模拟电子技术基础第十章信号处理与信号产生电路

1、10 10 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路10.1 10.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类10.2 10.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路10.3 10.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路* *10.4 10.4 开关电容滤波器开关电容滤波器10.5 10.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件10.6 RC10.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路10.7 LC10.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路10.8 10.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路2华中科技大学 张林10.1 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.

2、 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，

3、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（全通（APF） vI R R1 C vP Rf vO RL 无源 RC 滤波电路 同相比例 放大电路 10.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1. 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同相比例放大系数放大系数 理想理想 实际实际 20dB/十倍频程十倍频程 20lg| |

4、 | | A(j ) A0 /dB 0 3 20 1 10 / C 电路如何改变？电路如何改变？幅频响应如何变化？幅频响应如何变化？ 一阶有源滤波电路通一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。波要求不高的场合。2. 高通滤波电路高通滤波电路 vI R R1 C vP Rf vO RL 无源 RC 滤波电路 同相比例 放大电路 理想理想 实际实际 20dB/十倍频程十倍频程 20lg| | | | A(j ) A0 /dB 0 3 20 1 10 / C 10.3 高阶

5、有源滤波电路高阶有源滤波电路10.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路10.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路10.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路10.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路 vI R A vA R C1C vP C2C R1 同相比例 放大电路 (AVF-1)R1 vO 10.3.1 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)()(

6、oA 0)()(PA RsVsV得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV （二阶）（二阶）（同相比例）（同相比例）2. 传递函数传递函数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2cc22c0)(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

7、 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)(1arctg)( Q3. 幅频响应幅频响应2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅归一化的幅频响应曲线频响应曲线 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载止角频率，载止角频率，A0为通带电为通带电压增益。压增益。10.3.2 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 vI C C R vA vP R R1 (

8、AVF -1)R1 vO 同相比例同相比例 放大电路放大电路 将低通电路中的电将低通电路中的电容和电阻对换，便成为容和电阻对换，便成为高通电路。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. 巴特沃斯传递函数及巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应其归一化幅频响应2nc0)/(1)j (AA 归一化幅频响应归一化幅频响应10.3.3 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到可由低通和高通串联得到必须满足必须满足 A0 A2 A1 A0 阻阻带带 阻 碍

9、阴 通通带带 测评 通带 阻 碍阴 阻阻带带 阻 碍阴 通通带带 测评 通带 阻 碍阴 O O H L A A0 O L H 通通带带 测评 阻阻带带 阻 碍阻阻带带 阻 碍2 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 vI 低低 通通 高高 通通 vO 2. 例例3. 二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路 R2R C1C vI R C R3 2R 低低通通 高高通通 R1 同同相相比比例例 放放大大电电路路 (AVF -1)R1 vO 令令传递函数传递函数2FF)()-(31)(sCRsCRAsCRAsAVV FF0-3VVAAA RC10

10、 F31VAQ 得得20000)(1)( sQsQsAsA 10.3.4 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 A0 A2 A1 A0 阻阻带带 阻 碍阴 通通带带 测评 通带 阻 碍阴 阻阻带带 阻 碍阴 通通带带 测评 通带 阻 碍阴 O O H L A A0 O H L 通通带带 测评 阻阻带带 阻 碍通通带带 测评 vI 低低通通 高高通通 vO 10.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路双双T T选频网络选频网络双双T T带阻滤波电路带阻滤波电路 2C C R 2 C R R vI vP vO Rf R1

11、 Rf(AVF1)R1 阻滤波电路的幅频特性阻滤波电路的幅频特性10.4 开关电容滤波器开关电容滤波器1. 基本原理基本原理积分电路积分电路由电容由电容C1和两个和两个MOS开关管开关管 T1、T2等效电阻等效电阻R1的积分电路的积分电路不重叠的两相时钟脉冲不重叠的两相时钟脉冲 1和和 2控制关管的接通控制关管的接通与断开与断开 1为高电平时，为高电平时，T1导通，导通，T2截止截止 2为高电平时，为高电平时，T1截止，截止，T2导通导通C1所充电荷向所充电荷向C2转移转移 C1被充电，有被充电，有qc1C1vI 1为高电平时，为高电平时，T1导通，导通，T2截止截止 2为高电平时，为高电平时

