[理学]模拟电路 第五版 第九章.ppt

1,9 信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,9.2 一阶有源滤波电路,9.3 高阶有源滤波电路,2,9 信号产生电路,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,9.6 RC正弦波振荡电路,9.7 LC正弦波振荡电路,3,9.1滤波电路的基本概念与分类,滤波电路是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，工程上常用来作为信号处理、数据传送和抑制干扰等；例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。,无源滤波器:采用无源元件R、L和C组成的滤波器；,有源滤波器:由集成运放和R、C组成的滤波电路；不用电感、体积小、重量轻；,1.基本概念,4,1.基本概念,滤波电路,滤波电路传递函数定义,时，有,其中, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,时延响应为,9.1滤波电路的基本概念与分类,5,2.有源滤波电路的分类,对于幅频响应,通常把能够通过的信号频率范围定义为通带; 把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带; 通带和阻带的界限频率叫做截止频率.,理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应,在阻带内幅度衰减到零（|A(j)|=0）.,9.1滤波电路的基本概念与分类,6,2. 分类（频率特性）,（1）低通(Low-pass filter ),（2）高通(High-pass filter ),（3）带通(Band-pass filter),（4）带阻(Band-reject filter ), 9.1 基本概念及初步定义,动画演示,7,信号频率趋于零时,电容容抗趋于无穷大,此时求得通带电压增益:,信号频率从零到无穷大变化时,电压增益:,特征频率, 9.2 一阶有源滤波电路,8,带负载后，通带放大倍数A0数值减小，且截止频率fc升高，说明无源滤波电路的A0与fc随着负载变化而变化., 9.2 一阶有源滤波电路,9,为使负载不影响滤波特性,可在无源滤波电路和负载之间加一个高输入电阻、低输出电阻的隔离电路.,通带电压增益,同相比例放大电路电压增益, 9.2 一阶有源滤波电路,10,传递函数：,通带增益：,特征角频率：, 9.2 一阶有源滤波电路,用 代入，可得传递函数的频率响应：,First-order active filters,1.传递函数,（一阶）,11,此时特征频率c刚好等于-3dB截止频率H. 但-20dB/十倍频程衰减太慢,滤波特性不够理想.,频率每升高10倍,|A|下降10倍.,2.幅频特性,-20dB/十倍频程,当:,一阶滤波器的过渡带不够陡, 9.2 一阶有源滤波电路,12, 9.3 二阶有源滤波电路,1. 二阶有源低通滤波电路,得滤波电路传递函数,（二阶）,正反馈负反馈,13,1.二阶有源低通滤波电路,称为特征角频率,称为等效品质因数,则, 9.3 二阶有源滤波电路,用 代入，可得传递函数的频率响应：,14,幅频特性曲线下降速率约为40dB/十倍频,比一阶滤波电路快了2倍. 应使A03,否则传递函分母上s的一次项的系数为负,电路工作将不稳定.,=0时:A(j)|=AVF=A0,时:|A(j)| 0;,Q=0.707时: / c=1; 20lg|A(j)/A0|=-3dB,截止频率H=特征频率c,1.二阶有源低通滤波电路, 9.3 二阶有源滤波电路,15,1. 低通滤波电路,增加滤波电路阶数，其幅频响应更接近理想特性。, 9.3 二阶有源滤波电路,动画演示,16,2. 有源高通滤波电路,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,幅频响应,滤波电路才能稳定工作。, 9.3 二阶有源滤波电路,17,当A03时，电路自激。,当 A03时，滤波器可以稳定工作 。 此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。 当f fL时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/10倍频程。,幅频响应,2. 有源高通滤波电路, 9.3 二阶有源滤波电路,18,可由低通和高通串联得到,低通截止频率,高通截止频率,必须满足,3. 有源带通滤波电路, 9.3 二阶有源滤波电路,19,3. 有源带通滤波电路,传递函数,得,令s=jw：, 9.3 二阶有源滤波电路,动画演示,20,当=0时:电路具有最大增益A=A0=AVF/(3-AVF),即带通滤波电路的通带电压增益；,Q值越高,通带BW=f0/Q越窄., 9.3 二阶有源滤波电路,3. 有源带通滤波电路,化简得：,21,带阻滤波电路是用来抑制或衰减某一频段的信号,而让该频段以外的所有信号通过,又叫陷波电路,经常用于电子系统抗干扰.,从输入信号中减去带通滤波电路处理过的信号,就可得到带阻信号;另外一种实现带阻的思路是双T带阻滤波电路., 9.3 二阶有源滤波电路,4. 带阻滤波电路,22,4. 双T带阻滤波电路,双T选频网络, 9.3 二阶有源滤波电路,等效,23,4. 双T带阻滤波电路,幅频响应,当/01,当/01,相频响应, 9.3 二阶有源滤波电路,动画演示,24,4. 双T带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,V, 9.3 二阶有源滤波电路,动画演示,25,4. 双T带阻滤波电路, 9.3 二阶有源滤波电路,特征角频率,通带电压增益,等效品质因数,26,4. 双T带阻滤波电路,如果AVF，则Q=0.5，增加AVF，Q将随之升高当AVF趋近2时，Q趋向无穷大因此， AVF愈接近2，增益的模值愈大，可使带阻滤波电路的选频特性愈好即阻断的频率范围愈窄, 9.3 二阶有源滤波电路,27,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,1. 振荡条件,2. 起振和稳幅,3. 振荡电路基本组成部分,28,正反馈放大电路如图示。,1. 振荡条件,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,动画演示,29,起振条件：,结果：产生增幅振荡。