模擬電子線路大連理工第九章

第九章信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路9.1基本線性運(yùn)放電路9.2同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用9.3模擬乘法器及應(yīng)用9.4有源濾波電路9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件9.6RC正弦波振蕩電路9.7LC正弦波振蕩電路9.8非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路第九章信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路據(jù)虛斷:Ii′

0，則IiIf;且V+0

9.1基本線性運(yùn)放電路9.1.1反相放大電路

虛地?fù)?jù)虛短，V-

V+

0電壓增益:-+VoR'RfR1⊕IfIiI'iAVi+-+-

據(jù)虛斷，V+

=Vi

據(jù)虛短，V-

V+

=Vi

9.1.2同相放大電路

電壓增益:+-VoRRfR1⊕AVi+-+-⊕分析1）“虛短”+“虛斷”；方法：2）疊加定理特例：反號(hào)器同號(hào)器-+VoR'RfR1⊕IfIiI'iAVi+-+-+-VoRRfR1⊕AVi+-+-⊕-+voR'RfR2Avi2R1RLvi11、反相加法器9.2.1求和電路方法一：：“虛短”+“虛斷”方法二：：疊加定理9.2同相輸入和反相輸入放大電路的其他應(yīng)用調(diào)節(jié)反相加法電路的某一路信號(hào)的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系，調(diào)節(jié)方便。ii1ii2if2、同相加法器推導(dǎo)略！-+voR'RfR2Avi2RRLvi1R19.2.2求差電路1、利用加法器vi2-vi1=反號(hào)器（-1）vi2+(-vi1)-+R/2RRAvi2-+voR'RfR2AR1RLvi1vi2疊加定理Vi1作用Vi2作用

綜合：2.差動(dòng)減法電路-+voR'RfR2AR1RLvi1儀用放大器(儀表放大器、測(cè)量放大器、三運(yùn)放電路）v4+A1–A2R2R2R1v1v2v3ab+voR3R3–A3R4R4+虛短：虛斷：v4+A1–A2R2R2R1v1v2v3ab+iR1三運(yùn)放電路是差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可變。由于輸入均在同相端，此電路共模抑制比高，輸入電阻高。v3voR3R3–A3R4R4+v4例：由數(shù)據(jù)放大器組成的溫度測(cè)量電路。Vcc=+5VRRRRtviRt

：熱敏電阻集成化:儀表放大器voR1R1R2R2RRRW+-A1+-A2+-A31.它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小

。2.關(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。3.同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。比例運(yùn)算電路與加減運(yùn)算電路小結(jié)1.積分電路例：Vi是階躍直流電壓VI時(shí)9.2.3積分電路和微分電路-+voCRiCiAvi+-vc2.微分電路-+voCRiCiRAvi+-vc3.對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)電路1、對(duì)數(shù)電路i1iD工作原理voviRPRD設(shè)vi>0，D導(dǎo)通，則有∵∴缺點(diǎn)：（1）因VT和IS是溫度的函數(shù)，故運(yùn)算精度受溫度的影響。（2）小信號(hào)時(shí)與1相差不多，因而誤差大。（3）大電流時(shí)，伏安特性與PN結(jié)方程差別大，故上式只在小電流時(shí)成立。1、對(duì)數(shù)電路i1iD改進(jìn)措施：uouiRPRD（1）以三極管代替二極管，以獲得較大的工作范圍。時(shí)而voviRPRi1iC注意：vI必須大于零，電路的輸出電壓小于0.7伏2、指數(shù)運(yùn)算電路vivoRPRDifi1此電路也存在溫度影響的問(wèn)題。vivoRPRifiC具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)運(yùn)算器乘法器和除法器

