完全對稱,輸入信號為零,輸出可能不為零,為此,在使用時必須調(diào)零。調(diào)零電路如圖所示：

(1)輸入端保護

當輸入端所加的電壓過高時會損壞集成運放，可在輸入端加入兩個反向并聯(lián)的二極管，如圖所示，將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以內(nèi)。4.保護

A741的調(diào)零電路＋－∞＋RPVui20kW20kWuO10kW4.保護輸入端保護電路：

輸入端保護＋－＋ui1uORR∞ui2

(2)輸出端保護

為了防止集成運放過載或輸出短路,可利用穩(wěn)壓管來保護輸出過壓。如圖所示，將兩個穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，就可將輸出電壓限制在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ的范圍內(nèi)。＋－＋uiu