电子技术及其应用基础 模拟部分 李哲英02anal6.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第6章 模拟信号处理电路,6-,*,单击此处编辑母版标题样式,第6章 模拟信号处理电路,6-1 放大电路,6-2 信号发生器电路,6-3 模拟信号运算电路,6-4 滤波电路,6-5 模拟信号变换电路,6-6 开关电容电路,基本任务：,（1）根据实际电路或电路的物理模型建立分析模型,（2）找出电路基本行为特性及电路主要参数的作用,Analog signal processing,6-1-1、同相放大器,6-1-2、反相放大器,6-1-3、差分放大电路,分析前提：,理想运算放大器_,v,+,=,v,，,I,+,=,I,=0,线性非时变元件,6-1,放大电路,Amplify circuits,+,-,R,R,2,R,1,v,o,v,i,v,+,=,v,i,v,+,=,v,-,具有信号电压放大能力,电压放大倍数1,同相输入和输出信号的相位相同。,v,i,v,o,6-1 放大电路,1、电路行为特性分析,理想情况下,v,i,R,R,1,R,2,v,+,v,-,v,o,K,(,v,+,-,v,-,),6-1-1,同相放大器,Non-invert input,（1）,电路中的电阻,电压放大倍数仅与外,电阻有关,R,没有对行为产生影响,（2）,对运算放大器的要求,闭环放大倍数远小于开环放大倍数,最高输出电压低于器件饱和电压,信号最大变化率小于放大器的跟踪速度,频率与增益的乘积满足器件的带宽增益乘积,6-1 放大电路,+,-,R,R,2,R,1,v,o,v,i,2、参数特性分析,理想情况下,v,i,R,R,1,R,2,v,+,v,-,v,o,K,(,v,+,-,v,-,),6-1-1,Non-invert input,考虑两输入端之间的等效电阻,。,v,i,=,v,o,=0,v,O,6-1 放大电路,+,-,R,R,2,R,1,v,o,v,i,非理想情况下,v,i,R,R,1,R,2,v,+,v,-,v,o,K,(,v,+,-,v,-,),若,v,+,=,v,-,，i,+,=,i,-,i,+,i,-,克服输入偏置电流引起的输入失调电压。,6-1-1,Non-invert input,同相放大器分析示例,例6-1-1,设输入电压幅度为020,mV，,电源电压为12,V。,问在不考虑信号频率的条件下，电压增益最大为多少？如果考虑信号频率为10,kHz，,同相放大电路的电压增益又是多少？,解：,（1）不考虑频率，用运算放大器饱和输出电压作为限制条件,10,V/20mV=500,倍,（2）考虑信号频率，必须用小信号幅频特性作为限制条件,40,dB=,100倍,6-1 放大电路,6-1-1,同相放大器,+,-,R,R,2,R,1,v,o,v,i,6-1-2,反相放大器,Invert input,反相指输入和输出信号的相位相反。,v,+,=0，,v,=0,输入和输出信号的相位相反,是一个比例放大器,v,i,v,o,6-1 放大电路,1、电路行为特性分析,理想情况下,-,+,R,R,2,R,1,v,o,v,i,v,i,R,1,R,R,2,v,+,v,-,v,o,K,(,v,+,-,v,-,),6-1 放大电路,6-1-2,Invert input,2、参数特性分析,理想情况下,（1）,电路中的电阻,电压放大倍数仅与外,电阻有关,R,没有对行为产生影响,放大倍数小于时，应,采用大信号参数,（2）,对运算放大器的要求,闭环放大倍数远小于开环放大倍数,最高输出电压低于器件饱和电压,信号最大变化率小于放大器的跟踪速度,频率与增益的乘积满足器件的带宽增益乘积,-,+,R,R,2,R,1,v,o,v,i,v,i,R,1,R,R,2,v,+,v,-,v,o,K,(,v,+,-,v,-,),v,+,=-,i,+,R,6-1 放大电路,考虑两输入端之间的等效电阻,。