,（略大于）,1、被动：器件非线性。 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益。,稳幅过程：,起振时，,稳定振荡时，,稳幅措施：,2. 起振和稳幅,30,放大电路（包括负反馈放大电路）,3. 基本组成部分,反馈网络（构成正反馈的）,选频网络 (只对一个频率的信号满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有RC选频和LC选频),稳幅环节 (使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。),31,9.6 RC正弦波振荡电路,1. 电路原理图,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,5. RC移相式振荡电路,32,1. 电路原理图,反馈网络兼做选频网络,动画演示,33,反馈系数,2. RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,34,2. RC串并联选频网络的选频特性,当,幅频响应有最大值,相频响应,动画演示,35,3. 振荡电路工作原理,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,(+),(+),(+),(+),RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,振幅条件： AF=1 A=3,引入负反馈：,36,3. 振荡电路工作原理,例：试判断下图所示振荡电路是否满足相位平衡条件。,37,3. 振荡电路工作原理,例：试判断下图所示振荡电路是否满足相位平衡条件。,38,采用非线性元件,4. 稳幅措施,热敏元件,起振时，,即,热敏电阻的作用,v,R,f,1,R,R,R,C,C,o,R,t,39,采用非线性元件,4. 稳幅措施,二极管,动画演示,40,5. RC移相式振荡电路,（1）RC移相电路,RC超前移相电路,RC滞后移相电路,41,5. RC移相式振荡电路,（2） RC移相式振荡电路,满足相位条件：,42,9.7 LC正弦波振荡电路,9.7.1 LC选频放大电路,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,43,1. 并联谐振回路, 9.7.1 LC选频放大电路,44,is,1. 并联谐振回路,谐振时，阻抗最大，且为纯阻性,LC并联谐振特点：谐振时，电路总电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。, 9.7.1 LC选频放大电路,45,2. 频率响应,Q为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。, 9.7.1 LC选频放大电路,动画演示,46, 9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,1. 电路组成及起振条件,(1) 静态分析,(2) 判断有无正反馈,(3) 根据放大电路计算幅值条件 画交流通路,47,1. 电路组成及起振条件, 9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,48,令,解出振荡频率,1. 电路组成及起振条件,2. 振荡的建立与稳定,开始时，gm较大，易起振,随着振幅的不断增加，Vg更负，工作点下移，gm减小，达到|AVFV | 1，趋于稳幅振荡。, 9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,49,（+）,（+）,（）,（+）,振荡频率:,（）,满足相位平衡条件,例：试判断下图所示振荡电路是否满足相位平衡条件。, 9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,50,满足相位平衡条件,例：试判断下图所示振荡电路是否满足相位平衡条件。, 9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,51,例：试判断下图所示振荡电路是否满足相位平衡条件。, 9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,52,例：试判断下图所示振荡电路是否满足相位平衡条件。, 9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,53, 9.7.3 三点式LC振荡电路,1. 三点式LC并联电路,vf与vo反相,vf与vo同相,电感三点式：,电容三点式：,vf与vo反相,vf与vo同相,54,振荡频率：,2. 电感三点式振荡电路, 9.7.3 三点式LC振荡电路,动画演示,55,振荡频率：, 9.7.3 三点式LC振荡电路,3. 电容三点式振荡电路,动画演示,56,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。, 9.7.4 石英晶体振荡电路,1. 频率稳定问题,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 10000 500000,57, 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,结构,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,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,58, 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,（1）串联谐振,频率特性：,晶体等效纯阻且阻值0,（2）并联谐振,通常,所以,动画演示,59, 9.7.4 石英晶体振荡电路,3. 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。,并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,动画演示,60,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。, 9.7.4 石英晶体振荡电路,3. 石英晶体振荡电路,(+),(+),(