模电四川大学川大PPT课件

1、9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类1. 基本概念基本概念滤波器：是一种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。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。经滤波电路后，则可滤掉高频成分。第1页/共72页)()()(iosVsVsA 有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路传递函数定义时，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中)j ( A)( 模，幅频响应 相位角，相频响应群时延响应)( d)(d)(s 第2页/共72页2. 分类分类低通（LPF）高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）end第3

2、页/共72页1. 低通滤波电路低通滤波电路c01)( sAsA 传递函数2c0)(1)j ( AA其中特征角频率1f01RRA RC1c 故，幅频相应为同相比例放大系数9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路第4页/共72页2. 高通滤波电路高通滤波电路 一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（- -20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。end 低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路第5页/共72页9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路有源高通滤波电路有源高通滤波电路有源带通滤波电路有源带通滤波电路二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路有源低通滤波电路有源

3、低通滤波电路第6页/共72页有源低通滤波电路有源低通滤波电路1. 二阶有源低通滤波电路2. 传递函数1fF1RRAV )()(PoFsVsVAV )(/1/1)(APsVsCRsCsV 对于滤波电路，有RsVsV)()(Ai sCsVsV/1)()(oA 0)()(PA RsVsV得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA 2FF)()(31sCRsCRAAVV - -（二阶）（同相比例）第7页/共72页F0VAA RC1c 令称为通带增益)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV F31VAQ 称为特征角频率称为等效品质因数则2cn22c0)( sQsAsA滤

4、波电路才能稳定工作。时时，即即当当 3 03 FF VVAA注意：第8页/共72页用 代入，可得传递函数的频率响应： j s2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应相频响应2cc)(1arctan)(Q 第9页/共72页3. 幅频响应2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应曲线Q Q =0.707=0.707时幅频响应较平坦第10页/共72页4. n阶巴特沃斯传递函数传递函数为2nc0)/(1)j ( AA式中n为阶滤波电路阶数， c为3dB截止角频率，A0为通带电压增益。第11页/共72页有源高通滤波电路有源高通滤波电路1. 二

5、阶高通滤波电路 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2cc220)( sQssAsA2c22c0)(1)(1lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应第12页/共72页2. 2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应2n0)/(1)( cAjA 归一化幅频响应第13页/共72页有源带通滤波电路有源带通滤波电路1. 电路组成原理可由低通和高通串联得到必须满足11H1CR 低通截止角频率22L1CR 高通截止角频率HL 第14页/共72页2. 例第15页/共72页3. 3. 二阶有源带通滤波电路 令传递函数2FF)()(31)(sCRsCRAsCRAsAVV - -FF03V

6、VAAA- - RC10 F31VAQ 得20000)(1)( sQsQsAsA 第16页/共72页二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路可由低通和高通并联得到必须满足HL 第17页/共72页双T T选频网络二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路第18页/共72页双T T带阻滤波电路第19页/共72页阻滤波电路的幅频特性 end第20页/共72页要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的设计计算十分麻烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算机辅助设计软件。第21页/共72页*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器不作要求end第22页/共72页9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振

7、荡电路的振荡条件第23页/共72页1. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。 如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。 反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。第24页/共72页 为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R R、C C和L L、C C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一

8、般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成 4放大电路（包括负反馈放大电路）4反馈网络（构成正反馈的）4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。4经常与反馈网络合二为一。）4稳幅环节第25页/共72页正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）2. 振荡条件振荡条件fiaXXX 若环路增益1 FA则， faXX 去掉， iXoX仍有稳定的输出。又又fafa AFFAFA所以振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件2)()(fan 相位平衡条件第26页/共72页起振条件3. 起振和稳幅起振和稳幅电路器件内部噪声以及电源接通扰动1)()( FA2)()(fan 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要

9、限制它继续增加，否则波形将出现失真。 噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 回到1 AF。 1 AF第27页/共72页9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. 电路组成电路组成2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理4. 稳幅措施稳幅措施第28页/共72页1. 电路组成电路组成反馈网络 兼 做选频网络RC桥式振荡电路第29页/共72页反馈系数2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性)()()(ofsVsV

10、sFV 幅频响应又212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 则)( j3100 VF2002)(31 VF相频响应3)(arctan00f 第30页/共72页当2002)(31 VF幅频响应有最大值RCffRC21 100 或或 31max VF相频响应0f 3)(arctan00f 第31页/共72页3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件0f 当当RC10 时，时，2fan 311f RRAV1313 VVFA电路可以输出频率为 的正弦波RCf210 RC正弦波振荡电路一

11、般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波第32页/共72页采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，311f RRAV即1 VVFA热敏电阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅 VA第33页/共72页采用非线性元件4场效应管（JFET）31DS3p3 RRRAV稳幅原理 oV )(GS负负值值V DSR1 VVFA稳幅 VA34 DCR 、整流滤波T 压控电阻 vDS iD vGS=0V -1V -2V -3V 3 VA可变电阻区，斜率随vGS不同而变化第34页/共72页end采用非线性元件4二极管稳幅原理 oV

12、3 VA1 VVFA稳幅 VA31132 RRRAV起振时联联支支路路的的等等效效电电阻阻并并和和、是是其其中中2133DD RR 3R稳幅环节第35页/共72页9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路三点式三点式LC振荡电路振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路LC选频放大电路选频放大电路第36页/共72页 LC LC正弦波振荡电路的构成与RCRC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。这里的选频网络是由LCLC并联谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LCLC正弦波振荡电路而有所不同。LC选频放大电路选频放大电路1.