,非理想情况下,6-1-2,Invert input,-,+,R,R,2,R,1,v,o,v,i,v,i,R,1,R,R,2,v,+,v,-,v,o,K,(,v,+,-,v,-,),i,-,i,+,若,v,+,=,v,-,，i,+,=,i,-,克服输入偏置电流引起的输入失调电压。,例6-1-2,设输入信号的最大电压幅度为5,V，,频率为10,kHz，,电源电压为12,V，,问电压增益最大为多少？,解：,（1）不考虑信号频率，用运算放大器饱和输出电压作为限制条件,10/5=2,（2）考虑信号频率，必须用大信号幅频特性作为限制条件,9.4,dB=,3倍,6-1 放大电路,反相放大器分析示例,6-1-2,反相放大器,-,+,R,R,2,R,1,v,o,v,i,一、单运放差分电路,二、三运放差分电路,6-1 放大电路,6-1-3 差分,放大器,Differential input,+,-,R,1,v,i,2,v,i,1,R,3,R,2,R,4,v,o,+,-,R,1,v,i,2,v,i,1,R,1,R,2,R,2,v,o,R,R,-,+,+,-,R,W,6-1 放大电路,6-1-3 差分,放大器,_单运放差分电路,+,-,R,1,v,i,2,v,i,1,R,3,R,2,R,4,v,o,1、电路行为特性分析,理想情况下,v,i,2,v,i,1,R,4,R,3,R,2,R,1,v,o,v,-,v,+,（1）,电路中的电阻,两输入的电压放大倍数必须相等,（2）,对运算放大器的要求,与同相放大器相同,6-1 放大电路,6-1-3 差分,放大器,_单运放差分电路,+,-,R,1,v,i,2,v,i,1,R,3,R,2,R,4,v,o,2、参数特性分析,理想情况下,仿真,v,i,2,v,i,1,R,4,R,3,R,2,R,1,v,o,v,-,v,+,6-1 放大电路,6-1-3 差分,放大器,_三运放差分电路,1、电路行为特性分析,理想情况下,+,-,R,1,v,i,2,v,i,1,R,1,R,2,R,2,v,o,R,R,-,+,-,+,R,W,v,i,2,v,i,1,R,2,R,1,R,2,R,1,v,o,-,+,-,+,+,-,R,R,v,o,2,v,o,1,R,W,输入放大,差分放大,6-1 放大电路,6-1-3 差分,放大器,_三运放差分电路,2、参数特性分析,理想情况下,+,-,R,1,v,i,2,v,i,1,R,1,R,2,R,2,v,o,R,R,-,+,+,-,R,W,v,i,2,v,i,1,R,2,R,1,R,2,R,1,v,o,-,+,-,+,+,-,R,R,v,o,2,v,o,1,R,W,输入放大,差分放大,输入端具有相当高的电阻,共模抑制比由电阻决定,无偏置电流通道,例6-1-6,试分析电阻电桥测量电路的基本特性。,解：,（1）电路行为特性分析,（2）参数分析,必须满足,r,r,通过测量电桥向运算放大器提供偏置电流通道,当,r,r，,则,v,i,1,-,v,i,2,-5,r/2r,6-1 放大电路,三运放差分电路示例,6-1-3 差分,放大器,v,o,R,W,+,-,R,R,5,V,r,R,1,R,1,R,2,R,2,v,i,2,v,i,1,r,+,r,r,r,-,+,-,+,-5,V,第6章 模拟信号处理电路,6-1 放大电路,6-2 信号发生器电路,6-3 模拟信号运算电路,6-4 滤波电路,6-5 模拟信号变换电路,6-6 开关电容电路,基本任务：,（1）根据实际电路或电路的物理模型建立分析模型,（2）找出电路基本行为特性及电路主要参数的作用,Analog signal processing,6-2-1、基本工作原理,6-2-2、基本信号发生电路,6-2,Signal Generator,信号,周期信号,非周期信号,函数发生电路原理,振荡电路原理,正弦波振荡电路,脉冲发生电路,信号发生,控制,输出驱动,电源,利用相应的电路实现对输入信号的某种运算，使输出信号的波形满足相应的函数。