模电第09章信号处理与信号产生电路

第九章信号处理与信号产生电路重点：

1.了解有源滤波器的类型与滤波原理；

2.理解正弦波振荡电路自激振荡的条件;3.理解LC振荡电路和RC振荡电路的工作原理。

4.理解电压比较器的工作原理和应用。（1-2）§9.1滤波电路的基本概念与分类二、滤波电路的分类1.按信号性质分类：模拟滤波器和数字滤波器2.按所用元件分类：无源滤波器和有源滤波器3.按阶数分类：一阶，二阶…高阶4.按电路功能分类：低通滤波器;高通滤波器;带通滤波器;带阻滤波器滤波器+ui-+uo-一、什么是滤波——使所需要的频率信号能顺利通过滤波电路达到输出端口，抑制(过滤)不需要的频率信号，这种选择频率的功能称为滤波。输入信号频率是变的经滤波后输出信号（1-3）低通高通带通带阻四种典型滤波器的频率特性Uo—UiUo—UiUo—UiUo—Ui三、滤波电路作用的描述——用电压增益~频率的关系来描述,称为传递函数。（1-4）§9.2一阶有源滤波电路一、一阶有源低通滤波器1、电路RR1RfC+-+vivo2.频率响应(传递函数)令:o=1/RC幅频特性:无源低通滤波器幅频响应波特图:10

/o0-20A20lg|—|Ao1

-3o

:上限截止频率-20dB/十倍频程输出频率范围:=0~o（1-5）二、一阶有源高通滤波器1、电路2.频率响应(传递函数)令:o=1/RC幅频特性:无源高通滤波器幅频响应波特图:1

-3-++RR1RfCvivoo

:下限截止频率输出频率范围:=o

~三、一阶有源滤波器优缺点优点:电路简单;缺点:衰减太慢。20dB/十倍频程/o0-20A20lg|—|Ao0.1（1-6）§9.3高阶有源滤波电路(≥2阶)一、二阶有源低通滤波器1、电路联立求解得:二阶（1-7）2.频率响应(传递函数)将s=j代入上述方程得:其中：Ao——通带增益——特征角频率——等效品质因数幅频特性:越大A越小。波特图如右图。阶数越高,衰减越快,曲线越陡。-40dB/十倍频程（1-8）

将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。2.频率响应(传递函数)二、二阶有源高通滤波器1、电路Ao,C,Q——与低通相同。幅频特性:可见：越大A越大。波特图斜率40dB/十倍频程。（1-9）当满足L<H时,输出频率范围:=L~H2.实际电路——p426图3.1.11以及p429图3.1.13。低通截止角频率:高通截止角频率:三、有源带通滤波电路1.电路组成原理——可由低通和高通串联组成低通高通vivo|A|H低通|A|L高通|A|LH通带（1-10）例1计算下图电路的输出频率范围。低通截止频率:高通截止频率:输出频率范围:=(88~1.1×104)Hz（1-11）高通低通3.二阶有源带通滤波电路

若设：则：波特图传递函数通频带:BW=o/(2Q)（1-12）当满足L>H时,输出频率阻隔范围:=L~H低通截止角频率:高通截止角频率:三、有源带阻滤波电路1.电路组成原理——可由低通和高通并联组成|A|H低通|A|L高通低通高通vivo|A|HL阻带（1-13）2.二阶有源带阻滤波电路(双T带阻滤波电路)传递函数双T选频网络若设：则：Ao=AVF可见：=0A=A0=A=A0=0A=0——带阻（1-14）§9.5正弦波振荡器的振荡条件振荡器:能自激振荡产生周期性输出波形的电路。正弦波振荡器:能自激振荡产生正弦输出电压的电路。一.维持自激振荡的条件1.自激振荡?基本放大电路A.Xi...Xo=A·Xi正反馈..Xf=Xi反馈电路F21如果将开关从1打至2

基本放大电路A.Xi...Xo=A·Xi正反馈..Xf=Xi反馈电路F21.则去掉Xi.Xo不变反馈信号代替输入信号并维持输出不变——称自激振荡（1-15）2.维持自激振荡的条件?基本放大电路A.Xi...Xo=A·Xi正反馈..Xf=Xi反馈电路F21..——Xf=Xi即:Xff

=Xii(1)Xf=Xi——幅值平衡条件(2)f

=i——相位平衡条件(正反馈)由反馈环:维持振荡条件的另一种形式：上式可写为:AA

FF=1(1)A·F

=1——幅值平衡条件(2)A

+F=2n(n是整数)——相位平衡条件(正反馈)相位条件:通过正反馈实现；振幅条件:通过调整A或F达到。（1-16）二、振荡的建立与稳定实际中的振荡器根本无事先输入xi

，那么振荡是如何建立起来的？1.起振条件?

