模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課件 第6章 信號(hào)運(yùn)算與處理電路

1.了解集成運(yùn)放的基本組成及主要參數(shù)的意義；2.理解運(yùn)算放大器的電壓傳輸特性，理解理想運(yùn)算放大器并掌握其基本分析方法；3.理解用集成運(yùn)放組成的比例、加減、微分和積分運(yùn)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(yīng)用。本章要求第6章信號(hào)運(yùn)算與處理電路6.1基本運(yùn)算電路

集成運(yùn)算放大器與外部電阻、電容、半導(dǎo)體器件等構(gòu)成閉環(huán)電路后，能對(duì)各種模擬信號(hào)進(jìn)行比例、加法、減法、微分、積分、對(duì)數(shù)、反對(duì)數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算?；仡櫥具\(yùn)算電路：1、同向比例器T形反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路2、反向比例器一、加法運(yùn)算電路

1.反相加法運(yùn)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(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。2024/9/249/24/20242.同相加法運(yùn)算電路由虛斷，反相輸入端電壓為:對(duì)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(dú)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)果簡(jiǎn)單明了，易于計(jì)算。同理可得，

uI2、uI3單獨(dú)作用時(shí)的uO2、uO3，形式與uO1相同，uO=uO1+uO2+uO3。物理意義清楚，計(jì)算麻煩！2024/9/24二、減法運(yùn)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(yùn)算電路可看作是反相比例運(yùn)算電路與同相比例運(yùn)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(duì)時(shí)間的微分。2、實(shí)現(xiàn)波形變換，如將方波變成雙向尖頂波。1.基本微分運(yùn)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(yùn)算電路2.實(shí)際微分運(yùn)算電路

為了克服集成運(yùn)放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實(shí)用電路應(yīng)采取措施。限制輸入電流限制輸出電壓幅值滯后補(bǔ)償2024/9/249/24/20243.比例-微分運(yùn)算電路上式表明：輸出電壓是對(duì)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(guò)程中起加速作用，即使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度和工作穩(wěn)定性?！?/p>

PD調(diào)節(jié)器uoC1uiR2RF++––++

–

R1ifiRiC1、積分運(yùn)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(shí)間常數(shù)四、積分運(yùn)算電路移相2、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？2)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？線性積分，延時(shí)波形變換2024/9/249/24/2024

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

這種運(yùn)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(shí)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(dāng)uD

UT

時(shí)，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(duì)數(shù)運(yùn)算電路五、對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路

1.對(duì)數(shù)運(yùn)算電路2)采用三極管對(duì)數(shù)運(yùn)算電路當(dāng)uI

>0時(shí)，根據(jù)集成運(yùn)放反相輸入端“虛地”及“虛斷”的特點(diǎn)，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(yùn)算電路2.反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路6.3

集成運(yùn)放應(yīng)用舉例

在自動(dòng)控制和非電測(cè)量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、應(yīng)變、壓力和流量等)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)(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(hào)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(hào)加以放大。

測(cè)量放大電路的作用是將測(cè)量電路或傳感器送來(lái)的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，再送到后面電路去處理。一般對(duì)測(cè)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(shí)際上是一個(gè)電流串聯(lián)負(fù)反饋電路，在理想的情況下有：

所以輸出電流IL為

即IL與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)，又因?yàn)樵撾娐芬氲氖请娏鞔?lián)負(fù)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(shí)輸出電壓UL為二、

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

輸出電壓的大小與負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)，由于該電路引入的是電壓串聯(lián)負(fù)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(cè)電壓UX為

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

10-6A

10Ω=10-3V=1mV。該毫伏表的特點(diǎn)是：

1、能測(cè)量小于1mV的微弱信號(hào)，靈敏度高；

2、具有很高的輸入電阻；

3、同時(shí)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(cè)量放大器-精密相減器+–ui1++∞R2++∞uo2uo1uoR6R6R4R4++∞R2R1+ui2ui+A2A1A3

––––––+對(duì)A1和A2有對(duì)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(yùn)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(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)，實(shí)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(yùn)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(diǎn)N和節(jié)點(diǎn)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(fù)反饋，在理想運(yùn)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(dāng)ui<0時(shí)，集成運(yùn)放的輸出電壓uA>0，二極管D2截止，D1導(dǎo)通，集成運(yùn)放工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，這時(shí)的電路相當(dāng)于反相比例電路，因此輸出電壓uo為

當(dāng)R1=Rf時(shí)，uo=-ui，由于ui<0，所以輸出電壓uo為正值。

2、當(dāng)ui>0時(shí)，uA<0，二極管D2導(dǎo)通，集成運(yùn)放仍然工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)，且uA

-0.7V，D1截止，反饋電阻Rf上沒有電流流過(guò)。又因?yàn)榧蛇\(yùn)放的反相輸入端為虛地點(diǎn)，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(shí)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(hào)，而抑制無(wú)用的信號(hào)，使一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能順利通過(guò)，衰減很小，而在此頻率范圍以外的信號(hào)不易通過(guò)，衰減很大。

無(wú)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(yùn)算放大器的濾波器。

缺點(diǎn)：低頻時(shí)體積大，很難做到小型化。

優(yōu)點(diǎn)：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(shí)1、濾波電路的分類1）按信號(hào)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(wú)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(wú)源濾波電路和有源濾波電路2024/9/24負(fù)載變化，通帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化?？蛰d時(shí)帶負(fù)載時(shí)

