模电幻灯片-第九章-四川大学-川大

,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。,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,滤波电路传递函数定义,时，有,其中, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,群时延响应,2. 分类,低通（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）,全通（APF）,end,1. 低通滤波电路,传递函数,其中,特征角频率,故，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。,end,低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,1. 二阶有源低通滤波电路,2. 传递函数,得滤波电路传递函数,（二阶）,（同相比例）,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,用 代入，可得传递函数的频率响应：,归一化的幅频响应,相频响应,3. 幅频响应,归一化的幅频响应曲线,Q =0.707时幅频响应较平坦,4. n阶巴特沃斯传递函数,传递函数为,式中n为阶滤波电路阶数，c为3dB截止角频率，A0为通带电压增益。,9.3.2 有源高通滤波电路,1. 二阶高通滤波电路,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,归一化的幅频响应,2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应,归一化幅频响应,9.3.3 有源带通滤波电路,1. 电路组成原理,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通截止角频率,高通截止角频率,2. 例9.3.2,3. 二阶有源带通滤波电路,传递函数,得,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,双T选频网络,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,双T带阻滤波电路,阻滤波电路的幅频特性,end,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。,*9.4 开关电容滤波器,不作要求,end,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。,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。正弦波发生电路的组成,放大电路（包括负反馈放大电路）,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,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,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. 电路组成,反馈网络兼做选频网络,RC桥式振荡电路,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,当,幅频响应有最大值,相频响应,3. 振荡电路工作原理,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,采用非线性元件,4. 稳幅措施,热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,采用非线性元件,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,end,采用非线性元件,二极管,稳幅原理,起振时,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,同时有,即,阻抗频率响应,（a）幅频响应 （b）相频响应,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）,有关同名端的极性,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,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,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,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。,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,3. 电容三点式振荡电路,例：图为一个三点式振荡电路 ,试判断是否满足相位平衡条件。,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,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10 000 500 000,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,结构,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大,压电谐振,等效电路,A. 串联谐振,特性,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,（a）代表符号 （b）电路模型 （c）电抗-频率响应特性,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,end,3. 石英晶体振荡电路,(a)串联型 f0 =fs （b）并联型 fs f0fp,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8.1 电压比较器,单门限电压比较器,迟滞比较器,集成电压比较器,9.8.1 电压比较器,比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器，具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。,比较器的基本特点:,工作在开环或正反馈状态。,开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。,运算放大器工作在饱和区，即非线性区，输出和输入不成线性关系。,，由于|vO |不可能超过VM ，,特点：,1. 单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，虚短不成立,增益A0大于105,（忽略了放大器输出级的饱和压降）,所以,当 |+VCC | = |-VCC | =VM = 15V，A0=105 时，,可以认为,vI 0 时， vOmax = +VCC,vI 0 时， vOmax = -VCC,（过零比较器）,运算放大器工作在非线性状态下,-VCCvO+VCC,|vI|,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,（2）门限电压不为零的比较器,电压传输特性,（门限电压为VREF）,(a) VREF0时,(b) VREF2V时,(c) VREF4V时,vI为峰值6V的三角波，设±VCC±12V，运放为理想器件。,解：,例,图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电压(阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为VOH和VOL。,利用叠加定理可得,理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vPvN0，即,门限电压,单门限比较器的抗干扰能力差,2. 迟滞比较器,（1）电路组成,（2）门限电压,门限电压,上门限电压,下门限电压,回差电压,（3）传输特性,解：,（1）门限电压,例,电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。,（3）输出电压波形,（2）传输特性,通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：,（1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电平VOL两种情况。,（2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。,（3）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平VOH和低电平VOL 门限电压 输出电压的跳变方向,令vPvN所求出的vI就是门限电压 vI等于门限电压时输出电压发生跳变 跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式,3. 集成电压比较器,集成电压比较器与集成运算放大器比较： 开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高。,但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改变输出状态的典型响应时间是30200 ns。,相同条件下741集成运算放大器的响应时间为30 s左右。,9.8.2 方波产生电路,1. 电路组成（多谐振荡电路）,稳压管双向限幅,在迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf、C组成的积分电路，把输出电压经Rf、C反馈到集成运放的反相端。电路如图所示。,2. 工作原理,由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。,假设为正向饱和状态,当U0=+UZ时，U+为正值，这时UC U+，U0通过Rf对电容C充电，UC按指数曲线上升。当UC增长到U+时， U0即由+UZ翻转UZ 。电容C又通过Rf放电，当UC放到U+时，U0即由UZ又翻转+UZ。 以后按上述过程周而复始，形成振荡，输出为方波。 振荡周期由RC充、放电快慢决定。,运放同相端电压,3. 占空比可变的方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,同相输入迟滞比较器,积分电路,充放电时间常数不同,锯齿波电压在示波器、数字仪器等电子设备中通常作为扫描信号。锯齿波发生器的电路如图所示。该电路的主要特点是同相输入滞回比较器（