模拟电子技术基础 第9章

1、 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 9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路9.1 滤波电路的滤波电路的基本概念与分类基本概念与分类9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器滤波电路的分类滤波电路的分类1. 按信号性质分类按信号性质分类3. 按电路功能分类按电路功能分类: 低通滤波器；高通滤波器；低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器带通滤波器；带阻滤波器2. 按所用元件分类按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波

2、器模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器4. 按阶数分类按阶数分类: 一阶，二阶一阶，二阶 高阶高阶9.1 滤波电路的滤波电路的基本概念及分类基本概念及分类1. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 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。)(Itv)(Otv滤波电路滤波电路滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义时，有时，有 j s)(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，相频响应时延响应为时延响应为)( d)(d)(s 滤波器：是一种能使有用频率

3、信号通过而同时抑制滤波器：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。或衰减无用频率信号的电子装置。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）有源滤波器的优点：有源滤波器的优点：1. 不使用电感元件，体积小重量轻。不使用电感元件，体积小重量轻。2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考路串

4、起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。虑级间影响。3. 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。调节。有源滤波器的缺点：有源滤波器的缺点：1. 不宜用于高频。不宜用于高频。2. 不宜在高电压、大电流情况下使用。不宜在高电压、大电流情况下使用。3.3.使用时需外接直流电源。使用时需外接直流电源。9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1. 低通滤波电路低通滤波电路n01)( sAsA 传递函数传递函数2n0)(1)j ( AA其中其中为特征角频率为特征角频率1f01RRA RC1n 故，幅频相应为故，幅频相应为o00707. 02)j (AAA衰减率为

5、衰减率为20dB/20dB/十倍频程，十倍频程，滤波特性不够好，滤波特性不够好，可采用高阶滤波电路。可采用高阶滤波电路。9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路2. 高高通滤波电路通滤波电路 可由低通和高可由低通和高通串联得到通串联得到1111CR 必须满足必须满足3. 带带通滤波电路通滤波电路RC+vPvIvOR1C1+vIR2C2+vOA0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO 1 2 AA0O 2 1通带通带阻带阻带阻带阻带低通特征角频率低通特征角频率2221CR 高通特征角频率高通特征角频率12 将低通滤波器中的将低通滤波器中的R、C 对调，低通滤波器对调，低通滤波器就变成了

6、高通滤波器。就变成了高通滤波器。9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路4. 带阻带阻滤波电路滤波电路 可由低通和高通并可由低通和高通并联得到联得到必须满足必须满足12 R1C1+vIR+vOR2C2+RRA0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO 1 2 AA0O 1 2通带通带阻带阻带通带通带 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），与理十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。要求不高的场合。9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波

7、电路1fF/1RRAV )()(PoFsVsVAV 压控电压源电路（压控电压源电路（VCVS）)(/1/1)(APsVsCRsCsV vIRf+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例vOvIRfC+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例RvOvICRfRC+vPR1放放大大电电路路同同相相比比例例vAARvOvICRfRC+vPR1放放大大电电路路同同相相比比例例vAARvO对于滤波电路，有对于滤波电路，有RsVsV)()(Ai sCsVsV/1)()(oA 0)()(PA RsVsV得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV

8、 （二阶）（二阶）9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路F0VAA RC1n 令令称为称为通带增益通带增益)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV F31VAQ 称为称为特征角频率特征角频率称为称为等效品质因数等效品质因数则则2nn22n0)( sQsAsA滤波电路才能稳定工作滤波电路才能稳定工作而不会产生自激振荡而不会产生自激振荡时时，即即当当 3 03 FF VVAA注意注意：电压放大倍数：电压放大倍数：oOoOuffAjffAA)3 ()(12RCfo21OAQ31OOOQAAAjA3)(其中其中off 则

9、则 时时若令若令用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数的频率响应： j s9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路2n22n0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应2nn)(1arctg)( QOufAAjA)(0)(jA0当当 时时 具有低通滤波特性具有低通滤波特性9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路1. 压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅

10、频响应波特图一阶低通和二阶低通一阶低通和二阶低通幅频特性曲线幅频特性曲线的区别：的区别：-3dBAF理想低通理想低通一阶低通一阶低通二阶低通二阶低通阶数越高，阶数越高，幅频特性曲线幅频特性曲线越接近理想滤波器。越接近理想滤波器。oioUU09.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路2. 压控电压源高通滤波电路压控电压源高通滤波电路 将低通电路中的电容和电将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。阻对换，便成为高通电路。传递函数传递函数2nn220)( sQssAsA2n22n0)(1)(1lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应归一化的幅频响应滤波电路才能稳滤波电路才能稳时时， 3

11、F VA定工作定工作9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路2. 压控电压源高通滤波电路压控电压源高通滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅频响应波特图9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路3. 压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路可由低通和高通串联得到可由低通和高通串联得到9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路3. 压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路令令传递函数传递函数2FF)()-(31)(sCRsCRAsCRAsAVV F31VAQ 得得20000)(1)( sQsQsAsA RC10 中心角频率中心角频率FF0-3VVAAA 带通电压增益带通电压增益最大电压增益

12、：最大电压增益：带通滤波器带宽带通滤波器带宽 BW=QfQ/)2/(00)3/()(ufufoAAjA9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路归一化的幅频响应波特图归一化的幅频响应波特图3. 压控电压源带通滤波电路压控电压源带通滤波电路带通滤波器带宽带通滤波器带宽 BW=QfQ/)2/(00 9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路4. 双双T带阻带阻滤波电路滤波电路双双T选频网络选频网络22221)(1)1 (21)1 (2RCRCjRCRssRCRZ)1(21)(2132CjRsCRZZ9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路4. 双双T带阻带阻滤波电路滤波电路频率响应频率响应)1(21)

13、(1)1 (2)1(21)()()(2313sCRsRCsRCRsCRZZZsVsVsFifnnnjjF/4)/(1 )/(1)(22)/(1 RCn9.3 二阶二阶有源滤波电路有源滤波电路4. 双双T带阻带阻滤波电路滤波电路双双T带阻滤波电路带阻滤波电路OOO运算电路与有源滤波器的比较运算电路与有源滤波器的比较 相同之处相同之处 电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。线性区。 均具有均具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点，均可用节点电的特点，均可用节点电流法求解电路。流法求解电路。 不同之处不同之处 运算电路研究的是时域问题，有源滤

14、波电路研究的运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，值的关系，后者是在输入电压幅值不变后者是在输入电压幅值不变的情况下测的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。量输出电压幅值与输入电压频率的关系。 运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。滤波特性。例例1 已

15、知已知 R = 160 k ，C = 0.01 F， R1 = 170 k ，Rf = 100 k ，求该滤波器的截止频率、通带增益及，求该滤波器的截止频率、通带增益及 Q 值。值。8CR1RfRCRoUiU 解解 RCf 21n z( 5 .99 1001. 0106012163nf588. 1170100111ff RRAuQ = 1/(3 Auf) = 1/(3 1.588) = 0.708Q = 0.707 时，时， fn = fH特征频率：特征频率：上限截止频率：上限截止频率：fH = 99.5 Hz8CR1RfRC1R3R2iUoU例例2 已知已知 R = 7.96 k ，C =

16、0.01 F， R3 = 15.92 k ，R1= 24.3 k ，Rf = 46.2 k , 求该电路的中心频率、带求该电路的中心频率、带宽宽 BW及通带最大增益及通带最大增益 Au0。 解解 RCf 210 zk( 21001. 0107.9621639 . 23 .242 .46111ff RRAuQ = 1/(3 Auf)= 1/(3 2.9) = 10BW = f0 /Q= 2 000 /10 = 200 (Hz)Au0 = Auf /(3 Auf)= 2.9 /(3 2.9 ) = 291 vfAHzfc723 二阶低通滤波电路仿真实验。图中二阶低通滤波电路仿真实验。图中5 . 0

