电子技术基础_第五版(模拟部分)第9章

1、9 9 信号处理与信号产生电路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)()()(iosVsVsA 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滤波器：是一种能使有用频率信号通过

2、而同时抑制或衰减无 用频率信号的电子装置。用频率信号的电子装置。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义滤波电路传递函数定义时，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 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）end9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1. 低通滤波电

3、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。end 低通电路中的低通电路中的R和和C交换交换位置便构成高通滤波电路位置便构成高通滤波电路9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路

4、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 2FF)()-(31sCRsCRAAVV

5、 （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20c22cc( )AA sssQ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：2. 传递函数传递函数用用 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、)(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阶低通巴特沃斯传递函数阶低通巴特沃斯传递函数传递函数为传递函数为2n0)/(1)(cAjA 式中式中n为滤波电路阶数，为滤波电路阶数， c为为3dB截止角频率，截止角频率，A0为通带电压为通带电压增益。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

7、)(1lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应归一化的幅频响应2. n阶高通巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应阶高通巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应2n0)/(1)( cAjA 归一化幅频响应归一化幅频响应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到可由低通和高通串联得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. 设计举例设计举例(例例9.3.2)9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路3. 二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路 令令传递函数传递函数2FF)

8、()-(31)(sCRsCRAsCRAsAVV FF0-3VVAAA 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9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路带阻滤波电路的幅频特性带阻滤波电路的幅频特性 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路end*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器不作要求不作要求end作业：9.2.1

9、；9.3.69.5 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）1. 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起振条件起振条件2. 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

10、，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1AF 1 AF 。end4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）3. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分4反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）

11、4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（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。）网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节9.6 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

12、 s且令且令RC10 则则)( j3100 VF2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctg00f 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 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，电用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件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 RR

13、AV1313 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. 稳幅措施稳幅措施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

14、DSR1 VVFA稳幅稳幅 VA34 CRT、整流滤波整流滤波D 压控电阻压控电阻 vDS iD vGS=0V -1V -2V -3V 3 VA可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不不同而变化同而变化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起振时起振时联支路的等效电阻联支路的等效电阻并并和和、是是其中其中2133DD RR 3R4. 稳幅措施稳幅措施稳幅环节稳幅环节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

15、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9.7.1 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 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 1. 并联谐振回路并联谐振回路9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路阻抗频率响应阻抗频率响应（a）幅频响应）幅频响应 （b）相

16、频响应）相频响应 9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路2. 选频放大电路选频放大电路9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 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. 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。 FET进入非线性区

17、，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）9.7.3 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。9.7.3 三点式三点式LC振荡

18、电路振荡电路2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路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 10000 5000009.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路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结构结构

19、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 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 psff9.7.4 石英晶体振荡电路石

20、英晶体振荡电路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（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 9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路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

21、振荡电路石英晶体振荡电路9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路作业：9.6.1；9.7.19.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.1 电压比较器电压比较器单门限电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器迟滞比较器集成电压比较器集成电压比较器9.8.1 电压比较器电压比较器，由于，由于|vO |不可能超过不可能超过VM ，特点：特点：时时， 0MIAVv 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（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 MI0OVvA

22、v （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 | =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9.8.1 电压比较器电压比较器1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（1）过零比较器）过零比较器 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

23、为方波。电压传输特性电压传输特性9.8.1 电压比较器电压比较器1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（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）9.8.1 电压比较器电压比较器1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（2）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器（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，设的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。，运放为理想器件。 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

24、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单门限比较器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力应为高电平应为高电平错误电平错误电平9.8.1 电压比较器电压比较器2. 迟滞比较器迟滞比较器（1）电路组成电路组成（2）门限

25、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 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 2o1R E F1212()pR VR VVRRRR9.8.1 电压比较器电压比较器2. 迟滞比较器迟滞比较器（3 3）传输特性传输特性21OH221REF1TRRVRRR

26、VRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 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所示输所示输入信号下的输出电压波形。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）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和非线性区, 其输出电压只有高