模电第五部分信号运算和处理电路

第五部分信号运算和处理一、信号运算电路二、信号电压比较电路三、信号有源滤波电路集成运算放大器的概述1、运算放大器的符号+－V+V－Vo+－ViAo运放的符号

2、运算放大器模型实际运放模型放大器的模型有四种:电压放大器、电流放大器、互阻放大器和互导放大器。应用最普遍的集成运算放大器的模型是电压放大器。（VCVS）RoRi+－+－ViVo+－Vo/等效电路理想运放模型①理想化的条件

②理想运放的特征及等效电路两输入端之间的电压Vi=0，既虚短。两输入端之间的电流Ii=0，既虚断。等效电路+－+－ViVo+－VoVi=0Ii=0+－特征Ao

=∞Ri

=∞Ro=0B=∞CMRR=∞3、运放的电压传输特性注意1、运放开环工作时Auo很大，极易进入限幅区，所以开环时不能作为放大器使用。2、在线性区uid很小，两输入端可视为“虚短路”；在限幅区，uid可以很大，两输入端不能视为“虚短路”。4、运放的两种基本组态

集成运放的电路形式很多，但是根据信号输入端的不同，将运放电路分成两种最基本的组态。即反相组态和同相组态。+－+－VSVo+－R1RfRp反相组态+－+－VSVo+－R1RfRp同相组态反相组态同相组态

运放构成信号运算电路时工作在线性区,因而电路中引入负反馈。根据反馈网络的不同形式,运放可以实现模拟量之间的四则运算、微积分运算、指数对数运算等。一、比例运算电路1、反相比例电路利用虚短和虚断的条件得ViR1－VoRf=Vo=－RfR1Vi

第一讲信号运算电路+－ViVoR1RfRpIiIf2、符号变换器（倒相器）在上式中如果R1=Rf

则有Vo=－Vi反相比例电路的特征◆共模输入电压为零，对运放的共模抑制比要求较低；◆深度电压负反馈的作用，输出电阻可视为零；◆输入电阻较小，Ri≈R1，对输入电流有一定的要求。+－ViVoR1RfRpIiIf3、同相比例电路利用虚短和虚断的条件得ViR1Vo－ViRf=Vo=

（1+

）RfR1Vi4、电压跟随器

如果

Rf

=0

或R1=∞就有Vo=Vi同相比例电路特征◆输入电阻很高，可达1000M以上；◆共模电压等于输入电压，对运放的CMRR要求较高。+－ViVoR1RfRpIiIf二、加法和减法电路1、反相加法电路利用虚短和虚断的条件得I1+I2=IfVo=－R1RfR2RfVi1Vi2+（）如果R1=R2

，则有Vo=－RfR1（Vi1+Vi2

）反相求和电路的优点是：调节某一路信号输入电阻不会影响其它各路输出与输入之间的比例关系。#同相加法电路如何实现？+－Vi1VoR1RfRpI1IfR2I2Vi2

2、减法电路利用迭加定理分别求出Vi1和Vi2单独作用时的Vo，R1+RfR1R3R2+R3RfR1Vi2Vi1Vo

=－如果

R1=R2

R3=Rf

RfR1Vo

=（Vi2

－Vi1

）如果R1、

Rf取定后，再想改变Vi2的比例系数的话，就不能保证RN=RP或者调整困难。①、单运放实现差分比例运算+－Vi1VoR1RfR3I1IfR2I2Vi2②利用双运放实现减法运算图中如果Rf1=R2，则输出电压的表达式为Vo

=Rf2Vi1Vi2R3R1－（）电路参数调整方便，获得广泛应用。+－R1Rf1RpVi1+－VoR3Rf2RpR2Vi2+－R1Rf1R2Vi1+－VoR3Rf2R4A1Vi2A2#总结运放电路的分析方法？高输入电阻的差分比例运算电路三、积分和微分电路1、积分电路利用虚短和虚断的条件得∫t1t2Vi·dt+Vct11RCVo=－Vo=－VcIf=IiVc

=∫t1t2If·dt+Vct11C积分电路应用很广，可以对信号进行变换、延迟和移相（90o）联立求解+－ViVoRCRpIiIf+－VoVitt

2、微分电路利用虚短和虚断的条件得Vo=－If·RIf=Ii=Vc

=VidVcdtC·联立求解Vo=－RCdVidt积分电路应用很广，可以对信号进行变换、移相（90o）和识别（显示信号中的变化量）+－ViVoRCRpIiIf+－VoVitt四、对数和指数电路1、对数电路+－uI＞0uORDRpiRiD+－uI＞0uORTRpiRiC利用PN结伏安特性所具有的指数规律，将D或T接入反馈回路或输入回路，可实现对数和指数运算。uDUTeiD≈IsuD≈UTIniDIsiD=iR=uIRuo=－uD≈－UTInuIRIs①、用D和T构成的对数运算电路+－uREFuO1RT1R3IR+－uIuOR2iIR4R1T2R5A1A2P2②、集成对数运算电路uBE1≈UTInuIR3IsuBE2≈UTInIRIsup2=uBE2－uBE1≈－UTInuIR3IRu0≈－(1+

