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1、会计学 1模电四川大学(s chun d xu)川大第一页，共72页。9.1 滤波电路(dinl)的基本概念与分类1.基本概念滤波器：是一种能使有用频率(pnl)信号通过而同时抑制或衰减无用频率(pnl)信号的电子装置。例如，有一个较低频率(pnl)的信号，其中包含一些较高频率(pnl)成分的干扰。经滤波电路后，则可滤掉高频成分。第1页/共72页第二页，共72页。有源滤波器：由有源器件(qjin)构成的滤波器。滤波(lb)电路传递函数定义时，有其中(qzhng)模，幅频响应 相位角，相频响应群时延响应第2页/共72页第三页，共72页。2.分类(fn li)低通（LPF）高通（HPF）带通（BP
2、F）带阻（BEF）全通（APF）end第3页/共72页第四页，共72页。1.低通滤波电路(dinl)传递函数其中(qzhng)特 征(tzhng)角频率故，幅频相应为同相比例放大系数9.2 一阶有源滤波电路第4页/共72页第五页，共72页。2.高通滤波电路(dinl)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(ybn)用在对滤波要求不高的场合。end 低通电路中的R和C交换(jiohun)位置便构成高通滤波电路第5页/共72页第六页，共72页。9.3 高阶有源滤波(lb)电路有源高通滤波电路(dinl)有源带通滤波电路(dinl)二阶有源带阻滤波电路有源
3、低通滤波电路第6页/共72页第七页，共72页。有源低通滤波电路(dinl)1.二阶有源低通滤波电路(dinl)2.传递函数对于滤波电路，有得滤波(lb)电路传递函数（二阶）（同相比例）第7页/共72页第八页，共72页。令称 为(chn wi)通带增益称为(chn wi)特征角频率称为(chn wi)等效品质因数则滤波电路才能稳定工作。注意：第8页/共72页第九页，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(xingyng)相频响应(xingyng)第9页/共72页第十页，共72页。3.幅 频 响 应(xingyng)归一化的幅频响应(xingyng)曲线Q=0.707时幅频响
4、应(xingyng)较平坦第10页/共72页第十一页，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(jizh)角频率，A0为通带电压增益。第11页/共72页第十二页，共72页。有源高通滤波电路(dinl)1.二阶高通滤波电路(dinl)将低通电路中的电容和电阻对换(du hun)，便成为高通电路。传递函数归一化的幅频响应第12页/共72页第十三页，共72页。2.巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应(xingyng)归一化幅频响应(xingyng)第13页/共72页第十四页，共72页。有源带通滤波电路(dinl)1.电路(dinl)组成原理可 由 低 通 和
5、高 通 串 联(chunlin)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页第十五页，共72页。2.例第15页/共72页第十六页，共72页。3.二 阶 有 源 带 通 滤 波 电 路(dinl)令传 递 函数得第16页/共72页第十七页，共72页。二阶有源带阻滤波(lb)电路可 由 低 通 和 高 通 并 联(bnglin)得到必须满足第17页/共72页第十八页，共72页。双 T选 频 网 络(wnglu)二阶有源带阻滤波(lb)电路第18页/共72页第十九页，共72页。双T带阻滤波(lb)电路第19页/共72页第二十页，共72页。阻滤波(lb)电路的幅频特性 end第20页/共
6、72页第二十一页，共72页。要想获得(hud)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页第二十二页，共72页。*9.4 开关(kigun)电容滤波器不 作 要 求(yoqi)end第22页/共72页第二十三页，共72页。9.5 正弦波振荡电路(zhn dn din l)的振荡条件 正弦波发生电路能产生正弦波输出，正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是在放大 它是在放大(fngd)(fngd)电路的基础上加上正 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 反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核
7、心电路。正弦波发生电路也称为 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。正弦波振荡电路或正弦波振荡器。第23页/共72页第二十四页，共72页。1.振荡电路基本(jbn)组成部分 为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，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 因此放大电路和正反馈网络(wnglu)(wnglu)是振荡电路的最 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 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。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
8、(fd)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，为此振荡电路要有一个稳幅电路。第24页/共72页第二十五页，共72页。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络(wnglu)，选频网络(wnglu)往往和正反馈网络(wnglu)或放大电路合而为一。选频网络(wnglu)由R、C和L、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(wnglu)来命名。正弦波发生电路的组成 4放大(fngd)电路（包括负反馈放大(fngd)电路）4反馈(fnku)网络（构成正反馈(fnku)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
