電子電路與微處理器基礎(chǔ)FundamentalsofElectronicCircuitsand

Microprocessor葉朝輝清華大學(xué)自動(dòng)化系2025.087.1

概述7.2運(yùn)算電路7.3

濾波電路7.4

電壓比較器第7章模擬信號處理電路7.1.1

模擬信號處理電路的應(yīng)用7.1.2模擬信號處理電路的組成及分析方法7.1概述37.1.1

模擬信號處理電路的應(yīng)用運(yùn)算電路用于實(shí)現(xiàn)信號的數(shù)學(xué)運(yùn)算，包括比例、求和、加減、積分和微分、對數(shù)和指數(shù)、乘法和除法等運(yùn)算。濾波電路通常用于濾除不需要的某個(gè)頻率范圍的信號以保留需要的信號，例如濾除語音信號以外的干擾信號。電壓比較器用于比較兩個(gè)信號的大小，例如比較PM2.5的濃度是

否超標(biāo)、人體溫度是否超過正常體溫等。47.1.2模擬信號處理電路的組成及分析方法模擬信號處理電路通常由集成運(yùn)放組成。運(yùn)算電路和濾波電路：由集成運(yùn)放引入電壓負(fù)反饋組成，使運(yùn)

放工作在線性區(qū)，因此當(dāng)運(yùn)放為理想運(yùn)放時(shí)，可利用“虛短”、“虛

斷”特點(diǎn)分析輸入信號和輸出信號之間的運(yùn)算關(guān)系。電壓比較器：集成運(yùn)放開環(huán)，或者僅僅引入正反饋，使運(yùn)放工

作在非線性區(qū)，因此當(dāng)運(yùn)放為理想運(yùn)放時(shí)，可利用“虛斷”的特點(diǎn)分

析電路。57.2.1

比例運(yùn)算電路7.2.2求和運(yùn)算電路7.2.3加減運(yùn)算電路7.2.4積分和微分運(yùn)算電路7.2.5對數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路7.2.6乘法和除法運(yùn)算電路7.2運(yùn)算電路由于以上兩種放大電路均引入了負(fù)反饋，因此可利用“虛短”、“虛斷”方法分析輸入信號與輸出信號的關(guān)系。7.2.1

比例運(yùn)算電路一、概述圖7-2-2同相比例運(yùn)算電路圖7-2-1反相比例運(yùn)算電路7·

同相端與反相端具有“虛斷”的特點(diǎn)：

in=

ip=0,

因此iR=ip;·且同相端與反相端具有“虛短”的特點(diǎn)：UN=up=ip·R'=0,

因此

u/R=-u?/R二、反相比例運(yùn)算電路運(yùn)算關(guān)系為8·

同相端與反相端具有“虛斷”的特點(diǎn)：in=

ip=0,則iR=i,

即

un/R=(uo-un)/R;·

且同相端與反相端具有“虛短”的特點(diǎn)：up=un=UI三

、同相比例運(yùn)算電路電壓跟隨器(a)(b)A=19四、平衡電阻為了使集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端的等效電阻平衡，使運(yùn)算電路的精度高，通常在比例運(yùn)算電路中接入平衡

電阻，以提高運(yùn)算精度，設(shè)輸入信號u?=0,uo=0,

則R'=R//R。五、兩種比例運(yùn)算電路的比較·

當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)負(fù)的比例運(yùn)算，且對輸入電阻要求不高時(shí)，可采用

反相比例運(yùn)算電路；·

當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)電壓跟隨，或者實(shí)現(xiàn)正的比例運(yùn)算，且要求輸入電

阻比較高時(shí)，可采用同相比例運(yùn)算電路。iNR'AuoRiR107

.

2

.

