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1、第七章 信號(hào)的運(yùn)算和處理,7.1 信號(hào)的運(yùn)算,7.2 有源濾波器,一、概述 1. 電子系統(tǒng)簡介,傳感器接收器,隔離、濾波放大、阻抗變換,運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、比較,功率放大A/D轉(zhuǎn)換,第七章,第八章,第九章,信號(hào)的產(chǎn)生,電子信息系統(tǒng)的供電電源,第十章,7.1 信號(hào)的運(yùn)算,2. 理想運(yùn)放的參數(shù)特點(diǎn),Aod、 rid 、fH 均為無窮大，ro、失調(diào)電壓及其溫漂、失調(diào)電流及其溫漂、噪聲均為0。,因?yàn)閡O為有限值， Aod，所以 uNuP0，即 uNuP虛短路,因?yàn)閞id，所以 iNiP0虛斷路,電路特征：引入電壓負(fù)反饋。,無源網(wǎng)絡(luò),3. 集成運(yùn)放的線性工作區(qū) uOAod(uP uN),4. 研究的問題,（1）

2、什么是運(yùn)算電路：運(yùn)算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運(yùn)算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對(duì)數(shù)、指數(shù)等。 （2）描述方法：運(yùn)算關(guān)系式 uOf (uI) （3）分析方法：“虛短”和“虛斷”是基本出發(fā)點(diǎn)。,（1）識(shí)別電路。 （2）求解運(yùn)算關(guān)系式。,5、學(xué)習(xí)運(yùn)算電路的基本要求,二、比例運(yùn)算電路 1. 反相輸入,電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？ 電路的輸入電阻為多少？ 3) R？為什么？ 4) 若要Ri100k，比例系數(shù)為100，R1？ Rf？,Rf太大，噪聲大。如何利用相對(duì)小的電阻獲得100的比例系數(shù)？,+,_,iN=iP=0， uN=uP=0虛地,在節(jié)點(diǎn)N：,T 形反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運(yùn)算電路

3、,利用R4中有較大電流來獲得較大數(shù)值的比例系數(shù)。,運(yùn)算關(guān)系的分析方法：節(jié)點(diǎn)電流法,2. 同相輸入,電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？ 輸入電阻為多少？ 電阻R？為什么？ 共模抑制比KCMR時(shí)會(huì)影響運(yùn)算精度嗎？為什么？,同相輸入比例運(yùn)算電路的特例：電壓跟隨器,三、加減運(yùn)算電路 1. 反相求和,方法一：節(jié)點(diǎn)電流法,1. 反相求和,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。,2. 同相求和 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

4、合適的方法，使運(yùn)算結(jié)果簡單明了，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！,2. 同相求和 設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rf,與反相求和運(yùn)算電路的結(jié)果差一負(fù)號(hào),3. 加減運(yùn)算 利用求和運(yùn)算電路的分析結(jié)果,設(shè) R1 R2 Rf R3 R4 R5,若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?,實(shí)現(xiàn)了差分放大電路,四、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路 1. 積分運(yùn)算電路,移相,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)

5、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,2. 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,對(duì)輸入電壓的極性和幅值有何要求？,五、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路,1. 對(duì)數(shù)運(yùn)算,實(shí)用電路中常常采取措施消除IS對(duì)運(yùn)算關(guān)系的影響,利用PN結(jié)端電壓與電流的關(guān)系,集成對(duì)數(shù)運(yùn)算電路,對(duì)輸入電壓的極性和幅值有何要求？,2. 指數(shù)運(yùn)算電路,3. 乘法、除法運(yùn)算電路,六、模擬乘法器及其在運(yùn)算電路中的應(yīng)用,1. 模擬乘法器簡介,1) 變跨導(dǎo)型模擬乘法器的基本原理,實(shí)際電路需在多方面改進(jìn)，如線性度、溫度的影響、輸入電壓的極性等方面

6、。,理想情況下，ri1、 ri2、fH為無窮大， 失調(diào)電壓、電流及其溫漂為0，ro為0， ux 、uy 幅值變化時(shí) k 值不變。,有單象限、兩象限和四象限之分。,2)模擬乘法器的符號(hào)及等效電路,2. 在運(yùn)算電路中的基本應(yīng)用,2)乘方運(yùn)算,1)乘法運(yùn)算,實(shí)際的模擬乘法器k常為+0.1V-1或0.1V-1。 若k= +0.1V-1，uI1= uI2=10V，則 uO=10V。,實(shí)現(xiàn)了對(duì)正弦波 電壓的二倍頻變換,為使電路引入的是負(fù)反饋，k和uI2的極性應(yīng)如何？,2. 在運(yùn)算電路中的基本應(yīng)用,3)除法運(yùn)算,運(yùn)算電路中集成運(yùn)放必須引入負(fù)反饋！,若集成運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端互換，則k和uI2的極性應(yīng)