13、并联谐振回路 输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。第37页/共72页LRCLRCZ jj1)j(j1 等效损耗电阻等效损耗电阻)1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。LC10 为谐振频率为谐振频率谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性其中其中CLRRCRLQ1100 为品质因数为品质因数同时有同时有scIQI 即即sLcIII 第38页/共72页阻抗频率响应阻抗频率响应（a）幅频响应 （b）相频响应 第39页/共72页变压器反馈变压器反馈LC振荡电路振荡电路 LC并联

14、谐振电路作为并联谐振电路作为三极管的负载，反馈线圈三极管的负载，反馈线圈L2与电感线圈与电感线圈相耦合相耦合,将反馈将反馈信号送入三极管的输入回路信号送入三极管的输入回路。交换反馈线圈的两个线头。交换反馈线圈的两个线头，可使反馈极性发生变化。，可使反馈极性发生变化。调整反馈线圈的匝数可以改调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度，以使正变反馈信号的强度，以使正反馈的幅度条件得以满足。反馈的幅度条件得以满足。变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路（定性分析）第40页/共72页 有关同名端的极性有关同名端的极性 变压器变压器反馈反馈LC振荡振荡电路的振荡频率与并联电路的振荡频率与并联LC谐振

15、电路相同，谐振电路相同，为为LCf210第41页/共72页三点式三点式LC振荡电路振荡电路 仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频并联谐振电路构成选频网络网络A. 若中间点交流接地，则首端与若中间点交流接地，则首端与尾端尾端 相位相反。相位相反。1. 三点式三点式LC并联电并联电路路 中间端的瞬时电位一定在首、中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。尾端电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B. 若首端或尾端交流接地，则其若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。他两端相位相同。第42页/共72页2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路第43页/共72页3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电

16、路第44页/共72页例例：图为一个三点式振荡电路：图为一个三点式振荡电路 , ,试判断是试判断是否满足相位平衡条件。否满足相位平衡条件。第45页/共72页石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。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问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10 000 500 000第46页/共72页2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路结构结构极板间加电场极板间加

17、电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高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当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大固有频率时，振幅最大压电谐振压电谐振第47页/共72页等效电路等效电路LCf21s A. 串联谐振串联谐振特性特性 晶体等效阻抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性B. 并联谐振并联谐振通常通常0CC 0p121CCLCf 0s1CCf 所以所以很很接接近近与与 psff（a）代表符号 （b）电路模型 （c）电抗-频率响应特

18、性 第48页/共72页2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；时时， 0 pssffC sss ffC 时时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC 第49页/共72页 end3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 (a)串联型 f0 =fs （b）并联型 fs f00 时， vOmax = +VCCvI 0 时， vOmax = -VCC（过零比较器）运算放大器工

19、作在非线性状态下 MCCCC VVV 假假设设- -VCCvO+VCC时时， 0MAV|vI|第53页/共72页 输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。电压传输特性第54页/共72页（2）门限电压不为零的比较器电压传输特性（门限电压为VREF）第55页/共72页(a) VREF0时(b) VREF2V时 (c) VREF4V时 vI为峰值6V的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。 第56页/共72页解：解：例例图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电压(阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为VOH和VOL。 利用叠加定理可得I211REF212PvvRR

20、RVRRR 理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vPvN0，即0I1REF2 vRVR门限电压REF12IT)(VRRV v第57页/共72页单门限比较器的抗干扰能力差单门限比较器的抗干扰能力差应为高电平应为高电平错误电平错误电平第58页/共72页2. 迟滞比较器迟滞比较器（1）电路组成（2）门限电压为门限电压，为门限电压， Pv门限电压门限电压的的两两个个的的两两个个电电压压值值可可得得有有关关，对对应应于于与与而而POOPvvvv)( OLOPI低电平低电平时，时，V vvv)( OHOPI高电平高电平时，时，V vvv21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TR

21、RVRRRVRV 上门限电压下门限电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV 第59页/共72页（3 3）传输特性21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 第60页/共72页解：（1）门限电压例电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V第61页/共72页（3）输出电压波形（2）传输特性第62页/共72页通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：（1）用于电压比较器的运放，通常工作

22、在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电平VOL两种情况。（2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。（3）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平VOH和低电平VOL 门限电压 输出电压的跳变方向令vPvN所求出的vI就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式第63页/共72页3. 集成电压比较器集成电压比较器集成电压比较器与集成运算放大器比较： 开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高。 但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改变输出状态的典型响应时间是30200 ns。 相同条件下741集成运算放大器的响应时间为30 s左右。第64页/共72页方波产生电路方波产生电路1. 1. 电路组成（多谐振荡电路）稳压管双向稳压管双向限幅限幅 在迟滞比较器的基础上，增加了一个由在迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf、C组成的积分电路，把输出电压经组成