第9章信号处理与信号产生电路课件.ppt

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1、1,课程内容与学时安排,模 拟 电 子 技 术,第1章 绪论 2学时,第3章 二极管及其应用电路 4学时,第4章 双极结型三极管及放大电路基础 14学时,第6章 模拟集成电路 6学时,第7章 反馈放大电路 7学时,第9章 信号处理与信号产生电路 6学时,第8章 功率放大电路 3学时,第10章 直流稳压电源 2学时,共：52学时,第2章 运算放大器 4学时,第5章 场效应管放大电路 4学时,核心、基础,2个器件,BJT,FET,二极管,核心内容(关键词),1个电路,三极管,放大电路,集成运放,逐步完善放大电路,分立元件放大电路构成和分析,模电的常用功能电路,集成运放基本应用-线性,放大的基本概念

2、,线性使用的条件,2,第2、9章运算放大器应用各种功能电路,多级放大器组成原则及模电发展线索,输入级Ri,中间放大级AV,输出级Ro,共集、共射,共射、共基,共集,第5章 场效应管,第6.2节 差分放大电路,2个信号相减,第8章 功率放大电路,直接耦合零漂,Ri,RL特别小,第6.1节 电流源,第6.4节 集成运算放大器,性能改善,第7章 反馈技术、方法,稳定Q电路,3,应用分类,按功能分类,按工作区域分类,放大 信号传递(第2章比例,第7章运放4种反馈结构),AV、AI、AR(V/I)、AG(I/V),运算(第2章),处理 滤波、峰值、有效值、绝对值、限幅,比较 判断电压大小（第9章）,信号

3、产生 正弦、方波、三角波（第9章）,线性应用,非线性应用 电压比较器,集成运放应用概述,4,9 信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,9.3 高阶有源滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,9.2 一阶有源滤波电路,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,只有1个电路：RC串并联网络同相比例放大电路正反馈,电路结构：RC低通、RC高通运放同相比例电路,比较器电路结构：单门限运放开环；迟滞正反馈。信号产生电路结构：RC低通 or 运放积分运放迟滞比较器,5,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,1.振荡条件

4、,2.起振和稳幅,3.振荡电路基本组成部分,9.6 RC正弦波振荡电路,1.电路组成,2.RC串并联选频网络的选频特性,3.振荡电路工作原理,4.稳幅措施,自激振荡：,7.8 负反馈放大电路的稳定性,振荡器功能：能自动输出一定频率的正弦波。(没有输入信号),原因：噪声；中频区负反馈 高频区正反馈,放大器电路要求线性，故必须防止振荡补偿方法振荡器电路要利用自激振荡为使振荡更容易产生，需要构成正反馈；当振幅达到要求时，又需要负反馈稳定振幅。(矛盾),只有1个电路：RC串并联网络同相比例放大电路正反馈,6,1.振荡条件,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,负反馈放大器,正反馈结构,振荡器结构,比较环节

5、：,闭环频率响应：,振荡条件,求环路增益,特点：闭合环路(无Vi),怎么分析？,若Vfb=Vt，则.振荡可维持,几个问题？,如何自行建立振荡（起振）？,如何保证输出信号频率？,应有选频网络(带通)：RC、LC,3个振荡条件本质上相同！,环路增益=1（包含比较环节）,7,2.起振和稳幅,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,3.振荡电路基本组成部分,1.振荡条件,振幅平衡条件,相位平衡条件,振荡器结构,反馈网络(构成正反馈的),选频网络(无源、带通滤波),放大电路(可能有负反馈),稳幅环节(自动调节环路增益),保证只在单一频率0处满足振荡条件；可以由RC(低频)或LC(高频)元件构成；,起振(输出幅

6、值=0或较小)时：保证环路增益|T(j)|1；起振原因：噪声、干扰或电源接通时的阶跃(均含丰富的谐波)。,稳幅(输出幅值较大)时：调节环路增益|T(j)|1；随着输出幅值的增大，应自动调节|T(j)|；最后在|T(j)|1时达到平衡。,如何自行建立振荡（起振）？,如何保证输出信号频率？,8,Phase-Shift Oscillation(了解),A.Structure,电压跟随器0,反相比例180,辨认电路，定性判断：总相移=0 相位平衡条件？,B.Operating,Loop gain,vi,To satisfy T(j)=1：,At this freq.,一般分析方法举例,3个运放总相移=

7、180，则3个RC电路需产生180相移,9,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,1.振荡条件,2.起振和稳幅,3.振荡电路基本组成部分,9.6 RC正弦波振荡电路,1.电路组成,2.RC串并联选频网络的选频特性,3.振荡电路工作原理,4.稳幅措施,自激振荡：,7.8 负反馈放大电路的稳定性,振荡器功能：没有输入信号，自动输出一定频率的正弦波。,原因：噪声；中频区负反馈 高频区正反馈,放大器电路要求线性，故必须防止振荡补偿方法振荡器电路矛盾需要构成正反馈，使振荡更容易产生；但当振幅达到要求时，又需要负反馈稳定振幅。,只有1个电路：RC串并联网络同相比例放大电路正反馈,10,9.6 RC正弦波振荡电

