第八章-信号的运算与处理电路课件.ppt

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1、8.0 理想运放及运放的工作区域理想运放及运放的工作区域8.2 实际运放电路的误差分析实际运放电路的误差分析8.3 对数和反对数运算电路对数和反对数运算电路*8.4 模拟乘法器模拟乘法器8.5 有源滤波电路有源滤波电路8.1 基本运算电路基本运算电路8.0 理想运放及运放工作的两个区域理想运放及运放工作的两个区域8.0.1 理想运算放大器 理想运放可以理解为实际运放的理想化模型。就是将集成运放的各项技术指标理想化，得到一个理想的运算放大器。即：（1）开环差模电压放大倍数Aod=；（2）差模输入电阻rid=；（3）输出电阻rod=0；（4）输入失调电压UIO=0，输入失调电流IIO=0；输入失调

2、电压的温漂dUIO/dT=0，输入失调电流的温漂dIIO/dT=0；（5）共模抑制比KCMR=；（6）输入偏置电流IIB=0；（7）-3dB带宽fh=；（8）无干扰、噪声。8.0.2 集成运放的两个工作区1 运放工作在线性工作区时的特点 在集成运放应用电路中，运放的工作范围有两种情况：工作在线性区或工作在非线性区。线性工作区是指输出电压uo与输入电压ui成正比时的输入电压范围。在线性工作区，集成运放uo与ui之间关系可表示为：uo=Aodui=Aod(u+-u-)式中，Aod为集成运放的开环差模电压放大倍数，u+和u-分别为同相输入端和反相输入端电压。对于理想运放，Aod=；而uo为有限值，工

3、作在线性区时，有：u+-u-0，即：u+u-这一特性称为理想运放输入端的“虚短”。“虚短”和“短路”是截然不同的两个概念，“虚短”的两点之间，仍然有电压，只是电压十分微小；而“短路”的两点之间，电压为零。“虚短”的概念源于Aod=，因为VI=u+-u-=Vo/Aod=0由于Aod=，运放工作在线性区一定带有深度负反馈。理想运放工作在线性区的两条结论：1、虚短由于理想运放的输入电阻rid=ric=，而加到运放输入端的电压u+-u-有限，所以运放两个输入端的电流：i+=i-0这一特性称为理想运放输入端的“虚断”。2、虚断2.运放工作在非线性工作区时的特点结论：1、在非线性工作区，运放的输入信号超出

4、了线性放大的范围，输出电压不再随输入电压线性变化，而是达到饱和，输出电压为正向饱和压降UOH（正向最大输出电压）或负向饱和压降UOL（负向最大输出电压），如图6.1所示。正向饱和压降负向饱和压降开环 图8.1集成运放的传输特性理想运放工作在非线性区时，由于rid=ric=，而输入电压总是有限值，所以不论输入电压是差模信号还是共模信号，两个输入端的电流均为无穷小，即仍满足“虚断”条件：i+=i-0为使运放工作在非线性区，一般使运放工作在开环状态，也可外加正反馈，或输出与反相端之间接有稳压管。此时不能应用“虚短”，2、虚断8.1 基本运算电路基本运算电路1.运放负反馈运放负反馈比例运算电路比例运算

5、电路4.积分电路积分电路5.微分电路微分电路3.减法电路减法电路2.加法电路加法电路为提高精度，一般取为提高精度，一般取1.运算放大器负反馈典型电路运算放大器负反馈典型电路电压并联负反馈电压并联负反馈电路为电压并联负反馈电路为电压并联负反馈即电路为深度负反馈，即电路为深度负反馈，虚短虚短和和虚断虚断成立成立（1）反相比例运算电路反相比例运算电路利用虚短和虚断得利用虚短和虚断得由于运放的增益一般有由于运放的增益一般有所以所以输出与输入反相成比例。输出与输入反相成比例。反相放大器反相放大器R2为平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。为平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等。特点：反向比例运算电路输入