12、，T1截止，截止，T2导通导通C1所充电荷向所充电荷向C2转移转移 C1被充电，有被充电，有qc1C1vI 在每一时钟周期在每一时钟周期Tc内，从信号源中内，从信号源中提取的电荷提取的电荷qc1C1vI供给了积分电供给了积分电容器容器C2。因此，在节点。因此，在节点1、2之间流之间流过的平均电流为过的平均电流为cI1c1avTCTqicv 当当Tc远小于信号周期时，远小于信号周期时，可在两节点之间定义一个可在两节点之间定义一个等效电阻等效电阻Req 时间常数时间常数与脉冲周期和电容比有关与脉冲周期和电容比有关得得等效的积分器时间常数等效的积分器时间常数1cI1cICTCT vvavIeqiRv

13、 1c1Cf 12ceq2CCTRC 2. 开关电路滤波器举例开关电路滤波器举例一阶低通滤波器电路，传递函数为一阶低通滤波器电路，传递函数为其中其中3dB0ff1fio/111)()()( sACsRRRsVsVsA 1f0RRA ff3dB1CR ff3dB21CRf 等效开关电容滤波器电路等效开关电容滤波器电路2cfeqf1CfRR 1c1eq11CfRR 有有代入传递函数表达式代入传递函数表达式ff1fj211)j (CfRRRA 2cf1c2c2j1111CffCCfCf 3dB21j11ffCC )/j(13dB0ffA 代入传递函数表达式代入传递函数表达式其中其中f2c3dB2 C

14、Cff )/j(13dB0ffAA 210CCA 3dB 0 0.1f3dB f3dB 10f3dB f/Hz -20dB/十倍频十倍频 f/Hz -45 /十倍频十倍频 -180 -270 0 20lg|A| /dB 20lg|A0| -225 一阶低通滤波器的波特图一阶低通滤波器的波特图通过选择通过选择C1、 C2和时钟频率和时钟频率fc，便，便可获得需要的滤波特性可获得需要的滤波特性3. 单片集成开关电容滤波器简介单片集成开关电容滤波器简介 目前已有通用型开关电容滤波器，可组成低通、高通、带目前已有通用型开关电容滤波器，可组成低通、高通、带通等类型滤波电路，阶数达通等类型滤波电路，阶数达

15、8阶，某些型号的产品能对微伏数阶，某些型号的产品能对微伏数量级的有用信号进行滤波。量级的有用信号进行滤波。 开关电容滤波器的滤波特性决定于电容比和时钟频率，设计开关电容滤波器的滤波特性决定于电容比和时钟频率，设计简单，可实现高精度和高稳定滤波，同时便于集成。简单，可实现高精度和高稳定滤波，同时便于集成。 目前集成开关电容滤波器除工作频率还不够高外（受脉冲频目前集成开关电容滤波器除工作频率还不够高外（受脉冲频率远大于信号频率的限制），大部分性能指标已达到较高水平。率远大于信号频率的限制），大部分性能指标已达到较高水平。10.5 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

16、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

17、，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

18、（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 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 Xo Xa Xf + 放放大大电电路路 A 反反馈馈网网络络 F 起振条件起振条件 3.

19、 起振和稳幅起振和稳幅 # 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？信号源来自何处？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，就要限制它继续增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。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的噪声信号被的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。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

20、定程度时，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到1 AF。 1 AF10.6 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5. 移相式正弦波振荡电路移相式正弦波振荡电路1. 电路组成电路组成反馈网络兼做选频反馈网络兼做选频网络网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路 OV R C Rf Z1 Z2 C R R1 VA A VF 放放大大电电路路 选选频频网网络络 fiVV = 2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络

21、的选频特性反馈系数反馈系数)()()(ofsVsVsFV 幅频响应幅频响应又又212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 则则)( j3100 VF2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctg00f 当当2002)(31 VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值3)(arctg00f RCffRC21 100 或或 31max VF相频响应相频响应0f FV 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 1 10 / 0 (a) 1 3 f 0.1 1 10 / 0 (b) 90 60 30 0 30 60 90 3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理 OV R C

