模拟电子电路原理与设计基础：7信号的运算和处理

1、信号的运算和处理概 述基本运算电路电压、电流、电阻的测量电流源比例运算加减运算微分与积分对数与指数电压源电子信息系统预处理中的放大电路集成模拟乘法器有源滤波器基本原理功 能应 用相乘运算平方立方开平方开立方除法运算低通滤波器基础知识一阶有源低通二阶有源低通其他滤波器运算电路要求小结Exituiuo+UOM-UOMAo越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+Ao例：若UOM=12V，Ao=106， 则|ui|12V时，运放 处于线性区。线性放大区概 述 运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将作为理想运放。理想运放的条

2、件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点一、在分析信号运算电路时对运放的处理概 述Exit二、分析运放组成的线性电路的出发点虚短路虚开路放大倍数与负载无关， 可以分开分析。u+uo_+uIi信号的放大、运算有源滤波电路运放线性应用概 述Exit基本运算电路作用：将信号按比例放大。类型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。比例运算电路Exiti1= i2uo_+R2R1RPuii1i21.放大倍数虚短路虚开路结构特点：负反馈

3、引到反相输入端，信号从反相端输入。一、反相比例运算电路基本运算电路比例运算电路ExitExit2.电路的输入电阻ri=R1平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP =R1 / R2为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大R2，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。uo_+R2R1RPuii1i2一、反相比例运算电路基本运算电路比例运算电路4.共模电压电位为0，虚地输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地”是反相输入的特点。3.反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！一、反相比例运算电路基本运算电路比例运算电路uo_+R2R1RPuii1i2Ex

4、ituo_+R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3MT形网络反相比例运算电路i1= i2一、反相比例运算电路基本运算电路比例运算电路Exit 该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。但R3的存在，削弱了负反馈。T形网络反相比例运算电路一、反相比例运算电路基本运算电路比例运算电路Exit_+R2R1RPuiuou-= u+= ui反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。 结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。基本运算电路比例运算电路二、同相比例运算电路Exit_+uiuo 结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。三、电压跟

5、随器基本运算电路比例运算电路Exit作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相求和和反相求和。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。加减运算电路基本运算电路ExitR12_+R2R11ui2uoRPui1 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。一、反相求和运算加减运算电路基本运算电路i12iFi11 调节某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系。Exit 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。-R1RF+ui1uoR21R22ui2二、同相求和运算加减运算

6、电路基本运算电路 此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：Exit 流入运放输入端的电流为0（虚开路）若: R1=Rf=R21=R22二、同相求和运算加减运算电路基本运算电路-R1RF+ui1uoR21R22ui2Exit 实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。R2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6R1/R2/Rf = R3/R4/R6三、单运放的加减运算电路加减运算电路基本运算电路ExitR2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6三、单运放的加减运算电路加减运算电路基本运算电路图1R2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6 因

7、此,所有输入信号同时作用时的输出电压为若:R1/R2/Rf = R3/R4/R6图2Exit_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：特例：差动放大器三、单运放的加减运算电路加减运算电路基本运算电路Exit-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6四、双运放的加减运算电路加减运算电路基本运算电路Exit微分与积分运算电路u= u+= 0u i+uoRR2i1iFC一、微分运算基本运算电路Exituit0t0uo若输入：则：微分与积分运算电路一、微分运算基本运算电路u i+uoRR2i1iFCExiti1iFui-+RR2Cuo微分与积分运算电路基本运算电路二、积分

8、运算Exittuo0输入方波，输出三角波。应用举例1：tui0积分电路的主要用途：1.在电子开关中用于延迟。2. 波形变换。3. A/D转换中，将电压量变 为时间量。4. 移相。微分与积分运算电路基本运算电路二、积分运算Exittui0tuo0U-UomTM积分时限应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压， 输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样。微分与积分运算电路基本运算电路二、积分运算Exit 利用PN结的指数特性实现对数运算BJT的发射结有 当 时，对数与指数运算电路1. 对数运算电路基本运算电路Exit 其中，IES 是发射结反向饱和电流，

9、vO是vS的对数运算。注意：vS必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏利用虚短和虚断，电路有：对数与指数运算电路1. 对数运算电路基本运算电路ExitvO是vS的反对数运算（指数运算）要求说明：实用电路加有温度补偿电路2. 反对数运算电路对数与指数运算电路基本运算电路利用虚短和虚断，电路有：Exit 基本原理 实 现 框 图 3. 对数反对数型模拟乘法器对数与指数运算电路基本运算电路Exit对于差放有：集成模拟乘法器 一. 基本原理Exit二. 功能：实现两个模拟量相乘其中K为比例因子，量纲:V-1符号：集成模拟乘法器Exit 三. 应用1. 相乘运算模拟相乘器立方运算电路 2. 平方和立方运

