模拟电子技术康华光第9章.ppt

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,9.4 开关电容滤波器,第九章 信号处理与信号产生电路（了解）,9.5 正弦波振荡的振荡条件,9.6 RC正弦波振荡电路,9.7 LC正弦波振荡电路,9.8 非正弦信号产生电路,9.4.1 比较器,9.4.2 方波发生器,9.4.3 锯齿波发生器,第九章 信号处理与信号产生电路（掌握）,9.9 精密二极管电路,有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。,滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。,9.1 滤波电路的基本概念与分类,滤波器的分类：,低通滤波器（LPF） 高通滤波器（HPF） 带通滤波器（BPF） 带阻滤波器（BEF）,各种滤波器理想的幅频特性：,（1）低通,（2）高通,（1）带通,（1）带阻,滤波器的用途,滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，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。,传递函数：,通带增益：,截止频率：,1.一阶有源低通滤波器,9.2 一阶有源滤波电路,幅频特性及幅频特性曲线,传递函数：,幅频特性：,缺点：阻带衰减太慢。,传递函数：,通带增益：,截止频率：,2.一阶有源高通滤波器,传递函数：,1. 二阶有源低通滤波器,9.3 高阶有源滤波电路,当 Ao3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ffH时，幅频特性曲线的斜率 为-40dB/dec。,当Ao3时，有源滤波器自激。,幅频特性及幅频特性曲线,单边H（S）的稳定性,H（S）极点在S平面左半面（不含虚轴)，系统稳定。 H（S）极点在S平面右半面或在虚轴上有二阶以上的极点，系统不稳定。 H（S）极点在S平面虚轴上有一阶以上的极点，系统零界稳定，等幅振荡。,传递函数：,当Ao3时，有源滤波器不稳定、自激。,2. 二阶有源高通滤波器,由此绘出频率响应特性曲线,(2)通带增益,（1）幅频特性：,其中：,当AO3时，电路自激。,幅频特性曲线,当 Ao3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/dec。,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,有源带通滤波器,可由低通和高通并联得到,必须满足,有源带阻滤波器,RC有源滤波器的滤波特性取决于RC时常数及运放的性能。如果要求时常数很大，全集成化几乎是不可能的。这也是制约通讯设备全集成化的因素之一。人们寻求一种能够实现滤波器全集成化的途径，开关电容因此应运而生。它是基于电容器电荷存贮和转移原理，由受时钟控制的MOS开关、MOS电容和MOS运放组成的网络。它没有电阻，而用开关和电容代替电阻的功能。开关电容网络是一种时间离散、幅度连续的取样数据处理系统，在信号产生、放大、调制、A/D、D/A中有着广泛的应用。,9.4 开关电容,一、开关电容模拟电阻,如图 (a)所示，MOS场效应管开关V1和V2分别受两相不重叠时钟1和2控制（图b）。当1为高电平、 2为低电平时，V1导通，V2截止，u1对C充电，其存贮的电荷Q1为,图 用开关和电容代替电阻 (a)开关电容电路；(b)两相时钟；(c)等效电阻,而当1为低电平而2为高电平时，V1截止，V2导通，那么C存贮的电荷Q2变为 在时钟的一个周期Tc内，电容C存贮的电荷由Q1变为Q2,则意味着流过的等效电流,由开关和电容组成的等效模拟电阻(如图c)。它不仅与电容值有关，而且与时钟频率fc成反比。可见，不仅可用电容和开关代替电阻，且可通过fc来控制R的大小。,二、开关电容积分器,我们知道，用积分器和相加器可以组成状态变量滤波器，其中积分器是关键的单元电路，如图 (a)所示。根据开关和电容代替电阻的原理，开关电容积分器电路如图 (b)所示。RC积分器的时常数为RC，而开关电容积分器的时常数为,可见，开关电容积分器的时常数取决于时钟频率fc 和电容比(C2/C1)。在MOS集成工艺中，电容比的精度可以达到很高(0.1%0.01%)，而且通过控制fc可以十分精确地控制时常数。因此，滤波器的精度也很高。,开关电容积分器 (a)RC积分器；(b)开关电容积分器,一. 产生自激振荡的条件,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,反馈信号代替了放大 电路的输入信号。,Xd=Xf=AFXd,所以，自激振荡条件也可以写成：,自激振荡的条件：,（1）振幅条件：,起振振幅条件：,结果：产生增幅振荡,（略大于1）,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：,二.起振条件和稳幅原理,1.放大电路 2.正反馈网络 3.选频网络只对一个频率满足振荡条件，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 4.稳幅环节使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。,三.正弦波振荡器的一般组成,R1C1 串联阻抗：,R2C2 并联阻抗：,频率特性：,9.6 RC正弦波振荡电路,一. RC 串并联网络的选频特性,通常，取R1R2R，C1C2C，则有：,式中：,可见：当 时， F最大，且 =0,Fmax=1/3,RC串并联网络完整的频率特性曲线：,当 时， F= Fmax=1/3,在 f0 处,满足相位条件：,因为：,AF=1,只需：A=3,振幅条件：,引入负反馈：,选：,二.RC桥式振荡器的工作原理：,例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,AF=1，,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592 Hz,起振条件：,能自动稳幅的振荡电路,起振时Rt较大 使A3,易起振。 当uo幅度自激增长时， Rt减小，A减小。 当uo幅度达某一值时， A3。 当uo进一步增大时， RT再减小 ,使A3。 因此uo幅度自动稳定于某一幅值。,能自动稳幅的振荡电路,起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加， D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。,将Rf分为Rf1 和Rf2 ， Rf2并联二极管,K：双联波段开关， 切换R，用于 粗调振荡频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,振荡频率的调节：,1. RC移相电路,（1 ）RC超前移相电路,（2）RC滞后移相电路,三. RC移相式振荡电路,2. RC移相式振荡电路,在 f0 处,满足相位条件：,1. LC并联谐振回路的选频特性,(阻性),LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，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。,R为电感和回路中的损耗电阻,当 时，,并联谐振。