(a)乘法器；(b)除法器綜合運(yùn)算電路加減法運(yùn)算器反對(duì)數(shù)運(yùn)算器vo

對(duì)數(shù)運(yùn)算器vi3lnvi3

對(duì)數(shù)運(yùn)算器vi2lnvi2

對(duì)數(shù)運(yùn)算器vi1lnvi1

同相運(yùn)算器mlnvi1

反相運(yùn)算器-nlnvi2功能:乘、除、開(kāi)方、乘方等;應(yīng)用:模擬運(yùn)算、通信(如調(diào)幅)、測(cè)控系統(tǒng)、電氣測(cè)量和醫(yī)療儀器等許多領(lǐng)域。9.3模擬乘法器及應(yīng)用概述功能：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘

其中K為比例因子，量綱:V-1符號(hào)：vovXKxyvYvovXKvY9.3.1基本原理1.對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)型

實(shí)現(xiàn)框圖

9.3.2乘法器應(yīng)用1.乘積和乘方運(yùn)算電路

2.除法運(yùn)算電路

3.開(kāi)平方運(yùn)算電路

4.開(kāi)立方運(yùn)算電路

(1)相乘運(yùn)算模擬相乘器立方運(yùn)算電路

(2)平方和立方運(yùn)算平方運(yùn)算電路1.乘法運(yùn)算電路vovXKvYvo=KvI2vIKvo=K2vI3KvIK據(jù)虛斷如果令K=R2/R1則工作（負(fù)反饋）條件？2.除法運(yùn)算電路vo1v2-+voR1i1Av1i2R2K)(1112OvRRKv-=v1為負(fù)值！負(fù)反饋條件？3.開(kāi)平方運(yùn)算電路vo1-+voR1i1Av1i2R2K4.開(kāi)立方運(yùn)算電路vo2v02-+voR1AvxR2KK一、基本概念及初步定義二、一階有源濾波電路

高通濾波

低通濾波

基本概念

分類(lèi)三、二階有源濾波電路

高通濾波

低通濾波

帶通濾波

帶阻濾波

帶阻濾波

帶通濾波9.4有源濾波電路9.4.1基本概念及初步定義1.基本概念濾波器：是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制或衰減無(wú)用頻率信號(hào)得電子裝置。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)時(shí)延響應(yīng)為2.分類(lèi)——按幅頻特性分

低通（LPF）用于工作信號(hào)為低頻（或直流），并且需要削弱高次諧波或頻率較高的干擾和噪聲等場(chǎng)合——整流后濾波。高通（HPF）用于信號(hào)處于高頻，并且需要削弱低頻的場(chǎng)合——阻容放大器的耦合。帶通（BPF）用于突出有用頻段的信號(hào)，削弱其它頻段的信號(hào)或干擾和噪聲——載波通信。帶阻（BEF）用于抑制干擾。全通（APF）通阻通Avω阻通Avω通阻Avω阻阻通Avω3、無(wú)源濾波電路和有源濾波電路無(wú)源濾波電路：由無(wú)源元件R、L、C組成的濾波電路。有源濾波電路：由晶體管和R、C網(wǎng)絡(luò)組成的濾波電路。

RviRLCvoviRLCLvo4、由集成運(yùn)放（工作在線性區(qū)）和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波電路的優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小，重量輕，不需要加磁屏蔽。（2）電路中的集成運(yùn)放可以加串聯(lián)負(fù)反饋，使Ri高，Ro低。（3）除起有源濾波作用外，還可以放大，而且放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。1、一階RC有源濾波電路二、低通濾波器

RviCvo最簡(jiǎn)單的濾波電路

缺點(diǎn)：帶負(fù)載的能力差，例如R=27k，RL=3k，對(duì)于直流而言，vo只有vi的十分之一，而當(dāng)RL斷開(kāi)時(shí)，vo=vi，

