模电课件 第九章 四川大学 川大

1、9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类1. 基本概念基本概念滤波器：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。或衰减无用频率信号的电子装置。例如，有一个较低频率

2、的信号，其中包含一些较高例如，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，则可滤掉高频成频率成分的干扰。经滤波电路后，则可滤掉高频成分。分。)()()(iosVsVsA 有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。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滤波电路传递函数定义义时，有时，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A)( 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应群时延响应群时延响应)( d)(d)(s 2. 分类分类低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）带通（带通（BPF）带阻（带阻（BEF）全通（全

3、通（APF）end1. 低通滤波电路低通滤波电路c01)( sAsA 传递函数传递函数2c0)(1)j ( AA其中其中特征角频率特征角频率1f01RRA RC1c 故，幅频相应为故，幅频相应为同相比例放同相比例放大系数大系数9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路2. 高通滤波电路高通滤波电路 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（通带外衰减速率慢（- -20dB/十倍频程），与十倍频程），与理想情况相差较远。理想情况相差较远。一般用在对滤波要求一般用在对滤波要求不高的场合。不高的场合。end 低通电路中的低通电路中的R和和C交换位置便构成高通滤交换位置便构成高通滤波电路波电路9

4、.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路1. 二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路2. 传递函数传递函数1fF1RRAV )()(PoFsVsVAV )(/1/1)(APsVsCRsCsV 对于滤波电路，有对于滤波电路，有RsVsV)()(Ai sCsVsV/1)()(oA 0)()(PA RsVsV得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA 2

5、FF)()(31sCRsCRAAVV - -（二阶）（二阶）（同相比例）（同相比例）F0VAA RC1c 令令称为称为通带增益通带增益)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV F31VAQ 称为称为特征角频率特征角频率称为称为等效品质因数等效品质因数则则2cn22c0)( sQsAsA滤波电路才能稳定工作。滤波电路才能稳定工作。时时，即即当当 3 03 FF VVAA注意：注意：用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数的频率响应： j s2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应2cc)(

6、1arctan)(Q 3. 幅频响应幅频响应2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频归一化的幅频响应曲线响应曲线Q Q =0.707=0.707时幅频响应较平坦时幅频响应较平坦4. n阶巴特沃斯传递函数阶巴特沃斯传递函数传递函数为传递函数为2nc0)/(1)j ( AA式中式中n为阶滤波电路阶数，为阶滤波电路阶数， c为为3dB截止角频率，截止角频率，A0为通带电压增益。为通带电压增益。9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路1. 二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路 将 低 通 电 路 中将 低 通 电 路 中的电容和电阻对换，的电容和电阻对换，便成为高通电路。便

7、成为高通电路。传递函数传递函数2cc220)( sQssAsA2c22c0)(1)(1lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应归一化的幅频响应2. 2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应2n0)/(1)( cAjA 归一化幅频响归一化幅频响应应9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路1. 电路组成原理电路组成原理可由低通和高通串联得可由低通和高通串联得到到必须满足必须满足11H1CR 低通截止角频率低通截止角频率22L1CR 高通截止角频率高通截止角频率HL 2. 例例9.3.23. 3. 二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路 令令传递函数传

8、递函数2FF)()(31)(sCRsCRAsCRAsAVV - -FF03VVAAA- - RC10 F31VAQ 得得20000)(1)( sQsQsAsA 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路可由低通和高通并联得到可由低通和高通并联得到必须满足必须满足HL 双双T T选频网络选频网络9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路双双T T带阻滤波电路带阻滤波电路阻滤波电路的幅频特性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

9、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。关计算机辅助设计软件。*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器不作要求不作要求end9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件1. 振荡电路基本组成部分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，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。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

10、出幅度越来如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。生非线性失真。 反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能反之，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。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。选频网络由电路合而为一。选频网络由R R、C C和和L L、C C等电抗等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频性元件组成。正

11、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网络来命名。正弦波发生电路的组成 4放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路）4反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。4经常与反馈网络合二为一。）经常与反馈网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节正反馈放大电路框图正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）（注意与负反馈方框图的差别）2. 振荡条件振荡条件fiaXXX 若环路增益若环路增益1 FA则则， faXX 去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。又又fafa

12、 AFFAFA所以振荡条件为所以振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan 相位平衡条件相位平衡条件起振条件起振条件3. 起振和稳幅起振和稳幅电路器件内部噪声以及电源接通扰动电路器件内部噪声以及电源接通扰动1)()( FA2)()(fan 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制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。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噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。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

13、值增加到一定稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从程度时，使振幅平衡条件从 回到回到1 AF。 1 AF9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. 电路组成电路组成2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理4. 稳幅措施稳幅措施1. 电路组成电路组成反馈网络兼做反馈网络兼做选频网络选频网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路反馈系数反馈系数2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性)()()(ofsVsVsFV 幅频响应幅频响应又又212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 则则)

14、( j3100 VF2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctan00f 当当2002)(31 VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值RCffRC21 100 或或 31max VF相频响应相频响应0f 3)(arctan00f 3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件电路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件0f 当当RC10 时，时，2fan 311f RRAV1313 VVFA电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波RCf

15、210 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的的正弦波正弦波采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，311f RRAV即即1 VVFA热敏电阻的作用热敏电阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 温度温度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA采用非线性元件采用非线性元件4场效应管（场效应管（JFET）31DS3p3 RRRAV稳幅原理稳幅原理 oV )(GS负负值值V DSR1 VVFA稳幅稳幅 VA34 DCR 、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻 vDS iD vG

