模电1学习教程.pptx

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1、(4-1)第七章 信号的运算和处理7.1 概述7.2 基本运算电路7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用7.4 有源滤波电路7.5 电子信息系统预处理中所用放大电路第1页/共85页(4-2)7.1 概述一、电子信息系统的组成 电子信息系统的示意图：信号的提取：来自传感器、接收器或信号发生器；信号的预处理：用隔离、滤波、阻抗变换等手段分离 出信号并放大；信号的加工：进行运算、转换、比较、取样保持等 加工；信号的执行：经过功放驱动负载。第2页/共85页(4-3)二、理想运放的两个工作区 1、理想运放的性能指标 开环差模增益Aod=差模输入电阻Rid=输出电阻RO=0 共模抑制比KCMR=上限截止

2、频率H=失调电压UOI、失调电流IOI及它们的温漂均为零，且无内部噪声。第3页/共85页(4-4)2、理想运放的线性工作区理想运放在线性工作区的特点：输出与输入成线性关系：净输入电压为零，即uP-uN=0，所以uP=uN 称两个输入端“虚短路”。因为净输入电压为零，而输入电阻为无穷，iP=iN=0两个输入端“虚断路”。集成运放工作在线性 区的电路特征：必须引入负反馈第4页/共85页(4-5)3、理想运放的非线性工作区 电路特征：要么开环工作，要么只引入了正反馈。两个特点：输出电压只有两个值：UOM。净输入电流为零，即iP=iN=0。电压传输特性为：第5页/共85页(4-6)7.2 基本运算电路

3、 1 集成运放的应用首先是能构成各种运算电路，名字由此而来。2 在运算电路中，输出电压是输入电压进行某种运算的结果。3 集成运放必须工作在线性区，引入深度负反馈，利用不同的反馈网络实现各种数学运算。第6页/共85页(4-7)一、比例运算电路1、反相比例运算电路 基本电路 图中 R=R/Rf 输出与输入成比例，且相位相反,因此叫反相比例电路第7页/共85页(4-8)例1、上述比例电路，要求Ri=100K，Au=-100，求Rf。解：要求 Ri=100K，即R=100K，电阻数值太大，精度不高，又不稳定。第8页/共85页(4-9)T形网络反相比例运算电路 怎样才能实现上述要求又不使反馈电阻太大呢？

4、设想如果流过反馈电阻的电流远大于iR，那么反馈电阻就可以减小。第9页/共85页(4-10)第10页/共85页(4-11)2、同相比例电路 利用“虚短”和“虚断”的概念：输出与输入成比例，且相位相同，故叫同相比例电路。同相比例电路要求运放的共模抑制比高。第11页/共85页(4-12)3、电压跟随器 如果同相比例电路的反馈系数为1,uO=uI输出与输入相等，且相位相同，故叫电压跟随器。第12页/共85页(4-13)例2、电路如图，已知R2R4，试求解R1=R2时uO 与 uI的比例关系。解：第13页/共85页(4-14)例3、电路如图所示，已知uO=-55 uI，其余参数如图中所示。试求R5的值。

5、第14页/共85页(4-15)二、加减运算电路1、求和运算电路 反相求和运算电路第15页/共85页(4-16)还可以用叠加法来求解：第16页/共85页(4-17)同相求和运算电路第17页/共85页(4-18)第18页/共85页(4-19)2、加减运算电路 单运放加减运算电路叠加定理先让反相输入端的各信号作用,首先UI3，UI4接地，反向信号作用同相输入端的各信号作用，UI1，UI2接地若R1/R2/Rf=R3/R4/R5第19页/共85页(4-20)单运放加减运算电路有两个缺点：电阻的选取和调整不方便 每个信号源的输入电阻较小。双运放加减运算电路第20页/共85页(4-21)第21页/共85页

6、(4-22)上述电路虽然输入电阻大，但是要求运放的共模抑制比高。也可以用下面的的连接方式：第22页/共85页(4-23)第23页/共85页(4-24)例1、设计一个运算电路，要求输出电压和输入电压 的关系式为 uO=10 uI1-5 uI2-4 uI3。解：若采用单运放加减电路，电路如图。取R=100K，R3/R2/Rf=R1/R4,第24页/共85页(4-25)第25页/共85页(4-26)三、积分和微分运算电路 在自控系统中，常用积分和微分电路作为调节环节，此外，它们还广泛应用于波形的产生和变换。1、积分运算电路 基本积分电路的构成原理 把反相比例电路中的反馈电阻换成电容就构成了积分电路。

7、第26页/共85页(4-27)利用虚地和虚断概念：第27页/共85页(4-28)积分电路的阶跃响应波形如图所示：第28页/共85页(4-29)利用该特性可进行时间延迟。如图所示，若继电器的动作电压为6V，问当加入阶跃信号-3V后，多长时间继电器动作？第29页/共85页(4-30)第30页/共85页(4-31)积分电路的正弦响应第31页/共85页(4-32)输出电压的相位比输入超前90，与频率无关，可做移相器。第32页/共85页(4-33)积分电路的方波响应 波形如图，注意：只有当积分电路的时间常数=RC比输入脉冲宽度大很多时，才能实现积分。它可把方波变成三角波。第33页/共85页(4-34)在

8、实用电路中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制。如图所示。第34页/共85页(4-35)2、微分运算电路 基本微分运算电路 构成原理 将积分电路中的电阻和电容的位置互换，并选取比较小的时间常数RC，就得到了微分电路。第35页/共85页(4-36)利用虚地和虚断概念：第36页/共85页(4-37)阶跃响应第37页/共85页(4-38)正弦响应输出电压的相位比输入落后90，与频率无关，可做移相器。第38页/共85页(4-39)方波响应第39页/共85页(4-40)实用微分运算电路 上述基本电路存在的问题：由于输出电压与输入电压的变化率成正比，uO对ui的变化非常敏感，因此抗干