其中當(dāng)為了提高帶負(fù)載的能力，可以減小R，提高C，但這不現(xiàn)實(shí)，此時(shí)可以加電壓跟隨器，以提高帶負(fù)載的能力。傳遞函數(shù)其中特征角頻率故，幅頻相應(yīng)為1、一階RC有源濾波電路9.4.2一階有源濾波電路+-+voCRfRAvI+--RLvP(a)具有電壓跟隨器的低通濾波電路+-+voCRfRAvI+--RLvP(b)帶同相比例放大電路的低通濾波電路R12.高通濾波電路

可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿足3.帶通濾波電路低通特征角頻率高通特征角頻率vovIR-+AC-+voC1R1A1vIR2-+A2C24.帶阻濾波電路

可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足

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(duì)濾波要求不高的場(chǎng)合。vI-+-+C1R1-+voRRRC2R29.4.3二階有源濾波電路1.壓控電壓源低通濾波電路壓控電壓源電路（VCVS）對(duì)于濾波電路，有得濾波電路傳遞函數(shù)（二階）vI-+voRfR1同相比例放大電路vPCRCRvAA1.壓控電壓源低通濾波電路令稱(chēng)為通帶增益稱(chēng)為特征角頻率稱(chēng)為等效品質(zhì)因數(shù)則濾波電路才能穩(wěn)定工作注意：用代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)：1.壓控電壓源低通濾波電路歸一化的幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)1.壓控電壓源低通濾波電路歸一化的幅頻響應(yīng)波特圖2.壓控電壓源高通濾波電路

將低通電路中的電容和電阻對(duì)換，便成為高通電路。傳遞函數(shù)歸一化的幅頻響應(yīng)濾波電路才能穩(wěn)定工作vI-+voRfR1同相比例放大電路vPCRCRvA3.壓控電壓源帶通濾波電路可由低通和高通串聯(lián)得到vI-+voRfR1CR3=2RC1=CRR2=R3.壓控電壓源帶通濾波電路令傳遞函數(shù)得vI-+voRfR1CR3=2RC1=CRR2=R4.雙T帶阻濾波電路雙T選頻網(wǎng)絡(luò)R-+vfRvi+-CCR/22C(a)電路-+vfZ1vi+-R/22C2CR/2Z2Z3(b)等效電路4.雙T帶阻濾波電路頻率響應(yīng)R-+vfRvi+-CCR/22C4.雙T帶阻濾波電路雙T帶阻濾波電路RvpRvICCR/22C+-voRaRbRb=

(AVF-1)Ra改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件基本放大電路Ao反饋電路F+–如果：則去掉仍有信號(hào)輸出。反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)?；痉糯箅娐稟o反饋電路F++基本放大電路Ao反饋電路F自激振蕩條件的推導(dǎo)基本放大電路Ao反饋電路F++FAo=1自激振蕩的條件基本放大電路Ao反饋電路Foffi’XFXXX&&&&==,ooiooXFAX’AX&&&==如果：(1)正反饋?zhàn)銐驈?qiáng),輸入信號(hào)為

0時(shí)仍有信號(hào)輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。(2)要獲得非正弦自激振蕩,反饋回路中必須有RC積分電路。例如：方波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、鋸齒波發(fā)生器等。(3)要獲得正弦自激振蕩,反饋回路中必須有選頻電路。所以將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫(xiě)成：自激振蕩的條件：因?yàn)椋核?，自激振蕩條件也可以寫(xiě)成：（1）振幅條件：（2）相位條件：n是整數(shù)相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件可以通過(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。問(wèn)題1：如何啟振？Vo

是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時(shí)Vo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Vo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。問(wèn)題2：如何穩(wěn)幅？起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時(shí)若|AF|仍大于1，則輸出將會(huì)飽和失真。達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。具體方法將在后面具體電路中介紹。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：111<>==><AFBVAFBVAFBVooo時(shí)，時(shí)，時(shí)，RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路如圖所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應(yīng)如下:RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)-+vfZ1vo+-C2R1Z2C1R21)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+++=)j1]()Cj/1([222112RCRRRww+++=諧振頻率為:f0=當(dāng)R1=R2，C1=C2時(shí)，諧振角頻率和諧振頻率分別為:)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+++=+=-+vfZ1vo+-C2R1Z2C1R2幅頻特性:相頻特性:

當(dāng)f=f0時(shí)的反饋系數(shù)

,且與頻率f0的大小無(wú)關(guān)。此時(shí)的相角F=0。即改變頻率不會(huì)影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過(guò)程中，不會(huì)停振，也不會(huì)使輸出幅度改變。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線9.6RC正弦波振蕩電路用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的

RC振蕩電路，可選用的

RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。1、選頻電路R1C1R2C2iV&oV&時(shí)，相移為0。)1()1(112211221CRCRjCCRRVVioww-+++=&&R1C1R2C2iV&oV&如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：傳遞函數(shù)：相頻特性：幅頻特性：fo+90–90ffioVV)(31ffffjVVooio-+=&&22)(31ffffVVooio-+=2、用運(yùn)放組成的RC振蕩器所以，要滿足相位條件，只有在

fo

處因?yàn)椋簐oR2RCRCR1-+能自行啟動(dòng)的電路（1）votRtA半導(dǎo)體熱敏電阻起振時(shí)，RT略大于2R1，使|AF|>1，以便起振；RTRCRCR1tvo起振后，vo逐漸增大則RT逐漸減小，使得輸出vo為某值時(shí)，|AF|=1，從而穩(wěn)幅。-+能自行啟動(dòng)的電路（2）R22為一小電阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|>1，以便起振；R21RCCR1R22D1D2隨著vo的增加，R22逐漸被短接，A自動(dòng)下降到使|AF|=1，使得輸出vo穩(wěn)定在某值。-+voRFvoRCCRKKR1R1R2R2R3R3輸出頻率的調(diào)整：通過(guò)調(diào)整R或/和C來(lái)調(diào)整頻率。C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。K：雙聯(lián)波段開(kāi)關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。-+電子琴的振蕩電路電路：RF1voR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21-+三、用分立元件組成的RC振蕩器RCRC+VCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF++++++––vbeRC網(wǎng)絡(luò)正反饋，RF、RE1組成負(fù)反饋，調(diào)整到合適的參數(shù)則可產(chǎn)生振蕩。負(fù)反饋使電路工作穩(wěn)定。RC移相式振蕩器1、電路組成Rb1RRRCCCRb2ReCe+VCC實(shí)際電路CCCRRRvf=vivivoRb交流通道2、RC移相網(wǎng)絡(luò)的特性相位圖（電容兩端的電壓落后電流90o）CRvovi原理圖9.7LC正弦波振蕩電路LC振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高，所以一般用分離元件組成放大電路。本節(jié)只對(duì)

LC振蕩電路做一簡(jiǎn)單介紹，重點(diǎn)掌握相位條件的判別。首先介紹一下

LC選頻網(wǎng)絡(luò)。諧振時(shí)回路電流比總電流大的多，外界對(duì)諧振回路的影響可以忽略！CLRiV&++––+例1：正反饋+VCCCC1C2頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。例2：正反饋頻率由C、

L1、

L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+VCCCC1L1L2C2vL1vL2vC設(shè)vB

vCvDvBvL2

vbevL1

D例3：正反饋設(shè)vB

vCvC1

vC2

vB頻率由

L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+VCCC1LC2ABC+––+vLvC1

vC1減小時(shí)，

vC2如何變化？設(shè)L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)中的電流為i，則iidtdvCdtdvCiCC2211-==例4：正反饋+VCCC1C2設(shè)vB

vCvEvbevAAECBvbe+–vC1

頻率由

L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。9.8.1電壓比較器

將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一個(gè)門(mén)限電壓相比較，輸出一定的高低電平。

門(mén)限電壓VT:使輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓(閾值電壓)功能：特性：

非線性開(kāi)關(guān)特性（高低電平）9.8非正弦波發(fā)生電路(1)電路(2)傳輸特性曲線1.單門(mén)限比較器反相輸入單門(mén)限比較器