2求和運(yùn)算電路一

、反相求和運(yùn)算電路兩個(gè)或兩個(gè)以上的輸入信號從運(yùn)放反相端輸入，即可實(shí)現(xiàn)反相求和

運(yùn)算電路。·

同相端與反相端具有“虛短”的特點(diǎn)，則uN=up=0;·

且同相端與反相端具有“虛斷”的特點(diǎn)，即in=ip=0,

則i?+i?=i11二、同相求和運(yùn)算電路·

同相端與反相端具有“虛短”的特點(diǎn)，即

Un=Up;·

且同相端與反相端具有“虛斷”的特點(diǎn)，即

in=ip=0,則i?+i?=0,iR=ip當(dāng)R//R=R?I/R?時(shí)12o·且同相端與反相端具有“虛斷”的特點(diǎn)，即in=ip=0,

則i=i,

因

此·

同相端與反相端具有“虛短”的特點(diǎn)，即Un=up,圖7-2-6減法運(yùn)算電路7.2.3加減運(yùn)算電路因此13實(shí)現(xiàn)加、減運(yùn)算：

uo=k?

u+k?

u?2-k?

u?3(

其中k?

、k?

、k?均大

于

零

)

。當(dāng)R?

I/R=R?//R?

I/R?

時(shí)

：k?=R/R?,k?=RJR?,k?=R/R?RR?U130-AuoR?u120-R?圖7-2-7加減運(yùn)算電路u1IO-R?14積分運(yùn)算電路由于沒有直流負(fù)反饋，靜

態(tài)時(shí)運(yùn)放工作在非線性區(qū)，輸出電壓將飽

和(|uoI=Uom),

使電路無法正常工作。R通?？扇装偾W或1兆歐7

.

2

.4積分和微分運(yùn)算電路一

、積分運(yùn)算電路uo=-uc15圖7-2-10方波積分仿真結(jié)果例題7-2-1電路如上圖所示，已知R?=10kΩ,C?=100nF,輸入方波的幅值Up為2.5V

、頻率為100Hz,試求解輸出三角波的周期和幅值。解：三角波的周期T=1/100Hz=10mS幅

值

：Uop=UipT/(2R?C?=2.5×10×10-3/(2×10×103×100×10-9)V=12.5V5.0005.000V二、微分運(yùn)算電路uo=-R·iR=-R·ic17對數(shù)運(yùn)算電路在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在以下缺點(diǎn)：(1)運(yùn)算關(guān)系受溫度影響；(2)運(yùn)算精度受輸入電流影響；(3)為了使二極管或晶體管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，

u

必須大于零；(4)輸出電壓大小受二極管或者晶體管發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓限制。

實(shí)用的對數(shù)運(yùn)算電路：精密對數(shù)放大器LOG104PN

結(jié)的電流方程為i=Is(eu/UT-1)當(dāng)u>>U

時(shí)，

,即7.2.5對數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路一、對數(shù)運(yùn)算電路18指數(shù)運(yùn)算電路在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍存運(yùn)算關(guān)系受溫度影響以及運(yùn)算精度受輸入電流影響的缺點(diǎn)。7.2.5對數(shù)和指數(shù)運(yùn)算電路二、指數(shù)運(yùn)算當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓uBE>>Ur時(shí)UI=UBEiE=iR19uo=k·ux'Uy,

其中k為系數(shù)二、模擬乘法器實(shí)現(xiàn)次方運(yùn)算7.2.6乘法和除法運(yùn)算電路一、模擬乘法器20·設(shè)u

極性為正，則uo

極性為負(fù)，為保證反

饋極性為負(fù)，要求ku?

的極性為正；·若u

極性為負(fù)，則uo

極性為正，為保證反

饋極性為負(fù)，也要求ku?