9、扰能力差；从正弦响应看，它产生相位滞后，若与运放内部的相位滞后结合起来，可能引起自激振荡；当输入电压突变时，反馈电流与反馈电阻 的乘积可能超过运放的最大输出电压，阻塞电路。解决方法：输入端串联小阻值电阻，限制输入电流；反馈电阻上并联稳压二极管，限制输出电压；反馈电阻上并联小电容，起相位补偿作用，提高稳定性。第40页/共85页(4-41)第41页/共85页(4-42)逆函数型微分运算电路 积分与微分互为逆运算，若将积分电路作为反馈回路，则可得到微分电路。第42页/共85页(4-43)第43页/共85页(4-44)例1、电路如图所示，C1=C2=C，试求出uO与ui的 运算关系式。第44页/共85

10、页(4-45)解：对于节点N：第45页/共85页(4-46)对于节点P：第46页/共85页(4-47)第47页/共85页(4-48)因此：第48页/共85页(4-49)例2、在自动控制系统中，常采用图示电路PID（比例积分微分）调节器，试分析输出电压与输入电压的关系。第49页/共85页(4-50)解：根据虚短和虚断的概念：第50页/共85页(4-51)所以 上式第一项表示比例运算；第二项表示微分运算；第三项表示积分运算。在常规调节中，比例运算、积分运算常用来提高调节精度，而微分运算则用来加速过渡过程。第51页/共85页(4-52)四、对数和指数运算电路 利用PN结伏安特性的指数规律，将二极管或

11、三极管分别接入集成运放的反馈回路和输入回路，可以实现对数运算和指数运算。1、对数运算电路 采用二极管的对数运算电路第52页/共85页(4-53)第53页/共85页(4-54)存在的问题：运算关系与UT和IS有关，运算精度受温度的影响；二极管在电流小时内部载流子的复合 运动不可忽略，电流大时内阻不可忽 略，仅在一定的电流范围内才满足指 数特性。第54页/共85页(4-55)利用三极管的对数运算电路第55页/共85页(4-56)存在的问题：与二极管构成的对数运算电路一样，运算关系与UT和IS有关，运算精度受温 度的影响；输入电压较小和较大的情况下，运算 精度变差。第56页/共85页(4-57)集成

12、对数运算电路 在集成对数运算电路中，根据差分电路的原理，利用特性相同的两只晶体管进行补偿，消去IS对运算关系的影响。如ICL8048的电路如图所示。第57页/共85页(4-58)节点N1的电流方程为：第58页/共85页(4-59)第59页/共85页(4-60)这种电路用对管消除了温度对IS的影响，但仍然存在UT的影响。可以把外接电阻R5换成热敏电阻补偿UT的影响。R5应具有正温度系数。当环境温度升高时，R5的阻值变大，使放大倍数（1+R2/R5)减小，以补偿UT增大输出的影响。也可以把R2 换成负温度系数的热敏电阻来补偿UT的影响。第60页/共85页(4-61)2、指数运算电路 基本电路 将对

13、数电路中的电阻和三极管位置互换就得到了 指数电路。第61页/共85页(4-62)注意：uI应大于零，且只能在发射结导通电压范围内，变化范围小；运算精度受温度影响大。第62页/共85页(4-63)集成指数运算电路 原理与对数电路相同。第63页/共85页(4-64)第64页/共85页(4-65)可见，利用对管消除了IS的影响，但仍受UT的影响，可以把R3的一部分换成负温度系数的热敏电阻来补偿UT的影响。第65页/共85页(4-66)五、用对数和指数运算电路实现的乘除运算电路 用对数和指数运算电路实现的乘除运运算电路的方块图如下：根据这种构思的具体电路如下：第66页/共85页(4-67)第67页/共

14、85页(4-68)如果将电路中的求和电路换成求差电路，就可得到除法运算电路。第68页/共85页(4-69)六、集成运放性能指标对运算误差的影响 前面讲过运放都当作理想运放来处理，当实际上不可能是理想运放，因此会产生运算误差。1、Aod和rid为有限值时，对反相比例电路运算误差的影响 这时的等效电路如图所示。第69页/共85页(4-70)由于ridR，可以认为：uN uid=-uo/Aod第70页/共85页(4-71)第71页/共85页(4-72)显然，Aod和rid愈大，相对误差愈小。若R=10K，Rf=100K，R=R/Rf，Aod=2105，rid=2M，则-0.0006%。第72页/共8

15、5页(4-73)2、Aod和KCMR为有限值时，对同相比例电路运算误差的影响 此时的等效电路如图所示。由于rid为无穷大，iI=0，R上的电压为零，所以uP=uI。第73页/共85页(4-74)第74页/共85页(4-75)第75页/共85页(4-76)整理可得：第76页/共85页(4-77)显然，Aod和KCMR愈大，相对误差愈小。若R=10K，Rf=100K，R=R/Rf，Aod=2105，KCMR=104，则-0.0045%。3、失调电压、失调电流及其温漂对比例电路运算误差的影响 考虑这些因素时的等效电路如图所示。第77页/共85页(4-78)第78页/共85页(4-79)整理可得：第79页/共85页(4-80)第80页/共85页(4-81)显然，在集成运放同相输入端和反相输入端外接总电阻相同的情况下，失调温漂越小，输入电压越大，相对误差越小。第81页/共85页(4-82)4、失调温漂对积分电路运算误差的影响 等效电路如图所示。第82页/共85页(4-83)第83页/共85页(4-84)第七章 结束模拟电子技术基础模拟电子技术基础第84页/共85页(4-85)感谢您的观看！第85页/共85页