模拟电子技术基础课件第九章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9.3高阶有源滤波电路*9.4开关电容滤波器9.5正弦波振荡电路的振荡条件9.2一阶有源滤波电路9.6RC正弦波振荡电路9.7LC正弦波振荡电路9.8非正弦信号产生电路9.1滤波电路的基本概念与分类1.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。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，相频响应群时延响应)(d)(d)(s9.1滤波电路的基本概念与分类2.分类低通（LPF）高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）end9.2一阶有源滤波电路1.低通滤波电路c01)(sAsA传递函数2c0)(1)j(AA其中特征角频率1f01RRARC1c故，幅频相应为同相比例放大系数9.2一阶有源滤波电路2.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9.3高阶有源滤波电路9.3.2有源高通滤波电路9.3.3有源带通滤波电路9.3.4二阶有源带阻滤波电路9.3.1有源低通滤波电路9.3.1有源低通滤波电路1.二阶有源低通滤波电路2.传递函数1fF1RRAV)()(PoFsVsVAV)(/1/1)(APsVsCRsCsV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）（同相比例）2.传递函数F0VAARC1c令称为通带增益)()()(iosVsVsA2FF)()-(31sCRsCRAAVVF31VAQ称为特征角频率称为等效品质因数则2cn22c0)(sQsAsA滤波电路才能稳定工作。时，，即当303FFVVAA注意：2.传递函数用代入，可得传递函数的频率响应：js2c22c0)()(11lg20)j(lg20QAA归一化的幅频响应相频响应2cc)(1arctan)(ωωQωωω3.幅频响应2c22c0)()(11lg20)j(lg20QAA归一化的幅频响应曲线4.n阶巴特沃斯传递函数传递函数为2nc0)/(1)j(AA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。9.3.2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2cc220)(sQssAsA2c22c0)(1)(1lg20)j(lg20QAA归一化的幅频响应2.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9.3.3有源带通滤波电路1.电路组成原理可由低通和高通串联得到必须满足11H1CR低通截止角频率22L1CR高通截止角频率HL2.例9.3.29.3.3有源带通滤波电路3.二阶有源带通滤波电路令传递函数2FF)()(31)(sCRsCRAsCRAsAVV-FF03VVAAA-RC10F31VAQ得20000)(1)(sQsQsAsA9.3.4二阶有源带阻滤波电路可由低通和高通并联得到必须满足HL双T选频网络9.3.4二阶有源带阻滤波电路双T带阻滤波电路9.3.4二阶有源带阻滤波电路阻滤波电路的幅频特性9.3.4二阶有源带阻滤波电路end*9.4开关电容滤波器不作要求end9.5正弦波振荡电路的振荡条件正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）1.振荡条件fiaXXX若环路增益1FA则，faXX去掉，iXoX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π2)()(fan相位平衡条件起振条件2.起振和稳幅#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？电路器件内部噪声以及电源接通扰动1)()(FAπ2)()(fan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AFend放大电路（包括负反馈放大电路）3.振荡电路基本组成部分反馈网络（构成正反馈的）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。）稳幅环节9.6RC正弦波振荡电路1.电路组成2.RC串并联选频网络的选频特性3.振荡电路工作原理4.稳幅措施1.电路组成反馈网络兼做选频网络RC桥式振荡电路反馈系数2.RC串并联选频网络的选频特性)()()(ofsVsVsFV幅频响应又212ZZZ2)(31sCRsCRsCRjs且令RC10则)(j3100VF2002)(31VF相频响应3)(arctan00fωωωω2.RC串并联选频网络的选频特性当2002)(31VF幅频响应有最大值RCffRCπ21100或31maxVF相频响应0f3)(arctan00fωωωω3.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0f当RC10时，π2fan311fRRAV1313VVFA电路可以输出频率为的正弦波RCfπ210RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波采用非线性元件4.稳幅措施热敏元件热敏电阻起振时，311fRRAV即1VVFA热敏电阻的作用oVoI功耗fR温度fR阻值fR3VA1VVFA稳幅VA采用非线性元件4.