,令,a,=0，,则,6-2-1 基本工作原理,_,函数发生电路原理,6-2 信号发生电路,没有外来输入信号作用，仍能输出具有一定幅度的周期信号。,6-2-1 基本工作原理,_,振荡电路原理,A,F,X,Y,+,+,振荡电路基本条件：,（1）,幅度条件,A,+,F,=,2,n,（2）,相位条件,A,F,Y,6-2 信号发生电路,一、电路行为特性分析,二、参数分析,6-2 信号发生电路,6-2-2 基本振荡电路,_正弦波振荡电路,A,F,Y,+,R,2,R,v,o,C,R,C,R,1,+,R,2,R,v,o,1/,SC,R,R,1,1/,SC,Z,1,Z,2,令,V,o,=,V,f,一、电路行为特性分析,6-2 信号发生电路,+,R,2,R,v,o,1/,SC,R,R,1,1/,SC,6-2-2 基本振荡电路,_正弦波振荡电路,+,R,2,R,v,o,1/,SC,R,R,1,1/,SC,v,f,满足振荡条件,s,=,j,w,电路振荡时的谐振频率为：,f,0,=1/2,p,RC,二、参数特性分析,+,R,2,R,v,o,1/,SC,R,R,1,1/,SC,6-2-2 基本振荡电路,_正弦波振荡电路,令,w,0,=1/,RC,当,w,=,w,0,时满足相位条件，则,当,满足幅度条件时,仿真,6-2 信号发生电路,参数设计：,+,R,2,R,v,o,1/,SC,R,R,1,1/,SC,6-2-2 基本振荡电路,_正弦波振荡电路,当,w,=,w,0,=1/,RC,时满足相位条件,R,1,=5k,R,2,=2,R,1=10k,当,满足幅度条件时,设正弦波频率为160,Hz，,则选,C,=0.1uF,，,R,=10k,思考：,（1）起振,（2）稳幅,A,+,F,=,2,n,R,1,或,R,2,随时间变化,6-2 信号发生电路,T,脉冲信号的周期,T,T,1,V,T,1,/T,占空比,V,脉冲信号的幅度,一、脉冲信号,6-2-2 基本振荡电路,_脉冲发生电路,二、脉冲信号发生电路,+,-,v,o,R,R,1,C,R,2,1、电路行为特性分析,2、参数分析,6-2 信号发生电路,6-2-2 基本振荡电路,_脉冲发生电路,二、脉冲信号发生电路,1、电路行为特性分析,+,-,v,o,R,R,1,C,R,2,+,-,v,o,R,R,1,1/,SC,R,2,v,f,满足振荡条件,6-2 信号发生电路,（1）电容充电阶段（放大器饱和输出阶段）,6-2-2 基本振荡电路,_脉冲发生电路,二、脉冲信号发生电路,2、参数特性分析,+,-,v,o,R,R,1,C,R,2,（2）电容放电阶段（放大器零输出阶段）,v,C,FV,O,v,O,V,O,T,T,/2,6-2 信号发生电路,例6-2-2,设脉冲信号频率为1,kHz，,幅度为5,V，,使用,LM324，,试计算电路中的元件参数,，,并确定运放的电源电压。,解：,（1）计算,R,、,R,1,、,R,1,和,C,（2）,选择,LM324,电源电压,令,f,=1/2,RC,=1000H,z,，,RC,=0.5,10,-,3,R,2,=1.13,R,1,令,R,1,=10k,W,，,则,R,2,=11.3k,W,令,R,=10k,W,，,则,C,=0.05,m,F,LM324,的电源电压约为7,V。,脉冲信号发生电路示例,6-2-2,基本信号发生电路,+,-,v,o,R,R,1,C,R,2,v,C,FV,O,v,O,V,O,T,T,/2,6-2 信号发生电路,第6章 模拟信号处理电路,6-1 放大电路,6-2 信号发生器电路,6-3 模拟信号运算电路,6-4 滤波电路,6-5 模拟信号变换电路,6-6 开关电容电路,基本任务：,（1）根据实际电路或电路的物理模型建立分析模型,（2）找出电路基本行为特性及电路主要参数的作用,Analog signal processing,6-3-1、加法/减法电路,add and subtract,6-3-2、对数放大器电路,Logarithm,6-3-3、乘法电路,Multiplication,6-3,模拟运算电路,Calculating circuits,6-3-4、积分/微分电路,Integrator and differential,指电路对输入的电压信号进行数学运算，并把结果以信号波形方式输出。