17、 Q二阶高通滤波电路仿真实验。图中二阶高通滤波电路仿真实验。图中1 vfAHzfc3 .72 5 . 0 Q3 vfAHzfc723 二阶低通滤波电路产生自激仿真实验二阶低通滤波电路产生自激仿真实验5.0 Q9.5 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1. 振荡条件振荡条件2. 起振和稳幅起振和稳幅3. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分 正反馈放大电正反馈放大电路如图示。（注意路如图示。（注意与负反馈方框图的与负反馈方框图的差别）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

18、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 n2)()(fa 相位平衡条件相位平衡条件起振条件起振条件2. 起振和稳幅起振和稳幅电路器件内部噪声电路器件内部噪声1)()( FA n2)()(fa 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现继续增加，否则波形将出现非线性失真非线性失真。 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的噪的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。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

19、稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从程度时，使振幅平衡条件从 回到回到1 AF。 1 AF2. 起振和稳幅起振和稳幅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）3. 基本组成部分基本组成部分4反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）4稳幅环节稳幅环节4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率，经选频网络（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。）常与反馈网络合二为一。）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

20、4. 稳幅措施稳幅措施 用用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这选频网络有多种，这里只介绍里只介绍文氏桥选频电路文氏桥选频电路。R1C1R2C2iUoU选频电路选频电路1. 电路组成电路组成)1( j)1 (112211221CRCRCCRRUUio1221212CRfCRfoo时，相移为时，相移为0 0。R1C1R2C2iUoU1. 电路组成电路组成212121CCRRfo如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：，则：RCfo21)( j31ffffUUooio)(31arctg

21、ffffoo22)(31ffffUUooio传递函数：传递函数：相频特性：相频特性：幅频特性：幅频特性：fofioUU31+90 90 f01. 电路组成电路组成反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络用运放组成的用运放组成的RC振荡器振荡器反馈系数反馈系数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)()()(ofsVsVsFV 幅频响应幅频响应又又212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 则则)( j3100 VF2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctg00f 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当当2002)(3

22、1 VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值3)(arctg00f RCffRC 21 100 或或31max VF相频响应相频响应0f 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此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件电路满足相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， n2fa (+)(+)(+)(+)Av311f 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RCf 210 RC RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用

23、于产生频率低于 1 MHz 1 MHz 的正弦波的正弦波采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，311f RRAV即即1 VVFA热敏电阻的作用热敏电阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 温度温度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA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 DSR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA34 CRD、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V可变电

24、阻区，斜率可变电阻区，斜率随随vGS不同而变化不同而变化采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4二极管二极管end正弦波发生器由文氏电桥电路组成，其仿真输出波形如图所示。正弦波发生器由文氏电桥电路组成，其仿真输出波形如图所示。正弦波发生器电路仿真实验。正弦波发生器电路仿真实验。9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路9.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1. 等效阻抗等效阻抗9.7.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路

25、选频特性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IQIICL即即III CL2. 频率响应频率响应9.7.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路1. 电路结构电路结构2. 相位平衡条件相位平衡条件3. 幅值平衡条件幅值平衡条件 通过选择高通过选择高 值的值的BJ

26、T和调和调整变压器的匝数比，可以满足整变压器的匝数比，可以满足1 FA，电路可以起振。，电路可以起振。（定性分析）（定性分析） 虽然波形出现了失真，但由于虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的谐振电路的Q值值很高，选频特性好，所以仍能选出很高，选频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。4. 稳幅稳幅5. 选频选频 BJT进入非线性区，波形进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。的。VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT9.7.2 变压器反馈式变压器

27、反馈式LC振荡电路振荡电路反馈反馈判断是否是正反馈判断是否是正反馈:用用瞬瞬时极性法时极性法判断判断利用利用1：晶体管共射极放大：晶体管共射极放大器，集电极电位变化与基极器，集电极电位变化与基极反相，发射极与基极同相。反相，发射极与基极同相。利用利用2：互感线圈的同极：互感线圈的同极性端电位变化相位相同。性端电位变化相位相同。(+)(+)(+)(+)反馈反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络A. 若中间点交流接地，则首端与若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。尾端相位相反。9.7.3 三点式三点式L