稳幅措施场效应管（JFET）31DS3p3RRRAV稳幅原理oV)(GS负值VDSR1VVFA稳幅VA34DCR、、整流滤波T压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V3VA可变电阻区，斜率随vGS不同而变化end采用非线性元件二极管稳幅原理oV3VA1VVFA稳幅VA31132RRRAV起振时联支路的等效电阻并和、是其中2133DDRR3R4.稳幅措施稳幅环节9.7LC正弦波振荡电路9.7.2变压器反馈式LC振荡电路9.7.3三点式LC振荡电路9.7.4石英晶体振荡电路9.7.1LC选频放大电路9.7.1LC选频放大电路LRCLRCZjj1)j(j1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scIQI即sLcIII1.并联谐振回路9.7.1LC选频放大电路阻抗频率响应（a）幅频响应（b）相频响应9.7.1LC选频放大电路2.选频放大电路9.7.2变压器反馈式LC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2.相位平衡条件3.幅值平衡条件4.稳幅5.选频通过选择高增益的场效应管和调整变压器的匝数比，可以满足1FA使电路可以起振。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。（定性分析）9.7.3三点式LC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LC并联电路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B.若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。9.7.3三点式LC振荡电路2.电感三点式振荡电路9.7.3三点式LC振荡电路3.电容三点式振荡电路9.7.4石英晶体振荡电路Q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5000009.7.4石英晶体振荡电路2.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，振幅最大压电谐振等效电路LCfπ21sA.串联谐振特性晶体等效阻抗为纯阻性0p1π21CCLCfB.并联谐振通常0CC0s1CCf所以很接近与psff9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路（a）代表符号（b）电路模型（c）电抗-频率响应特性9.7.4石英晶体振荡电路2.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s0s1π21CCCLCf由于s0CCCs0s1CCCf由此看出)(21s0ssCCCff；时，0pssffCsssffC时，调整之间变化和在可使psssfffC9.3.4二阶有源带阻滤波电路end3.石英晶体振荡电路9.8非正弦信号产生电路9.8.2方波产生电路9.8.3锯齿波产生电路9.8.1电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器集成电压比较器9.8.1电压比较器，由于|vO|不可能超过VM，特点：1.单门限电压比较器（1）过零比较器开环，虚短不成立增益A0大于105MI0OVAvv（忽略了放大器输出级的饱和压降）MOmaxVv所以当|+VCC|=|-VCC|=VM=15V，A0=105时，0mV15.0V101550MAV可以认为vI0时，vOmax=+VCCvI0时，vOmax=-VCC（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下MCCCCVVV假设-VCC≤vO≤+VCC时，0MAV|vI|≥9.8.1电压比较器特点：1.单门限电压比较器（1）过零比较器开环，虚短不成立增益A0大于105输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。电压传输特性-VCC≤vO≤+VCC9.8.1电压比较器1.单门限电压比较器（2）门限电压不为零的比较器电压传输特性（门限电压为VREF）9.8.1电压比较器1.单门限电压比较器（2）门限电压不为零的比较器（门限电压为VREF）(a)VREF＝0时(b)VREF＝2V时(c)VREF＝－4V时vI为峰值6V的三角波，设±VCC＝±12V，运放为理想器件。解：例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(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I211REF212PvvRRRVRRR理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vP＝vN＝0，即0I1REF2vRVR门限电压REF12IT)(VRRVv单门限比较器的抗干扰能力应为高电平错误电平9.8.1电压比较器2.迟滞比较器（1）电路组成（2）门限电压为门限电压，Pv门限电压的两个的两个电压值可得有关，对应于与而POOPvvvv)(OLOPI低电平时，Vvvv)(OHOPI高电平时，Vvvv21OH221REF1TRRVRRRVRV21OL221REF1TRRVRRRVRV上门限电压下门限电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV9.8.1电压比较器2.迟滞比较器（3）传输特性21OH221REF1TRRVRRRVRV