,实现输入信号求和放大。,一、加法电路,反相加法器,同相加法器,二、减法电路,差分电路,取反加法电路,6-3-1 加法/减法电路,Adder/subtract,6-3 模拟运算电路,R,1,v,o,+,-,R,1,R,2,R,v,i,2,v,i,1,+,-,v,i,2,v,i,1,R,R,1,R,2,R,v,o,+,-,R,2,R,3,R,1,R,4,v,o,v,i1,v,i2,+,-,+,-,v,1,v,2,v,o,R,R,R,3,R,4,R,2,R,1,R,一、加法器,_反相加法器,v,+,=,v,=0，,I,i,1,+,I,i,2,+,I,f,=0,（1）电路行为分析,（2）参数分析,令1/(1+,D,)=1+,k,，,得,R,1,v,o,+,-,R,1,R,2,R,v,i,2,v,i,1,6-3 模拟运算电路,6-3-1 加法/减法电路,R,1,v,o,+,-,R,1,(1+,D),R,2,R,v,i,2,v,i,1,对电阻,R,1,误差限制,（1）电路行为分析,v,+,=,v,（2）参数分析,两输入电阻的误差要求不大，但必须注意因为偏置电流引起的输出失调电压。,+,-,v,i,2,v,i,1,R,R,1,R,2,R,v,o,6-3 模拟运算电路,6-3-1 加法/减法电路,一、加法器,_同相加法器,（1）电路行为分析,如果,R,1,=,R,3,，,R,2,=,R,4,，,则,（2）参数分析,必须按照差分电路对电阻的要求选择电路的电阻参数。,+,-,R,2,R,3,R,1,R,4,v,o,v,i1,v,i2,6-3 模拟运算电路,6-3-1 加法/减法电路,二、减法器,_差分减法器,+,-,+,-,v,1,v,2,v,o,R,R,R,3,R,4,R,2,R,1,R,对电路要求与加法器和反相放大的要求相同，但必须注意连电路连接时要求前极电路输出电阻小、后级电路输入电阻大的要求。,课后练习,6-3 模拟运算电路,（1）电路行为分析,（2）参数分析,6-3-1 加法/减法电路,二、减法器,_取反相加减法器,v,o,=,-,v,ce,=,-,v,be,（1）电路行为分析,v,-,=,v,+,=0,i,i,=,v,i,/,R,1,，,i,c,=,i,i,v,o,=,-,V,T,ln,(,v,i,/,R,1,)+,V,T,ln,I,ES,是一种非线性放大器。,对器件特性和参数依赖较大，精度不易做得很高。,T,v,i,+,-,v,o,R,1,R,+,-,b,c,e,v,i,R,1,R,v,o,K,(,v,+,-v,-,),r,T,I,c,6-3 模拟运算电路,6-3-2 对数放大电路,Logarithm,V,T,=,26mV,利用,PN,结的指数伏安特性,v,o,=,-,26(,mV)ln,(,v,i,/,R,1,)+,常数,（2）参数分析,输出电压的幅度不可能超过,b-e,结压降,电阻,R,用于抑制失调电压，应选择,R,=,R,1,。,对数放大器的特性仅与,R,1,有关。,6-3 模拟运算电路,T,v,i,+,-,v,o,R,1,R,6-3-2 对数放大电路,Logarithm,一、电路基本工作原理与理想特性,二、模拟乘法器的工程应用参数,（,a）,乘法器电路符号,（,b,）四象限乘法器传输特性,1）输出失调电压,2）满量程误差,3）非线性误差,4）误差温度系数,2）小信号带宽,3）转换速率,v,x,v,y,v,o,=,K,v,y,v,y,v,y,v,x,v,o,6-3 模拟运算电路,6-3-3 乘法电路,Multiplayer,一、一阶积分电路,二、一阶微分电路,+,-,R,1,R,C,v,o,v,i,+,-,v,o,C,R,R,1,v,i,6-3 模拟运算电路,6-3-4,Integrator and differential,积分电路实际上就是一种低通滤波器。