模电四川大学川大.pptx

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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，其中包含一些较高频率成分的干扰。经滤波电路后，则可滤掉高频成分。第1页/共72页有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路传递函数定义时，有其中 模，幅频响应 相位角，相频响应群时延响应第2页/共72页2.分类分类低通（LPF）高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）end第3页/共72页1.低通滤波电路低通滤波电路传递函数其中特征角频率故，幅频相应为同相比例放大系数9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤

2、波电路第4页/共72页2.高通滤波电路高通滤波电路 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。end 低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路第5页/共72页9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路有源高通滤波电路有源高通滤波电路有源带通滤波电路有源带通滤波电路二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路有源低通滤波电路有源低通滤波电路第6页/共72页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2.传递函数对于滤波电路，有得滤波电路传递函数（二阶）（同相比例）第7页/共72页令称为通带增益称为特征角频率称为等效品质因

3、数则滤波电路才能稳定工作。注意：第8页/共72页用 代入，可得传递函数的频率响应：归一化的幅频响应相频响应第9页/共72页3.幅频响应归一化的幅频响应曲线Q Q=0.707=0.707时幅频响应较平坦第10页/共72页4.n阶巴特沃斯传递函数传递函数为式中n为阶滤波电路阶数，c为3dB截止角频率，A0为通带电压增益。第11页/共72页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 将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。传递函数归一化的幅频响应第12页/共72页2.2.巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应归一化幅频响应第13页/共72页有源带通滤波电路有源带通滤波电路1.电路组成原理

4、可由低通和高通串联得到必须满足低通截止角频率高通截止角频率第14页/共72页2.例第15页/共72页3.3.二阶有源带通滤波电路 令传递函数得第16页/共72页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必须满足第17页/共72页双T T选频网络二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路第18页/共72页双T T带阻滤波电路第19页/共72页阻滤波电路的幅频特性 end第20页/共72页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。第21页/共72页*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器不作要求end第2

5、2页/共72页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 正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。第23页/共72页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，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，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此

6、振荡电路要有一个稳幅电路。第24页/共72页 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电路合而为一。选频网络由R R、C C和L L、C C等电抗性元件组成。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 4放大电路（包括负反馈放大电路）4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。4经常与反馈网络合二为一。）4稳幅环节第25页/共72页正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）2.振荡条件振荡条件若环路增益则去掉仍有稳定的输出。又又所以振荡条件为振幅平衡条件相位平衡条件第26页/共72页起振条件3.起振和稳幅起振和

7、稳幅#振荡电路是单口网络，无需输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？振荡电路是单口网络，无需输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？振荡电路是单口网络，无需输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？振荡电路是单口网络，无需输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声以及电源接通扰动 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 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 回到第27页/共72页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

8、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.稳幅措施稳幅措施第28页/共72页1.电路组成电路组成反馈网络兼做选频网络RC桥式振荡电路第29页/共72页反馈系数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又且令且令则相频响应第30页/共72页当幅频响应有最大值相频响应第31页/共72页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 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当当时，时，电路可以输出频率为 的正弦波RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波第32页/

9、共72页采用非线性元件4.稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，即热敏电阻的作用稳幅第33页/共72页采用非线性元件4场效应管（JFET）稳幅原理稳幅整流滤波T 压控电阻可变电阻区，斜率随vGS不同而变化第34页/共72页end采用非线性元件4二极管稳幅原理稳幅起振时稳幅环节第35页/共72页9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路三点式三点式LC振荡电路振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路LC选频放大电路选频放大电路第36页/共72页 LC LC正弦波振荡电路的构成与RCRC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和

10、稳幅电路。这里的选频网络是由LCLC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LCLC正弦波振荡电路而有所不同。LC选频放大电路选频放大电路1.并联谐振回路 输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。第37页/共72页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第38页/共72页阻抗频率响应阻抗频率响应（a）幅频响应 （b）相频响应 第39页/共72页变压器反馈变压器反馈LC振荡电路振荡电路 LC并联谐振电路作为并联

11、谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈与电感线圈相耦合相耦合,将反馈将反馈信号送入三极管的输入回路。信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。馈的幅度条件得以满足。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）第40页/共72页 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