28、C振荡电路振荡电路1. 三点式三点式LC并联电路并联电路C1C2首端首端尾端尾端中间端中间端L电容三点式电容三点式C首端首端尾端尾端中间端中间端L1L2电感三点式电感三点式 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。9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路2. 2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路3. 3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，

29、选频特性越好，频率越稳定。9.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路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 10000 5000009.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路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

30、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9.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2. 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等效电路等效电路LCf 21s A. A. 串联谐振串联谐振特性特性 晶 体 等 效 阻晶 体 等 效 阻抗为纯阻性抗为纯阻性0p121CCLCf B. B. 并联谐振并联谐振通常通常0CC 0s1CCf 所以所以很很接接近近与与 psff机械振动的惯性等机械振动的惯性等效为电感效为电感L L晶片的弹性等效为晶片的弹性等效为电容

31、电容C C晶片的摩擦损耗等效晶片的摩擦损耗等效为电阻为电阻R R9.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路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 9.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路end电路的振荡频率必须在电路的振荡频率必须在

32、 和和 石英晶体的之间，晶石英晶体的之间，晶体在电路中起电感的作用。体在电路中起电感的作用。sp9.8 9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.1 比较器比较器9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路单门限电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器迟滞比较器限幅器限幅器9.8.1 电压比较器电压比较器比较器比较器单门限电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器迟滞比较器限幅器限幅器窗口比较器窗口比较器 电压比较器是对输入信号进行鉴别比较的电路，是组成电压比较器是对输入信号进行鉴别比较的电路，是组成非正弦发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着广非正弦发生电

33、路的基本单元电路，在测量和控制中有着广泛的应用。泛的应用。电压比较器的电压传输特性：电压比较器的电压传输特性： 电压比较器的输出电压与输入电压的函数关系电压比较器的输出电压与输入电压的函数关系u uo o=f(u=f(ui i) )一般用曲线来描述，称为一般用曲线来描述，称为电压传输特性电压传输特性 输入电压输入电压u ui i是模拟信号，输出电压是模拟信号，输出电压u uo o只有两种可能的状只有两种可能的状态，不是态，不是高电平高电平U UOHOH就是就是低电平低电平U UOLOL ，用以表示比较结果，用以表示比较结果 使输出电压使输出电压u uo o从从U UOHOH跃变为跃变为U UO

34、LOL；或使输出电压从；或使输出电压从U UOLOL跃变为跃变为U UOHOH的输入电压为的输入电压为阀值电压阀值电压U UT T( (或门限电压或门限电压) )正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：（1 1）输出电压的高电平）输出电压的高电平U UOHOH、低电平、低电平U UOLOL（2 2）阀值电压）阀值电压U UT T（3 3）当）当u ui i变化且经过阀值电压变化且经过阀值电压U UT T时，时， u uo o跃变的方跃变的方 向，是从向，是从U UOHOH跃变为跃变为U UOLOL，还是从，还是从U UOLOL跃变为跃变为U UO

35、HOH电压比较器的种类：电压比较器的种类： 电路只有一个阀值电压电路只有一个阀值电压U UT T ，输入电压，输入电压u ui i逐渐增大或逐渐增大或减小过程中，通过减小过程中，通过U UT T时，输出电压时，输出电压u uo o产生跃变从产生跃变从U UOHOH跃变跃变为为U UOLOL；或从；或从U UOLOL跃变为跃变为U UOHOH（1 1）单门限电压比较器）单门限电压比较器 电路有两个阀值电压电路有两个阀值电压U UT T ，输入电压，输入电压u ui i从小变大过程从小变大过程中使输出电压中使输出电压u uo o产生跃变的阀值电压产生跃变的阀值电压U UT1T1，不等于从大变，不等

