工学电子技术信号产生电路运放非线性应用PPT课件

1、1. 基本概念基本概念)()()(io jVjVjA 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。用频率信号的电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。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滤波电路传递函数定义)(je)j ()j ( AA)()j( A其中其中)j ( A)( 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应群时延响应群时延响应)( d)(d)(s 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第1页/共55页9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的

2、基本概念与分类2. 分类分类低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）带通（带通（BPF）带阻（带阻（BEF）全通（全通（APF） H上限截止频率上限截止频率 L下限截止频率下限截止频率 o中心频率中心频率只让低于只让低于 H的信号通过的信号通过只让高于只让高于 H的信号通过的信号通过第2页/共55页1. 一阶一阶低通滤波电路低通滤波电路c01)( jAjA 传递函数：传递函数：9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路电路结构：电路结构：RC低通电路低通电路 +同相比例放大电路同相比例放大电路iiPvvv RCjjXRjXCC 11cjRCj 1111ipvv)1 (11)(1RRjjAfcpo

3、 poiivvvvvv则则第3页/共55页2c0)(1)j( AA故，幅频相应为故，幅频相应为其中其中1f01RRA 同相比例放大同相比例放大系数系数RC1c 特征角频率特征角频率第4页/共55页9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路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一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（速率慢（- -20dB/十倍频程），与十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。波要求不高的场合。end 低通电路中的低通电路中的R和和C交换位置便构交换位置便构成高通滤波电路成高通滤波电路第5页/共55页正反馈放大电路框

4、图正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别注意与负反馈方框图的差别）1. 振荡条件振荡条件fiaXXX 若环路增益若环路增益1 FA则则， faXX 去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。又又fafa AFFAFA所以振荡条件为所以振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan 相位平衡条件相位平衡条件9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件第6页/共55页起振条件起振条件电路器件内部噪声以及电源接通扰动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，就要限制它继续增加，否则波形将出当输出信

5、号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。现失真。 噪声中，满足相位平衡条件的某一频率噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号被放大，成为振荡电的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。路的输出信号。 稳幅的作用稳幅的作用就是，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 回到回到1 AF。 1 AF2. 起振和稳起振和稳幅幅第7页/共55页4放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路）4反馈网络（构成正反馈的）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，选频网络

6、（选择满足相位平衡条件的一个频率， 经常与反馈网络合二为一。）经常与反馈网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节3. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分第8页/共55页|AF|1|AF|=1选频网络选频网络。选频网络选频网络可设在可设在 中或中或 中。中。FA。第9页/共55页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9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路第10页/共55页 .反馈网络反馈网络:由由RC串并联电路构成，串并联电路构成，反馈网络兼反馈网络兼 做做选频网络选频网络。RC桥式正弦波桥式

7、正弦波振荡电路振荡电路1. 电路组成电路组成 .基本放大电路基本放大电路:由运放由运放组成的同相比例放大电路组成的同相比例放大电路构成。构成。.关于关于选频选频的概念的概念第11页/共55页2 2、RC串并联选频网络的选频特性212ofZZZVVFV RRCjCjRR 11 RCRCj 131 RCjRCjRRCjR 1/)/1 (1/）（令令0=1/RC 0031jFV)j/1(1CRZ )j/1/(2CRZ RCR j1 第12页/共55页RC串并联选频网络的频率特性 0031jFV=0=1/RCRC串并联网络的频率特性曲线串并联网络的频率特性曲线 改变改变RC可可调节谐振频调节谐振频率。

8、率。00,31,21max0 fVFRCff 则则或或当当第13页/共55页此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电路满足相用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件位平衡条件则振荡电路满足振幅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电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波RCf210 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率正弦波振荡电路一般用于产生频率低于低于 1 MHz 的的正弦波正弦波3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理第14页/共55页采用非线性元件采用非线性元件4热敏

9、元件热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，311f RRAV1 VVFA则则热敏电阻的作用热敏电阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA4. 稳幅措稳幅措施施问题：问题：Rf应选具有正的温度系数，还是负的？应选具有正的温度系数，还是负的？第15页/共55页采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4场效应管（场效应管（JFET）31DS3p3 RRRAV稳幅原理稳幅原理 oV )(GS负负值值V DSR1 VVFA稳幅稳幅 VA34 DCR 、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻 vDS iD vGS=0V -1V -2V

