07--xbl运算电路(2010).ppt

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1、 第七章第七章 运算电路运算电路7.3 7.3 有源滤波电路有源滤波电路7.1 7.1 基本运算电路基本运算电路7.2 7.2 模拟乘法器及其模拟乘法器及其 在运算电路中的应用在运算电路中的应用7.4 7.4 电子信息系统预处理中电子信息系统预处理中 所用电路所用电路17.1 概述7.1.1 7.1.1 电子信息系统的组成电子信息系统的组成:传感器传感器接收器接收器隔离、滤波隔离、滤波放大、阻抗放大、阻抗变换变换运算、转运算、转换、比较换、比较功率放大功率放大A/D转换转换第七章第七章第八章第八章第九章第九章信号的产生信号的产生电子信息系统的供电电源电子信息系统的供电电源第十章第十章27.1.

2、2 7.1.2 理想运放的两个工作区理想运放的两个工作区 Aod、rid、fH 均均为无穷大，为无穷大，ro、失调电压及其温漂、失失调电压及其温漂、失调电流及其温漂、噪声均为调电流及其温漂、噪声均为0。因为因为uO为有限值，为有限值，Aod，所以所以 uNuP0，即即 uNuP虚短路虚短路因为因为rid，所以所以 iNiP0虚断路虚断路电路特征：引入电压负反馈。电路特征：引入电压负反馈。无源网络无源网络2.集成运放的线性工作区:uOAod(uP uN)1.理想运放的参数特点3线性工作区线性工作区:放大倍数与负载无关，可以分开分析。放大倍数与负载无关，可以分开分析。虚短路虚短路虚开路虚开路理想运

3、放工作区：理想运放工作区：非线性工作区：非线性工作区：（1 1）u u+u u 时，时，u uo o=+=+U Uomom u u+u u 时，时，u uo o=U Uomom (2)(2)虚断虚断（Ii 0）电路特征：引入负反馈。电路特征：引入负反馈。67.2 7.2 基本运算电路基本运算电路1.研究的问题研究的问题 （1）什么是运算电路：运算电路的输出电压是输入）什么是运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开电压某种运算的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式）描述方法：

4、运算关系式 uOf(uI)（3）分析方法：分析方法：“虚短虚短”和和“虚断虚断”是基本出发点。是基本出发点。（1）识别电路。）识别电路。（2）求解运算关系式。）求解运算关系式。2、学习运算电路的基本要求、学习运算电路的基本要求77.2 7.2 基本运算电路基本运算电路7.2.1 7.2.1 比例运算电路：比例运算电路：一、一、反相比例运算放大器：反相比例运算放大器：1)电路引入了哪种组态的负反馈？电路引入了哪种组态的负反馈？2)电路的输入电阻为多少？电路的输入电阻为多少？3)3)R？为什么？为什么？4)4)若要若要Ri100k，比例系数为比例系数为100，R1？Rf？+_iN=iP=0，uN=

5、uP=0虚地虚地在在节点节点N：Ri=R1，R0=0电压并联负反馈电压并联负反馈平衡电阻平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等使输入端对地的静态电阻相等)Rf太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得100的的比例系数？比例系数？RP=R1/RF8T型网反相比例运算电路型网反相比例运算电路:9二、二、同相比例运算放大器：同相比例运算放大器：1)电路引入了哪种组态的负反馈？电路引入了哪种组态的负反馈？2)输入输入 输出输出电阻为多少？电阻为多少？3)电阻电阻R？为什么？为什么？4)共模抑制比共模抑制比KCMR时会影响运算精度吗？为什么？时会影响运算精度吗？为什么？

6、R RP P=R R1 1/R RF F电压串联负反馈！电压串联负反馈！共模电压：共模电压：ui,没有没有“虚地虚地”概念。概念。Rif=Rof=010同相输入比例运算电路的特例：同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器电压跟随器11例例7.1.1R2R412例例7.1.2137.2.2 7.2.2 加减运算电路加减运算电路一、求和运算电路：一、求和运算电路：方法一：节点电流法1.反相求和反相求和147.2.2 7.2.2 加减运算电路加减运算电路一、求和运算电路：一、求和运算电路：1.反相求和反相求和方法二：利用叠加原理方法二：利用叠加原理 首先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所首

7、先求解每个输入信号单独作用时的输出电压，然后将所有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。有结果相加，即得到所有输入信号同时作用时的输出电压。152、同相求和运算：同相求和运算：此电路如果以此电路如果以uP为输入为输入，则输出为：则输出为：up ui1、ui2、ui3？162、同相求和运算：同相求和运算：172、同相求和运算：同相求和运算：则则R4可省掉可省掉.18二、加减运算电路二、加减运算电路:1、加减运算加减运算19二、加减运算电路二、加减运算电路:1、加减运算加减运算20二、加减运算电路二、加减运算电路:1、加减运算加减运算只有两个输入：只有两个输入：差分电路！差分电路！21