6、端共模信号范围很小，共模输入电压近似为0。反向比例运算电路输入电阻较小 AVF=-1时，Vo=-Vi，单位增益倒相器。1.运算放大器负反馈典型电路运算放大器负反馈典型电路电压串联负反馈电压串联负反馈（2）同相比例运算电路同相比例运算电路利用虚短和虚断得利用虚短和虚断得同向比例运算电路输入端共模信号范围较大同向比例运算电路输入端共模信号范围较大同向比例运算电路输入电阻很大同向比例运算电路输入电阻很大A AVFVF=1=1时，时，V Vo o=V=Vi i，电压跟随器。，电压跟随器。同相放大器同相放大器电压跟随器电压跟随器电路为电压串联负反馈电路为电压串联负反馈输出与输入同相成比例输出与输入同相成

7、比例特点：2.加法电路加法电路 根根据据虚虚短短、虚虚断断和和N点点的的KCL得：得：若若则有则有（加法运算）（加法运算）输出再接一级反相电路输出再接一级反相电路可得可得3.减法电路减法电路第一级反相比例第一级反相比例第二级反相加法第二级反相加法（1）利用反相信号求和以实现减法运算）利用反相信号求和以实现减法运算即即当当 时时得得（减法运算）（减法运算）从从结结构构上上看看，它它是是反反相相输输入入和和同同相相输输入入相相结结合合的的放放大大电路。电路。（2）利用差分式电路以实现减法运算）利用差分式电路以实现减法运算当当则则若继续有若继续有则则 根根据据虚虚短短、虚虚断断和和N、P点的点的KC

8、L得：得：4.积分电路积分电路式中，负号表示式中，负号表示v vO O与与v vS S在相位上是相反的。在相位上是相反的。根根据据“虚虚短短”，得得根根据据“虚虚断断”，得得即即因此因此电容器被充电，其充电电流为电容器被充电，其充电电流为设电容器设电容器C C的初始电压为零，则的初始电压为零，则（积分运算）（积分运算）已知初始值时已知初始值时 当当vS为为阶阶跃跃电电压压时时，有有4.积分电路积分电路vO与与t成线性关系成线性关系5.微分电路微分电路8.2 实际运放电路的误差分析实际运放电路的误差分析 共模抑制比共模抑制比KCMR为有限值的情况为有限值的情况 VIO、IIO不为零时的情况不为零

9、时的情况1.共模抑制比共模抑制比KCMR为有限值的情况为有限值的情况同相比例运算电路同相比例运算电路闭环电压增益闭环电压增益理想情况理想情况越大，误差越小。越大，误差越小。2.VIO、IIO不为零不为零 时的情况时的情况输入为零时的等效电路输入为零时的等效电路解得误差电压解得误差电压当当 时，可以时，可以消除偏置电流消除偏置电流 引起的引起的误差，此时误差，此时当电路为积分运算时，当电路为积分运算时，即即 换成电容换成电容C，则，则时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。时间越长，误差越大，且易使输出进入饱和状态。引起的误差仍存在引起的误差仍存在2.VIO、IIO不为零不为零 时的情况时的

10、情况减小误差的方法减小误差的方法 输入端加补偿电路输入端加补偿电路 利用运放自带的调利用运放自带的调 零电路零电路8.3 对数和反对数运算电路对数和反对数运算电路 对数运算电路对数运算电路 反对数运算电路反对数运算电路 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性(3)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压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）其中，其中，IES 是发射结反向饱和电流是发射结反向饱和电流，vO是是vS的对数运算的对数运算。1.对数运算电路对数运算电路 利利用用PN结结的的指指数数特

11、特性性实实现对数运算现对数运算BJT的发射结有的发射结有注意：注意：v vS S必须大于零，电路的输出电压小于必须大于零，电路的输出电压小于0.70.7伏伏利用虚短和虚断，电路有利用虚短和虚断，电路有当当 时，时，vO是是vS的反对数运算（指数运算）的反对数运算（指数运算）2.反对数运算电路反对数运算电路利用虚短和虚断，电路有利用虚短和虚断，电路有要求要求此此处处两两个个电电路路仅仅为为原原理理性性示示意意电电路路。由由于于电电路路温温漂漂很很严严重，实用电路都加有温度补偿电路。重，实用电路都加有温度补偿电路。8.5 有源滤波电路有源滤波电路 8.5.1 基本概念及初步定义基本概念及初步定义

