西安交通大學 趙進全 模擬電子技術基礎 第七章

1、上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎7.1 電子系統(tǒng)概述電子系統(tǒng)概述7 信號檢測與處理電路信號檢測與處理電路傳感器傳感器放大器放大器濾波器濾波器增益調整增益調整采樣保持采樣保持A/D 轉換器轉換器計算機系統(tǒng)總線計算機系統(tǒng)總線控制電路控制電路信號檢測系統(tǒng)基本框圖信號檢測系統(tǒng)基本框圖上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎傳感器傳感器放大器放大器濾波器濾波器增益調整增益調整采樣保持采樣保持A/D 轉換器轉換器計算機系統(tǒng)總線計算機系統(tǒng)總線控制電路控制電路提取測量信號提取測量信號放大測量信號放大測量信號抑制干擾信號抑制干擾信號去除無去除無用信號用信號信號加工信號加工

2、處理系統(tǒng)處理系統(tǒng)上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎7.2.1 測量放大器測量放大器常用于熱電偶、應變電橋、流量計、生物電測量以及常用于熱電偶、應變電橋、流量計、生物電測量以及其它具有較大共模干擾的直流緩變微弱信號的檢測。其它具有較大共模干擾的直流緩變微弱信號的檢測。7.2 信號檢測系統(tǒng)中的放大電路信號檢測系統(tǒng)中的放大電路b. 共模抑制比高共模抑制比高a. 輸入抗阻高輸入抗阻高主要特點主要特點上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎1. 三運放測量放大器三運放測量放大器b. 電阻電阻R3、R4、R5、R6要精密配合（要精密配合（ R3= R5、 R4 =R6

3、）。）。a. 運放運放A1、A2的特性一致性。的特性一致性。對電路要求對電路要求(1) 原理圖原理圖A1A2A3+_b1b2+_iIduIcuOuGR2RSR3R4RO2u5R6R1RO1u+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎Gb2b1Ruui IcId1buuu Icb2uu 由圖可知由圖可知(2) 電路分析電路分析A1A2A3+_b1b2+_iIduIcuOuGR2RSR3R4RO2u5R6R1RO1u+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IdGG21uRRRR O2O1uu )(G21RRRi 1O342O65634O)1(uRRuRRRRRu

4、A1A2A3+_b1b2+_iIduIcuOuGR2RSR3R4RO2u5R6R1RO1u+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎放大器具有很高的抑制共模信號的能力放大器具有很高的抑制共模信號的能力RRRRR 6543令令)(2OO1uu IdG21)1(uRRR 1O342O65634O)1(uRRuRRRRRu 輸出輸出uO與共模信號與共模信號uIc無關無關上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎2. 單片集成測量放大器單片集成測量放大器AD521工作原理與三運放測量放大器類似工作原理與三運放測量放大器類似性能指標性能指標(2) 輸入阻抗輸入阻抗3 109

5、 。(3) 增益帶寬大于增益帶寬大于2 MHz。(4) 電壓放大倍數電壓放大倍數0.110,000。(5) 電源電壓電源電壓 (518) V。(6) 過載能力較強，動態(tài)特性好。過載能力較強，動態(tài)特性好。( (1) ) 共模抑制比共模抑制比120 dB。上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎(1) 引腳說明引腳說明1234567891011131214OUTOFF SETVINRG+INSENSEREFRSCOMPOFF SETRSV+RG上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎(2) 基本連接方式圖基本連接方式圖SR123456781011121314AD52

6、1IduOuk100k10 V VGR+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎7.2.2 隔離放大器隔離放大器特點特點信號傳遞的主要方式信號傳遞的主要方式1. 電磁耦合電磁耦合2. 光電耦合光電耦合輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎二極管二極管 二極管型二極管型二極管二極管 三極管型三極管型1. 光電耦合隔離放大器光電耦合隔離放大器光敏二極管光敏二極管IoIiIiIo發(fā)發(fā)光光二二極極管管發(fā)光二極管發(fā)光二極管光光敏敏三三極極管管上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎b. 采用

7、負反饋技術。采用負反饋技術。光電耦合器的特點光電耦合器的特點a. .耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非線性器件耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非線性器件b. .非線性器件傳輸模擬信號將會導致信號失真非線性器件傳輸模擬信號將會導致信號失真克服非線性失真通常采取的措施克服非線性失真通常采取的措施a. 給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內線性傳輸信息。線性傳輸信息。上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎一種典型的光電耦合隔離放大器一種典型的光電耦合隔離放大器Iu CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2G

8、ND1T2T14.3k1k3.9k561500pFOu3R4R1R4.3k上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎Iu CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k561500pFOu3R4R1R4.3k電壓并聯負反饋電壓并聯負反饋上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎Iu CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k561500pFOu3R4R1R4.3k電壓串聯負反饋電壓串聯負反饋電壓并聯負反饋電壓并聯負反饋上頁上頁下