的極性為正。uN=up=0三、模擬乘法器實(shí)現(xiàn)除法運(yùn)算21·

設(shè)k>0,為了保證電路中引入的是負(fù)反饋，

則要求u?<0,

因

此u?>0?！?/p>

若希望u?>0,則要求k<0,此時(shí)u?<0。當(dāng)干擾信號使u?>0,

反饋將變?yōu)檎答仯瑢?/p>

使電路工作不穩(wěn)定。為了阻止正反饋形成，

可以采用二極管限制輸出電壓極性。四、模擬乘法器實(shí)現(xiàn)開方運(yùn)算設(shè)k>0,uo'=kuo2227.3.1

濾波電路的定義7.3.2濾波電路的幅頻特性7.3.3有源濾波電路的組成7.3.4低通濾波電路7.3.5高通濾波電路7.3.6帶通和帶阻濾波電路7.3濾波電路237.3.1

濾波電路的定義濾波電路是指讓特定頻率范圍內(nèi)的信號能夠正常放大，而阻止其它頻段信號通過的電路，簡稱為濾波器。根據(jù)濾波電路能夠正常放大的信號頻段的不同，分為低通、高通、帶通和帶阻濾波電路。24圖

(a):

低通濾波電路，常用于削弱高頻干擾；圖

(b):高通濾波電路，常用

于削弱低頻或直流成分；圖

(c):帶通濾波電路，常用于突出有用頻段信號；圖(d):

帶阻濾波電路，常用

于抑制干擾信號。(c)

(d)圖7-3-1四種濾波電路的理想幅頻特性7.3.2濾波電路的幅頻特性一

、理想幅頻特性(a)

(b)25Aup:

通帶電壓放大倍數(shù)fp:

通帶截止頻率為了使得濾波性能好，希望過渡帶越窄越好。AI4過渡帶通帶

阻帶f圖7-3-2低通濾波器的實(shí)際幅頻特性二、實(shí)際幅頻特性?pl0.707Apl2607.3.3有源濾波電路的組成無源濾波電路：僅僅由無源元件R和C組成。優(yōu)點(diǎn)是可以承受較大的電壓和電流；不足的是，當(dāng)輸出端需要帶負(fù)載時(shí)，其

通帶電壓放大倍數(shù)Aup和通帶截止頻率fp都會(huì)隨負(fù)載變化而發(fā)生

變化，帶負(fù)載能力不強(qiáng)。有源濾波電路：由放大電路，例如集成運(yùn)放組成的同相比例運(yùn)算電路，以及無源濾波電路組成。優(yōu)點(diǎn)是帶負(fù)載能力強(qiáng)。277.3.4低通濾波電路一階有源低通濾波電路由同相比例運(yùn)算電路和一階RC20nelaB0.1f0-3-10-20

-20

dB/十倍頻圖7-3-4一階低通濾波電路的幅頻特性無源濾波電路組成。28XModeMagnitude

PhaseHonizontalVerticalLog

Lin

Log

LinF1

GHz

F

50

dB11

mHz

1-200

dB

ControlsReverseSave

Set..In

Out圖7-3-5一階低通濾波電路仿真29例題7.3.1一

階低通濾波電路如圖所示，已知R=10kΩ,C=100nF,R?=10kΩ,R?=20kΩ

試求解通帶電壓放大倍數(shù)Aup和截止頻率fp。解：30圖7-3-6簡單二階低通濾波電路(b)(a)317.3.5

高通濾波電路一

階高通濾波電路由

一

階R

C無源濾波電路和同相比例運(yùn)算電路組成。20nsgl/dB0.1f0-3-10+20

dB/十倍頻-20圖7-3-8一階高通濾波電路的幅頻特性f

10fp327.3.5

高通濾波電路二階高通濾波電路可以采用兩個(gè)RC無源濾波電路與同相比例運(yùn)算電路串聯(lián)，或者由兩個(gè)一階低通濾波電路串聯(lián)

連接組成。二階高通濾波電路幅頻特性的過渡帶更窄，即過渡帶的電壓放大倍數(shù)幅值下降更快，濾波特性更好。337.3.6帶通和帶阻濾波電路一

、帶通濾波電路帶通濾波電路可以用一個(gè)低通和一個(gè)高通濾波電路串聯(lián)組成，f

要

求fL>fpH。(a)

