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第八章 信号的运算与处理电路

第八章 信号的运算与处理电路. 武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组. 8 信号的运算与处理电路. 本章主要内容. 本章重点与难点. 本章主要内容. 1. 比例、加、减、微分、积分电路. 2. 实际运算放大器运算电路的误差分析. 3. 对数和反对数运算电路. 4. 滤波电路的基本概念，一阶有源滤波电路. 本章重点和难点. 1. 基本运算电路的结构和特性. 2. 滤波电路的基本原理. 3. 一阶有源滤波电路的幅频特性分析. 8.1 基本运算电路. 基本组成： 集成运算放大器 + 反馈网络. 分析时运用的概念和知识点：.

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第八章 信号的运算与处理电路

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  1. 第八章 信号的运算与处理电路 武汉理工大学 信息工程学院 电子技术基础课程组

  2. 8 信号的运算与处理电路 • 本章主要内容 • 本章重点与难点

  3. 本章主要内容 1.比例、加、减、微分、积分电路 2.实际运算放大器运算电路的误差分析 3.对数和反对数运算电路 4.滤波电路的基本概念，一阶有源滤波电路

  4. 本章重点和难点 1.基本运算电路的结构和特性 2.滤波电路的基本原理 3. 一阶有源滤波电路的幅频特性分析

  5. 8.1 基本运算电路 基本组成： 集成运算放大器+反馈网络 分析时运用的概念和知识点： 运放的传输特性、理想运放的特点、运放的线性与非线性工作区域、虚短、虚断、输入方式、反馈类型 几种基本的数学运算电路： 典型应用举例： PID(比例－积分－微分)调节器

  6. 集成运放预备知识 1.运放的电压传输特性 2.理想运算放大器的特点 3.运算放大器的线性工作区域和非线性工作区域

  7. uo uo +Uom +10V ui ui 0 0 -1mV +1mV -10V -Uom +Uom +10V 非线性区 线性区 非线性区 -10V -Uom 运放的电压传输特性 设：电源电压±VCC=±10V。运放的Aod=104 │Ui│≤1mV时，运放处于线性区。 Aod越大，线性区越小， 当Aod →∞时，线性区→0

  8. 理想运算放大器的工作特性 • 开环电压放大倍数Aod=∞ • 差模输入电阻Rid=∞ • 输出电阻Ro=0

  9. 运放的线性工作区域 为了扩大运放的线性区，给运放电路引入深度负反馈： 运放工作在线性区的分析方法： 虚短（u+=u-） 虚断（ii+=ii-=0） 非线性工作区域

  10. uo ui 0 +Uom +10V -10V -Uom 运放非线性工作区域 运放工作在非线性区的条件： 电路开环工作或引入正反馈！

  11. 几种基本的数学运算电路 反相比例运算电路 同相比例运算电路 积分运算电路 反相求和运算电路 微分运算电路 同相求和运算电路 差分比例运算电路

  12. 反相比例运算电路 深度负反馈条件下， 根据虚断（ ）： 根据虚短（ ）： 特点：信号从集成运算放大器的反相输入端输入 反馈类型：电压并联负反馈 反相器 结论： 平衡电阻

  13. 反相比例运算电路图

  14. 反相器

  15. 同相比例运算电路 深度负反馈条件下有虚短和虚断的概念 特点：信号从集成运算放大器的同相输入端输入 反馈类型：电压串联负反馈 电压跟随器 结论：

  16. 电压跟随器

  17. 反相求和（加法）运算电路 深度负反馈条件下： 由“虚短”得：VP=VN； 由“虚断”得：IP=IN=0； 由反相输入端的KCL得： 特点：多个信号从集成运算放大器的反相输入端输入 反馈类型：电压并联负反馈 结论：

  18. 同相求和（加法）运算电路 深度负反馈条件下： 由“虚短”得：VP=VN； 由“虚断”得：IP=IN=0； 由同相输入端的KCL得： 特点：多个信号从集成运算放大器的同相输入端输入 反馈类型：电压串联负反馈 结论：

  19. 差分比例运算电路 深度负反馈条件下： 由“虚短”得：V+=V-； 由“虚断”得：I+=I-=0； 由两输入端的KCL并运用叠加原理得： 特点：同相和反相输入端分别加上输入信号 反馈类型：电压串联负反馈、电压并联负反馈共存 结论：

