模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第五版)：CH09 信號處理與信號產(chǎn)生電路

1、9 信號處理與信號產(chǎn)生電路9.1 濾波電路的基本概念與分類9.3 高階有源濾波電路*9.4 開關(guān)電容濾波器9.5 正弦波振蕩電路的振蕩條件9.2 一階有源濾波電路9.6 RC正弦波振蕩電路9.7 LC正弦波振蕩電路9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路9.1 濾波電路的基本概念與分類1. 基本概念濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時(shí)抑制或衰減無 用頻率信號的電子裝置。有源濾波器：由有源器件構(gòu)成的濾波器。濾波電路傳遞函數(shù)定義時(shí)，有其中 模，幅頻響應(yīng) 相位角，相頻響應(yīng)群時(shí)延響應(yīng)9.1 濾波電路的基本概念與分類2. 分類低通（LPF）高通（HPF）帶通（BPF）帶阻（BEF）全通（APF）end9.2 一階

2、有源濾波電路1. 低通濾波電路傳遞函數(shù)其中特征角頻率故，幅頻相應(yīng)為同相比例放大系數(shù)9.2 一階有源濾波電路2. 高通濾波電路 一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況相差較遠(yuǎn)。一般用在對濾波要求不高的場合。end 低通電路中的R和C交換位置便構(gòu)成高通濾波電路9.3 高階有源濾波電路9.3.2 有源高通濾波電路9.3.3 有源帶通濾波電路9.3.4 二階有源帶阻濾波電路9.3.1 有源低通濾波電路9.3.1 有源低通濾波電路1. 二階有源低通濾波電路2. 傳遞函數(shù)對于濾波電路，有得濾波電路傳遞函數(shù)（二階）（同相比例）2. 傳遞函數(shù)令稱為通帶增益稱為特征角頻率稱為等效品

3、質(zhì)因數(shù)則濾波電路才能穩(wěn)定工作。注意：2. 傳遞函數(shù)用 代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)：歸一化的幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)3. 幅頻響應(yīng)歸一化的幅頻響應(yīng)曲線4. n階巴特沃斯傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為式中n為階濾波電路階數(shù)，c為3dB載止角頻率，A0為通帶電壓增益。9.3.2 有源高通濾波電路1. 二階高通濾波電路 將低通電路中的電容和電阻對換，便成為高通電路。傳遞函數(shù)歸一化的幅頻響應(yīng)2. 巴特沃斯傳遞函數(shù)及其歸一化幅頻響應(yīng)歸一化幅頻響應(yīng)9.3.3 有源帶通濾波電路1. 電路組成原理可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿足低通截止角頻率高通截止角頻率2. 例9.3.29.3.3 有源帶通濾波電路3. 二階有源帶通濾波電路 令

4、傳遞函數(shù)得9.3.4 二階有源帶阻濾波電路可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足雙T選頻網(wǎng)絡(luò)9.3.4 二階有源帶阻濾波電路雙T帶阻濾波電路9.3.4 二階有源帶阻濾波電路阻濾波電路的幅頻特性 9.3.4 二階有源帶阻濾波電路end*9.4 開關(guān)電容濾波器不作要求end9.5 正弦波振蕩電路的振蕩條件正反饋放大電路框圖（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）1. 振蕩條件若環(huán)路增益則去掉仍有穩(wěn)定的輸出。又所以振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件起振條件2. 起振和穩(wěn)幅 # 振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動(dòng) 當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時(shí)，就要限制它繼續(xù)

5、增加，否則波形將出現(xiàn)失真。 噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的噪聲信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。 穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從 回到end放大電路（包括負(fù)反饋放大電路）3. 振蕩電路基本組成部分反饋網(wǎng)絡(luò)（構(gòu)成正反饋的）選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率。經(jīng)常與反饋 網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)9.6 RC正弦波振蕩電路1. 電路組成2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性3. 振蕩電路工作原理4. 穩(wěn)幅措施1. 電路組成反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)RC橋式振蕩電路反饋系數(shù)2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性幅頻響應(yīng)又且令則相頻響應(yīng)2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特

6、性當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值相頻響應(yīng)3. 振蕩電路工作原理此時(shí)若放大電路的電壓增益為 用瞬時(shí)極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件當(dāng)時(shí)，電路可以輸出頻率為 的正弦波RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于 1 MHz 的正弦波采用非線性元件4. 穩(wěn)幅措施熱敏元件熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅采用非線性元件4. 穩(wěn)幅措施場效應(yīng)管（JFET）穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅整流濾波T 壓控電阻可變電阻區(qū)，斜率隨vGS不同而變化end采用非線性元件二極管穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅起振時(shí)4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅環(huán)節(jié)9.7 LC正弦波振蕩電路9.7.2 變壓器反饋式LC振蕩電路9.7.3 三點(diǎn)式LC振蕩電路9.7.4 石英