,高频信号的增益为零,低频信号的增益很大,直流信号的增益为无限大,6-3 模拟运算电路,6-3-4 积分/微分电路,一、一阶积分电路,+,-,R,1,R,C,v,o,v,i,（1）电路行为分析,当,v,i,=,u,(,t,),时，,t,v,i,输入阶跃信号,理想积分器输出信号,t,v,o,First order,1）理想积分器的时间常数,t,=,RC,，,因此必须根据信号所要求的最大积分时间选择积分常数，否则将会引起信号失真。,2）必须考虑运算放大器失调电压,V,os,和偏置电流,I,b,所引起的误差。,选择失调电压小的运算放大器,选择偏置电流小的运算放大器,选择较大的电容值，使,RC,尽量大,6-3 模拟运算电路,（2）参数分析,6-3-4 积分/微分电路,一、一阶积分电路,+,-,R,1,R,C,v,o,v,i,仿真,积分电路示例,例6-3-1,试分析该,比例积分放大器,的行为特性。,解：,6-3 模拟运算电路,6-3-4 积分/微分电路,+,-,R,R,1,v,i,C,R,f,v,o,仿真,微分电路可以被看作是一种隔离直流电压信号的电路。,6-3 模拟运算电路,6-3-4 积分/微分电路,二、一阶微分电路,（1）电路行为分析,+,-,R,R,1,v,i,C,v,o,v,i,t,输入阶跃信号,微分器输出信号,v,o,t,t,t,v,i,v,o,（2）电路行为分析,与积分电路相同,仿真,第6章 模拟信号处理电路,6-1 放大电路,6-2 信号发生器电路,6-3 模拟信号运算电路,6-4 滤波电路,6-5 模拟信号变换电路,6-6 开关电容电路,基本任务：,（1）根据实际电路或电路的物理模型建立分析模型,（2）找出电路基本行为特性及电路主要参数的作用,Analog signal processing,6-4-1、滤波器的基本概念,6-4-2、低通滤波器,LP,6-4,滤波电路,Filter circuits,6-4-3、高通滤波器,HP,6-4-4、带通滤波器,BP,工程信号是不同频率的,正弦波线性叠加,而成的,组成信号的各频率的正弦波叫做信号的谐波成分或频率成分。,只允许一定频率范围内的频率成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。,6-4-1、滤波器的基本概念,利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。,通频带：增益幅度不为零的频率范围。,阻带：增益幅度为零的频率范围。,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,6-4 滤波电路,6-4-2、低通滤波器,LP(low path),只允许低于截止频率的信号通过。,一、一阶低通,Butterworth,滤波器,二、二阶低通,Butterworth,滤波器,6-4 滤波电路,R,v,i,C,R,1,-,+,v,o,-,+,R,1,R,C,R,2,v,i,v,o,R,C,-,+,R,C,v,i,R,2,R,1,v,o,一、一阶低通,Butterworth,滤波器,6-4 滤波电路,6-4-1 低通滤波器,-,+,R,1,R,C,R,2,v,i,v,o,正弦稳态时，,s,=,j,（1）电路行为分析,（2）参数分析,（1）电路行为分析,（2）参数分析,k,=1+,R,2,/,R,1,Q,=1/(3,-,k,),w,0,=1/,RC,6-4 滤波电路,二、二阶低通,Butterworth,滤波器,6-4-1 低通滤波器,R,C,-,+,R,C,v,i,R,2,R,1,v,o,P,通带增益,品质因数,特征角频率,只允许高于截止频率的信号通过。