7、如何？,為滿足上式，電路中uI、 uO、k的極性是什么？為什么？,3. 開方運(yùn)算,若集成運(yùn)放的負(fù)反饋通路中為某種運(yùn)算電路，則整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)其逆運(yùn)算，如除法運(yùn)算電路、開方運(yùn)算電路。,如何實(shí)現(xiàn)開三次方運(yùn)算電路？,若uO0，則有何變化？,討論一：電路如圖所示,（1）組成哪種基本運(yùn)算電路？與用一個(gè)運(yùn)放組成的完成同樣運(yùn)算的電路的主要區(qū)別是什么？ （2）為什么在求解第一級(jí)電路的運(yùn)算關(guān)系時(shí)可以不考慮第二級(jí)電路對(duì)它的影響？,討論二：求解圖示各電路,該電路可等效成差分放大電路的哪種接法？與該接法的分立元件電路相比有什么優(yōu)點(diǎn)？,討論三：求解圖示各電路,1) 標(biāo)出集成運(yùn)放的“”和“”； 2) 求解uO= f (uI)

8、 = ?,已知R1R2，求解uO= f (uI) = ?,二極管什么時(shí)候?qū)?？什么時(shí)候截止？,+,_,+,_,1. 濾波電路的功能 使指定頻段的信號(hào)順利通過，其它頻率的信號(hào)被衰減。,2. 濾波電路的種類,低通濾波器（LPF）,通帶放大倍數(shù),通帶截止頻率,下降速率,理想幅頻特性 無過渡帶,一、概述,用幅頻特性描述濾波特性，要研究 、 ( fP、下降速率)。,7.2 有源濾波器,高通濾波器（HPF）,帶通濾波器（BPF）,帶阻濾波器（BEF）,全通濾波器（APF）,理想濾波器的幅頻特性,阻容耦合,通信電路,抗已知頻率的干擾,f-轉(zhuǎn)換,空載時(shí),帶負(fù)載時(shí),3. 無源濾波電路和有源濾波電路,負(fù)載變化，通

9、帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。,無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,二、低通濾波器1. 同相輸入,對(duì)于LPF，頻率趨于0時(shí)的放大倍數(shù)即為通帶放大倍數(shù)。求解傳遞函數(shù)時(shí)，只需將放大倍數(shù)中的 j用 s 取代即可。,一階LPF,經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù),頻率趨于0時(shí)的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù),決定于RC環(huán)節(jié),表明進(jìn)入高頻段的下降速率為 20dB/十倍頻,（1）一階電路,1. 同相輸入（1）一階電路：幅頻特性,為了使過渡帶變窄，需采用多階濾波器，即增加RC環(huán)節(jié)。在Au(s)表達(dá)式分母中s的方次就是

10、濾波器的階數(shù)。,（2）簡單二階LPF,截止頻率 fp 0.37f0,分析方法：電路引入了負(fù)反饋利用節(jié)點(diǎn)電流法求解輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。,（3）壓控電壓源二階LPF,引入正反饋,為使 fp=f0，且在f=f0時(shí)幅頻特性按40dB/十倍頻下降。,f0時(shí)，C1斷路，正反饋斷開，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)；,f ， C2短路，正反饋不起作用，放大倍數(shù)小0 ；,因而有可能在f = f 0時(shí)放大倍數(shù)等于或大于通帶放大倍數(shù)。對(duì)于不同頻率的信號(hào)正反饋的強(qiáng)弱不同。,壓控電壓源二階LPF的分析,列P、M點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電流方程，整理可得：,2. 反相輸入低通濾波器,積分運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)為,加R2后， f0，C 斷開，通

11、帶放大倍數(shù)，,三、高通、帶通、帶阻有源濾波器1. 高通濾波器（HPF）,與LPF有對(duì)偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得一階HPF、簡單二階HPF、壓控電壓源二階HPF電路。,2. 帶通濾波器（BPF）,3. 帶阻濾波器（BEF）,fHfL,四、狀態(tài)變量型濾波器,要點(diǎn)： 將比例、積分、求和等基本運(yùn)算電路組合成自由設(shè)置傳遞函數(shù)、實(shí)現(xiàn)各種濾波功能的電路，稱為狀態(tài)變量型濾波器。 通帶放大倍數(shù)決定于負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。 利用“逆運(yùn)算”方法。,f0時(shí)負(fù)反饋?zhàn)顝?qiáng)， A1輸出電壓0； f 時(shí)C 相當(dāng)于短路，A2輸出電壓0，電路開環(huán)， A1輸出電壓UOM，工作到非線性區(qū)；需引入負(fù)反饋決定通帶放大倍數(shù)。,四、狀態(tài)變量濾波器 二階電路的組成,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；測試時(shí)，前者是在輸入信號(hào)頻率不變或直流信號(hào)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(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。,雙T網(wǎng)絡(luò),A1組成 HPF,電路為LPF,討論,