由兩個(gè)運(yùn)放組成

(b)由一個(gè)運(yùn)放組成圖7-3-9簡單二階帶通濾波電路A?C?A?R?R?34二、帶阻濾波電路帶阻濾波電路可以用一個(gè)低通和一個(gè)高通濾波電路，再加上一個(gè)同相求和電路組成。也可以用一個(gè)二階高通電路、

一個(gè)一階低通電路和一個(gè)同

相求和電路組成。要求fpL<fpH。(a)

由三個(gè)運(yùn)放組成

(b)

由一個(gè)運(yùn)放組成圖7-3-10簡單二階帶阻濾波器357.4.1

概述7.4.2單限電壓比較器7.4.3滯回比較器7.4.4集成電壓比較器7.4電壓比較器367.4.1

概述一

、定義和組成·

電壓比較器(簡稱為比較器)用于比較兩個(gè)電壓值的大小，

廣泛應(yīng)用于信號的鑒別和波形發(fā)生電路?！?/p>

電壓比較器可以用集成運(yùn)放組成，也可以采用專用的集成電

壓比較器?！?/p>

組成電壓比較器的集成運(yùn)放通常為開環(huán)或者只引入了正反饋

,因此工作在非線性區(qū)。37二、

電壓傳輸特性電壓比較器輸入與輸出電壓之間的關(guān)系一般用電壓傳輸特性描述，有三個(gè)要素：(1)

輸出電壓的高、低電平UoH、UoL:

用于表示比較的結(jié)果；(2)閾值電壓UT:輸入電壓變化經(jīng)過該

電壓值時(shí)，輸出電平將發(fā)生翻轉(zhuǎn)。(3)輸入電壓變化經(jīng)過UT

時(shí)，輸出電平

的躍變方向，即從高電平UoH

變?yōu)榈碗娖?/p>

UoL,

還是反過來。圖7-4-1電壓比較器的電壓傳輸特性38Uo4UoHu0UoLUoL三、分類根據(jù)電壓傳輸特性的形狀，可以將電壓比較器分為三類：單限、滯回和窗口比較器。(a)單限比較器(b)

滯回比較器

(c)

窗口比較器圖7-4-2三種電壓比較器電壓傳輸特性o

4UT2

uUoHUT390(1)單限比較器：電壓傳輸特性只有

一條曲線，只有一個(gè)閾值電壓。單限比

較器靈敏度高，但抗干擾能力弱。(2)滯回比較器：電壓傳輸特性由兩

條曲線組成，有兩個(gè)閾值電壓。滯回比

較器靈敏度較低，但抗干擾能力強(qiáng)。(3)窗口比較器：電壓傳輸特性只有

一條曲線，但有兩個(gè)閾值電壓。與單限

比較器類似，窗口電壓比較器靈敏度高

,但抗干擾能力弱。(a)

單限比較器

(b)滯回比較器(c)窗口比較器40(a)

(b)(a)(b)圖7-4-3過零比較器及其電壓傳輸特性

圖7-4-4電壓比較器輸出限幅電路7.4.2單限電壓比較器一

、過零比較器41三個(gè)要素的分析方法：1.高、低電平：+

UoM、-UoM2.閾值電壓：當(dāng)同相端和反相端電壓相等即Up=Un時(shí)可以求得閾值電壓UT。

由于運(yùn)放工作在非線性區(qū)，兩個(gè)輸入端

仍具有“虛斷”的特點(diǎn)，因此(a)

(b)若要求u大于UT時(shí)比較器輸出高電平，則u

應(yīng)從運(yùn)放同相端輸入，而

參考電壓從反相端輸入。二、一般單限比較器3.躍變方向42滯回比較器中運(yùn)放引入了正反饋。分析電壓傳輸特性的三要素：1.輸出高低電平：+Uz

和-Uz;2.