9、頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎Iu CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k561500pFOu3R4R1R4.3k串聯負反饋的判斷串聯負反饋的判斷電壓串聯負反饋電壓串聯負反饋電壓并聯負反饋電壓并聯負反饋上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎工作原理工作原理O1、O2特性相同特性相同R1=R4+RWR1=R4+RWIu CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k561500pFOu3R4R1R4.3k上頁上頁下頁下頁

10、返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎uCE2uCE1= uCE2uCE1O1、O2特性相同特性相同R1=R4+RWR1=R4+RWIu CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k561500pFOu3R4R1R4.3k上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎uO= uCE1uI= uCE2uO = uIuCE2uCE1= uCE2uCE1Iu CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k561500pFOu3R4R1R4.3k上頁上頁

11、下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎實現信號隔離實現信號隔離實現信號傳輸實現信號傳輸兩地獨立兩地獨立兩地獨立兩地獨立輸入、輸出級之輸入、輸出級之間是電氣絕緣的間是電氣絕緣的uO = uIIu CA1O1A2+15V+5V15V15V+15V+5V RW R2O2GND2GND1T2T14.3k1k3.9k561500pFOu3R4R1R4.3k上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎放大器原理圖放大器原理圖2. 變壓器隔離放大器變壓器隔離放大器+- -1A調制器調制器隔隔 離離電電 源源解調器解調器振蕩器振蕩器+- -2A輸入屏蔽輸入屏蔽輸出屏蔽輸出屏蔽uOuI k

12、100CCV 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎+- -1A調制器調制器隔隔 離離電電 源源解調器解調器振蕩器振蕩器+- -2A輸入屏蔽輸入屏蔽輸出屏蔽輸出屏蔽uOuI k100CCV 調調 制制給輸入側提供能量給輸入側提供能量兩側電源獨立兩側電源獨立解解 制制輸入、輸出側輸入、輸出側間電氣絕緣間電氣絕緣上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎變壓器隔離放大器變壓器隔離放大器AD277原理圖和引腳原理圖和引腳 1A調制器調制器隔隔 離離電電 源源解調器解調器振蕩器振蕩器 2A輸入屏蔽輸入屏蔽輸出屏蔽輸出屏蔽 k100 k100 M1161511141012

13、13(+VCC)126873495(+15V)(-15V)(VEE)上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎7.3.1 濾波器的基礎知識濾波器的基礎知識功能功能: : 允許信號中某一部分頻率的分量通過。允許信號中某一部分頻率的分量通過。通帶通帶: : 能夠通過信號的頻率范圍。能夠通過信號的頻率范圍。阻帶阻帶: : 不能夠通過信號的頻率范圍。不能夠通過信號的頻率范圍。截止頻率截止頻率: : 通帶和阻帶之間的分界頻率。通帶和阻帶之間的分界頻率。 7.3 有源濾波器有源濾波器上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎濾波器的分類濾波器的分類a. 根據處理的信號不同分為根

14、據處理的信號不同分為 b. 根據使用的濾波元件不同分為根據使用的濾波元件不同分為數字濾波器數字濾波器模擬濾波器模擬濾波器RC型型LC型型RLC型型上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎c. 根據工作頻率不同分為根據工作頻率不同分為低通濾波器低通濾波器高通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器帶阻濾波器全通濾波器全通濾波器上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎fA02f1f0A理想濾波器的幅頻特性理想濾波器的幅頻特性低低通通fA0cf0A通通帶帶高高通通帶帶阻阻帶帶通通通通帶帶通通帶帶通通帶帶通通帶帶Af01f2f0AfA0cf0A上頁上頁下頁下頁返回

15、返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎0fAcf0A0.7070A實際低通濾波器的幅頻特性實際低通濾波器的幅頻特性實際特性實際特性理想理想特性特性阻帶阻帶過渡帶過渡帶通帶通帶上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎d. 根據濾波器的階數分根據濾波器的階數分 一階濾波器一階濾波器二階濾波器二階濾波器高階濾波器高階濾波器e. 根據采用的元器件不同分根據采用的元器件不同分無源濾波器無源濾波器有源濾波器有源濾波器濾器的階數越高，性能越好。濾器的階數越高，性能越好。上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎組成組成: : 由電阻、電容、電感等無源器件組成。由電阻、電容、電感等

