模拟电路课件：chapter9.ppt

1、19 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9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路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9.6 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 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路29.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类)()()(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 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。)

2、(Itv)(Otv滤波电路滤波电路传递函数定义时，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中)j ( A)( 模，幅频响应 相位角，相频响应时延响应为)( d)(d)(s 39.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）低通（LPF）49.2 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n01)( sAsA 传递函数2n0)(1)j ( AA其中：特征角频率1f01RRA RC1n 故，幅频响应为：59.2 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 可由低通和高通串联得：11

3、11CR 必须满足3.带通滤波电路带通滤波电路RC+vPvIvOR1C1+vIR2C2+vOA0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO 1 2 AA0O 2 1通带通带阻带阻带阻带阻带低通特征角频率2221CR 高通特征角频率12 69.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路4.带阻滤波电路带阻滤波电路 可由低通和高通并联得到：必须满足12 R1C1+vIR+vOR2C2+RRA0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO 1 2 AA0O 1 2通带通带阻带阻带通带通带 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。

4、79.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路 实际有源滤波器的设计：实际有源滤波器的设计： 根据滤波器幅频响应和相频响应的需要，寻求最根据滤波器幅频响应和相频响应的需要，寻求最佳的近似理想特性。佳的近似理想特性。 常用的低通滤波器：常用的低通滤波器： 巴特沃思滤波器巴特沃思滤波器 切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器 贝塞尔滤波器贝塞尔滤波器89.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路1.二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路1fF/1RRAV )()(PoFsVsVAV 同相比例放大电路的增益：)(/1/1)(APsVsCRsCsV vIRf+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例vOvIRfC+v

5、PR1放大电路放大电路同相比例同相比例RvOvICRfRC+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例vAARvOvICRfRC+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例vAARvO对于滤波电路，有RsVsV)()(Ai sCsVsV/1)()(oA 0)()(PA RsVsV得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV （二阶）99.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路1.二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路F0VAA RC1n 令称为通带增益)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV F31VAQ 称为特征角频率称为

6、等效品质因数则2nn22n0)( sQsAsA滤波电路才能稳定工作时时，即即当当 3 03 FF VVAA注意：用 代入，可得传递函数的频率响应： j s109.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路1.二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路2n22n0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应相频响应2nn)(1arctg)( Q119.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路1.二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路归一化的幅频响应波特图129.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路 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2nn220)( sQssAsA2n2

7、2n0)(1)(1lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应滤波电路才能稳时时， 3 F VA定工作2.二阶有源高通滤波电路二阶有源高通滤波电路139.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路2.二阶有源高通滤波电路二阶有源高通滤波电路归一化的幅频响应波特图149.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路3. 有源带通滤波电路有源带通滤波电路可由低通和高通串联得到159.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路3. 有源带通滤波电路有源带通滤波电路令传递函数2FF)()-(31)(sCRsCRAsCRAsAVV FF0-3VVAAA RC10 F31VAQ 得20000)(1)( sQsQsAsA

8、169.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路归一化的幅频响应波特图3. 有源带通滤波电路有源带通滤波电路179.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路4. 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路189.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路4. 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路199.5 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.起振条件起振条件 正 反 馈 放 大电路如图示。fiaXXX 若环路增益1 FA则， faXX 去掉， iXoX仍有稳定的输出又fafa AFFAFA所以振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件 n2)()(fa 相位平衡条件相位平衡条件20

9、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2. 起振和幅度起振和幅度电路器件内部噪声1)()( FA n2)()(fa 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1 AF。 1 AF219.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件选频网络选频网络: 振荡频率f0：相位平衡条件决定。一个正弦波振荡电路只有在一个频率下满足相位平衡条件，即振荡频率f0。 在AF环路中包含一个具有选频特性的选频网

10、络： RC振荡电路:（1Hz1MHz） LC振荡电路:（1MHz ）229.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1.电路原理图电路原理图反馈网络兼做选频网络239.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路反馈系数)()()(ofsVsVsFV 幅频响应又212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令RC10 则)( j3100 VF2002)(31 VF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249.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路当2002)(31 VF幅频响应有最大值3)(arctg00f RCffRC 21 100 或或31max