7、晶體振蕩電路9.7.1 LC選頻放大電路9.7.1 LC選頻放大電路等效損耗電阻一般有則當(dāng) 時(shí)，電路諧振。為諧振頻率諧振時(shí)阻抗最大，且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)同時(shí)有即1. 并聯(lián)諧振回路9.7.1 LC選頻放大電路阻抗頻率響應(yīng)（a）幅頻響應(yīng) （b）相頻響應(yīng) 9.7.1 LC選頻放大電路2. 選頻放大電路9.7.2 變壓器反饋式LC振蕩電路 雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的Q值很高，選頻特性好，所以仍能選出0的正弦波信號。1. 電路結(jié)構(gòu)2. 相位平衡條件3. 幅值平衡條件4. 穩(wěn)幅5. 選頻 通過選擇高增益的場效應(yīng)管和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足使電路可以起振。 BJT進(jìn)入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)

8、失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。（定性分析）9.7.3 三點(diǎn)式LC振蕩電路仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A. 若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端 相位相反。1. 三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路 中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系B. 若首端或尾端交流接地，則其他兩 端相位相同。9.7.3 三點(diǎn)式LC振蕩電路2. 電感三點(diǎn)式振蕩電路9.7.3 三點(diǎn)式LC振蕩電路3. 電容三點(diǎn)式振蕩電路9.7.4 石英晶體振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。1. 頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由 來衡量頻率偏移量。振蕩頻率。LC振蕩電路 Q 數(shù)百石英晶體振蕩電路 Q 10000 5000009.

9、7.4 石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率 = 固有頻率時(shí)，振幅最大。壓電諧振等效電路A. 串聯(lián)諧振特性 晶體等效阻抗為純阻性B. 并聯(lián)諧振通常所以9.7.4 石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路（a）代表符號 （b）電路模型 （c）電抗-頻率響應(yīng)特性 9.7.4 石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路實(shí)際使用時(shí)外接一小電容Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整 9.3.4 二階有源帶阻濾波電路end3. 石英晶體

10、振蕩電路9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路9.8.2 方波產(chǎn)生電路9.8.3 鋸齒波產(chǎn)生電路9.8.1 電壓比較器單門限電壓比較器遲滯比較器集成電壓比較器9.8.1 電壓比較器，由于|vO |不可能超過VM ，特點(diǎn)：1. 單門限電壓比較器（1）過零比較器開環(huán)，虛短不成立增益A0大于105（忽略了放大器輸出級的飽和壓降）所以當(dāng) |+VCC | = |-VEE | =VM = 15V，A0=105 時(shí)，可以認(rèn)為vI 0 時(shí)， vOmax = +VCCvI 0 時(shí)， vOmax = -VEE（過零比較器）運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)下9.8.1 電壓比較器特點(diǎn)：1. 單門限電壓比較器（1）過零比較器開環(huán)，虛短

11、不成立增益A0大于105 輸入為正負(fù)對稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性9.8.1 電壓比較器1. 單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性（門限電壓為VREF）9.8.1 電壓比較器1. 單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器（門限電壓為VREF）(a) VREF0時(shí)(b) VREF2V時(shí) (c) VREF4V時(shí) vI為峰值6V的三角波，設(shè)VCC12V，運(yùn)放為理想器件。 解：例圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限電壓(閾值電壓)VT，畫出其電壓傳輸特性。設(shè)運(yùn)放輸出的高、低電平分別為VOH和VOL。 利用疊加原理可得理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)對應(yīng)的vP

12、vN0，即門限電壓單門限比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平錯(cuò)誤電平9.8.1 電壓比較器2. 遲滯比較器（1）電路組成（2）門限電壓門限電壓上門限電壓下門限電壓回差電壓9.8.1 電壓比較器2. 遲滯比較器（3）傳輸特性解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖c所示輸入信號下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：（1）用于電壓比較器的運(yùn)放，通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平VOH和低電VOL兩種情況。（2）一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。（3）電壓傳輸特性的關(guān)鍵要素 輸出電壓的高電平VOH和低電平VOL 門限電壓 輸出電壓的跳變方向令vPvN所求出的vI就是門限電壓vI等于門限電壓時(shí)輸出電壓發(fā)生跳變跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式9.8.1 電壓比較器3. 集成電壓比較器集成電壓比較器與集成運(yùn)算放大器比較： 開環(huán)增益低、失調(diào)電壓大、共模抑制比小，靈敏度往往不如用集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器高。 但集成電壓比較器中無頻率補(bǔ)償電容，因此轉(zhuǎn)換速率高，改變輸出狀態(tài)的典型響應(yīng)