放大电路中存在噪声以及电源接通等瞬态扰动,这些微弱的信号使xd≠0,当电路满足:(1)A

+F=2n——采用正反馈(2)A·F

>1基本放大电路A.Xo正反馈.Xf反馈电路F.Xd.Xd.Xo.Xf.Xd

.Xo……起振

当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真——称为稳幅。AF=1能否起振?（1-17）2.稳幅稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从A·F

>1

回到A·F

=1。稳幅措施:(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。三、振荡频率的选择上述自激振荡电路的输出波形是无规则的。为了得到正弦波输出,应该加一个筛选频率的电路——选频网络。基本放大电路A.Xo正反馈.Xf反馈电路F.Xd选频网络（1-18）小结1.起振条件(1)A

+F=2n——采用正反馈(2)A·F

>12.维持振荡的条件(1)A·F

=1——幅值平衡条件(2)A

+F=2n(n是整数)——相位平衡条件(正反馈)3.正弦波振荡器的组成(1)放大电路(包括负反馈放大电路)(2)反馈网络(构成正反馈的)(3)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,常用的有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)（1-19）§9.6RC正弦波振荡电路一.电路组成voRfRCRCR1A-+RC

选频兼正反馈网络放大网络二.RC选频正反馈网络——把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。1.电路+vf

-+vo-RCRC+vf-（1-20）2.选频特性当RC=1/RC时,vf~vo同相且Vf最大。此时:结论:若vo由多种频率信号组成的话,必有一个频率=0的信号,该频率0信号的vf~vo同相且Vf最大。+vo-RCRC+vf-（1-21）三.RC振荡器工作原理1.起振和维持振荡的相位条件用瞬时极性法判断:voRfRCRCR1A-++vf

-必有一个频率=0的信号,使电路产生正反馈,满足相位平衡条件。2.维持振荡的幅值条件必有一个信号的频率=0使:根据Av·F

=1,取:3.输出电压频率电路输出频率为fo

的正弦波:——满足幅值平衡条件（1-22）热敏电阻5.RC正弦波振荡电路原理简述频率为

fo

的信号再经过正反馈、放大……的循环最终稳定在某一值,输出f

=fo正弦波。而频率≠fo

的信号经过负反馈、缩小……的循环最终被削弱为0。该电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波。voRfRCRCR1A-+起振时:符合Av·F

>1的条件,可以起振起振后Rf温度Rf阻值当Av·F

=1时稳幅4.起振条件和稳幅措施

——采用非线性元件,如采用热敏电阻。（1-23）R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20k=1592Hz起振条件：例1（1-24）四.RC移相式振荡电路1.RC超前移相电路的移相原理(1)单级电路+.Vi-+.Vo-RC结论:当vi的频率=0~时,

vo超前vi的角度=90º~0º(2)多级电路三级电路中:vi频率=0~vo超前移相=270º~0º必有一个频率=0的信号,使vo超前移相=180º（1-25）+.Vi-+.Vo-RC2.RC滞后移相电路的移相原理(1)单级电路结论:当vi的频率=0~时,

vo滞后vi的角度=0º~90º(2)多级电路三级电路中:vi频率=0~vo滞后移相=0º~270º必有一个频率=0的信号,使vo滞后移相=180º（1-26）3.RC移相式振荡电路(1)原理频率为

fo

的噪声信号经过A放大后反相180º,再经过三级移相电路移相180º实现正反馈……的循环,

最终稳定在某一值,输出f

=fo正弦波。而频率≠fo

的信号经过负反馈、缩小……的循环最终被削弱为0。(2)输出电压频率（1-27）§9.7LC正弦波振荡器一.LC选频网络1.电路当即:(1)vo~ic同相;(2)Vo/Ic=|Z|最大;(3)Ic恒定时Vo最大。CLR.Ic+.Vo-（1-28）MLCCgRgRVDDT2.相位平衡条件用瞬时极性法判断:3.幅值平衡条件通过选择场效应管增益和调整变压器的匝数比,可以满足A·F