16、無源器件組成。體積和重量比較大，電感還會引起電磁干擾。體積和重量比較大，電感還會引起電磁干擾。(a) 無源濾波器無源濾波器電路簡單電路簡單高頻性能好高頻性能好工作可靠工作可靠優(yōu)點優(yōu)點通帶信號有能量損耗通帶信號有能量損耗負載效應比較明顯負載效應比較明顯缺點缺點CRRL無源高通濾波器無源高通濾波器上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎(b) 有源濾波器有源濾波器電路體積小、重量輕。電路體積小、重量輕。通帶內的信號可以放大。通帶內的信號可以放大。精度高、性能穩(wěn)定、易于調試。精度高、性能穩(wěn)定、易于調試。負載效應小。負載效應小。組成：由電阻、電容和有源器件（如集成運放）組成。組成：由電

17、阻、電容和有源器件（如集成運放）組成。優(yōu)點優(yōu)點可以多級相連，用低階來構成高階濾波器?？梢远嗉壪噙B，用低階來構成高階濾波器。上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎通帶范圍小。通帶范圍小。需要直流電源。需要直流電源。適用于低頻、低壓、小功率等場合。適用于低頻、低壓、小功率等場合。缺點缺點上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎1. 一階低通有源濾波器一階低通有源濾波器7.3.2 低通有源濾波器低通有源濾波器(1) 電路組成電路組成 (2) 電路分析電路分析 a. 電路的傳遞函數電路的傳遞函數)()()(iosUsUsA +_+IuOu1R2RCA+上頁上頁下頁下頁

18、返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎)()(12sZsZ CsRRsCRsZ222211/)( 式中式中11)(RsZ 21211)(sCRRRsA )()()(iosUsUsA Z1(s)Z2(s)故故+_+IuOu1R2RCA+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎)(12cCR 120RRA 令令21211)(sCRRRsA 0A濾波器的通帶增益濾波器的通帶增益 cc0)( sAsA+_+IuOu1R2RCA+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎cc0)( sAsAcc0j)j ( AAc0j11 Ab. 濾波器的頻率特性濾波器的頻率特性c0j1

19、1ffA 令令 s=j ，得，得濾波器的頻率特性濾波器的頻率特性上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎c0j11)j(ffAA CRf2cc212 式中式中即即因電路的頻率特性與因電路的頻率特性與f 的一次的一次方有關方有關故稱之為一階故稱之為一階RC有源濾波器有源濾波器上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 2c0)(1jffAA c. 濾波器的幅頻特性濾波器的幅頻特性c0j11)j (ffAA 由由得得d. 相頻特性相頻特性 carctan180jff 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 2c0)(1jffAA carctan180

20、jff 討論幅頻和相頻特性討論幅頻和相頻特性(a) ,j, 00AAf 180j (b) ,0j, Af 270j (c) ,2/j,0cAAff 225j c、fc分別稱為濾波器的截止角頻率、截止頻率。分別稱為濾波器的截止角頻率、截止頻率。濾波器具有低通的特性。濾波器具有低通的特性。上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎3dBcf0lg20A020lg|A(j )|/dBflg幅頻特性曲線幅頻特性曲線20dB/ /十倍頻十倍頻 2c0)(1jffAA 幅頻特性曲線幅頻特性曲線由由上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎(3) 一階濾波器特點一階濾波器特點 a

21、. 電路簡單。電路簡單。 b. 過渡帶的衰減慢，衰減速率過渡帶的衰減慢，衰減速率20dB /十倍頻。十倍頻。上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎2. 二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器(1) 電路組成電路組成(2) 電路分析電路分析a. 電路的傳遞函數電路的傳遞函數無限增益多路反饋型二無限增益多路反饋型二階有源低通濾波器階有源低通濾波器12+_+_.IuOu1R2R1C2C3R_+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎對節(jié)點對節(jié)點1、2列節(jié)點電壓方程列節(jié)點電壓方程21312o111i1)()()()()()(sCsURsURsUsURsUsU 1o311

22、)()(sCsURsU 節(jié)點節(jié)點1節(jié)點節(jié)點212+_+_.IuOu1R2R1C2C3R_+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎1223n1CCRR 由上兩式得由上兩式得)()()(iosUsUsA 2nn22n12 QssRR其中其中)(12321312321CRRRRRRRRCRQ 1223212323112)1(11CCRRsRRRRRsCRR 電路的品質因數電路的品質因數濾波器的特征角頻率濾波器的特征角頻率上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎2nn22n12)( QssRRsAQRRAn22n2n12j)()j ( QAn2n20j)1(1 式中式

23、中120RRA 為濾波器的通帶增益為濾波器的通帶增益b. 濾波器的頻率特性濾波器的頻率特性令令 s=j ，得，得濾波器的頻率特性濾波器的頻率特性上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎c. 濾波器的幅頻特性濾波器的幅頻特性)()1()j (22n222n20QAA 2n2no1)(arctan180)j ( Q由由QAAn2n20j)1(1)j ( 得得d. 濾波器的相頻特性濾波器的相頻特性上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎e. 幅頻特性分析幅頻特性分析0)j (AA 0)j ( A當當 n n時，時，電路具有低通濾波器特性電路具有低通濾波器特性上頁上頁下

