1、7.1 概述 7.2 基本運算電路 7.3* 模擬乘法器及其應用 7.4 有源濾波電路 7.5* 電子信息系統預處理中所用放大電路 本章主要講述理想集成運放的特點、基本運算電路和有源濾波 電路等。重點掌握理想集成運放的特點及“虛短”、“虛斷”的概 念，并能應用這兩個基本概念分析基本運算電路和有源濾波電路； 掌握理想集成運放的線性應用和非線性應用條件；理解LPF、 BPF、 HPF、 BEF的工作原理及主要性能；能根據需要合理選擇 運算電路和濾波電路 ；了解干擾和噪聲的來源及抑制方法。 內容簡介 1. 電子信息系統 的組成 由若干相互聯結，相互作用的基本電路 組成的，具有特定功能的電路整體，稱為

2、電 子系統。電子系統的功能實現伴隨著信息的 處理，所以電子系統也是信息處理系統。 信號是信息的載體，電信號是以電壓 或電流等電量攜帶信息的。客觀世界許多物 理量，都可以通過一定的傳感器轉換成電信 號，如聲電轉換器（麥克）、溫度傳感器、 光電轉換器（攝像頭）、位置傳感器等等。 電子信息系統大致包含信號的提取、 信號的（預）處理、信號的加工、信號的執 行四個環節。 信信號號的的提提取取 信信號號的的預預處處理理 信信號號的的加加工工 信信號號的的執執行行 石英預制棒 生產過程中 的控制系統 思考 題：以溫 度控制系 統為例， 說明其各 組成部分 及其作用。 2. 理想集成運放的特點 和工作特性 （

3、1）理想集成運放的性能指標 實際集成運放的特性很接近理想集成 運放，我們僅僅在進行誤差分析時，才考慮 理想化后造成的影響，一般工程計算其影響 可以忽略。 F 開環差模增益：開環差模增益： ; od A F 差模輸入電阻：差模輸入電阻： ; id r F 輸出電阻：輸出電阻： ; 0 o r F 共模抑制比：共模抑制比： ; CMR K F 上限截止頻率：上限截止頻率： ; H f 失調電壓、電流及其溫漂：均為0。 （2）理想集成運放工作 于線性區 理想運放工作于 線性區： )( uuAu odo “虛短”：運放的同相輸入端和反相輸 入端的電位“無窮”接近，好象短路一樣， 但卻不是真正的短路。

4、uu uuuA ood 故 所以，為有限值而, 0)(, A - - + u+ uo u- i+ i- 0, iiuuur iid 所以，為有限值因為 “虛斷”：運放的同相輸入端和反相輸 入端的電流趨于0，好象斷路一樣，但卻不 是真正的斷路。 理想運放工作于線性 區，因其放大倍數趨于無 窮大，所以在輸入端只要 加一個非無窮小的電壓， 其輸出就會超出其線性工 作區，因此，只有電路引 入負反饋，才能使其工作 于線性區。 i- A - - + u+ uo u- i+ 反饋網絡 （3）理想集成運放工作于 非線性區 電路中沒有引入負反饋或引入電路中沒有引入負反饋或引入 的是正反饋，理想運放工作于非線的是

5、正反饋，理想運放工作于非線 性區。性區。因其放大倍數趨于無窮大，因其放大倍數趨于無窮大， 所以輸出電壓只有兩種可能：所以輸出電壓只有兩種可能： uuU uuU uo OM OM - 0, iir id 所以，因為 uo -UOM UOM u+- u- O 小 結 本講主要介紹了以下基本內容： 理想集成運放的特點：“虛短”、“虛斷”的概念。 基本運算電路：比例、加減、積分、微分。 有源濾波電路：一階LPF；二階LPF、 HPF、 BPF、BEF。 1. 比例運算電路 為了保持運放差放輸入 級的對稱性，同相輸入端的 電阻R2為uI=0時反相輸入端 的等效電阻： R2= R1/ Rf 。 iF iN

6、 uP iI uI uO - - + Rf R1 A uN R2 電路處于深度負 反饋條件下，虛短 和虛斷成立。 （1）反相比例運 算電路 0 PN uu f ONNI R uu R uu 1 I f O u R R u 1 1 I I R i u ri 0 1 AF r r o of 思考題：如何提高圖 示電路的輸入電阻？會帶 來什么問題？ M R4 i2 iN uP i1 uI uO - - + R2 R1 A uN R2 R3 i3 i4 T型網絡反相比例運 算電路 IO u R RR R RR u 3 42 1 42 / 1 （2）同相比例運 算電路 iF iN uP iR uI uO

7、 - - + Rf R A uN R IO u R R u f 1 uI uO - - + Rf A R uI uO - - + A 電壓 跟隨器 反相求和運算電路 )( )( RRRR uuu R R R u R u R u Ru III III O 321 321 f 3 3 2 2 1 1 f （1）求和運算電 路 2.加減運算電路 iI2 iF iN uP uI2 uO - - + Rf R2 A uN R4 uI3 R3 uI1 R1 iI3 iI1 iI iI2 iF iN uP uI2 uO - - + Rf R2 A uN R4 uI3 R3 uI1 R1 iI3 iI1 iR

8、 R 同相求和運算電路 )( )( 4321f 321 f 3 3 2 2 1 1 f /RRRRRR uuu R R R u R u R u Ru III III O )( )( 43f21 1 1 2 2 3 3f 3 3 f 2 2 1 1 f /RRRRR R u R u R u R R R u R R u R u Ru III III O （2）加減運算電 路 uI2 uO - - + Rf R2 A R4 uI3 R3 uI1 R1 （提示：用疊加 原理） uO1 - - + Rf1 R2 A1 uI1 R1 uO - - + Rf2 R4 A1 uI2 R3 （解答： P321）

