模擬電子技術基礎課件第21講_信號的運算

1、第二十一講 信號的運算一、概述二、比例運算電路三、加減運算電路四、積分運算電路和微分運算電路五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路六、模擬乘法器及其在運算電路中的應用一、概述一、概述 1. 電子系統(tǒng)簡介電子系統(tǒng)簡介傳感器傳感器接收器接收器隔離、濾波隔離、濾波放大、阻抗放大、阻抗變換變換運算、轉運算、轉換、比較換、比較功率放大功率放大A/D轉換轉換第七章第七章第八章第八章第九章第九章信號的產生信號的產生電子信息系統(tǒng)的供電電源電子信息系統(tǒng)的供電電源第十章第十章2. 理想運放的參數(shù)特點理想運放的參數(shù)特點 Aod、 rid 、fH 均為無窮大，均為無窮大，ro、失調電壓及其溫漂、失調電壓及其溫漂、失調電流及其

2、溫漂、噪聲均為失調電流及其溫漂、噪聲均為0。 因為因為uO為有限值，為有限值， Aod，所以所以 uNuP0，即，即 uNuP虛短路虛短路因為因為rid，所以，所以 iNiP0虛斷路虛斷路電路特征：引入電壓負反饋。電路特征：引入電壓負反饋。無源網絡無源網絡3. 集成運放的線性工作區(qū)集成運放的線性工作區(qū) uOAod(uP uN)4. 研究的問題研究的問題 （1）什么是運算電路：運算電路的輸出電壓是輸入電）什么是運算電路：運算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運算的結果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積壓某種運算的結果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等。分、微分、對數(shù)、指數(shù)等。 （

3、2）描述方法：運算關系式）描述方法：運算關系式 uOf (uI) （3）分析方法：）分析方法：“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是基本出發(fā)點。是基本出發(fā)點。（1）識別電路。）識別電路。（2）求解運算關系式。）求解運算關系式。5、學習運算電路的基本要求、學習運算電路的基本要求二、比例運算電路 1. 反相輸入反相輸入電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？電路的輸入電阻為多少？電路的輸入電阻為多少？3) R？為什么？為什么？4) 若要若要Ri100k，比例系數(shù)為，比例系數(shù)為100，R1？ Rf？Rf太大，噪聲大。如何利用相對小太大，噪聲大。如何利用相對小的電阻獲得的電阻獲得100的比例系

4、數(shù)？的比例系數(shù)？+_iN=iP=0，uN=uP=0虛地虛地在節(jié)點在節(jié)點N：RuiiRIFIffFOuRRRiuT 形反饋網絡反相比例運算電路形反饋網絡反相比例運算電路I12MuRRuI342142O)1 (uRRRRRRu？，則，若比例系數(shù)為？，則若要求3421ik100100k100RRRRR利用利用R4中有較大電流來獲得較大數(shù)值的比例系數(shù)。中有較大電流來獲得較大數(shù)值的比例系數(shù)。432MO)(Riiuu1I12Ruii3M3 Rui IfONfOIPN)1 ()1 (uRRuuRRuuuu運算關系的分析方法：節(jié)點電流法運算關系的分析方法：節(jié)點電流法2. 同相輸入同相輸入電路引入了哪種組態(tài)的負

5、反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？輸入電阻為多少？輸入電阻為多少？電阻電阻R？為什么？為什么？共模抑制比共模抑制比KCMR時會影響運算精度嗎？為什么？時會影響運算精度嗎？為什么？IPNOuuuu同相輸入比例運算電路的特例：電壓跟隨器同相輸入比例運算電路的特例：電壓跟隨器? )3? )2? ) 1IcoiuRRF三、加減運算電路三、加減運算電路 1. 反相求和反相求和3I32I211I321FPN 0RuRuRuiiiiuuRRR)(3I32I211IffFORuRuRuRRiu方法一：節(jié)點電流法方法一：節(jié)點電流法1. 反相求和反相求和I33fI22fI11fO3O2O1OuRRuRRuRRuu

6、uu方法二：利用疊加原理方法二：利用疊加原理 首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所有結果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。有結果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的輸出電壓。I33fO3I22fO2uRRuuRRu同理可得1I1fO1uRRu2. 同相求和同相求和 設設 R1 R2 R3 R4 R Rf利用疊加原理求解：利用疊加原理求解： 令令uI2= uI3=0，求，求uI1單獨單獨作用時的輸出電壓作用時的輸出電壓 在求解運算電路時，應選擇合適的方法，使運算結果在求解運算電路時，應選擇合適的方法，使運算結果簡單明了，

7、易于計算。簡單明了，易于計算。1I4321432f1O)1 (uRRRRRRRRRu 同理可得，同理可得， uI2、 uI3單獨作用時的單獨作用時的uO2、 uO3，形式與，形式與uO1相同，相同， uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意義清楚，計算麻煩！物理意義清楚，計算麻煩！ 2. 同相求和同相求和 設設 R1 R2 R3 R4 R Rfff3I32I211IPfPfO)()1 (RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu與反相求和運算電路與反相求和運算電路的結果差一負號的結果差一負號4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP4