36、于从大变小过程中使输出电压小过程中使输出电压u uo o产生跃变的阀值电压产生跃变的阀值电压U UT2T2，电路具，电路具有有迟滞特性。迟滞特性。（2 2）迟滞比较器迟滞比较器vOVOHVOLvIOuoui0+UoM-UOLUT2UT1（3 3）窗口比较器）窗口比较器 电路有两个阀值电压电路有两个阀值电压U UT T，输入电压，输入电压u ui i从小变大或从小变大或从大变从大变小小过程中使输出电压过程中使输出电压u uo o产生两次跃变产生两次跃变uiuo0ULUHUOHUOL集成运放的非线性工作区集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引

37、入正反馈理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：2) 2) u uP P u uN N时，时， u uO OU UOM OM u uP P 0 时，时， vOmax = +VCCvI 0 时，时， vOmax = -VEE（过零比较器）（过零比较器） MCCEE VVV 假假设设9.8.1 比较器比较器vIvO- -+A+VCC-VEE1. 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（1 1）过零比较器）过零比较器 vI O T 2 3 4 t 输入为正负对称的正弦波输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性vOVOHVOLvIOVui0OH

38、oUuVui0OLoUu当输入电压当输入电压 时时 0VOHVOLVOt思考思考 1. 1. 若过零比较器如图所若过零比较器如图所示，则它的电压传输特性将是示，则它的电压传输特性将是怎样的？怎样的？ 2. 2. 输入为正负对称的正弦输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？波时，输出波形是怎样的？vIvO+ +- -A+VCC-VEEvOVOHVOLvIO vI O T 2 3 4 t 0VOHVOLVOt9.8.1 比较器比较器vIvO- -+A+VCC-VEEVREF1. 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（2 2）门限电压不为零的比较器）门限电压不为零的比较器电压传输特性电压传输特

39、性vOVOHVOLvIOVREF输入为正负对称的正弦波时，输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。输出波形如图所示。OHoUuREFiVu OLoUuREFiVu 当输入电压当输入电压 时时 vI O T 2 3 4 t 0VOHVOLVOtVREF1VREF29.8.1 比较器比较器1. 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（3 3）一般单限比较器）一般单限比较器电压传输特性电压传输特性根据叠加原理，反相输入端的电位：根据叠加原理，反相输入端的电位：RiNuRRRuRRRu212211令令 时时 PNuu RTURRU12阀值电压阀值电压UTR1R2VRViVo求出的求出的u ui i

40、即为阀值电压即为阀值电压U UT TvOVOHVOLvIVT0REFURR12 单门限电压比较器如图示，求门限电压单门限电压比较器如图示，求门限电压V VT T, ,画出其电压画出其电压传输特性。设运放输出的高低电平分别为传输特性。设运放输出的高低电平分别为V VOHOH 和和V VOLOL例题例题:根据叠加原理，反相输入端的电位：根据叠加原理，反相输入端的电位：iREFPuRRRVRRRu211212 REFTURRU12 阀值电压阀值电压UT求出的求出的u ui i即为阀值电压即为阀值电压U UT TPNuu 输出电压发生跳变时有输出电压发生跳变时有又，又， 0 NuvOVOHVOLvIV

41、T0REFURR12 （1 1）写出写出 uP、uN的表达式，令的表达式，令uP uN，求解出的，求解出的 uI即为即为UT；（2 2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。电压的跃变方向。为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。二极管限幅电路使净输二极管限幅电路使净输入电压最大值为入电压最大值为UD不可缺少！不可缺少！UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1) 为满足

42、负载的需要，获得合适的为满足负载的需要，获得合适的U UOHOH 、U UOLOL，常在输常在输出端加稳压管限幅电路出端加稳压管限幅电路电压比较器的分析方法：电压比较器的分析方法：2. 2. 迟滞比较器迟滞比较器从电路中看出，从电路中看出，u uo o= =U UZ Z运放反相输入端电位运放反相输入端电位令令ZPURRRu211PNuu iNuu ZTURRRU211运放同相输入端电位运放同相输入端电位求出的就是阀值电压求出的就是阀值电压输出电压在输入电压等于阀值电压时的变化情况：输出电压在输入电压等于阀值电压时的变化情况：设设ui+UT ,那么那么uN一定大于一定大于uP，因而因而uo=-U