24、頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎0n)j (AQA 當當 = = n n時時由式由式)()1()j (22n222n20QAA 知知或或0n)j (AAQ 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎幅頻特性曲線幅頻特性曲線10310/n Q=105210.7070.50(j )20lg|/dBAA 40上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎這種濾波器稱為切比雪夫（這種濾波器稱為切比雪夫（Chebyshev）型濾波器）型濾波器a. 特性有峰值。特性有峰值。 /n 10 310Q=105210.7070.5400(j )20lg|/dBAA 2/1 Q

25、當當時時b. Q值越大，尖峰值越大，尖峰越高。越高。c. 當當 時，電路時，電路 Q將產生自激振蕩。將產生自激振蕩。d. 過渡帶衰減過渡帶衰減速度較快。速度較快。 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎c. Q值越小，幅頻特性下降得越早。值越小，幅頻特性下降得越早。a. 特性無峰值。特性無峰值。b. 通帶有衰減。通帶有衰減。2/1 Q當當時時10 310Q=105210.7070.5400(j )20lg|/dBAA 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎c. 幅頻特性最平坦幅頻特性最平坦a. 無峰值無峰值這種濾波器稱為最大平坦或巴特沃斯（這種濾波器稱為最大

26、平坦或巴特沃斯（Butterworth）型濾波器。型濾波器。2/1 Q當當時時10 310Q=105210.7070.5400(j )20lg|/dBAA b. 在在 n n的頻域的頻域下降量最小下降量最小上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎巴特沃斯（巴特沃斯（Butterworth）型濾波器的幅頻特性）型濾波器的幅頻特性4n12)(1)j ( RRA2)j (12RRA n 當當此時的特征角頻率此時的特征角頻率 n n才是截止角頻率才是截止角頻率 c c。10 310400(j )20lg|/dBAA n/ 40dB/ /十倍頻十倍頻上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基

27、礎模擬電子技術基礎1一階高通有源濾波器一階高通有源濾波器 7.3.3 高通有源濾波器高通有源濾波器(1) 低通與高通電路的對偶關系低通與高通電路的對偶關系C換成換成RR換成換成CiURC OUOUiURC 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎b. 電路分析電路分析)()()(iosUsUsA )()(12sZsZ sCRsZ1)(11 22)(RsZ (2) 一階高通濾波器一階高通濾波器a. 電路組成電路組成(a) 傳遞函數傳遞函數Z1(s)Z2(s)2ROu+_+Iu1RC+_上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎)(11cCR 120RRA 式中式中1

28、121)(sCRRRsA 112111sCRRR c0 ssA1121CRssRR 通帶增益通帶增益截止角頻率截止角頻率2ROu+_+Iu1RC+_上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎濾波器的頻率特性濾波器的頻率特性 js 令令c0jj)j ( AA c0j11 AffAc0j11 (b) 頻率特性頻率特性c0)( ssAsA由由得得CRf1cc212 濾波器的截止頻率濾波器的截止頻率上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 2c0)(1jffAA (c) 濾波器的幅頻特性濾波器的幅頻特性由由得得ffAAc0j11)j ( 幅頻特性曲線幅頻特性曲線oflgd

29、B/)j (lg20 A0lg20AdB3cf十倍頻十倍頻dB/20上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 2二階高通有源濾波器二階高通有源濾波器 ( (1) ) 電路組成電路組成( (2) ) 電路分析電路分析壓控電壓源型電路二壓控電壓源型電路二階高通有源濾波器階高通有源濾波器 +_ +_IuOu1R2RaR1CbR2C+_A上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎等效方框內的電路等效方框內的電路等效電路等效電路ab01RRA A03 2 + + Ou1RIu2R1C2C +_ +_IuOu1R2RaR1CbR2C+_A上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基

30、礎模擬電子技術基礎對節(jié)點對節(jié)點3、2列節(jié)點列節(jié)點電壓方程電壓方程 節(jié)點節(jié)點3節(jié)點節(jié)點201)()()()(1)()(230o13o13i /sCsU/AsURsUsU/sCsUsU20o20o3/ )(/1/ )()(RAsUCsAsUsU a. 傳遞函數傳遞函數 A03 2 + + Ou1RIu2R1C2C上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎2nn220io)()()( sQssAsUsUsA由以上兩式電路的傳遞函數為由以上兩式電路的傳遞函數為 其中其中)1(02212112121ARCRCRCCCRRQ 品質因數品質因數ab01RRA 通帶增益通帶增益2121n1CCR

