四川大学模拟电子技术第九章.ppt

,9 信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,*9.3 高阶有源滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,*9.2 一阶有源滤波电路,9.6 RC正弦波振荡电路,9.7 LC正弦波振荡电路,9.8 非正弦信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,1. 基本概念,滤波器：是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。,例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。经滤波电路后，则可滤掉高频成分。,1、有源滤波器：由集成运放和R、C构成的滤波器。,优点：不用电感、体积小、重量轻 有一定的电压放大和缓冲作用,不足：工作频率不是很高 难于对功率信号进行滤波,2、 分类,低通（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）,全通（APF）,1. 低通滤波电路,传递函数,其中,特征角频率,幅频相应为：,同相比例放大系数,9.2 一阶有源滤波电路,2. 高通滤波电路,一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路,要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的设计计算十分麻烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算机辅助设计软件。,二阶有源低通滤波电路,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。,产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。正弦波振荡器就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大器。,1、振荡电路基本组成部分,为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。,如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。,为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。,放大电路（包括负反馈放大电路）,正弦波发生电路的组成:,反馈网络（构成正反馈的）,选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。 经常与反馈网络合二为一）,稳幅环节,正反馈放大电路框图 （注意与负反馈方框图的差别）,2、振荡条件,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,值得注意的是：信号是单一频率的信号，即反馈网络不仅具有反馈作用，还有选频作用，也即反馈网络对某一频率以外得频率不具有放大输出的效果。,动画9-1,起振条件,3、起振和稳幅,# 振荡电路是单口网络，无需输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声以及电源接通扰动,当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。,噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 回到,4、振荡的判别,在对某一电路是否进行振荡的判定时，首先判定其必要条件(相位条件)是否满足,然后再判定其充分条件(幅值条件)是否满足。一般幅值条件很容易满足，只分析是否满足相位条件。相位条件的判定方法有： 瞬时极性法：判断是否为正反馈，如是则肯定满足a+f=2n 相位判定法：从电路结构上判出a=？f=？a+f=？（2n）,5、正弦波振荡器的类型,文氏电桥振荡器 RC移相式振荡器 RC双T振荡器 变压器互感反馈式 电容三点式反馈式 电感三点式反馈式 石英晶体振荡器,按选频 网络划分,LC正弦波振荡器,RC正弦波振荡器,9.6 RC正弦波振荡电路,1. 电路组成,2. RC串并联选频网络的选频特性,3. 振荡电路工作原理,4. 稳幅措施,1. 电路原理图,RC文氏桥振荡电路,RC串并联网络是正反馈网络，兼作选频网络。,两个R、C正反馈支路与R1、Rf负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端。,R1和Rf是构成电压串联负反馈放大电路,反馈系数,2. RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,频率特性分为三段: 当=0，/0=1时，FV=1/3，f=0 当/01时， FV减小，f=-滞后 当/01时， FV减小，f= 超前,当=0(f=f0)时的反馈系数最大 FV=1/3，且与频率f0 的大小无关，此时的相角 f=0。即调节谐振频率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改变。,幅频响应有最大值,相频响应,是否满足振荡条件？,第一种判别方式： 时 、 f=0 vi=vf加在同相输入端，vi（vf）与vo同相。 即a=0 a+f=0，满足相位条件,3. 振荡的建立与稳定,瞬时极性法中要有输入信号vi，而振荡电路中外加输入信号为零，故在振荡器判别中使用瞬时极性法的关键是正确找出vf且假定vf=vi。反馈电压的施加对运放而言是指同相端和反相端所加的信号，对三极管、场效应管而言是指b、e之间g、s之间所加信号。,第二种判别方式：瞬时极性法,注意不宜在R、C上一一标注出极性，只针对Z1、Z2标明极性即可。,选频网络以外的电容均视为短路，因为对所选频率而言，其容抗接近于0，因此不用标注正、负极性。,找出vf 令vi=vf且瞬时极性为上“+”下“” 利用相关知识判定电路中各相关点对地的瞬时极性 判断是否为正反馈（是否满足相位条件） 对Z2而言，vZ2为上“+”下“”与vf同相，是正反馈。