8、3213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)( )(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu必不可少嗎？必不可少嗎？3. 加減運算加減運算 利用求和運算電路的分析結果利用求和運算電路的分析結果)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu設設 R1 R2 Rf R3 R4 R5)(I1I2fOuuRRu若若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?實現(xiàn)了差分實現(xiàn)了差分放大電路放大電路四、積分運算電路和微分運算電路四、積分運算電路和微分運算電路 1. 積分運算電路積分運算電路RuiiRCI)(11O IO21tuuRCuttIO1uRCu)()(1 1O1

9、2IO21ItuttuRCuttu為常量，則在若RuCuuICO1移相移相利用積分運算的基本關系實現(xiàn)不同的功能利用積分運算的基本關系實現(xiàn)不同的功能1) 輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？2) 輸入為方波時的輸出電壓波形？輸入為方波時的輸出電壓波形？3) 輸入為正弦波時的輸出電壓波形？輸入為正弦波時的輸出電壓波形？線性積分，延時線性積分，延時波形變換波形變換2. 微分運算電路微分運算電路tuRCRiutuCiiRCRddddIOI 為了克服集成運為了克服集成運放的阻塞現(xiàn)象和自放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實用電路激振蕩，實用電路應采取措施。應采取措施。限制輸限制輸入電流入

10、電流限制輸出限制輸出電壓幅值電壓幅值滯后補償滯后補償RuiiRIC對輸入電壓的極性和幅值有何要求？對輸入電壓的極性和幅值有何要求？RIuUuuSITBEOln五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路1. 對數(shù)運算對數(shù)運算實用電路中常常采取措施實用電路中常常采取措施消除消除IS對運算關系的影響對運算關系的影響TBEeSCUuIi 利用利用PN結端電結端電壓與電流的關系壓與電流的關系集成對數(shù)運算電路集成對數(shù)運算電路TBE1eS3I1I1CUuIRuii3SITBE1lnRIuUuSTSREFTBE2ln lnIIURIUUuR同理，3ITBE1P2N2lnRIuUuuuR3IT

11、52N252Oln)1 ()1 (RIuURRuRRuRBEIuu 對輸入電壓的極性和幅值有何要求？對輸入電壓的極性和幅值有何要求？TIeSOUuRRIRiu2. 指數(shù)運算電路指數(shù)運算電路TIeSEUuRIii3. 乘法、除法運算電路乘法、除法運算電路六、模擬乘法器及其在運算電路中的應用1. 模擬乘法器簡介模擬乘法器簡介1) 變跨導型模擬乘法器的基本原理變跨導型模擬乘法器的基本原理XcmcC2C1O)(uRgRiiuTTEQm2UIUIgeBE3YRuuIeTYmBE3Y2RUuguu，則若YXeTcO2uuRURu 實際電路需在多方面改進，如線性度、溫度的影響、實際電路需在多方面改進，如線性

12、度、溫度的影響、輸入電壓的極性等方面。輸入電壓的極性等方面。 理想情況下，理想情況下，ri1、 ri2、fH為無窮大，為無窮大， 失調電壓、電流失調電壓、電流及其溫漂為及其溫漂為0，ro為為0， ux 、uy 幅值變化時幅值變化時 k 值不變。值不變。 有單象限、兩象限和四象有單象限、兩象限和四象限之分。限之分。2)2)模擬乘法器的符號及等效電路模擬乘法器的符號及等效電路YXOukuu ) cos21 (2 sin2 sin22i22iOiItkUtkUutUu則若2. 在運算電路中的基本應用在運算電路中的基本應用2)2)乘方運算乘方運算1)1)乘法運算乘法運算I2I1Oukuu 實際的模擬乘

13、法器實際的模擬乘法器k常為常為+0.1V-1或或0.1V-1。 若若k= +0.1V-1，uI1= uI2=10V，則則 uO=10V。2IOkuu 實現(xiàn)了對正弦波實現(xiàn)了對正弦波電壓的二倍頻變換電壓的二倍頻變換 為使電路引入的是負反饋，為使電路引入的是負反饋，k和和uI2的極性應如何？的極性應如何？21ii 2. 在運算電路中的基本應用在運算電路中的基本應用3)3)除法運算除法運算I2I112OkuuRRu運算電路中集成運放必須引入負反饋！運算電路中集成運放必須引入負反饋！1i2i 若集成運放的同相輸入端與若集成運放的同相輸入端與反相輸入端互換，則反相輸入端互換，則k和和uI2的的極性應如何？

14、極性應如何？2O1I1RuRuOI2I112OukuuRRu2OI12OkuuRRu為滿足上式，電路中為滿足上式，電路中uI、 uO、k的極性是什么？為什么？的極性是什么？為什么？3. 開方運算開方運算I12OukRRu 若集成運放的負反饋通路中為某種運算電路，則整個若集成運放的負反饋通路中為某種運算電路，則整個電路實現(xiàn)其逆運算，如除法運算電路、開方運算電路。電路實現(xiàn)其逆運算，如除法運算電路、開方運算電路。如何實現(xiàn)開三次方運算電路？如何實現(xiàn)開三次方運算電路？若若uO0，則有何變化？，則有何變化？討論一：電路如圖所示（1）組成哪種基本運算電路？與用一個運放組成的）組成哪種基本運算電路？與用一個運放組成的完成同樣運算的電路的主要區(qū)別是什么？完成同樣運算的電路的主要區(qū)別是什么？（2）為什么在求解第一級電路的運算關系時可以不）為什么在求解第一級電路的運算關系時可以不考慮第二級電路對它的影響？考慮第二級電路對它的影響？討論二：求解圖示