31、R 特征角頻率特征角頻率上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎b. 頻率特性頻率特性 QAA/j)j (n22n20 sj 令令2nn220)( sQssAsA由由得得c. 幅頻特性幅頻特性)/()/(n222n201)j (QAA 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎幅頻特性曲線幅頻特性曲線103/n Q=105210.7070.50(j )20lg|/dBAA 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎7.3.4 帶通和帶阻有源濾波器帶通和帶阻有源濾波器1 二階帶通有源濾波器二階帶通有源濾波器(1) 電路組成電路組成(2) 電路分析電路分

32、析 32 + _+AIuOu1R2R1C2CaRbR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎等效方框內的電路等效方框內的電路等效電路等效電路ab01RRA 32 + _+AIuOu1R2R1C2CaRbR3R 32 _+A0IuOu1R2R1C2C3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎對節(jié)點對節(jié)點3、2列節(jié)點電壓方程列節(jié)點電壓方程 節(jié)點節(jié)點323130o23o13i/1)(/1)(/ )()()()()(sCsUsCsUAsURsUsURsUsU 節(jié)點節(jié)點230o10o3/ )(/1/ )()(RAsUsCAsUsU 32 _+A0IuOu1R2R1C

33、2C3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎中心頻率中心頻率2132121oCCRRRRR 通帶增益通帶增益ab01RRA 220112321o/ )1(/1/1/1CRACRCRCRQ 品質因數品質因數2oo2210/ QssCRsA)()()(iosUsUsA a. 電路的傳遞函數電路的傳遞函數上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎得濾波器的頻率特性得濾波器的頻率特性c. 頻幅特性頻幅特性 b. 頻率特性頻率特性2oo2210/)( QssCRsAsA將將s=j 代入式代入式QCRAA/j/j)j (o2o2210 22oo210)/1()()/()j

34、 (QCRAA 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎0)j ( A0)j ( A幅頻特性分析幅頻特性分析當當 時，時，0 (a)當當 時，時， (b)/()j (o210 CRQAA 當當 時，時，o (c)電路具有帶通特性電路具有帶通特性稱為中心角頻率稱為中心角頻率o 22oo210)/1()()/()j (QCRAA 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎知知 在截止頻率上滿足在截止頻率上滿足2)/()j (o210 CRAA 22oo1)(Q 即即o2H)2/14/11( QQ o2L)2/14/11( QQ 求解上式得求解上式得d. 通頻帶通頻帶由

35、由22oo210)/1()()/()j (QCRAA 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎Q/oLHbw 故故 濾波器的通頻帶寬濾波器的通頻帶寬Q值越大，通頻帶越窄，值越大，通頻帶越窄，濾波器濾波器的的選擇性越強。選擇性越強。上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎Q=105210.502040/ o o 10.1dBAjA/ |)(|lg200 帶通濾波器帶通濾波器的幅頻特性的幅頻特性上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎2二階帶阻有源濾波器二階帶阻有源濾波器 (1) 電路組成電路組成C2CR32RCR/24+_+_+_IuOuaRbR雙

36、雙T選頻網絡選頻網絡上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎列節(jié)點電壓方程列節(jié)點電壓方程0/1)(/ )(2/)()(/1)()(20o2o2i sCsUAsURsUsUsCsUsU節(jié)點節(jié)點2(2) 電路分析電路分析a. 傳遞函數傳遞函數節(jié)點節(jié)點302/1)()(/ )()()(330o3i sCsURsUAsURsUsUC2CR32RCR/24+_+_+_OuIuaRbR上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎節(jié)點節(jié)點40/ )()(/1/ )()(0o30o2 RAsUsUsCAsUsU式中式中 ab0/1RRA C2CR32RCR/24+_+_+_OuIu

37、aRbR上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎)()2(21)(1)()()(2020iosCRRCsAsCRAsUsUsA 2oo22o20/ QssA)/(1oRC )2(2/10AQ 其中：其中：ab01RRA 故故 傳遞函數傳遞函數上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎得濾波器的頻率特性得濾波器的頻率特性將將s=j 代入式代入式b. 頻率特性頻率特性2oo22o20/)( QssAsAQCRAA/j/j)j (o22o210 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎0o2222o22o)/()()j (AQA c. 濾波器的幅頻特性濾

38、波器的幅頻特性幅頻特性分析幅頻特性分析0)j (AA 0)j (AA 當當 時，時，0 (a)當當 時，時， (b)0)j ( A當當 時，時，o (c)電路具有帶阻特性電路具有帶阻特性為中心角頻率為中心角頻率o 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎解之得截止角頻率解之得截止角頻率 上限上限)141(22oH QQ d. 濾波器的阻帶濾波器的阻帶)141(22oL QQ 下限下限令令 21)(2o222o22o Q 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎Q/oLHbw 故故 濾波器的阻帶寬為濾波器的阻帶寬為上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技