9、反馈网络合二为一。）4稳幅环节第25页/共72页第二十六页，共72页。正反馈放大(fngd)电路框图（注意与负反馈方框图的差别）2.振荡(zhndng)条件若环路(hun l)增益则去掉 仍有稳定的输出。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页第二十七页，共72页。起振条件(tiojin)3.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 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(li z)(li z)何处？何处？电路(dinl)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
10、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 回到第27页/共72页第二十八页，共72页。9.6 RC正弦波振荡电路(zhn dn din l)1.电路(dinl)组成2.RC串并联选频网络(wnglu)的选频特性3.振荡电路工作原理4.稳幅措施第28页/共72页第二十九页，共72页。1.电路(dinl)组成反 馈(fnku)网络兼做选频网络RC桥式振荡电路(zhn dn din l)第29页/共72页第三十页，共72页。反 馈(fnku)系数2.RC串并联选频网络(wnglu)的选频特性幅频响应(
11、xingyng)又且令则相频响应第30页/共72页第三十一页，共72页。当幅频响应(xingyng)有最大值相频响应(xingyng)第31页/共72页第三十二页，共72页。3.振荡电路工作(gngzu)原理此时(c sh)若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断(pndun)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/共72页第三十三页，共72页。采用(ciyng)非线性元件4.稳幅措施(cush)4热 敏 元 件(yunjin)热敏电阻起振时，即热敏电阻的作用稳幅第33页/共72
12、页第三十四页，共72页。采 用(ciyng)非线性元件4场效应管（JFET）稳 幅 原 理(yunl)稳幅整流滤波T 压控电阻(dinz)可变电阻区，斜率随 v GS 不同而变化第34页/共72页第三十五页，共72页。end采用(ciyng)非线性元件4二极管稳 幅 原 理(yunl)稳幅起振时稳幅环节第35页/共72页第三十六页，共72页。9.7 LC正弦波振荡电路(zhn dn din l)变压器反馈(fnku)式LC振荡电路三点式LC振荡电路(zhn dn din l)石英晶体振荡电路LC选频放大电路第36页/共72页第三十七页，共72页。LC正弦波振荡电路(dinl)的构成与RC正弦波
13、振荡电路(dinl)相似，包括有放大电路(dinl)、正反馈网络、选频网络和稳幅电路(dinl)。这里的选频网络是由LC并联谐振电路(dinl)构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路(dinl)而有所不同。LC 选频放大(fngd)电路1.并联(bnglin)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页第三十八页，共72页。等效损耗(snho)电阻一般有 则当 时，电路(dinl)谐振。为谐振频率谐振(xizhn)时 阻抗最大，且为纯阻性其中为品质因数同时有即第38页/共72页第三十九页，共72页。阻抗(zkng)频率响应（
14、a）幅频响应(xingyng)（b）相频响应(xingyng)第39页/共72页第四十页，共72页。变压器反馈(fnku)LC振荡电路 LC并联谐振(xizhn)电路作为三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈相耦合,将反馈信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。变压器反馈(fnku)式LC振荡电路（定性分析）第40页/共72页第四十一页，共72页。有关(yugun)同名端的极性 变压器反馈LC振荡电路的振荡频率(pnl)与并联LC谐振电路相同，为第41页/共72页第四十二页，共72页。三点式L
15、C振荡电路(zhn dn din l)仍然由LC并联谐振(xizhn)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(xingwi)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。第42页/共72页第四十三页，共72页。2.电感(din n)三点式振荡电路第43页/共72页第四十四页，共72页。3.电容(dinrng)三点式振荡电路第44页/共72页第四十五页，共72页。例：图为一个(y)三点式振荡电路,试判断是否满足相位平衡条件。第45页/共72页第四十六页，共72页。石英(shyng)晶体振荡电路Q
16、值越高，选频特性越好，频率(pnl)越稳定。1.频率(pnl)稳定问题频率稳定度一般由 来衡量频率偏移量。振荡频率。LC振荡电路 Q 数百石英晶体振荡电路 Q 10 000 500 000第46页/共72页第四十七页，共72页。2.石英(shyng)晶体的基本特性与等效电路结构(jigu)极板(j bn)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 压电谐振第47页/共72页第四十八页，共72页。等 效 电路A.串 联(chunlin)谐振特 性(txng)晶体等效(dn xio