43、Z只有当输入电压只有当输入电压u ui i减小到减小到-U-UT T，再再减小减小一个无穷一个无穷小量时，小量时，u uo o才会才会从从-U-UZ Z跃变为跃变为+ +UZ同理同理电压传输特性电压传输特性所以所以up=+UT所以所以up=-UT0u0ui+UT-UT+UZ-UZPuNuROHTURRRURRRU212211 ROLTURRRURRRU212211 2. 2. 迟滞比较器迟滞比较器上下限：上下限：uoui0UT+UT-传输特性传输特性+UOM-UOM例题例题1 1：R R1 1=10k=10k ，R R2 2=20k =20k ，U UOMOM=12V=12V， U UR R=

44、9V,=9V,当输当输入入u ui i为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出u uo o的波形。的波形。上下限：上下限：ROMHURRRURRRU212211 =10VROMLURRRURRRU212211 =2Vuoui02V10Vuiuo+UOM-UOM+uoRR2R1uiURuoui0U+HU+L传输特性传输特性+UOM-UOM2V10V3. 3. 窗口比较器窗口比较器图示电路为双限比较器，外加参考电压图示电路为双限比较器，外加参考电压U URHRH U URLRL，电阻电阻R R1 1、R R2 2和和D DZ Z构成限幅电路。构成限幅电路。当输入电压当输入电压U U

45、I I大于大于U URHRH时，时，必然大于必然大于U URLRL所以所以A A1 1的输出为的输出为U UO1O1=+U=+UOMOM，A A2 2的输出的输出为为U UO2O2=-U=-UOMOM二极管二极管D D1 1导通、导通、D D2 2截止截止，稳压管，稳压管D DZ Z工作在稳压状态，输出电压为工作在稳压状态，输出电压为U UO O=+U=+UZ Z当输入电压当输入电压U UI I小于小于U URLRL时，时，必然小于必然小于U URHRH所以所以A A1 1的输出为的输出为U UO1 O1 =-U=-UOM OM ，A A2 2的的输出为输出为U UO2 O2 =+U=+UOM

46、OM二极管二极管D D2 2导通、导通、 D D1 1截止截止，稳压管，稳压管D DZ Z工作在稳压状态，输出电压为工作在稳压状态，输出电压为U UO O=+U=+UZ Z当当U URLRLu ui i U URHRH时，时，u uo1o1=u=uo2o2=-U=-UOMOM二极管二极管D D1 1、D D2 2截止，稳压管截止，稳压管D DZ Z截止截止状态，输出电压为状态，输出电压为U UO O=0=0URHURLUOHuoui0UOL电压传输特性电压传输特性3. 3. 限幅器限幅器tuiu0tUZ +UF-(UZ +UF)-+AuoR1RFuiDZR+1. 1. 双向稳压管接于输出端双向

47、稳压管接于输出端R R 限流电阻限流电阻一般取一般取100 100 特点：电路中的运放处于线性放大状态，但外围电路特点：电路中的运放处于线性放大状态，但外围电路有非线性元件（二极管、稳压二极管）。有非线性元件（二极管、稳压二极管）。D DZ Z双向稳压管双向稳压管UZ稳压值稳压值, UF正向压降正向压降-+AuoR1RFuiDZR+uoui0传输特性传输特性DZ-+AuoR1RFui+2.2.双向稳压管接于负反馈回路上双向稳压管接于负反馈回路上UZ +UF-(UZ +UF)+UOM-UOM通过分析电压比较器，可得出如下结论：通过分析电压比较器，可得出如下结论：1 1 在电压比较器中，集成运放工

48、作在非在电压比较器中，集成运放工作在非 线性区，输出电压只有高电平和低电平线性区，输出电压只有高电平和低电平两种情况。两种情况。2 2 一般用电压传输特性描述输出电压与一般用电压传输特性描述输出电压与输入电压的函数关系。输入电压的函数关系。3 3 电压传输特性的三个要素是输出电压的高、电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阀值电压和输出电压的跃变方向。低电平，阀值电压和输出电压的跃变方向。 输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令u uN N=u=uP P求出的求出的u ui i就是阀值电压；就是阀值电压； u ui i等于阀值电压时输出电等于阀值电