8、2、差分比例差分比例解出！解出！差动信号放大了两个信号的差，但是它的输入电差动信号放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（阻不高（2R1）,这是由于反相输入造成的。这是由于反相输入造成的。22提高输入阻抗的差分比例：提高输入阻抗的差分比例：23例例7.1.3(P334)247.2.3 7.2.3 积分运算电路和微分运算电路积分运算电路和微分运算电路一、一、积分运算电路积分运算电路:25反相积分器：反相积分器：如果如果u i=直流电压直流电压U,输出将反相积分，输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。经过一定的时间后输出饱和。tui0Utuo0-UomTM积分时限积分时限=t URC设设Uo

9、m=15V,U=+3V,R=10k ,C C =1=1 F F=0.05秒秒线性积分，延时线性积分，延时26反相积分器：反相积分器：如果如果ui=-U=-3V，画出，画出uo的波形图。的波形图。tui0tuo0+Uom-U-=t0o(-U)dtRC1u=t URC0.05秒秒设设Uom=15V,U=3V,R=10k ,C=1,C=1 F F27应用举例：输入方波，输出是三角波。应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0tuo0波形变换波形变换28移相移相应用举例：应用举例：输入为正弦波时的输出电压波形？输入为正弦波时的输出电压波形？29二、二、微分运算电路微分运算电路1、基本、基本 微分运算电

10、路：微分运算电路：为了克服集成运为了克服集成运放的阻塞现象和自放的阻塞现象和自激振荡，实用电路激振荡，实用电路应采取措施。应采取措施。限制输限制输入电流入电流限制输出限制输出电压幅值电压幅值滞后补偿滞后补偿实用微分实用微分运算电路运算电路312、实用微分运算电路实用微分运算电路：323、逆函数型微分运算电路逆函数型微分运算电路33例例7.2.4（P337）34例例7.2.4 PID 调节器调节器:357.2.4 对数运算电路和指数运算电路对数运算电路和指数运算电路:PN结结V-I 特性表达式特性表达式其中其中PN结的伏安特性结的伏安特性IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电

11、压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）利用利用PN结的指数特性实现对数运算结的指数特性实现对数运算36一、一、对数运算电路对数运算电路:1 1、采用二极管的对数运算电路采用二极管的对数运算电路:372、利用三极管的对数运算电路：、利用三极管的对数运算电路：实用电路中常常采取措施实用电路中常常采取措施消除消除IS对运算关系的影响对运算关系的影响381、消去、消去IS对运算关系的影响对运算关系的影响2、R5为热敏电阻，可补偿为热敏电阻，可补偿UT温度特性温度特性3、集成对数运算电路：集成对数运算电路：39二、二、指数运算电路指数运算电路指数运算电路相当反对数运算电路。指数运算电路相当反对数运

12、算电路。1、基本电路基本电路402、集成指数运算电路：集成指数运算电路：417.2.5 对数反对数型模拟乘法器 图图7.2.29 对数型模拟乘法器对数型模拟乘法器 根据两数相乘的对数等于两数的对数之和的原理，根据两数相乘的对数等于两数的对数之和的原理，因此可以用对数因此可以用对数运算电路运算电路、反对数、反对数运算电路运算电路和加法器来和加法器来实现模拟量的相乘。方框图如图所示。实现模拟量的相乘。方框图如图所示。42乘法运算电路：乘法运算电路：43 乘法器是又一种广泛使用的模拟集成电路，乘法器是又一种广泛使用的模拟集成电路，它可以实现乘、除、开方、乘方、调幅等功能，它可以实现乘、除、开方、乘方

13、、调幅等功能，广泛应用于模拟运算、通信、测控系统、电气测广泛应用于模拟运算、通信、测控系统、电气测量和医疗仪器等许多领域。量和医疗仪器等许多领域。7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用447.3.1 模拟乘法器简介 其中其中K为比例因子为比例因子，具有具有 的量纲。的量纲。模拟乘法器是一种能实现模拟量相乘的集模拟乘法器是一种能实现模拟量相乘的集成电路，设成电路，设vO和和vX、vY分别为输出和两路输入分别为输出和两路输入理想理想模拟乘法器:1、ri1、ri2=2、ro=03、k 保持恒定，保持恒定，4、ux、uy=0时，时，u0=0，45 图图7.3.4模拟乘法器原理图模拟乘法器原理图 如果