)R2R5UTInuIR3IR

2、指数电路+－uIuORTRpiEiR①、用T构成的指数运算电路uIUTeiR=iE≈Isuo=－iRR=－RISuIUTe②、集成指数运算电路+－uREFuO1RT1R3IR+－uIuOR2iIR4R1T2R5A1A2P2五、其它非线性电路利用指数和对数的组合，可以得到多种形式的非线性电路InmIn—1VImInVIKVImInIn+In—1—In—1V1V2In（V1V2）KV1·V2V1V2InV1V2K一、电压比较器的概述

电压比较器是一类重要的模拟集成电路，广泛用于“电压比较、电平鉴别、波形整形、波型产生以及A/D”变换等。在测量和控制中有相当广泛的应用。

第二讲信号电压比较电路电压比较器的功能是比较两个输入电压的大小，据此决定输出是高电平还是低电平,符号和传输特性如下。－＋uiurcucc-uEEuo符号uouiuruoHuoLo△i传输特性1、电压传输特性使输出电压发生跳变的输入电压称为阈值电压。①

求电平VOH和VOL②求阈值电压VT③分析VI变化时，VO的跃变方向◆根据输出电路确定低电平VOL和高电平VOH。◆写出同相端VP和反相端VN的表达式，令VP=VN，解得的输入电压就是阈值电压VT。◆

VI经过VT时VO的跃变方向决定于（VP

－VN）的值。若VP－VN＞0，VO=VOH；若VP

－VN

＜0，VO=VOL。电压传输特性的分析方法

2、电压比较器的种类①单限比较器②迟滞比较器电路只有一个阈值电压，输入电压逐渐增大或减小过程中，经过UT时，输出电压产生跃变。电路有两个阈值电压，输入电压从小变大过程中的阈值电压UT1，不等于从大变小过程中的阈值电压UT2。OUOH

UOL电压传输特性UiUTUOUiUOLUOHUT2UT1电压传输特性

①高、低电平②鉴别灵敏度③转换速度输出状态转换所需要的时间。比较器在稳态时所对应的电压值。阈值附近状态跃变所需要的最小输入变化量。③窗口比较器电路有两个阈值电压，输入电压从小变大或从大变小过程中使输出电压产生两次跃变。UiUT2UT1UOO电压传输特性

3、电压比较器的特性单限比较器的应用很多，可将任意波形变为矩形波。VIVREFVOttVIVREFVOtt干扰信号OVOH

VOL传输特性VIVREF+VO－VIVREFR二、单限比较器【例】

电路及输入信号波形ui分别如图(a)、(b)所示，其中C为交流耦合电容,试分别画出uo1和uo2的波形图。注意解题的步骤和分析过程◆输出电压为±VOM◆阈值电压VT的估算VN=VI，VP=±R1+RfR1R1+RfRfVOM+VREF令VN=VPVT=±R1+RfR1R1+RfRfVOM+VREF+VO－VIVREFRfR1Rp三、迟滞比较器VT+=R1+RfR1R1+RfRfVOM+VREFVT－=－R1+RfR1R1+RfRfVOM+VREF◆讨论VI变化时，VO的跃变方向设输出为正VOH则此时

VP=VT+当VI由零向正方向增加，未达到VT+时，输出一直为VOH。只有增加到VI

＞VP=VT+时，输出才有VOH→VOL。输入再增加输出一直保持VOL不变。此时

VP=VT－。+VO－VIVREFRfR1Rp若减小VI，只要VI

＞VP=VT－，则VO将始终保持VOL不变。只有VI

＜VP=VT－时，VO才有VOL→VOH。VIttVT+VT－VO整形VOVIVOLVOHVT－VT+电压传输特性+VO－VIVREFRfR1Rp阅读相关资料了解其它应用四、窗口比较器若VR1＞VR2，分析后得电压传输特性VIVR1VR2VO#设计一个选择电流放大系数范围的电路？R+－VIVR1+VO－VR2D2D1RRRA1A2五、集成电压比较器

单片集成电压比较器的响应速度非常快，转换时间仅为1~3ns。可作为模拟电路与数字电路的接口电路，输出电平与TTL、CMOS或ECL兼容，芯片带负载能力强，可以直接驱动继电器和指示灯。

单片集成电压比较器有单比较器、双比较器和四比较器之分。有的输出管集电极开路，使用时必须外加一个上拉电阻到正电源电压。有的电压比较器具有选通端，用来控制比较器处于工作状态或禁止状态。有的电压比较器还带有锁存功能，可将比较后的状态锁存起来。1、集成专用电压比较器举例2、AD790及其基本接法LM119管脚图由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性报警电路六、模拟开关

模拟开关是电子系统中常用的基本单元电路，用来控制信号的通断。模拟开关可由双极型晶体管构成，也可以用MOS场效应管构成。CMOS模拟开关具有电路简单、功耗小、导通电阻小、关断电阻大等优点，因而得到广泛应用。模拟开关可传输数字信号，也可传输模拟信号，它是一种模拟器件，与数字电路中的数据选择器有所不同。数数据选择器只能传输数字信号。常用的模拟开关1、CC4066模拟开关CC4066具有4个独立的CMOS双向模拟开关，其结构和引脚分别如图所示。其中，C为控制端。当C端施加高电平时，开关S接通，加在S一端的信号被传输到S的另一端。反之，C端为低电平，开S断开，