  20. 则有： 叠加原理 综合考虑: 仅ui1作用下: 仅ui2作用下:

  21. 积分运算电路 深度负反馈条件下： 由“虚短”得：V+=V_； 由“虚断”得：I+=I_=0； 由反相输入端的KCL得： iR=iC 特点：反相比例运算电路基础上，用电容C代替电阻Rf 作为负反馈元件。 结论： EWB 反馈类型：电压并联负反馈 应用举例

  22. 积分运算电路推导 对直流电压的反相积分运算

  23. ui uo t t 0 0 TM -Uom 反相积分器 反相积分器：如果ui=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。 积分时间

  24. ui uo 积分时间 t t 0 0 TM -Uom 积分时间的计算 求积到饱和值的时间： 设Uom=15V,ui=+3V, R=10k ,C=1F

  25. ui uo t t 0 0 应用举例 结论：输入方波，输出是三角波。

  26. 微分运算电路 深度负反馈条件下： 由“虚短”得：V+=V_； 由“虚断”得：I+=I_=0； 由反相输入端的KCL得： iC=iR 特点：将积分运算电路中的反相端输入电阻和反馈电 容互相交换位置。 结论： 反馈类型：电压并联负反馈

  27. 微分运算电路推导 u-= u+= 0 iC= iR 应用举例

  28. ui uo t t 0 0 90° 应用举例 EWB

  29. ＰＩＤ调节器 深度负反馈条件下： 由“虚短”得：VP=VN； 由“虚断”得：IP=IN=0； 由同相输入端的KCＬ得： 特点：如图所示 结论： 反馈类型：电压并联负反馈 EWB

  30. 实际运放电路的误差分析 • 共模抑制比KCMR为有限值的情况 • 输入失调电压VIO、输入失调电流IIO不为零时的情况

  31. 越大，误差越小。 共模抑制比KCMR为有限值的情况 同相比例运算电路 闭环电压增益： 理想情况下：

  32. 8.3 对数和反对数运算电路 • 对数运算电路 • 反对数运算电路

  33. 对数运算电路 利用PN结的指数特性实现对数运算 利用虚短和虚断，电路有： 注意：vS必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏

  34. 要求 反对数运算电路 利用虚短和虚断，电路有： vO是vS的反对数运算（指数运算） 以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路

  35. 8.5有源滤波电路 基本概念及初步定义 一阶有源滤波电路 二阶有源滤波电路 巴特沃斯有源滤波电路

  36. 滤波电路 基本概念及初步定义 1. 基本概念 滤波器：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。 有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。 传递函数 2. 分类

  37. 时，有： —— 模，幅频响应 其中 —— 相位角，相频响应 滤波电路 时延响应为： 滤波电路的传递函数 滤波电路传递函数定义：

  38. 有源滤波电路的分类 理想 实际 阻带 通带 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器

  39. 一阶有源滤波电路 基本组成： RC滤波电路+集成运算放大器 一阶有源低通滤波器 一阶有源高通滤波器 一阶有源带通滤波器 一阶有源带阻滤波器

  40. 一阶有源低通滤波电路 无源RC低通滤波电路 带电压跟随器的低通滤波器 带同相比例放大的低通滤波器

  41. 无源RC低通滤波电路 传递函数： 截止频率： 幅频特性：

  42. |A| 0.707 1 H 0 截止频率 低通的幅频特性 幅频特性： 缺陷： 1、带负载能力差 2、无放大作用 3、特性不理想

  43. 带电压跟随器的低通滤波 传递函数： 其中截止频率：

  44. 传递函数： 通带增益： 带反相比例的低通滤波 幅频特性

  45. |A| 0.707 Ａ０ Ａ０ 0 H 有源低通的幅频特性 幅频特性： 令Ａ０＝（1+Rf/R1） 缺陷：阻带衰减慢

  46. 一阶有源高通滤波器

  47. 带通滤波器的幅频特性 一阶有源带通滤波器 低通特征角频率 可由低通和高通串联得到 高通特征角频率 必须满足

  48. 带通滤波器的幅频特性 低通 高通 带通

  49. 带阻滤波器的幅频特性 一阶有源带阻滤波器 低通特征角频率 可由低通和高通并联得到 高通特征角频率 必须满足

  50. 带阻滤波器的幅频特性 低通 高通 带阻

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