22、 Rf Z1 Z2 C R R1 VA A VF 放放大大电电路路 选选频频网网络络 fiVV = 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 断开环路某一点，用瞬时断开环路某一点，用瞬时极性法判断可知，电路满足相极性法判断可知，电路满足相位平衡条件：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 (+)Av311f 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RCf210 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 的正弦波的正弦波4. 稳幅措施稳幅措

23、施 OV R C Rf Z1 Z2 C R R1 VA A VF 放放大大电电路路 选选频频网网络络 fiVV = 采用非线性元件采用非线性元件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负值负值V DSR1 VVFA稳幅稳幅 VA34 CRD、整流滤波整流滤波T 为压控电阻为压控电阻 vDS iD vGS=0V -1

24、V -2V -3V A Rp1 27k 2.4k R1 vO C11 C12 C13 0.3 F 0.003 F 0.003 F C21 C22 C23 2.4k R2 Rp2 27k R3 1k 0.3 F 0.03 F 0.003 F 2.4k RP4 T CS146 Rp3 6.8 k R5 10 k C3 R4 1 k 10 F D 2CP11 稳幅环节稳幅环节 3 VA可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随v vGSGS不同不同而变化而变化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

25、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5. 移相式正弦波振荡电路移相式正弦波振荡电路每节每节RC电路相移小于电路相移小于90 当相位移接近当相位移接近90 时，时，R两端电压接近零，所以，两端电压接近零，所以，两节两节RC电路组成的反馈网电路组成的反馈网络（兼选频网络）很难既络（兼选频网络）很难既满足相位条件，又满足幅满足相位条件，又满足幅值条件。值条件。 采用采用3节节RC移相电路，在特定频率移相电路，在特定频率f0下移相下移相180 ，加上，加上放大电路产生的放大电路产生的180 相移则满足相位平衡条件。相移则满足相位平衡条件。 只要适当调节只

26、要适当调节Rf的值，使的值，使AV适当，便可满足振幅条件，适当，便可满足振幅条件，产生正弦振荡。产生正弦振荡。10.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路10.7.1 LC选频放大电路选频放大电路10.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路10.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路10.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路10.7.1 LC选频放大电路选频放大电路LRCLRCZ jj1)j(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LC10 时，电路谐振时，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

27、，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 1. 并联谐振回路并联谐振回路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 2. 选频放大电路选频放大电路10.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 虽然波形出现了失真，但由于虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的谐振电路的Q值很高，选值很高，选频特性好，所以仍能选出频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。1. 电路结构电路结构2. 相位平衡条件相位平衡条件3. 幅值平衡条件幅值平衡条件4. 稳幅稳幅5.

28、选频选频 通过选择高通过选择高增益的场效应管和调增益的场效应管和调整变压器的匝数比，可以满足整变压器的匝数比，可以满足1 FA使电路可以起振。使电路可以起振。 BJT进入非线性区，波形出现失真，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。从而幅值不再增加，达到稳幅目的。（定性分析）（定性分析）10.7.3 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网络并联谐振电路构成选频网络A. 若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 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、尾端中间端的瞬时电位一定在

29、首、尾端电位之间。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，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。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。10.7.4 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。

30、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 10 000 500 000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 阻晶 体 等

31、效 阻抗为纯阻性抗为纯阻性0p121CCLCf B. 并联谐振并联谐振通常通常0CC 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 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 3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路10.8 非正弦信号产生电路非

32、正弦信号产生电路10.8.1 电压比较器电压比较器10.8.2 方波产生电路方波产生电路10.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路10.8.1 电压比较器电压比较器 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，有的具有两阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。个阈值。 比较器的基本特点比较器的基本特点: : 工作在开环或正反馈状态。工作在开环或正反馈状

33、态。 开关特性，因开环增益很大，比较器的输出开关特性，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。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。入不成线性关系。 ，由于，由于|vO |不可能超过不可能超过VM ，特点：特点：时时， 0MIAVv （1）过零比较器）过零比较器开环，开环，虚短虚短不成立不成立增益增益A0大于大于105CCOEEVvV MI0OVvAv （忽略了放大器输出级的饱和压降）（忽略了放大器输出级的饱和压降）MOmaxVv 所以所以当当 |+VCC | = |-VEE