12、路相同，为为第41页/共72页三点式三点式LC振荡电路振荡电路 仍仍然然由由LC并并联联谐谐振振电电路路构构成成选选频频网络网络A.若若中中间间点点交交流流接接地地，则则首首端端与与尾端尾端 相位相反。相位相反。1.三三点点式式LC并并联联电电路路 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.若若首首端端或或尾尾端端交交流流接接地地，则则其其他两端相位相同。他两端相位相同。第42页/共72页2.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路第43页/共72页3.电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路第44页/共72页例例：图为一个三点式振荡

13、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。第45页/共72页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 10 000 500 000第46页/共72页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力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场

14、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第47页/共72页等效电路等效电路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所以所以（a）代表符号 （b）电路模型 （c）电抗-频率响应特性 第48页/共72页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

15、为由于由于由此看出由此看出调整调整第49页/共72页 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，vOmax=+VCCvI 0 时，vOmax=-VCC（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下-VCCvO+VCC|vI|第53页/共72页 输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。电压传输特性第54页/共72页（2）门限电压不为零的比较器电压传输特性（门限电压为VREF）第55页/共72页(a)VREF0时(b)VREF2V时 (c)VREF4V时 vI为峰值6V的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。第56页/共72页解：解：例例图示为

16、另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电压(阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为VOH和VOL。利用叠加定理可得理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vPvN0，即门限电压第57页/共72页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第58页/共72页2.迟滞比较器迟滞比较器（1）电路组成（2）门限电压门限电压门限电压上门限电压下门限电压回差电压第59页/共72页（3 3）传输特性第60页/共72页解：（1）门限电压例电路如图所示，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。第61页/共72页（3）输出

17、电压波形（2）传输特性第62页/共72页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非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电平VOL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关系。（3）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平VOH和低电平VOL 门限电压 输出电压的跳变方向令vPvN所求出的vI就是门限电压vI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第63页/共72页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：开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度

18、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，因此转换速率高，改变输出状态的典型响应时间是30200 ns。相同条件下741集成运算放大器的响应时间为30 s左右。第64页/共72页方波产生电路方波产生电路1.1.电路组成（多谐振荡电路）稳压管双向稳压管双向限幅限幅 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，增加了一个由Rf、C组成的积分电路，把输出电压经组成的积分电路，把输出电压经Rf、C反馈到集成运放的反相端。电路如图所示。反馈到集成运放的反相端。电路如图所示。第65页/共72页2.工作原理工作原理 由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输出便进

19、入饱和状态。假设为正向饱和状态第66页/共72页 当当U0=+UZ时时，U+为为正正值值，这这时时UC U+，U0通通过过Rf对对电电容容C充充电电，UC按按指指数数曲曲线线上上升升。当当UC增增长长到到U+时时，U0即即由由+UZ翻翻转转UZ。电电容容C又又通通过过Rf放放电电，当当UC放放到到U+时时，U0即即由由UZ又又翻翻转转+UZ。以以后后按按上上述述过过程程周周而而复复始始，形形成成振振荡，输出为方波。荡，输出为方波。振荡周期由振荡周期由RC充、放电快慢决定。充、放电快慢决定。运放同相端电压运放同相端电压第67页/共72页3.占空比可变的方波产生电路占空比可变的方波产生电路第68页

20、/共72页锯齿波产生电路锯齿波产生电路同相输入迟滞比较器积分电路充放电时间常数不同锯齿波电压在示波器、数字仪器等电子设备中通常作为扫描信号。锯齿波发生器的电路如图所示。该电路的主要特点是同相输入滞回比较器（A A1 1）起开关作用；积分运算电路(A(A2 2)起延时作用。第69页/共72页当U U0101为+U+UZ Z时，二极管D D导通，积分常数T T2 2=（R R6 6RR5 5）C C；当U U0101为U UZ Z时，二极管D D截止，积分常数T T1 1=R=R6 6C C，T T2 2TT1 1。正、负向积分的速率相差很大，从而形成锯齿波电压。第70页/共72页作业 第71页/共72页感谢您的观看。第72页/共72页