满足相位条件a+f=2n。,所谓建立振荡，就是要使电路自激（自己激励），从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电。对RC振荡电路来说，直流电源即是能源。自激的因素是电路中的噪声，它的频谱分布很广，其中也包括=0=1/RC这样一个频率成分。这种微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度越来越大。这一过程很快，无法用仪表进行测试。,振荡的建立：,限定输出幅值： 由R1、Rf构成电压负反馈（AV=1+ Rf / R1）使放大倍数下降，稳定输出电压。当正反馈负反馈时，是一个减幅振荡过程（应调小负反馈）；当正反馈负反馈时，是一个增幅振荡过程：当正反馈负反馈时，达到稳定平衡状态。,动画9-2,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,则振荡电路满足振幅平衡条件,电路可以输出频率为 的正弦波,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,4、振荡频率和波形,采用非线性元件,5. 稳幅措施,热敏元件,热敏电阻(负）,起振时，,即,热敏电阻的作用,#若热敏电阻是正温度系数，应放置在什么位置？,放置在R1的位置,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,二极管,稳幅原理,起振时,当Vo幅值很小时，二极管D1、D2近似开路，Av较大，有利于起振；反之当Vo幅值较大时，D1或D2导通，R3、D1、D2并联支路等效电阻减小，Av减小，于是Vo下降。,一节RC网络最多可产生相移90，一般90，所以要产生180的相移，至少需要三节RC网络，即通过选择R、C参数使每节产生相移60，以满足一个振荡电路所需的相位。(参见P440例9.6.1）,6、RC移相式振荡电路,9.7 LC正弦波振荡电路,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,9.7.3 三点式LC振荡电路,9.7.4 石英晶体振荡电路,9.7.1 LC选频放大电路,LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。,9.7.1 LC选频放大电路,1. 并联谐振回路,输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。,等效损耗电阻,当 时，,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,阻抗频率响应,（a）幅频响应 （b）相频响应,对于谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄。,变压器反馈LC振荡电路,LC并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,（定性分析）,变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,用瞬时极性法（尤其在标注了同名端时） 从图中可看出变压器的副边绕组一端接在b端，另一端通过旁路电容接e端，也即将输出信号vo返送回了b、e之间的发射结上，可以判断出vi和vf同极性，为正反馈，满足相位条件。,(+),(-),(-),(+),(+),选择合适的（三极管）、gm（场场效应管）、A（运放）很容易满足。实际应用中，如果相位条件满足而幅值条件没满足的话，就会形成减幅振荡，振荡会停止，此时只需选用或gm较大的管子即可。集成运放的A很大，一般都能满足,，电路可以起振。,3. 幅值平衡条件,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。,4. 稳幅,5. 选频,BJT进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。,反馈,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,反馈,例：判断是否振荡？,(+),(-),(+),(+),(+),(+),(+),(+),9.7.3 三点式LC振荡电路,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络，从LC回路引出三个端点，分别与三极管的三个电极（或运放的三个端子）相连的振荡电路。分为电容三点式和电感三点式两类。,1. 三点式LC并联电路,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,三点的相位关系,B. 若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。,2. 电感三点式振荡电路,从交流通路看：电感的三个端点分别与放大电路的基极（地）、发射极、集电极相连，图中三极管是共基极接法，反馈信号取自电感L2上的电压。,电路一：,振荡的判定 ： 瞬时极性法：设输入vi=veb，上“+”，下“-”。谐振时1、3端呈纯电阻特性，当选取1点为参考电位（交流地电位）时，极性如图所示，反馈回发射极的L2两端电压vf极性对地为正，vi和vf极性相同为正反馈。满足振荡相位条件。至 于幅值条件，合理选择电路参数就能满足。,从交流通路看：电感的三个端点分别与放大电路的集电极、基极（地）、发射极相连，图中三极管是共射极接法，反馈信号取自电感L1上的电压。,电路二：,振荡的判定 ： 瞬时极性法：设输入vi=vbe，上“+”，下“-”。谐振时1、3端呈纯电阻特性，当选取2点为参考电位（交流地电位）时，极性如图所示，反馈回发射极的L1两端电压vf极性对地为正，vi和vf极性相同为正反馈。满足振荡相位条件。至于幅值条件，合理选择电路参数就能满足。,电路三：,3. 电容三点式振荡电路,（a）CB组态 （b）CE组态,9.7.4 石英晶体振荡电路,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,1. 频率稳定问题,频