10、 -3V 3 VA可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不不同而变化同而变化第16页/共55页采用非线性元件采用非线性元件4二极管二极管稳幅原理稳幅原理 oV3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA31132 RRRAV起振时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 3R4. 稳幅措施稳幅措施稳幅环节稳幅环节第17页/共55页.试分析试分析D1、D2自动稳幅原理；自动稳幅原理；.估算输出电压估算输出电压V0m；(VD=0.6V).试画出若试画出若R2短路时，输出电压短路时，输出电压V0的波形；的波形；.试画出若试画出若R2开路时，输出电压开路时，输出电压V0

11、的波形；的波形；.稳幅原理稳幅原理 当当v0 0幅值很小时，幅值很小时， D1、D2接近开路，接近开路，R3=2.7K。 3 . 3/1132 RRRRAV 当当v0 0幅值较大时，幅值较大时， D1或或D2导通，导通，R3减小，减小，AV下降。下降。第18页/共55页 31 . 5/1 . 51 . 93 KKRKAV稳稳幅幅时时：KR1 . 13 IKVI1.16.0 KKKVIm1 . 91 . 51 . 10 又又KKKVKVm1 . 91 . 51 . 16 . 03 .150 V35.8 .估算输出电压估算输出电压V0m (VD=0.6V)第19页/共55页. .若R R2 2短路

12、时(4). 若若R2开路时，输出电压开路时，输出电压V0的波形的波形当当R2短路，则短路，则AV0 时，时， vOmax +VCCvI 0 时，时， vOmax -VCC（过零比较器）（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下 MCCCC VVV 假假设设- -VCCvO+VCC电压比较器电压比较器第40页/共55页电压比较器电压比较器特点：特点：1. 单门限电压比较器单门限电压比较器开环，开环，虚短虚短不成立不成立增益增益A0大于大于105 当输入为正负对称的正弦波时，输当输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。出为方波。电压传输特性电压传输特性- -VCCvO+V

13、CC（1）过零比较器）过零比较器第41页/共55页电压比较器电压比较器1. 单门限电压比较器单门限电压比较器电压传输特性电压传输特性（门限电压为（门限电压为VREF）（2）门限电压不为零的比较）门限电压不为零的比较器器第42页/共55页电压比较器电压比较器1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（2）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器（门限电压为（门限电压为VREF）(a) VREF0时时(b) VREF2V时时 (c) VREF4V时时 vI为峰值为峰值6V的三角波，设的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。，运放为理想器件。 第43页/共55页电压比较器电压比较器（1）电路组成电

14、路组成（2）门限电压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 21OL221REF1TRRVRRRVRV 上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压回差电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV 2. 迟滞比较器迟滞比较器(自自学学)第44页/共55页电压比较器电压比较器2. 迟滞比较器迟滞比较器（3 3）传输特性传输特性21OH221REF1TRRV

15、RRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 第45页/共55页解：解： （1）门限电压）门限电压（3）输出电压波形输出电压波形电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图电路如图所示，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所示输入信号下的输出电压波形。压波形。（2）传输特性）传输特性V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V例第46页/共55页通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：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，通常工作在开环或正反馈

16、状态和非线性区，其输出电）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平压只有高电平VOH和低电平和低电平VOL两种情况。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。）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）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向令令vPvN所求出的所求出的vI就是门限电压就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变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

17、还是反相输入方式跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式第47页/共55页电压比较器电压比较器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：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。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应时间是30200 ns。 相同条件下相同条件下741集成运算放大器的响应时间为集成运算

18、放大器的响应时间为30 s左右。左右。第48页/共55页方波产生电路方波产生电路1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路）稳压管双向稳压管双向限幅限幅第49页/共55页方波产生电路方波产生电路2. 工作原理工作原理 由于迟滞比较器中正反馈的作用，由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。假设为正向饱和状态假设为正向饱和状态第50页/共55页3. 占空比可变的方波产生电路占空比可变的方波产生电路方波产生电路方波产生电路第51页/共55页锯齿波产生电路锯齿波产生电路end同相输入迟滞比同相输入迟滞比较器较器积分电路积分电路充放电时间常数充放电时间常数不同不同第52页/共55页本章习题；（做在本上做在本上）；（课堂讲解课堂讲解）第53页/共55页 电路如图题所示，试用相位平衡条件判断哪个电路可能振荡，哪个不能，并简述理由。oa180 RC/10 of0 ofa360 ooa3600 或或 RC/10 of0 ofa0 题解解： 图题图题所示电路不能振荡。用瞬时（变化）极性法分析可知，从所示电路不能振荡。用瞬时（变化）极性法分析可知，从T1栅极断开，栅极断开，加一加一“（）（）”信号，则从信号，则从 T2射极输出