模拟电路09 信号处理与信号产生电路.ppt

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1、主讲：田芳主讲：田芳低低 频频 电电 子子 技技 术术19.1 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或衰减无滤波器：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

2、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，有其中其中 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）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传递函数传递函数其中其中特征角频率特征角频率故，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59.

3、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 一一阶阶有有源源滤滤波波电电路路通通带带外外衰衰减减速速率率慢慢（-20dB/十十倍倍频频程程），与与理理想想情情况况相相差差较较远远。一一般般用用在在对对滤滤波要求不高的场合。波要求不高的场合。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69.3 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79.3.1 有源低通滤波电

4、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.传递函数传递函数对于滤波电路，有对于滤波电路，有得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数（二阶）（二阶）（同相比例）（同相比例）82.传递函数传递函数令令称为称为通带增益通带增益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滤波电路才能稳定工作。滤波电路才能稳定工作。注意：注意：92.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：归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应103.幅频响应幅频响应归一化的幅归一化的幅频响应曲线频响应曲线114.n阶巴特沃斯传递函数阶巴特沃斯传

5、递函数传递函数为传递函数为式式中中n为为阶阶滤滤波波电电路路阶阶数数，c为为3dB截截止止角角频频率率，A0为为通通带带电电压增益。压增益。129.3.2 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 将将低低通通电电路路中中的的电电容容和和电电阻阻对对换换，便便成成为为高通电路。高通电路。传递函数传递函数归一化的幅频响应归一化的幅频响应132.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归一化幅频响应归一化幅频响应149.3.3 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

6、满足低通截止角频率低通截止角频率高通截止角频率高通截止角频率152.例例9.3.29.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路163.二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得得179.3.4 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18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19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20阻滤波电路的幅频特性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end21*9

7、.4 开关电容滤波器开关电容滤波器不作要求不作要求end22作业作业9.3.3；9.3.99.6.2；9.6.4；9.6.59.7.2；9.7.3；9.7.4；9.8.1;239.5 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.振荡条件振荡条件若环路增益若环路增益则则去掉去掉仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。又又所以振荡条件为所以振荡条件为振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件24起振条件起振条件2.起振和稳幅起振和稳幅#振振振振荡荡荡荡电电电电路路路路是是是是单单单单口口口口网网网网络

8、络络络，无无无无需需需需输输输输入入入入信信信信号号号号就就就就能能能能起起起起振振振振，起起起起振振振振的的的的信号源来自何处？信号源来自何处？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 当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时，就就要要限限制制它它继继续续增增加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。噪噪声声中中，满满足足相相位位平平衡衡条条件件的的某某一一频频率率 0 0的的噪噪声声信信号号被被放大，成为振荡电路的输出信号。放大，成为振荡电路的输出信号。稳稳幅幅的的作作用用就就是是，当当输输出出信信号号幅幅值

9、值增增加加到到一一定定程程度度时时，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到25end4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）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269.6 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271.电路组成电路组

10、成反反馈馈网网络络兼兼做做选选频频网络网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路28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幅频响应幅频响应又又且令且令则则相频响应相频响应292.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幅频响应有最大值幅频响应有最大值相频响应相频响应303.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 用用瞬瞬时时极极性性法法判判断断可可知知，电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当当时，时，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

11、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31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，即即热敏电阻的作用热敏电阻的作用稳幅稳幅32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）稳幅原理稳幅原理稳幅稳幅整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不不同而变化同而变化33下节内容下节内容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稳幅稳幅起振时起振时4.稳幅措施稳幅措施稳幅环节稳幅环节349.7 LC

12、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359.7.1 LC选频放大电路选频放大电路等效损耗电阻等效损耗电阻一般有一般有则则当当 时，时，电路谐振。电路谐振。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为品质因数为品质因数同时有同时有即即1.并联谐振回路并联谐振回路369.7.1 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）相频响应）相频响应 379

13、.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389.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 虽虽然然波波形形出出现现了了失失真真，但但由由于于LC谐谐振振电电路路的的Q值值很很高高，选选频特性好，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 通通过过选选择择高高增增益益的的场场效效应应管管和和调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

14、，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）399.7.3 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 中中间间端端的的瞬瞬时时电电位位一一定定在在首首、尾尾端端电位之间。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。409.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路2.电感三点式振荡电路电感三点

15、式振荡电路419.7.3 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429.7.4 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 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。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 000439.7.4 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

16、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44等效电路等效电路A.串联谐振串联谐振特性特性 晶晶体体等等效效阻阻抗为纯阻性抗为纯阻性B.并联谐振并联谐振通常通常所以所以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（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

17、响应特性 459.7.4 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由于由于由此看出由此看出调整调整46 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路end3.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路479.8 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489.8.1 电压比较器电压比较

18、器，由于，由于|vO|不可能超过不可能超过VM，特点：特点：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105（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）所以所以当当|+VCC|=|-VCC|=VM=15V，A0=105 时，时，可以认为可以认为vI 0 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-VCCvO+VCC|vI|499.8.1 电压比较器电压比较器特点：特点：1.单门限电压比较器单门限电

19、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105 输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波时，输出为方波。波时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性-VCCvO+VCC509.8.1 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）519.8.1 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

20、)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。52解：解：例例图图示示为为另另一一种种形形式式的的单单门门限限电电压压比比较较器器，试试求求出出其其门门限限电电压压(阈阈值值电电压压)VT，画画出出其其电电压压传传输输特特性性。设设运运放放输输出出的的高高、低电平分别为低电平分别为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，即即门限电压门限电压53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549.8

21、.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）门限电压门限电压门限电压门限电压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559.8.1 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56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电路路如如图图所所示示，试试求求门门限限电电压压，画画出出传传输输特特性性和和图图c所所示示输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57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）用用于

22、于电电压压比比较较器器的的运运放放，通通常常工工作作在在开开环环或或正正反反馈馈状状态态和和非线性区，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）一一般般用用电电压压传传输输特特性性来来描描述述输输出出电电压压与与输输入入电电压压的的函函数数关系。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

23、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589.8.1 电压比较器电压比较器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：开开环环增增益益低低、失失调调电电压压大大、共共模模抑抑制制比比小小，灵灵敏敏度度往往往往不不如如用集成运放构成的比较器高。用集成运放构成的比较器高。但但集集成成电电压压比比较较器器中中无无频频率率补补偿偿电电容容，因因此此转转换换速速率率高高，改改变输出状态的典型响应时间是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

24、间为集成运算放大器的响应时间为30 s左右。左右。599.8.2 方波产生电路方波产生电路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609.8.2 方波产生电路方波产生电路2.工作原理工作原理 由由于于迟迟滞滞比比较较器器中中正正反反馈馈的的作作用用，电电源源接接通通后后瞬瞬间间，输输出便进入饱和状态。出便进入饱和状态。假设为正向饱和状态假设为正向饱和状态613.占空比可变的方波产生电路占空比可变的方波产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路629.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路end同相输入迟同相输入迟滞比较器滞比较器积分电路积分电路充放电时间充放电时间常数不同常数不同63作业作业9.3.3；9.3.99.6.2；9.6.4；9.6.59.7.2；9.7.3；9.7.4；9.8.1;64