,k,=1+,R,1,/,R,2,Q,=1/(3,-,k,),w,0,=1/,RC,6-4 滤波电路,6-4-3、高通滤波器,HP(High pass),（1）电路行为分析,（2）参数分析,R,v,i,v,o,C,R,1,+,R,R,2,C,v,p,第6章 模拟信号处理电路,6-1 放大电路,6-2 信号发生器电路,6-3 模拟信号运算电路,6-4 滤波电路,6-5 模拟信号变换电路,6-6 开关电容电路,基本任务：,（1）根据实际电路或电路的物理模型建立分析模型,（2）找出电路基本行为特性及电路主要参数的作用,Analog signal processing,6-5,模拟信号变换电路,6-5-2、信号调制电路模块,用于对模拟信号进行适当的变换，以便传输或处理。,幅度调制,频率调制,键控频移调制,信号调制,最大值提取电路,有效值提取电路,信号参数提取,正弦波方波转换电路,电压频率转换,频率电压转换,信号类型转换,6-5-1、模拟信号变换的基本概念,6-5-1、模拟信号变换的基本概念,一、模拟信号变换的基本定义,信号变换,指把一种波形转变为另一种波形，在变换过程的前后，,保持信息不变或不受破坏。,（1）,v,A,v,B,v,B,=,f,(,v,A,),（2）,v,B,v,A,v,A,=,g,(,v,B,),（3）,v,B,=,f,(,v,A,)、,v,A,=,g,(,v,B,),为可恢复变换对,v,B,=,f,(,g,(,v,B,),二、模拟信号变换损失,（1）幅度损失,（2）相位损失,6-5 模拟信号变换电路,6-5-2、信号调制电路模块,modulation,把一个低频信号用一个高频信号驮载起来，形成一个以低频信号为包络线的新的高频信号。,v,o,(,t,)=,V,0,m,+,k,AM,v,i,(,t,)sin,w,t,6-5 模拟信号变换电路,一、幅度调制,Amplitude module,高频载波,v,m,调制信号,直流偏置,v,m,v,o,V,0,m,+,kv,i,幅度调制示例,例6-5-1,设,v,i,=,A,sin,W,t,，,V,0,m,=0.2,A,，,k,AM,=1,。,解：,6-5-2 信号调制电路模块,仿真,v,m,v,o,R,R,V,0,m,v,i,R,R,+,v,o,=,A,(0.2+sin,W,t,)sin,w,t,6-5 模拟信号变换电路,输出信号的幅度不变，输出信号的频率随输入信号（调制信号）幅度的变化而变化。,6-5 模拟信号变换电路,6-5-2、信号调制电路模块,二、频率调制,Frequency module,初相,中心频率,调频比例常数,输出幅度最大值,第6章 模拟信号处理电路,6-1 放大电路,6-2 信号发生器电路,6-3 模拟信号运算电路,6-4 滤波电路,6-5 模拟信号变换电路,6-6 开关电容电路,基本任务：,（1）根据实际电路或电路的物理模型建立分析模型,（2）找出电路基本行为特性及电路主要参数的作用,Analog signal processing,6-6,开关电容电路,Switch capacitor,6-6-2、开关电容的应用电路分析,6-6-1、开关电容的等效电阻概念,基本特点：,程序控制,开关频率控制,开关电容,连续时间信号,离散时间信号,6-6 开关电容电路,6-6-1、开关电容的等效电阻概念,开关电容,K,1,K,2,t,t,v,c,i,c,q,c,=,Cv,c,=,Cv,i,i,c,=,q,c,/,T,c,=,Cv,i,/,T,c,K,1,v,c,v,i,v,o,C,v,i,C,K,1,K,2,v,o,+,-,+,-,v,o,+,-,v,i,+,-,R,eq,=,T,c,/,C,v,i,K,2,v,c,C,i,c,v,o,6-6 开关电容电路,6-6-2、开关电容的应用电路分析,K,1,K,2,C,1,C,2,v,i,v,o,+,-,+,-,R,C,等效一阶积分电路,v,i,v,o,电容,C,1,充电,K,2,C,2,v,i,v,o,+,-,C,1,例6-6-1,+,-,电容,C,1,放电，,C,2,充电,v,i,K,1,C,2,C,1,v,o,6-6 开关电容电路,