39、術基礎帶通濾波器帶通濾波器幅頻特性幅頻特性11000.1-50Q小小dB)j (lg200AA 0ffQ大大上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎功能功能 用來比較輸入電壓相對大小用來比較輸入電壓相對大小輸出端的信號狀態(tài)輸出端的信號狀態(tài) 高電平和低電平高電平和低電平7.4 電壓比較器電壓比較器輸入電壓輸入電壓比較電壓（基準電壓或參考電平）比較電壓（基準電壓或參考電平）輸入端的信號輸入端的信號工作原理工作原理 輸入電壓偏離參考電壓時，輸出電壓將輸入電壓偏離參考電壓時，輸出電壓將發(fā)生從高到低（或從低到高）的躍變（稱之為比較器發(fā)生從高到低（或從低到高）的躍變（稱之為比較器翻轉）。翻

40、轉）。上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎7.4.1 單門限電壓比較器單門限電壓比較器1. 零電平比較器零電平比較器 (2) 電路特點電路特點Ib1uu 0b2 ub.，a. 運放工作于開環(huán)狀態(tài)運放工作于開環(huán)狀態(tài)c. 輸出電壓輸出電壓uO VCC(1) 電路組成電路組成Rb2b1+_+_+IuOuCCV CCV 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎0I ua. 當當 時，時，CCOVu b. 當當 時，時，0I uCCOVu (3) 工作原理工作原理(4) 傳輸特性傳輸特性)(IOufu CCV CCV OIuOu 與零電平（電位）進行比與零電平（電位）

41、進行比較，故稱為零電平比較器。較，故稱為零電平比較器。 IuRb2b1+_+_+IuOuCCV CCV 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎CCV CCV OIuOu理想特性理想特性實際特性實際特性WU不靈敏區(qū)不靈敏區(qū)上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎(5) 電路存在的問題電路存在的問題a. 輸出電壓基本由電源電壓確定。輸出電壓基本由電源電壓確定。b. 輸出電平易受電源波動、飽和深度的影響。輸出電平易受電源波動、飽和深度的影響。c. 輸出電平不易改變。輸出電平不易改變。Rb2b1+_+_+IuOuCCV CCV 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎

42、模擬電子技術基礎改進型的零電平比較器改進型的零電平比較器限流電阻限流電阻 雙向限幅穩(wěn)壓管雙向限幅穩(wěn)壓管輸出電壓輸出電壓 ZOUu 輸入保護電路輸入保護電路RDZ+_+_+_D1D2IuOuCCV CCV oR傳輸特性傳輸特性OIuOuZU ZU 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎2非零電平比較器非零電平比較器 電路簡單電路簡單靈敏度高靈敏度高抗干擾能力差抗干擾能力差單門限電壓比較器的特點單門限電壓比較器的特點OIuOuZU ZURU傳輸特性傳輸特性RDZ+_+_+_IuOuCCV CCV oRUR上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎tOOuOtIu干擾

43、干擾干擾干擾比較電壓比較電壓UR輸入電壓輸入電壓輸出電壓輸出電壓誤動作誤動作誤動作誤動作單門限比較器抗干擾性能差的波形圖單門限比較器抗干擾性能差的波形圖上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎7.4.2 多門限電壓比較器多門限電壓比較器1遲滯比較器遲滯比較器1) 反相輸入遲滯比較器反相輸入遲滯比較器Dz+_+_IuOuRU1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎給電路提供雙極性參考電平給電路提供雙極性參考電平加速輸出翻轉過程加速輸出翻轉過程引入正反饋引入正反饋正反饋的作用正反饋的作用Dz+_+_IuOuRU1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回

44、模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎)(322RRRK ZRKUU 反饋電壓反饋電壓ZOUu 輸出電壓輸出電壓a. 工作原理工作原理Dz+_+_IuOuRU1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IuOuZUZU ZKUZKU uOuI傳輸特性傳輸特性O如果如果 uI URZOUu ZRKUU 當當uO=UZ時時(a)傳輸特性傳輸特性Dz+_+_IuOuRU1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IuOuZUZU ZKUZKU uOuI傳輸特性傳輸特性OZRKUU 此時此時ZOUu (b) 當當uIUR=KUZ時，時，只要只要 uIU

45、RZOUu 傳輸特性傳輸特性Dz+_+_IuOuRU1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IuOuZUZU ZKUZKU uOuI傳輸特性傳輸特性OZRKUU (c) 當當uO= UZ時時如果如果 uI URZOUu Dz+_+_IuOuRU1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IuOuZUZU ZKUZKU uOuI傳輸特性傳輸特性OZOUu ZRKUU 此時此時(d) 當當uIUR = KUZ時時, ,ZOUu 只要只要 uI KUZ傳輸特性傳輸特性當當ZOUu 時時(a)Dz+_b1b2IuOu1R2RoR3R0b2 u