14、能如果能用用 vy去控制去控制IE，即实现，即实现 IE vy。vO就基本上与就基本上与两输入电压两输入电压之积成例。之积成例。对于差动放大电路，输出电压为对于差动放大电路，输出电压为7.3.2 变跨导型模拟乘法器的工作原理46 式中的式中的gm是可变的，受一个输入信号的控是可变的，受一个输入信号的控制，所以该电路成为制，所以该电路成为变跨导模拟乘法器变跨导模拟乘法器。由于由于IE vY，而，而IE gm，所以，所以vY gm。根据图根据图7.3.4 的原理可以制成所谓变跨导模拟乘法器。的原理可以制成所谓变跨导模拟乘法器。在推导高频微变等效电路时，将放大电路的增益写成为在推导高频微变等效电路时

15、，将放大电路的增益写成为问题：问题：1、运算误差、运算误差 2、受温度影响、受温度影响 3、只能两相限工作（、只能两相限工作（uy单端输入引起）单端输入引起）4/5/2023 理想情况下，理想情况下，ri1、ri2、fH为无穷大，为无穷大，失调电压、电流失调电压、电流及其温漂为及其温漂为0，ro为为0，ux、uy 幅值变化时幅值变化时 k 值值不变。不变。有单象限、两象限和四象有单象限、两象限和四象限之分。限之分。2)2)模拟乘法器的符号及等效电路模拟乘法器的符号及等效电路487.3.3 7.3.3 模拟乘法器在运算电路中的应用模拟乘法器在运算电路中的应用一、一、乘方运算电路：乘方运算电路：1

16、 1、平方运算电路：平方运算电路：将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是平方运算电路。将相乘运算电路的两个输入端并联在一起就是平方运算电路。493、N次方运算电路次方运算电路2、3次方和次方和4次方运算电路：次方运算电路：50如果令如果令K=R2/R1则则二、二、除法运算电路：除法运算电路：它是由一个运算放大器和一个模拟乘法器组合而成的。它是由一个运算放大器和一个模拟乘法器组合而成的。u0 与与u0同相，才同相，才能保证负反馈。能保证负反馈。u12与与k同符号。同符号。运算电路中集成运放必须引入负反馈！运算电路中集成运放必须引入负反馈！三、开平方运算电路：三、开平方运算电路：为满足上式，电路

17、中为满足上式，电路中uI、k的的极性是什么？为什么？极性是什么？为什么？当当uI0当当uI0，k 0如何实现开如何实现开三次方运算三次方运算电路？电路？52开立方电路开立方电路 当当vI为正值时，为正值时，vO为负值，当为负值，当vI为负值时，为负值时，vO为正值。模拟乘法器还有许多应用。为正值。模拟乘法器还有许多应用。开立方运算电路开立方运算电路例例7.2.154无无源滤波器：源滤波器：由由无无源器件构成的滤波器源器件构成的滤波器。7.4.1 滤波电路的基础知识滤波电路的基础知识:7.4 7.4 有源滤波电路有源滤波电路一、一、滤波电路的功能滤波电路的功能 使指定频段的信号顺利通过，其它频率

18、的信号被衰减。使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。有源滤波器：有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。由有源器件构成的滤波器。55 二、二、滤波电路的种类滤波电路的种类:低通滤波器（低通滤波器（LPF）通带放大倍数通带放大倍数通带截止频率通带截止频率下降速率下降速率理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带用用幅频特性描述滤波特性幅频特性描述滤波特性，要研究，要研究 、(fP、下降速率下降速率)。56高通滤波器（高通滤波器（HPF）带通滤波器（带通滤波器（BPF）带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）全通滤波器（全通滤波器（APF）理想滤波器的幅频特性理想滤波器的幅频特性阻容耦合阻容耦合通信电

19、路通信电路抗已知频率的干扰抗已知频率的干扰f-转换转换571、无源低通滤波器、无源低通滤波器三、无源滤波电路和有源滤波电路：三、无源滤波电路和有源滤波电路：空空载载时：时：581、无源低通滤波器、无源低通滤波器三、无源滤波电路和有源滤波电路：三、无源滤波电路和有源滤波电路：带负载后：带负载后：空空载载时：时：二者均发生变化！二者均发生变化！59空载时空载时带负载时带负载时 负载变化，通负载变化，通带放大倍数和截带放大倍数和截止频率均变化。止频率均变化。无源低通滤波器无源低通滤波器的幅频特性：的幅频特性：此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差、带负载能力差；2、无放大作用、无放大作用；特性

20、不理想，边沿不陡。特性不理想，边沿不陡。602、有源滤波电路：有源滤波电路：用电压跟随器用电压跟随器隔离滤波电路与隔离滤波电路与负载电阻负载电阻 无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大。滤波参数不随负载变化，可放大。无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。61一阶低通滤