49、压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。是反相输入端。试分别求出图示各电路的电压传输特性。试分别求出图示各电路的电压传输特性。例题例题2 2图（图（a a）所示电路为同相输入的过零比较器；）所示电路为同相输入的过零比较器；图（图（a）电路的电压传输特性如图所示电路的电压传输特性如图所示解：解：图（图（b b）所示电路为）所示电路为同相输入的滞回比较器，同相输入的滞回比较器， 两个阈值电压为两个阈值电压为U UT TU UZ Z。电路的电压传输特性电路的电压传输特性如图所示如图所示图（图（b）0)(111111 NiZPuU

50、RRRURRRU试分别求解图示各电路的电压传输特性。试分别求解图示各电路的电压传输特性。（1）图（图（1 1）所示电路为单限比较器，）所示电路为单限比较器，解：解：电压传输特性如解图所示电压传输特性如解图所示u uO OU UZ Z8V8V，U UT T3V3V，例题例题3 3（2）U UOLOLU UD D0.2V0.2V，U UOHOHU UZ Z6V6V，U UT T0V0V。图（图（2 2）所示电路为过零比较器，）所示电路为过零比较器，电压传输特性如图所示电压传输特性如图所示思考题思考题（3） 图（图（3 3）所示电路为）所示电路为反相输入的滞回比较器，反相输入的滞回比较器，u uO

51、OU UZ Z6V6V。令。令INREF212O211PuuURRRuRRRu求出阈值电压求出阈值电压 U UT1T10 V 0 V U UT2T24 V4 V电压传输特性如图所示。电压传输特性如图所示。（4）V3NO211I212P uuRRRuRRRuVVT2T15 .75 .1 UU图（图（4 4）所示电路为）所示电路为同相输入的滞回比较器，同相输入的滞回比较器，u uO OU UZ Z6V6V。令。令 得出阈值电压得出阈值电压 电压传输特性如图所示。电压传输特性如图所示。（5）图（图（5 5）所示电路为窗口比较器，）所示电路为窗口比较器，u uO OU UZ Z5V5V，U UT T3

52、V3V，电压传输特性如图所示。电压传输特性如图所示。电路如图所示。电路如图所示。例题例题4 4（1 1）分别说明）分别说明A1A1和和A2A2各构成哪种基本电路；各构成哪种基本电路；（2 2）求出）求出u uO1O1与与u uO O的关系曲线的关系曲线u uO1O1f f（u uO O）；）； （3 3）求出）求出u uO O与与u uO1O1的运算关系式的运算关系式u uO Of f（u uO1O1）；）；（4 4）定性画出）定性画出u uO1O1与与u uO O的波形；的波形；（5 5）说明若要提高振荡频率，则可以改变哪）说明若要提高振荡频率，则可以改变哪些电路参数，如何改变。些电路参数，

53、如何改变。 0)(21N1OO1O212O1211P1uuuuRRRuRRRuV8T U（1 1）A A1 1：滞回比较器；：滞回比较器；A A2 2：积分运算电路。：积分运算电路。可得可得u uO1O1与与u uO O的关系曲线如解图（的关系曲线如解图（a a）所示。）所示。解：解：（2）根据根据（a）求出的求出的u uo o即为即为U UT T令令PNuu )()(2000 )()(11O12O11O12O14OtuttututtuCRuu uO O与与u uO1O1的运算关系式的运算关系式 （3 3）（4 4）u uO1O1与与u uO O的波形如解图（的波形如解图（b b）所示。）所示。要提高振荡频率，要提高振荡频率，可以减小可以减小R R4 4、C C、R R1 1或增大或增大R R2 2。（5）例题例题5 5设计一个电压比较器，使其电压传输特性设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图示，所用电阻值在如图示，所用电阻值在2020100K100Kuoui6-63-30根据电压传输特性可知，根据电压传输特性可知，VUuZo6VUUTT3210211212NoiPuuRRRuRRRuVVR