10、算平方运算电路集成模拟乘法器Exit3. 除法运算据虚断如果令K= R2 / R1则工作（负反馈）条件？ 三. 应用集成模拟乘法器Exit4. 开平方运算电路)(1112OvRRKv-=v1为负值！负反馈条件？二极管作用？ 三. 应用集成模拟乘法器Exit5. 开立方运算电路 三. 应用集成模拟乘法器Exit1. 熟记各种单运放组成的基本运算电路的电路图及放大倍数公式。2. 掌握以上基本运算电路的级联组合的计算。3. 会用 “虚开路(ii=0)”和“虚短路(u+=u) ”分析给定运算电路的 放大倍数。运算电路要求集成模拟乘法器Exit滤波电路的分类1. 按信号性质分类3. 按电路功能分类: 低

11、通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器2. 按所用元件分类滤波电路的基础知识模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器4. 按阶数分类: 一阶，二阶 高阶有源滤波器Exit传递函数：幅频特性相频特性滤波器传递函数的定义滤波电路的基础知识有源滤波器Exit低通高通带通带阻四种典型的频率特性滤波电路的基础知识有源滤波器Exit无源滤波器的缺点： （以一阶滤波器为例）传递函数：RCR滤波电路的基础知识有源滤波器Exit1. 带负载能力差。2. 无放大作用。3. 特性不理想，边沿不陡。截止频率处：010.707o截止频率此电路的缺点：有源滤波器滤波电路的基础知识Exit传递函数中出现 的一次项

12、，故称为一阶滤波器。RR1RFC+-+一、一阶有源低通滤波器有源滤波器低通滤波器Exit幅频特性：相频特性：一、一阶有源低通滤波器低通滤波器有源滤波器Exit有放大作用3. 运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无源低通滤波器类似电路的特点：2. =o 时1. =0 时一、一阶有源低通滤波器低通滤波器有源滤波器ExitRR1RFC+-+CRP低通滤波器有源滤波器二、二阶有源低通滤波器Exit03dB解出：其中：传递函数中出现 的二次项，故称为二阶滤波器。二、二阶有源低通滤波器低通滤波器有源滤波器ExitR1= 时：AF=1 =o时：RC+-+CRP二、二阶有源低通滤波器低通滤波器有源滤波器Ex

13、itRR1RFC+-+RR1RFC+-+1. 由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器例：一阶构成二阶。有源滤波器小结分析简单Exit2. 一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别：-3dBAF理想低通一阶低通二阶低通阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。0有源滤波器小结Exit将低通滤波器中的R、C 对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。RCR1RF+-+低通滤波器R1RF+-+高通滤波器R有源滤波器其他滤波器Exit一阶有源高通滤波器R1RF+-+高通滤波器R有源滤波器其他滤波器Exit幅频特性：0o一阶有源高通滤波器有源滤波器其他滤波器Exit电子信息系统预处理中的放大电路电压源的要求： 输出电阻

14、小。所以，要有电压负反馈。电路组成： 比例放大器。_+R2R1RPUoUs反向比例放大器组成的电压源一、电压源Exit电路特点:1. 输出电压的大小调节方便。2. 同相比例放大器组成的电压源的输出大于输入。3. 反相比例放大器组成的电压源输出可以小于输入。4. 同相比例放大器的输入电阻大，从信号源取得的电流小。电子信息系统预处理中的放大电路一、电压源Exit要求：输出电阻大。所以，要有电流负反馈。_+R2R1RPUsRFRLFIL负载悬地I1I2二、电流源电子信息系统预处理中的放大电路ExitR1R1+AR2R2uoUsRLIL负载接地的电流源自己推导二、电流源电子信息系统预处理中的放大电路E

15、xit指针式万用表的缺点：（1）不能测量微小电压和微小电流；（2）万用表的内阻不是0或，因此引起误差；（3）作交流测量时，表盘刻度是非线性的，影响精度。三、电压、电流与电阻的测量电子信息系统预处理中的放大电路Exit虚短路 把表头改装成灵敏度较高、输入电阻较大的电压表。_+RFRGF输入电阻大，电压表内阻取。1. 电压表UxIG三、电压、电流与电阻的测量电子信息系统预处理中的放大电路IG正比于UX虚开路若：RF=10，表头的满偏电流IGmax=100A，则：满偏电压 Uxmax= IGmaxRF=1mVExit此电路的优点：(1) 量程由表头的满偏电流 IG 和电阻 RF 决定。 RF可选用小电阻，准确测量较小的电压(2) 输入电阻高，对被测电路影响小(3) 测量值与表头内阻RG无关，表头的互换性好UX= UF=RF IG_+RFRGF1. 电压表三、电压、电流与电阻的测量电子信息系统预处理中的放大电路Exit电压表扩大量程_+RFRGFIG1mV表头分压电阻的计算：取R1=100kR