34、 | =VM = 15V，A0=105 时，时，0mV15. 01015 50M AV可以认为可以认为vI 0 时，时， vOmax = +VCCvI 0 时，时， vOmax = -VEE（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 MCCEE VVV 假假设设1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 输入为正负对称的正弦输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。波时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性vOVOHVOLvIO vI O T 2 3 4 t t vO O VOH VOL 思考思考 1. 1. 若过零比较器如左图所若过零比较器如左图所示，则它的

35、电压传输特性将是示，则它的电压传输特性将是怎样的？怎样的？ 2. 2. 输入为正负对称的正弦输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？波时，输出波形是怎样的？vOVOHVOLvIOvIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL（2）门限电压不为零的比较器）门限电压不为零的比较器电压传输特性电压传输特性vOVOHVOLvIOVREF 输入为正负对称的正弦波输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。时，输出波形如图所示。（门限电压为（门限电压为VREF）vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOLVREF t vO VOH O VOL (a) VREF0时时(b) VREF2V时时 (c) VR

36、EF4V时时 vI为峰值为峰值6V的三角波，的三角波，设设VCC12V，运放为，运放为理想器件。理想器件。 解：解：（1）A 构成过零比较器构成过零比较器（2）RC 为微分电路，为微分电路， RCT例例 (a) vO vI + A C R RL D v O + vID vL 电路如图所示，当输入信号如图电路如图所示，当输入信号如图c所示的正弦波时，定性所示的正弦波时，定性画出画出。、的的波波形形及及LOO vvv vI (c) O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL (d) t v O O (e) vL O (f) t （3）D 削波（限幅、检波）削波（限幅、检波）解：解：例例图

37、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。 RnR1R2 N R1 P R2 VREF vI vO vO VOH vI VOL O R2 R1 VREF 利用叠加原理可得利用叠加原理可得I211REF212pvvRRRVRRR 理想情况下，输出电压发生跳变理想情况下，输出电压发生跳变时对应的时对应的vPvN0，即，即0I1REF2 vRVR门限电压门限电压REF12IT)(VRRV v单门限比较

38、器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力 vI t Vth =VREF O vO VOH O t VOL 应为高电平应为高电平错误电平错误电平（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而而vP与与vO有关，对应有关，对应vO的两个电压值，的两个电压值， vP的两个门限电压的两个门限电压)( OLOPI低低电电平平时时，V vvv)( OHOPI高高电电平平时时，V vvv21OH221REF1TRRVRRRVRV 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 2.

39、迟滞比较器迟滞比较器（3）传输特性）传输特性21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV （4）分析要点）分析要点 门限电压与输出电压有关门限电压与输出电压有关 任何时刻只有一个门限电压有效任何时刻只有一个门限电压有效 当输入介于两门限之间时输出不变。只当输入介于两门限之间时输出不变。只有当输入高于有效的上门限或低于有效的有当输入高于有效的上门限或低于有效的下门限时，输出才翻转。翻转方向取决于下门限时，输出才翻转。翻转方向取决于输入输出的相位关系。输入输出的相位关系。 vO/V 5 0 5 VT vI/V （a） vO/V 5 0 5 （b） VT v

40、I/V vO/V 5 0 5 （c） vI/V VT VT vI VT 5V O VT 5V t1 t3 t vO 10V O 10V t1 t2 t3 t vO/V 10 VT 5 0 10 5 VT vI/V 解：解：（1）门限电压）门限电压（3）输出电压波形）输出电压波形例例电路如图电路如图9.4.6a所示，试求门限电压，画出传输特性和图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所所示输入信号下的输出电压波形。示输入信号下的输出电压波形。（2）传输特性）传输特性V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V与单门限

41、相比，迟与单门限相比，迟滞比较器在电路翻滞比较器在电路翻转时有何特点转时有何特点?解：解：（1）门限电压）门限电压例例电路如图示，试求门限电压，画出传输特性。电路如图示，试求门限电压，画出传输特性。（2）传输特性）传输特性 vI R4 vN + A R3 vO DZ VZ R2 R1 vP ZOVv vO/ V 0 VT VT+ vI/ V 21O121I2PRRvRRRvRv 翻转时刻，翻转时刻，vP=vN=0)(Z21IVRRv )(Z21TVRRV Z21TVRRV 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