,谐振时，电路呈阻性：,9.7 LC正弦波振荡器,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。,谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。,LC并联谐振回路的幅频特性曲线,互感线圈的极性判别,初级线圈,次级线圈,同名端,在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出,同名端：,工作原理：,三极管共射放大器。,利用互感线圈的同名端：,满足相位条件。,振荡频率:,二. 变压器反馈式LC振荡电路,判断是否是满足相位条件相位平衡法：,断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。,(+),(-),(+),LC正弦波振荡器举例,不满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,（+）,（+）,（）,（+）,LC正弦波振荡器举例,振荡频率:,（）,满足相位平衡条件,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,原理：,uf与uo反相,uf与uo同相,电感三点式：,电容三点式：,uf与uo反相,uf与uo同相,三. 三点式LC振荡电路,振荡频率：,1.电感三点式LC振荡电路,振荡频率：,2. 电容三点式LC振荡电路,例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,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 500000,3. 石英晶体振荡电路,一. 石英晶体,2. 基本特性,1. 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,3. 石英晶体的等效电路与频率特性,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,二. 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。,1. 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。,2. 串联型石英晶体振荡器,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。 对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。,例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？,9.8 非正弦信号产生电路,将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。,功能：,构成：,运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。,9.8.1 比较器,1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。,运放工作在非线性状态基本分析方法,2. 运放工作在非线性状态的分析方法： 若U+U- 则UO=+UOM； 若U+U- 则UO=-UOM。 虚断（运放输入端电流=0） 注意：此时不能用虚短！,1. 过零比较器: （门限电平=0）,一.单门限电压比较器,例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。,2. 单门限比较器（与参考电压比较）,UREF,UREF为参考电压,当ui UREF时 , uo = +Uom 当ui UREF时 , uo = -Uom,运放处于开环状态,UREF,当ui UREF时 , uo = -Uom,若ui从反相端输入,（1）用稳压管稳定输出电压,忽略了UD,3. 限幅电路使输出电压为一稳定的确定值,当ui 0时 , uo = +UZ 当ui 0时 , uo = -UZ,（2）稳幅电路的另一种形式： 将双向稳压管接在负反馈回路中,当ui 0时 , uo = -UZ 当ui 0时 , uo = +UZ,1.工作原理两个门限电压。,特点:电路中使用正反馈运放工作在非线性区。,（1）当uo =+UZ时，,（2）当uo =-UZ时，,UT+称上门限电压 UT-称下门限电压 UT+- UT-称为回差电压,二. 迟滞比较器,迟滞比较器的电压传输特性：,设ui , 当ui = UT-时, uo从-UZ +UZ,这时, uo =-UZ , u+= UT-,设初始值: uo =+UZ , u+= UT+ 设ui , 当ui = UT+时, uo从+UZ -UZ,例题：Rf=10k，R2=10k ，UZ=6V， UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。,上下限：,1.电路结构,由滞回比较电路和RC定时电路构成,上下限:,9.8.2 方波产生电路,2.工作原理：,(1) 设 uo = + UZ ,此时，uO给C 充电, uc ，,则：u+=UT+,一旦 uc UT+ , 就有 u- u+ , uo 立即由UZ变成UZ 。,在 uc UT+ 时，,u- u+ ,设uC初始值uC(0+)= 0,方波发生器,uo保持+UZ不变,此时，C向uO放电,再反向充电,(2) 当uo = -UZ 时，,u+=UT-,uc达到UT-时，uo上跳。,当uo 重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化。,完整的波形：,计算振荡周期T。,周期与频率的计算：,T= T1 + T2 =2 T2,T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:,f = 1/T,可推出:,3、占空比可调的方波发生器,改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。,电路结构：迟滞比较器+反相积分器,一. 三角波发生器,工作原理：,若uo1=+UZ， uo2， u+ 。,当u+ 0时， uo1翻转为-UZ。,若uo1=-UZ， uo2， u+ 。,当u+ 0时， uo1翻转为+UZ。,9.8.3 锯齿波产生电路,波形图,振荡周期：,二.锯齿波发生器,改变积分器的正反向充电时间常数,uo1=+UZ，D截止，充电时间常数：R4C。,uo1=-UZ，D导通，充电时间常数：(R6R4)C。,R6R4,9.9 精密二极管电路,9.9.1 精密整流电路 半波整流(限幅)电路。如图所示，这种电路由于二极管死区电压UVON(硅管一般为0.50.67V左右)的影响，存在限幅模糊现象。也就是当信号较小时，二极管不导通或导通不良。一般要求ui0.6V才行。如图 (b)所示。,一、精密半波整流电路,一种精密半波整流电路如图(a)所示。由图可见，当|uo|0.6V(即UVON)时，二极管V1及V2均不导通，运放处于开环工作状态，其开环放大倍数极大(如105)；而当| uo |0.6V后，其中总有一个二极管导通，电路进入正常的限幅状态。而要使|uo|0.6V,ui只需0.6V/105=6V，可见，消除了由二极管死区电压引起的限幅模糊现象。,精密半波整流电路 (a)电路；(b)传输特性；(c)波形,(1)当ui0, uo0时，V1截止，V 2导通，R1、R2构成反相比例放大器. (2)当ui0， uo0时， V1导通， V2截止，u