21、波器的传递函数如下一阶低通滤波器的传递函数如下四、有源滤波电路的传递函数：四、有源滤波电路的传递函数：627.4.2 7.4.2 低通有源滤波器一、同相低通滤波电路：一、同相低通滤波电路：传递函数传递函数1、一阶低通滤波电路一阶低通滤波电路特征频率特征频率通带截止频率通带截止频率63一、同相低通滤波电路：一、同相低通滤波电路：7.4.2 7.4.2 低通有源滤波器1、一阶低通滤波电路一阶低通滤波电路幅频特性幅频特性通带截止频率通带截止频率64 为为了了使使输输出出电电压压在在高高频频段段以以更更快快的的速速率率下下降降，以以改改善善滤滤波波效效果果，再再加加一一节节RC低低通通滤滤波波环环节节

22、，称称为为二二阶阶有有源源滤滤波波电电路路。它它比比一一阶阶低低通通滤波器的滤波效果更好。滤波器的滤波效果更好。2、简单二阶低通滤波电路65 2、简单二阶低通滤波电路（1 1）通带增益）通带增益 当当 f=0,或或频频率率很很低低时时，各各电电容容器器可可视视为为开开路路，通通带内的增益为带内的增益为66 2、简单二阶低通滤波电路 （2 2）传递函数：）传递函数：截止频率截止频率 fp 0.37f0 列列P、M点的节点电流方程：点的节点电流方程：67 2、简单二阶低通滤波电路 （2 2）传递函数：）传递函数：截止频率截止频率 fp 0.37f068 电电容容器器C1原原来来是是接接地地的的，现

23、现在在改改接接到到输输出出端端(形形成成电压交流正反馈）。显然电压交流正反馈）。显然C1的改接不影响通带增益。的改接不影响通带增益。3、二阶压控型低通滤波器：引入正反馈引入正反馈为为使使 fp=f0，且在且在f=f0时时幅频特性按幅频特性按40dB/十倍频下降。十倍频下降。f0时，时，C1断路，正反馈断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大断开，放大倍数为通带放大倍数；倍数；f，C2短路，正反馈不短路，正反馈不起作用，放大倍数小起作用，放大倍数小0；因而有可能在因而有可能在f=f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。对于不同频率

24、的信号正反馈的强弱不同。69 列列P、M点的节点电流方程，点的节点电流方程，整理可得：整理可得：3、二阶压控型低通滤波器：70二、二、反相输入低通滤波器反相输入低通滤波器积分运算电路的传递函数为积分运算电路的传递函数为加加R2后，后，f0，C 断开，通带放大倍数，断开，通带放大倍数，717.4.3 7.4.3 其他滤波电路其他滤波电路 与与LPF有对偶性，将有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶简单二阶HPF、压控电压源二阶压控电压源二阶HPF电路。电路。1.高通滤波器（高通滤波器（HPF）722.带通滤波器带通滤波器（BPF）fHfL73O

25、OO3.带阻滤波器带阻滤波器（BEF）fHfL744.全通滤波器全通滤波器全通滤波电路的相频特性：75运算电路与有源滤波器的比较相同之处相同之处电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。线性区。均具有均具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点，均可用节点电的特点，均可用节点电流法求解电路。流法求解电路。不同之处不同之处运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅或直流信

26、号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。量输出电压幅值与输入电压频率的关系。运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。滤波特性。767.5.1 仪表用放大器仪表用放大器7.5 7.5 电子信息系统预处理中所用电路电子信息系统预处理中所用电路一、仪表用放大器特点：一、仪表用放大器特点：1、精密精密非常严密的输入输出关系非常严密的输入输出

27、关系2、高增益、高输入阻抗高增益、高输入阻抗3、较强的共模抑制比较强的共模抑制比4、低温度系数、强抗电磁干扰能力低温度系数、强抗电磁干扰能力77三运放电路三运放电路 双端输入，单端输出双端输入，单端输出二、基本电路二、基本电路:78三运放电路是差动放大器，放大倍数可调。三运放电路是差动放大器，放大倍数可调。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。797.5.2 电荷放大器电荷放大器电荷放大器修正参数电荷放大器807.5.3 隔离放大器隔离放大器一、变压器耦合一、变压器耦合先将低频信号变成高频交流信号，经长线传输后再恢复原信号，可以先将低频信号变成高频交流信号，经长线传输后再恢复原信号，可以有效减小温漂、抗电磁干扰。有效减小温漂、抗电磁干扰。二、光电耦和二、光电耦和是现代放大电路常用耦合方式，可以是现代放大电路常用耦合方式，可以有效减小温漂、特别是有效减小温漂、特别是抗电磁干扰抗电磁干扰。以上两种电路根据器件手册典型电路使用即可81