11、 VF相频响应0f 259.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路3. 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定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0f 当RC10 时， n2fa (+)(+)(+)(+)Av311f RRAV1313 VVFA电路可以输出频率为 的正弦波RCf 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 的正弦波的正弦波4. 振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形269.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路采用非线性元件4热敏元件起振时，311f RRAV即1 VVFA热敏电阻

12、的作用 oVfI 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅 VA热敏电阻热敏电阻5. 稳幅措施稳幅措施279.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路采用非线性元件4场效应管（JFET）31DS3p3 RRRAV稳幅原理 oV )(GS负负值值VDSR3 VA1 VVFA稳幅 VA34 CRD、整流滤波T 压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不同不同而变化而变化为了使得振荡频率连续可调：1.用双层波段开关接不同的电容，作为振荡频率f0的粗调；1.用同轴电位器实现f0的微调；289.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电

13、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LR 则CQLQRCLZ000 当 时，LC10 电路谐振。LC10 为谐振频率谐振时阻抗最大，且为纯阻性其中CLRRCRLQ1100为品质因数同时有IQIILC即IIILC299.7.1 LC选频放大电路选频放大电路频率响应频率响应309.7.2 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。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.

14、 稳幅稳幅5. 选频选频 通过选择高值的BJT和调整变压器的匝数比，可以满足1 FA，电路可以起振。 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。319.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)反馈反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈反馈329.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路仍然由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. 三点式三点式LC并联电路并联电路C1C2首端首端尾端

15、尾端中间端中间端L电容三点式C首端首端尾端尾端中间端中间端L1L2电感三点式 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。339.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路349.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路359.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1.频率稳定问题频率稳定问题Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。频率稳定度一般由 来衡量0ff 频率偏移量。f 0f振荡频率。LC振荡电路 Q 数百石英晶体振荡电路 Q 10000 500

16、000369.7.4 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极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应交变电压机械振动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379.7.4 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等效电路LCf 21s A. 串联谐振特性 晶 体 等 效 阻抗为纯阻性0p121CCLCf B. 并联谐振通常0CC 0s1CCf 所以很很接接近近与与 psff389.7.4 石英晶体振荡电路

17、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Cs则新的谐振频率为s0s121CCCLCf 由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出 )(21s0ssCCCff；时时， 0 pssffC sss ffC 时时，调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC 399.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路409.8 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路9.8.1 电压比较器电压比较器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419.8.1 电压比较器电压比较器1.

18、单门限电压比较器单门限电压比较器，由于|vO |不可能超过VM ，vIvO- -+A+VCC-VEE特点：时时， 0MIAVv （1）过零比较器开环，虚短和虚断不成立增益A0大于105CCOEEVvV MI0OVvAv （忽略了放大器输出级的饱和压降）MOmaxVv 所以当 |+VCC | = |-VEE | =VM = 15V，A0=105 时，0mV15. 01015 50M AV可以认为vI 0 时， vOmax = +VCCvI VT+ , 就有就有 vN vP ,在在 vc VT+ 时，时，vN vP , vo 保持保持 VOH 不变；不变；vo 立即由立即由VOH 变成变成VOL

19、vcvoRfR2R1C+-+A509.8.2 方波产生电路方波产生电路此时，此时，C 经输出端放电。经输出端放电。(2) 当当vo = VOL 时，时， vP=VT-vc降到降到VT-时，时，vo上翻上翻。VT+vctVT-当当vo 重新回到重新回到VOH以后，电路又进入另一个周期性的变化。以后，电路又进入另一个周期性的变化。vcvoRfR2R1C+-+A519.8.2 方波产生电路方波产生电路0VT+vctVT-VOHvo0tVOLT输出波形：输出波形：vcvoRfR2R1C+-+A529.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路反向积分电路反向积分电路方波发生器方波发生器电路一：电路一：方波发

20、生器方波发生器 矩形波矩形波积分电路积分电路三角波三角波RR1R2C+vcRR2Cvo此电路要求前后电路的时间常数配合此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。好，不能让积分器饱和。-+A-+A539.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路tvRCvood11三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。vo0vo1tVOHVOLRR1R2C+vcRR2Cvovo1-+A-+A54作作 业业9.1.29.2.19.3.1 9.3.2 9.3.4 9.3.89.6.1 9.6.2 9.6.69.7.1 9.7.2 9.7.69.8.1 9.8.5 9.8.8 9.8.10