>1,从而使电路起振。二、变压器反馈式LC振荡电路(定性分析)1.电路4.稳幅

T进入非线性区,从而幅值不再增加,达到稳幅目的。5.输出频率vo=频率为fo的正弦波:+--必有一个频率=0的信号,使电路产生正反馈,满足相位平衡条件。（1-29）(2)电容三点式三.三点式LC振荡电路1.LC选频正反馈网络输入输出极性关系(1)电感三点式uf与uo反相uf与uo同相uf与uo反相uf与uo同相（1-30）2.电感三点式LC振荡电路(1)电路(2)起振判断相位条件判断：–++––++——M为L1、L2之间的互感——正反馈幅值条件判断——同前一电路(3)工作原理:——同前一电路(4)指标计算-（1-31）例1满足相位平衡条件试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?（1-32）3.电容三点式LC振荡电路(1)电路(2)起振判断相位条件判断：——正反馈幅值条件判断——同前一电路(3)工作原理:——同前一电路(4)指标计算–++––++-（1-33）试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?满足相位平衡条件例2（1-34）试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?例3满足相位平衡条件（1-35）四.石英晶体振荡电路1.石英晶体(1)结构(2)基本特性极板间加电压极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电压若加交变电压机械振动交变电压当交变电压频率=晶体固有频率时符号——称压电效应Sio2振幅最大

——称压电谐振。谐振时的频率fs称为固有频率。晶体机械振动的固有频率fs与晶片尺寸有关,稳定性高。（1-36）当信号频率略大于fs时:

并联型石英晶体相当一个大电感,与C1、C2组成电容三点式振荡器。工作原理与电容三点式振荡器相同。2.石英晶体振荡电路(1)并联型石英晶体振荡器（1-37）(2)串联型石英晶体振荡器当信号频率=fs时:

串联型石英晶体相当一个R≈0纯电阻,谐振时正反馈最强,相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于固有频率fs以外的频率，石英晶体相当于RLC混接元件,阻抗增大,且相移不为零,不满足振荡条件,电路不振荡。（1-38）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？例3++–+满足相位平衡条件。并联型石英晶体相当一个大电感。（1-39）§9.8电压比较器——使用运算放大器的开环状态或正反馈状态一、运放工作在非线性状态基本分析方法1.运放工作在非线性状态的判定——电路开环或引入正反馈。2.运放工作在非线性状态的分析方法u-u+uo－+∞+i-i+(1)虚断

i+＝i-≈0(2)当u+＞u-时,uo

=+uom

当u+＜u-

时,uo

=-

uom“+uom”“-uom”——正负饱和值,略低于正负电源值。注意：无虚短！即:u+≠u-（1-40）二、单门限电压比较器1、电路组成uoui0+Uom-UomUR2、传输特性URuouiR2-++R1+–++––参考电压可见，在ui

=UR处输出电压uo发生跃变。阈值电压(门限电平)——输出跃变所对应的输入电压。饱和电压（1-41）URuouiR2-++R1+–++––3、波形uitOOuot+Uom–Uom若ui与uR对调，上述曲线如何变化？uoui0+Uom-UomURUR（1-42）三、过零比较器1、电路组成tuituo+Uom-UomuouiR2-++R1+–+–参考电压为0uoui0+Uom-Uom2、传输特性3、波形若ui接到“-”,上述曲线如何变化?（1-43）四、输出带限幅的电压比较器1、电路组成uo'RDZURuouiR2++–R1+–++––UZ–UZuiuoOUR2、传输特性设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo=–UZ（1-44）3、稳幅电路的另一种形式将双向稳压管接在负反馈回路中:uoui0+UZ-UZ当ui>0时,uo=-UZ当ui<0时,uo=+UZ

（1-45）解：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。

利用叠加原理可得理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vP＝vN＝0，即门限电压（1-46）五.迟滞比较器(滞回比较器)特点：使用正反馈,有两个门限电压。1、下行迟滞比较器(1)电路当uo=+UZ,需-Uom时:当uo=-UZ,需+Uom时:(2)工作原理因为有正反馈,所以运放输出处在饱和状态。当u-=ui>u+时,uo=-UZ当u-=ui<u+时,uo=+UZ只要ui>UT+,

uo=+UZ-UZUT+——上门限电压只要ui<UT-,uo=-UZ+UZUT-——下门限电压UT+-UT-——回差电压（1-47）uoui0+UZUT+UT--UZ(3)下行迟滞比较器的电压传输特性要点:分两个方向画ui=-+u-=ui很小时,uo=UZ,u+=UT+

,

当ui增加到UT+时,输出由UZ跳变到-UZ；ui=+-u-=ui很大时,uo=-UZ,u+=UT-

,当ui

减小到UT-时,输出由-UZ跳变到UZ

。（1-48）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：uoui08V3V传输特性+6V-6V（1-49）3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性+6V-6V（1-50）解：（1）门限电压（3）输出电压波形例电路如图所示，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。（2）传输特性（1-51）2、上行迟滞比较器(1)电路-++uoRR2R1uiUR(2)工作原理因为有正反馈,所以运放输出处在饱和状态。当u+>u-=UR时,uo=+Uom当u+<u-=UR时,uo=-Uom当uo=+Uom,需-Uom时:当uo=-Uom,需+Uom时:>UR只要u