46、即即上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IuOuZUZU ZKUZKU O只要只要ZIKUu ZOUu Uo= UZuIKUZ傳輸特性傳輸特性當當ZOUu 時時(b)Dz+_b1b2IuOu1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IuOuZUZU ZKUZKU O輸出維持原狀態(tài)輸出維持原狀態(tài)Uo= UZ|uI|KUZ傳輸特性傳輸特性ZIZKUuKU 當當 時時 (c)Dz+_b1b2IuOu1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IuOuZUZU ZKUZKU O輸出維持原狀態(tài)輸出維持原狀態(tài)Uo=UZ|uI|K

47、UZ傳輸特性傳輸特性ZIZKUuKU 當當時時Dz+_b1b2IuOu1R2RoR3R上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎IuOuZUZU ZKUZKU O同相同相輸入輸入遲滯遲滯比較比較器傳器傳輸特輸特性性具有逆時針具有逆時針旋轉的特性旋轉的特性上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎c. 特性平移的遲滯比較器特性平移的遲滯比較器圖中圖中O322I3232buRRRuRRRu ZOUu R1bUu Dz+_b1b2IuOu1R2RoR3RRU上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎即即RZ322I323)(UURRRuRRR 1b2buu

48、令令得電路的翻轉電平為得電路的翻轉電平為)()(322Z323RLRRRURRRUU Dz+_b1b2IuOu1R2RoR3RRU)()(322Z323RHRRRURRRUU 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎遲滯回環(huán)沿著遲滯回環(huán)沿著坐標橫軸平移坐標橫軸平移)(323MRRRRUU 傳輸特性傳輸特性OZU ZU LU MU HUOuIu上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎2. 窗口比較器窗口比較器(1) 電路電路A1D1D2A2LU HUIuCRBR+ + +CCV CCV T Ou上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎D1導通導通

49、D2截止截止A1輸出高電平輸出高電平 A2輸出低電平輸出低電平HIUu 當當時時(a)輸出電壓輸出電壓CCOVu 2. 工作原理工作原理0LH UU（設（設）晶體管晶體管T飽和導通飽和導通A1D1D2A2LU HUIuCRBR+ + +CCV CCV T Ou上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎A2輸出高電平輸出高電平LIUu 當當時時(b)輸出電壓輸出電壓CCOVu A1輸出低電平輸出低電平D1截止截止 D2導通導通晶體管晶體管T飽和導通飽和導通A1D1D2A2LU HUIuCRBR+ + +CCV CCV T Ou上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎

50、晶體管晶體管T截止截止A2輸出低電平輸出低電平HILUuU 當當時時(c)輸出電壓輸出電壓CCOVu A1輸出低電平輸出低電平D1截止截止 D2截止截止A1D1D2A2LU HUIuCRBR+ + +CCV CCV T Ou上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎工業(yè)控制系統(tǒng)，測量溫度、壓力、液面等的范圍。工業(yè)控制系統(tǒng)，測量溫度、壓力、液面等的范圍。窗口比較器的主要應用窗口比較器的主要應用OIuOuCCV LU HUCCV 傳輸特性傳輸特性上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎LM111系列的封裝形式和引腳排列系列的封裝形式和引腳排列7.4.3 集成電壓比較器

51、集成電壓比較器+_12345678OUTGNDININ+BALBAL/S+VCCVCC上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎LM111系列典型應用電路系列典型應用電路具有選通的接法具有選通的接法 RT123456785選通選通+5V+_3k COuIURUCCV WR1R2R基本應用電路基本應用電路234567815R k3OuRUIUCCV CCV WR+上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎電路電路2373K3KOuRUIUCCV 1R2RFR+ +LM111系列實現的施密特電路系列實現的施密特電路傳輸特性傳輸特性OIuOuLU HUOLUOHU上頁上頁

52、下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎例例1 在圖示電路中，設各運放都具有理想特性。試求：在圖示電路中，設各運放都具有理想特性。試求： (a) Au1=Uo3/Ui (b) 電路的中頻電壓放大倍數電路的中頻電壓放大倍數Aum=Uo/Ui ;練習題練習題A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330k 27k 110k 15mFRLR11C1uO3R810k 10k 3.33k +_+_+10k 1010k 33k pF47003.33k 3.33k ;上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎(c) 整個電路的上、下限截止頻率整個電路的上

53、、下限截止頻率fH和和fL之值。之值。 解解 由圖可知，運放由圖可知，運放A1A3構成三運放測量放大器，構成三運放測量放大器，運放運放A4構成一階低通濾波器，電容器構成一階低通濾波器，電容器C2 和負載和負載RL構構成高通濾波器。成高通濾波器。 A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330k 27k 110k 15mFRLR11C1uO3R810k 10k 3.33k +_+_+10k 1010k 33k pF47003.33k 3.33k 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 (a) 寫出寫出uO2與與ui的關系的關系 1O342O757