9、 3.積分運算電路 iC iN uP iR uI uO - - + C R A uN R dtu RC 1 u IO 4.微分運算電路 dt du RCu I O iC iN uP iR uI uO - - + C R A uN R 仿 真 仿 真 1. 濾波電路的基礎知識 （1）濾波電路的 種類 濾波器：是一 種能使有用頻率信 號通過而同時抑制 或衰減無用頻率信 號得電子裝置。 u A up A f p fO LPF 的頻率特性 u A up A f p fO HPF 的頻率特性 LPF(Low Pass Filter) HPF(high Pass Filter) BPF(Band Pass

10、 Filter) BEF(Band Embarrass Filter) APF(All Pass Filter) LPF (Low Pass Filter) HPF (High Pass Filter ) Band Pass Filter Band Embarrass Filter 阻帶 u A up A f 1p fO BPF 的頻率特性 2p f 通帶 阻帶 帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（BEF） 阻帶 u A up A f 1p fO BEF 的頻率特性 2p f 通帶 通帶 （2）實際濾波器的幅頻特性 阻帶 u A up A f p f O 實際濾波器的幅頻特性 通帶 過渡帶 up

11、 A 707. 0 過渡帶越窄，頻率特性越陡峭，越 接近理想濾波器的特性，電路的選擇 性越好，濾波特性越好。 希望抑制50Hz 的干擾信號，應選 用哪種類型的濾波 電路？ 放大音頻信號， 應選用哪種類型的 濾波電路？ 通帶電壓增益 通帶截止頻率 無源濾波器：由無源器件（R、L、C）構 成的濾波器。 （3）無源濾波電路 例：求圖示RC低通 濾波器在帶載和不帶載的 情況下放大倍數的頻率特 性表達式，并畫出其幅頻 特性波特圖。 - + - + RL C R i U o U 解：不帶載 時： RCj f f j A A p up u 1 1 1 帶載時： CRRj RR R f f j A A L L

12、 L p up u )/(1 1 -3 -20dB/dec up u A A lg20 f O p f p f 無源濾波電路的帶載能力很差，當負載變化時，其放大倍數和通帶截止頻 率均發生變化，往往不能滿足信號處理的要求。 仿 真 有源濾波器：由有源器件（三極管、場效 應管、集成運放）構成的濾波器。 例：求圖示有源RC低通濾波器在帶載 和不帶載的情況下放大倍數的頻率特性表達 式。 RL C R i U o U A p U 解：帶載或不帶載時 都有： cRj U cj R U cj UU i i p 1 1 1 0 RCj f f j A A p up u 1 1 1 仿 真 2. 一階有源低通濾

13、波器 由集成運放組成的有源濾 波電路，當負載變化時，其 放大倍數表達式不變，因此 頻率特性不變。 根據頻率特性的基礎知識可知，電路中RC環節越多，階數越高，過渡帶 越窄。 0 2 0 31 f f j f f A A up u 例：求圖示有源RC低通 濾波器放大倍數的頻率特 性表達式，并畫出幅頻特 性曲線。 R2 R1 C R i U o U A P C M R 解： 2 1 2 )(31 )( )( )( 1 )( )( )( sRCsRC sA sU sU R R sU sU sA up i p i o u 仿 真 3. 二階有源低通濾波器 RC f 2 1 0 -3 -40dB/dec

14、up u A A lg20 0 f / f O 137.0 0 37. 0ff p 傳遞函數 特征頻率 通帶截止頻率 例：求圖示有源 RC低通濾波器放 大倍數的頻率特 性表達式，并畫 出幅頻特性曲線。 R2 R1 C R i U o U A P C M R 解： 2 1 2 )()(31 )( )( )( 1)( sRCsRCsA sA sU sU R R sA up up i p u 仿 真 RC f 2 1 0 壓控電壓源二階低通濾波電路 2 00 31 f f f f Aj A A up up u 等效品質因數 up up ff u AA A Q 3 1 0 例：求圖示有源RC 高通濾波

15、器放大倍數 的頻率特性表達式， 并畫出幅頻特性曲線。 C R2 R1 R i U o U A P C M R 解： 2 2 1 2 )()(31 )( )( )( 1)( sRCsRCsA sRCsA sU sU R R sA up up i p u 仿 真 4. 二階有源高通濾波器 RC f 2 1 0 up A Q 3 1 2 00 2 0 31 f f f f Aj f f A A up up u LPF HPF i U 1o U o U 2 )()(31 )( )( )( 1)( sRCsRCsA sRCsA sU sU R R sA up uf i pf u 仿 真 5. 帶通濾波器

16、 RC f 2 1 0 uf uf uf up AQ A A A 3 f f f f A j A A A uf uf uf u 0 0 3 1 1 3 C Rf R 2R i U o U A P C M R3 R ufuf o p AA f f 343 2 2 2, 1 LPF HPF i U 1o U o U 2 2 1 )()(221 )(1)( )( )( 1)( sRCsRCsA sRCsA sU sU R R sA up uf i pf u 6. 帶阻濾波器 R/2 R R C R1 2C Rf i U o U A P C M 22 0 0 0 2 0 2 0 221 221 1 ff ff Aj A f f Aj f f f f A A up up up up u 0 2 1 212fAAf upupp RC f 2 1 0 up A Q 22 1 R/2 R R C R1 2C Rf i U o U A P C M 仿 真 0 2 2 212fAAf upupp Q f fA fff up ppbw 0 0 12 22 例