12、8.5.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 高通滤波高通滤波 低通滤波低通滤波 基本概念基本概念 分类分类 8.5.3 二阶有源滤波电路二阶有源滤波电路 高通滤波高通滤波 低通滤波低通滤波 带通滤波带通滤波 带阻滤波带阻滤波 带阻滤波带阻滤波 带通滤波带通滤波1.RC低通电路低通电路则则传递函数传递函数且令且令这里这里传递函数的幅值传递函数的幅值（模）（模）（幅频响应）（幅频响应）传递函数的相角传递函数的相角（相频响应）（相频响应）增益频率函数增益频率函数（传递函数）（传递函数）3.7.1 单时间常数单时间常数RC电路的频率响应电路的频率响应最大误差最大误差-3dB幅频响应幅频响应0分贝水平

13、线分贝水平线注意相频响应的意义注意相频响应的意义表示输出与输入的相位差表示输出与输入的相位差高频时，输出滞后输入高频时，输出滞后输入因为因为所以所以3.7.1 3.7.1 单时间常数单时间常数RCRC电路的频率响应电路的频率响应 频率响应曲线频率响应曲线8.5.1 基本概念及初步定义基本概念及初步定义1.基本概念基本概念滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无 用频率信号的电子装置。用频率信号的电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路滤波电路滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义

14、时，有时，有其中其中 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应时延响应为时延响应为2.分类分类低通低通（LPF）希希望望抑抑制制50Hz50Hz的的干干扰扰信信号号，应应选选用用哪哪种种类类型型的的滤滤波电路？波电路？高通高通（HPF）带通带通（BPF）带阻带阻（BEF）全通全通（APF）放放大大音音频频信信号号，应应选选用用哪种类型的滤波电路？哪种类型的滤波电路？通带：能够通过的信号频通带：能够通过的信号频率范围。率范围。阻带：受阻或衰减的信号阻带：受阻或衰减的信号频率范围。频率范围。截止频率：通带和阻带的截止频率：通带和阻带的界限频率。界限频率。8.5.2 一阶有源滤波电

15、路一阶有源滤波电路1.低通滤波电路低通滤波电路传递函数传递函数其中其中特征角频率特征角频率故，幅频相应为故，幅频相应为8.5.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路2.高高通滤波电路通滤波电路 可可由由低低通通和和高通串联得到高通串联得到必须满足必须满足3.带带通滤波电路通滤波电路低通特征角频率低通特征角频率高通特征角频率高通特征角频率8.5.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路4.带阻带阻滤波电路滤波电路 可可由由低低通通和和高高通通并并联得到联得到必须满足必须满足 一一阶阶有有源源滤滤波波电电路路通通带带外外衰衰减减速速率率慢慢（-20dB/十十倍倍频频程程），与与理理想想情情况况相相差差较

16、较远远。一一般般用用在在对对滤滤波波要求不高的场合。要求不高的场合。8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1.压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路压控电压源电路（压控电压源电路（VCVS）对于滤波电路，有对于滤波电路，有得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数（二阶）（二阶）8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1.压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路令令称为称为通带增益通带增益称为称为特征角频率特征角频率称为称为等效品质因数等效品质因数则则滤波电路才能稳定工作滤波电路才能稳定工作注意：注意：用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数的频率响应：8.5.3

17、二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1.压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1.压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅频响应波特图8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路2.压控电压源高通滤波电路压控电压源高通滤波电路 将将低低通通电电路路中中的的电电容容和和电电阻对换，便成为高通电路。阻对换，便成为高通电路。传递函数传递函数归一化的幅频响应归一化的幅频响应滤波电路才能稳滤波电路才能稳定工作定工作8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路2.压控电压源高通

18、滤波电路压控电压源高通滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅频响应波特图8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路3.压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路可由低通和高通串联得到可由低通和高通串联得到8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路3.压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路令令传递函数传递函数得得既是特征角频率，也是带通滤波电路的中心角频率8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅频响应波特图3.压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路4.双双T带阻带阻滤波电路滤波电路双双T选频网络选频网络8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路4.双双T带阻带阻滤波电路滤波电路频率响应频率响应8.5.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路4.双双T带阻带阻滤波电路滤波电路双双T带阻滤波电路带阻滤波电路