16、S=0V -1V -2V -3V 3 VA可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不同而变化不同而变化end采用非线性元件采用非线性元件4二极管二极管稳幅原理稳幅原理 oV3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA31132 RRRAV起振时起振时联联支支路路的的等等效效电电阻阻并并和和、是是其其中中2133DD RR 3R稳幅环节稳幅环节9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路 LC LC正弦波振荡电路的构成与正弦波

17、振荡电路的构成与RCRC正弦波振荡电正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网路相似，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络和稳幅电路。这里的选频网络是由LCLC并联谐振并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的电路构成，正反馈网络因不同类型的LCLC正弦波振正弦波振荡电路而有所不同。荡电路而有所不同。9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路1. 并联谐振回路并联谐振回路 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。减小；反之频率太低，电感将短路输出。LRCLRCZ jj1)j(

18、j1 等效损耗电阻等效损耗电阻)1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。LC10 为谐振频率为谐振频率谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性其中其中CLRRCRLQ1100 为品质因数为品质因数同时有同时有scIQI 即即sLcIII 阻抗频率响应阻抗频率响应（a）幅频响应）幅频响应 （b）相频响应）相频响应 变压器反馈变压器反馈LC振荡电路振荡电路 LC并联谐振电路并联谐振电路作为三极管的负载，作为三极管的负载，反馈线圈反馈线圈L2与电感线与电感线圈圈相耦合相耦合,将反馈信将反馈信号送入三极管的输入号送入三极

19、管的输入回路。交换反馈线圈回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反的两个线头，可使反馈极性发生变化。调馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度，以使正反馈的幅度条件得以满足。度条件得以满足。9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路（定性分析）（定性分析） 有关同名端的极性有关同名端的极性 变压器变压器反馈反馈LC振荡振荡电路的振荡频率与并联电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，谐振电路相同，为为LCf2109.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频并联谐振电路构成选频网络网

20、络A. 若中间点交流接地，则首端与若中间点交流接地，则首端与尾端尾端 相位相反。相位相反。1. 三点式三点式LC并联电路并联电路 中间端的瞬时电位一定在首、中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。尾端电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B. 若首端或尾端交流接地，则其若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。他两端相位相同。2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路例例：图为一个三点式振荡电路：图为一个三点式振荡电路 , ,试判断是试判断是否满足相位平衡条件。否满足相位平衡条件。9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率

21、越稳定。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问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10 000 500 0002. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路结构结构极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交

22、变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大固有频率时，振幅最大压电谐振压电谐振等效电路等效电路LCf21s A. 串联谐振串联谐振特性特性 晶体等效阻抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性B. 并联谐振并联谐振通常通常0CC 0p121CCLCf 0s1CCf 所以所以很很接接近近与与 psff（a）代表符号）代表符号 （b）电路模型）电路模型 （c）电抗）电抗-频率响应特性频率响应特性 2. 石英晶体的基本特性与等效电路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实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由

23、此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；时，时， 0 pssffC sss ffC 时，时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC end3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 (a)串联型 f0 =fs （b）并联型 fs f00 时，时， vOmax = +VCCvI 0 时，时， vOmax = -VCC（过零比较器）（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下 MCCCC VVV 假假设设- -VCCvO+VCC时时， 0MAV|vI| 输入为正负对称的正输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。弦波时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性

24、（2）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器电压传输特性电压传输特性（门限电压为（门限电压为VREF）(a) VREF0时时(b) VREF2V时时 (c) VREF4V时时 vI为峰值为峰值6V的三角波，的三角波，设设VCC12V，运放，运放为理想器件。为理想器件。 解：解：例例图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电压电压(阈值电压阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为高、低电平分别为VOH和和VOL。 利用叠加定理可得利用叠加定理可得I211REF212PvvRRR

25、VRRR 理想情况下，输出电压发生理想情况下，输出电压发生跳变时对应的跳变时对应的vPvN0，即，即0I1REF2 vRVR门限电压门限电压REF12IT)(VRRV v单门限比较器的抗干扰能力差单门限比较器的抗干扰能力差应为高电平应为高电平错误电平错误电平2. 迟滞比较器迟滞比较器（1）电路组成电路组成（2）门限电压门限电压为门限电压，为门限电压， Pv门限电压门限电压的的两两个个的的两两个个电电压压值值可可得得有有关关，对对应应于于与与而而POOPvvvv)( OLOPI低电平低电平时，时，V vvv)( OHOPI高电平高电平时，时，V vvv21OH221REF1TRRVRRRVRV

26、21OL221REF1TRRVRRRVRV 上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压回差电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV （3 3）传输特性传输特性21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 解：解：（1）门限电压）门限电压例例电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图电路如图所示，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。所示输入信号下的输出电压波形。V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V（3）输出电压波形输出电压波形（2

27、）传输特性）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：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）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非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电平和低电平VOL两种情况。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）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。关系。（3）电压传输特性的关键要素）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出

28、电压的跳变方向令令vPvN所求出的所求出的vI就是门限电压就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变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集成电压比较器与集成运算放大器比较：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。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率高，改变输出状态的典型响应时间是30200 ns。 相同条件下相同条件下741集成运算放大器的响应时间为集成运算放大器的响应时间为30 s左左右。右。9.8.2 方波产生电路方波产生电路1. 1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路）稳压管双稳压管双向限幅向限幅 在迟滞比较器的基础上，增加了一个由在迟滞比较器的基础上，