54、46O3)1(uRRuRRRRRu )(2OO1uu I3321uRRRR I3u A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330k 27k 110k 15mFRLR11C1uO3R810k 10k 3.33k +_+_+10k 1010k 33k pF47003.33k 3.33k 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎(b) 電路的中頻電壓放大倍數電路的中頻電壓放大倍數 所以，所以，Au1=Uo3/Ui=330)33330(3 iomUUAu o3oio3UUUU )(891RRAu A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1

55、uOA4R9C2330k 27k 110k 15mFRLR11C1uO3R810k 10k 3.33k +_+_+10k 1010k 33k pF47003.33k 3.33k 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎 (c) 整個電路的上、下限截止頻率分別為整個電路的上、下限截止頻率分別為Hz6 .1022119H CRfHz095. 0212LL CRfA1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330k 27k 110k 15mFRLR11C1uO3R810k 10k 3.33k +_+_+10k 1010k 33k pF47003.33k 3

56、.33k 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎例例2 在圖示電路中，已知穩(wěn)壓管在圖示電路中，已知穩(wěn)壓管DZ1 、DZ2的擊穿電的擊穿電壓分別為壓分別為UZ1=3.4 V, UZ2=7.4 V ,正向壓降皆為正向壓降皆為UD1= UD2=0.6 V ，運放，運放A具有理想的特性。畫出具有理想的特性。畫出uI由由 6 V變變至至+6 V，再由，再由+6 V變至變至 6 V時電路的電壓傳時電路的電壓傳輸特性曲線。輸特性曲線。A+_Ou1R4R3R5RIuZ1DZ2D2Rk9 . 3k30k10.7k44k212V 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎解解 (a

57、) 由圖可知電路的輸出電壓極限值由圖可知電路的輸出電壓極限值 V4V)6 . 04 . 3(D2Z1omax UUUV8V)4 . 76 . 0(Z2D1omin UUUA+_Ou1R4R3R5RIuZ1DZ2D2Rk9 . 3k30k10.7k44k212V 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎(b) 運運放反相輸入端電壓放反相輸入端電壓 12212R RRRU同相輸入端電壓同相輸入端電壓 O433I434uRRRuRRRu V2V)127 . 4247 . 4( 當輸入電壓當輸入電壓uI由由6V 向向+6V方向變化時，如果同相輸入方向變化時，如果同相輸入端的電壓端的電壓

58、u+ 低于低于UR，輸出電壓，輸出電壓uO為為Uomin ；A+_Ou1R4R3R5RIuZ1DZ2D2Rk9 . 3k30k10.7k44k212V 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎Romin433H434UURRRURRRu 由由得得當當同相輸入端的電壓同相輸入端的電壓u+略高于略高于UR時，比較時，比較器翻轉，輸出電壓器翻轉，輸出電壓uO為為Uomax 。UH=5.3 V 設此時的輸入電壓為設此時的輸入電壓為UHA+_Ou1R4R3R5RIuZ1DZ2D2Rk9 . 3k30k10.7k44k212V 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎當當u

59、I由由+6V向向 6V 方向變方向變化時，如果化時，如果u+ 高于高于UR，輸出電壓輸出電壓uO為為Uomax ；當當u+略低于略低于UR時，比較時，比較器再次翻轉，輸出電壓器再次翻轉，輸出電壓uO為為Uomin 。設此時的輸入電壓為設此時的輸入電壓為ULRomax433L434UURRRURRRu 由由得得V3 . 1L UA+_Ou1R4R3R5RIuZ1DZ2D2Rk9 . 3k30k10.7k44k212V 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎由此可畫出電路的傳輸特性由此可畫出電路的傳輸特性uOuIOUHULUominUomax傳輸特性傳輸特性A+_Ou1R4R3R

60、5RIuZ1DZ2D2Rk9 . 3k30k10.7k44k212V 上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎例例3 在圖示電路中，設運算放大器在圖示電路中，設運算放大器A具有理想的特性，具有理想的特性，其最大輸出電壓其最大輸出電壓)1(32ZRomaxRRUUU 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 的穩(wěn)定電壓為的穩(wěn)定電壓為 ,試畫出電路的電壓傳輸特試畫出電路的電壓傳輸特性曲線。性曲線。ZDZU A+_Ou1R3R2RIuZDRU上頁上頁下頁下頁返回返回模擬電子技術基礎模擬電子技術基礎解解 由圖可知，當穩(wěn)壓管由圖可知，當穩(wěn)壓管DZ擊穿后，由于其動態(tài)電擊穿后，由于其動態(tài)電阻很小，電路引入深度負阻很小，