無(wú)源濾波電路的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波電路的濾波參數(shù)不隨負(fù)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(fù)載電阻2024/9/242024/9/241、有源低通濾波器uoRFR1Cui+–+–uC+–+–+R由同相比例運(yùn)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(hào)易通過(guò)，而抑制高頻信號(hào)的作用。時(shí)，時(shí)，時(shí)，O

n

頻率特性

當(dāng)

>

n時(shí)，|T(j

)|

衰減很快，稱一階有源低通濾波器。uoRFR1Cui+–+–uC+–+–+R

特點(diǎn)：一階低通有源濾波器與無(wú)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(diǎn)：一階低通有源濾波器在f>f0

時(shí)，濾波特性不理想。對(duì)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(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來(lái)，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(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來(lái)，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(yùn)算關(guān)系得出其模為幅角為2.電壓傳遞函數(shù)：時(shí)，時(shí)，時(shí)，高通濾波器具有使高頻信號(hào)易通過(guò)，而抑制低頻信號(hào)的用。頻率特性O(shè)

0

一階有源高通濾波器，當(dāng)

＜

0時(shí)，|T(j

)|

衰減很快。

為了改善濾波效果，使

＜

0時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來(lái)，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(hào)通過(guò)，將此頻帶以外的信號(hào)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(hào)被阻斷，在此頻帶以外的信號(hào)能順利通過(guò)。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(yùn)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(fù)反饋，因而集成運(yùn)放均工作在線性區(qū)。均具有“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，均可用節(jié)點(diǎn)電流法求解電路。不同之處運(yùn)算電路研究的是時(shí)域問題，有源濾波電路研究的是頻域問題；測(cè)試時(shí)，前者是在輸入信號(hào)頻率不變或直流信號(hào)下測(cè)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(cè)量輸出電壓幅值與輸入電壓頻率的關(guān)系。運(yùn)算電路用運(yùn)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(bào)警電路。輸入電壓是連續(xù)的模擬信號(hào)；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u(píng)O＝f(uI)電壓傳輸特性的三個(gè)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(guò)閾值電壓時(shí)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(gè)閾值電壓（3）窗口比較器：有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化時(shí)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?jiǎn)握{(diào)變化使輸出電壓只躍變一次?；夭铍妷?、集成運(yùn)放的非線性工作區(qū)電路特征：集成運(yùn)放處于開環(huán)或僅引入正反饋集成運(yùn)放工作在非線性區(qū)的特點(diǎn)1.輸出只有兩種可能+Uo

(sat)

或–Uo(sat)

當(dāng)u+>u－

時(shí)，uo=+Uo

(sat)

u+<u－

時(shí)，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(shí)uO＝－UOM;uI<0時(shí)uO＝＋UOM

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

–Uo(sat)

+Uo(sat)運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)閾值電壓(門限電平)：輸出躍變所對(duì)應(yīng)的輸入電壓。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––當(dāng)ui<UR時(shí)，uo=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo=–

Uo

(sat)參考電壓2、任意電壓比較器uitOUROuot

+Uo

(sat)

–Uo

(sat)t1t2當(dāng)ui

單方向變化時(shí)，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(guò)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(shí)，uo'

=+Uo

(sat)

ui

>UR

時(shí)，uo'

=–

Uo

(sat)

uo'RDZURuouiR2++

–

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

波形

單限比較器的作用：檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某一給定電平。

缺點(diǎn)：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(diǎn)：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(shí)uP＝+UT，增大

uI至+UT，

uO從+UZ躍變?yōu)椋璘Z。

設(shè)uI＞+UT，uO＝－UZ。此時(shí)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(dòng)，則應(yīng)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(dòng)，則應(yīng)如何修改電路？3.若要改變輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓的躍變方向，則應(yīng)如何修改電路？改變輸出限幅電路應(yīng)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(dāng)uI>URH時(shí)，uO1=－uO2=UOM，D1導(dǎo)通，D2截止；uO=UZ。

當(dāng)uI<URH時(shí)，uO2=－uO1=UOM，D2導(dǎo)通，D1截止；uO=UZ

。

當(dāng)URL<uI<URH時(shí)，

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(cè)輸入電壓是否在兩個(gè)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(shuō)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(diǎn)和分類：1.具有較高的開環(huán)差模增益；2.具有較快的響應(yīng)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：?jiǎn)?、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(bǔ)輸出型一、集成電壓比較器的主要特點(diǎn)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?！?V雙電源供電，邏輯電源為5V。±15V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(shí)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(yùn)算放大器應(yīng)注意的幾個(gè)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(shí)際要求來(lái)選用運(yùn)算放大器,主要是根據(jù)使用條件及運(yùn)放的參數(shù)進(jìn)行選擇。

這是為避免運(yùn)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(yùn)放內(nèi)部參數(shù)不可能完全對(duì)稱,輸入信號(hào)為零,輸出可能不為零,為此,在使用時(shí)必須調(diào)零。調(diào)零電路如圖所示：

(1)輸入端保護(hù)

當(dāng)輸入端所加的電壓過(guò)高時(shí)會(huì)損壞集成運(yùn)放，可在輸入端加入兩個(gè)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(hù)

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

輸入端保護(hù)＋－＋ui1uORR∞ui2

(2)輸出端保護(hù)

為了防止集成運(yùn)放過(guò)載或輸出短路,可利用穩(wěn)壓管來(lái)保護(hù)輸出過(guò)壓。如圖所示，將兩個(gè)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