17、)阻抗为纯阻性B.并联谐振通常所以（a）代表符号（b）电路模型（c）电抗-频率响应特性 第48页/共72页第四十九页，共72页。2.石英晶体(jngt)的基本特性与等效电路实际(shj)使用时外接一小电容Cs则新的谐振(xizhn)频率为由于由此看出调整第49页/共72页第五十页，共72页。end3.石英晶体(jngt)振荡电路(a)串联型 f0=fs（b）并联型 fs f0 fp 第50页/共72页第五十一页，共72页。9.8 非正弦信号(xnho)产生电路方波产生(chnshng)电路锯齿波产生(chnshng)电路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第51页/共72页第五十
18、二页，共72页。电压(diny)比较器 比较器是将一个模拟电压信号(xnho)与一个基准电压相比较的电路。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器，具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。比较(bjio)器的基本特点:工作在开环或正反馈状态。开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。运算放大器工作在饱和区，即非线性区，输出和输入不成线性关系。第52页/共72页第五十三页，共72页。，由于|vO|不可能(knng)超过VM，特点(tdin)：1.单门限(mnxin)电压比较器（1）过零比较器开环，虚短不成立增益A 0大于10 5（
19、忽略了放大器输出级的饱和压降）所以当|+V CC|=|-V CC|=V M=15V，A 0=10 5 时，可以认为v I 0 时，v Omax=+V CCv I 0 时，v Omax=-V CC（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下-V CC v O+V CC|v I|第53页/共72页第五十四页，共72页。输 入 为 正 负 对 称(duchn)的正弦波时，输出为方波。电压(diny)传输特性第54页/共72页第五十五页，共72页。（2）门限(mnxin)电压不为零的比较器电压(diny)传输特性（门限(mnxin)电压为VREF）第55页/共72页第五十六页，共72页。(a)VREF0
20、时(b)VREF2V时(c)VREF4V时 vI为峰值(fn zh)6V的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。第56页/共72页第五十七页，共72页。解：例图示为另一种形式的单门限电压比较(bjio)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(lyng)叠加定理可得理想情况下，输出电压(diny)发生跳变时对应的vPvN0，即门限电压第57页/共72页第五十八页，共72页。单门限(mnxin)比较器的抗干扰能力差应为高电平错误电平第58页/共72页第五十九页，共72页。2.迟滞(chzh)比较器（1）电 路(dinl)组成（
21、2）门 限(mnxin)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页第六十页，共72页。（3）传输(chun sh)特性第60页/共72页第六十一页，共72页。解：（1）门 限(mnxin)电压例电路(dinl)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页第六十二页，共72页。（3）输出(shch)电压波形（2）传输(chun sh)特性第62页/共72页第六十三页，共72页。通过(tnggu)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(gngzu)在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平
22、 VOH和低电平VOL两种情况。（2）一般用电压(diny)传输特性来描述输出电压(diny)与输入电压(diny)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页第六十四页，共72页。3.集成(j chn)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，灵敏度往往不如(br)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(gibin)
23、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页第六十五页，共72页。方波产生(chnshng)电路1.电路(dinl)组成（多谐振荡电路(dinl)）稳压管双向限幅 在迟滞比较器的基础上，增加了一个(y)由Rf、C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。第65页/共72页第六十六页，共72页。2.工 作(gngzu)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(shch)便进入饱和状态。假设(jish)为正向饱和状态第66页/共72页第六十七页，共72页。当U0=+UZ时，U+
24、为正值，这时UC U+，U0通过Rf对电容C充电，UC按指数曲线上升。当 UC增长到U+时，U0即由+UZ翻转UZ。电容C又通过Rf放电(fng din)，当UC放到U+时，U0即由UZ又翻转+UZ。以后按上述过程周而复始，形成振荡，输出为方波。振荡周期由RC充、放电(fng din)快慢决定。运放同相端电压第67页/共72页第六十八页，共72页。3.占 空 比 可 变 的 方 波 产 生(chnshng)电路第68页/共72页第六十九页，共72页。锯齿(jch)波产生电路同相输入迟滞(chzh)比较器积分电路充放电时间常数(sh jin chn sh)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（A1）起开关作用；积分运算电路(A2)起延时作用。第69页/共72页第七十页，共72页。当U01为+UZ时，二极管D导通，积分(jfn)常数T2=（R6R5）C；当U01为UZ时，二极管D截止，积分(jfn)常数T1=R6C，T2T1。正、负向积分(jfn)的速率相差很大，从而形成锯齿波电压。第70页/共72页第七十一页，共72页。作业(zuy)n n 第71页/共72页第七十二页，共72页。