分析方法：

對(duì)于開(kāi)環(huán)或正反饋運(yùn)放：“+”端電位高，正飽和“”端電位高，負(fù)飽和-+vov-v+vo'VZ-+vivREFvoRo電路圖和傳輸特性曲線如圖所示。(b)(a)電路圖(b)傳輸特性曲線(3)特例——過(guò)零比較器vo-+vsvREF=0LM139/339系列集成電壓比較器(a)外引腳圖；

(b)基本比較器電路

簡(jiǎn)單比較器存在問(wèn)題(a)輸出波形邊緣不陡峭

(b)受干擾情況

為了解決以上兩個(gè)問(wèn)題，在比較器中引入正反饋，構(gòu)成“遲滯比較器”。這種比較器具有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且，由于正反饋加速了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，從而改善了輸出波形的邊緣。2.雙門(mén)限（滯回、遲滯）比較器

上限閾值下限閾值傳輸特性：已知?jiǎng)t，兩門(mén)限：回差電壓在輸出反轉(zhuǎn)瞬間V+=V-vo-VT-+vIvREFRAR2R1+3.窗口比較器(1)電路設(shè)R1=R2，則兩門(mén)限：(2)傳輸特性-+A2-+A1

雙向過(guò)壓檢測(cè)電路

比較器的應(yīng)用主要用于：對(duì)輸入波形進(jìn)行整形，即將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出(a)正弦波變換為矩形波(b)有干擾正弦波變換為方波用比較器實(shí)現(xiàn)波形變換RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。遲滯比較器：起開(kāi)關(guān)作用，實(shí)現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。RR1R2C+vcvo–9.8.2方波產(chǎn)生電路（弛張振蕩器、多諧信號(hào)發(fā)生器）-+1.電路結(jié)構(gòu)上下門(mén)限電壓：遲滯比較器輸出經(jīng)積分電路再輸入到此比較器的反相輸入端。RR1R2C+vcvo–omHVRRRV211+=omLVRRRV211+-=-+2.工作原理1.設(shè)

vo

=

+VOM此時(shí)，輸出給C充電!則：v+=VH0tvoVOM-VOMV+Hvc0t一旦

vc>VH

,就有

v->v+,在

vc<VH

時(shí)，v-

<v+,vo

保持

+VOM

不變；vo

立即由＋VOM

變成－VOM

RR1R2C+vcvo–-+此時(shí)，C

經(jīng)輸出端放電。2.當(dāng)vo

=

-VOM時(shí)，v+=VLvc降到VL時(shí)，vo上翻。VHvctVL當(dāng)vo

重新回到＋VOM

以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。RR1R2C+vcvo–-+0VHvctVLVOMvo0t-VOMT輸出波形：RR1R2C+vcvo–-+3.周期與頻率的計(jì)算f=1/Tvc上升階段表示式:vc下降階段表示式:vc0VHtVLT1T2OMLHVRRRVV211+=-=RCtOMLOMceVVVtv--+=)()(RCTOMLOMHeVVVV2)(--+=RCtOMHOMceVVVtv-++-=)()(RCTOMHOMLeVVVV1)(-++-=矩形波發(fā)生器電路的改進(jìn)：RR1R2C+vcvo–-+RR1R2C+vcvoVZ–-+C充電時(shí)，充電電流經(jīng)電位器的上半部、二極管D1；C放電時(shí)，放電電流經(jīng)二極管D2、電位器的下半部。改變C的充、放電時(shí)間常數(shù)-+RWR1R2CvcvoD1D2abc占空比可調(diào)的矩形波電路-+反向積分電路方波發(fā)生器電路一：方波發(fā)生器

矩形波積分電路三角波三角波發(fā)生器RR1R2C+vc-+RR2Cvo-+RR1R2C