8、路,1.电路组成(文氏电桥),特点：电桥、双反馈,初步分析：,满足相位平衡条件？,满足振幅平衡条件？,(+),(+),(+),(+),电压串联负反馈(同相比例),(+)？,(+),vt,关键：,RC串并联网络的频率响应 选频特性？,构成正反馈？,初步结论：,11,2.RC串并联选频网络的选频特性,即分析反馈系数的频率响应,9.6 RC正弦波振荡电路,12,2.RC串并联选频网络的选频特性,相移F=0,9.6 RC正弦波振荡电路,13,3.振荡电路工作原理,满足相位平衡条件？,满足振幅平衡条件？,(+),(+),(+),(+),此时若,则,电路可以输出正弦波，频率为,（频率低于 1 MHz）,只

9、对f0有0构成正反馈,9.6 RC正弦波振荡电路,14,4.稳幅措施,稳幅原理：,起振时：AV 3,采用非线性元件,热敏电阻,9.6 RC正弦波振荡电路,15,二极管稳幅原理,设D开路，则,AVFV 1，有利于起振！,计算D导通条件（求开路电压）：,D才导通,试定性说明当R2不慎短路时输出电压vO的波形；,试定性说明当R2不慎断开时输出电压vO的波形(并标明振幅)。,4.稳幅措施,9.6 RC正弦波振荡电路,16,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,1.振荡条件,2.起振和稳幅,3.振荡电路基本组成部分,9.6 RC正弦波振荡电路,1.电路组成,2.RC串并联选频网络的选频特性,3.振荡电路工作

10、原理,4.稳幅措施,自激振荡：,7.8 负反馈放大电路的稳定性,振荡器功能：没有输入信号，自动输出一定频率的正弦波。,原因：噪声；中频区负反馈 高频区正反馈,放大器电路要求线性，故必须防止振荡补偿方法振荡器电路矛盾需要构成正反馈，使振荡更容易产生；但当振幅达到要求时，又需要负反馈稳定振幅。,只有1个电路：RC串并联网络同相比例放大电路正反馈,17,9 信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,9.3 高阶有源滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,9.2 一阶有源滤波电路,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

11、生电路,只有1个电路：RC串并联网络同相比例放大电路正反馈,电路结构：RC低通、RC高通运放同相比例电路,比较器电路结构：单门限运放开环；迟滞正反馈。信号产生电路结构：RC低通 or 运放积分运放迟滞比较器,18,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8.1 电压比较器,单门限电压比较器,迟滞比较器,集成电压比较器,19,单门限电压比较器,特点：开环，,运放工作在非线性状态下,工作原理：,输出电压处于线性区域(过渡)，,灵敏度或比较误差(可忽略，即虚短),常见电路,门限电压Vth(Crossover voltage),输出vO翻转时对应的临界输入

12、电压(单门限),9.8.1 电压比较器,20,同相比较器,反相比较器,同相过零比较器(Zero-Crossing Detector),反相过零比较器,分析任务及方法,求传输特性,方向,输出电平VOH、VOL,门限电压Vth(Crossover voltage),同相和反相,Vom(运放线性范围=VCC-VCES),Vom=VCC(忽略饱和压降),Vom=VZ(稳压电路),输出vO翻转时对应的临界输入电压,当vP vN 时状态翻转，此瞬间可用虚短、虚断,常见电路,单门限电压比较器,9.8.1 电压比较器,21,分析举例1,设运放是理想的，且VREF=-1V,VZ=5V，试求门限电压Vth，画出传

13、输特性,解:,利用虚短、虚断,画传输特性,+5V,vI接到反相端 反相电压比较器,求门限电压Vth,5V,由稳压管限幅电路：VO VZ=5V。,1V,限流电阻,22,分析举例2,画传输特性,解：,(1)A1,A2开环单门限比较器,(2)D1,D2和三极管或非门逻辑电路,则 D1,D2和三极管都截止,则 D1,D2有1个导通三极管Je正偏(直流分析),所以,三极管饱和 vO=0V,窗口比较器,23,比较器的应用,基本应用,波形整形,同相比较器,反相比较器,单门限电压比较器,9.8.1 电压比较器,获取周期T 过零比较器,判断电压大小，例如安全监控等,已知电路和输入波形，画输出波形。,24,比较器

14、的应用,单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。,路灯自动控制,设计动作,错误动作,路灯亮,路灯灭,单门限电压比较器,9.8.1 电压比较器,25,特点：单门限比较器正反馈,工作原理：,所以，vI与vF的关系为：,vI最大（vI+6V）,vI居中（-6V vI+6V）,vI最小（vI-6V）,VO=-12V,保持原状态不变,VO=+12V,传输特性右移2V,迟滞比较器,9.8.1 电压比较器,求电压传输特性：形状、输出电压不变，求Vth,显然在非线性状态，输出只有2种状态,由虚短 虚断,26,分析举例1,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。,

15、解：,（1）门限电压,（3）输出电压波形,（2）传输特性,反相迟滞比较器,如果起点在2个门限之间，则假定1个状态,27,单门限电压比较器,9.8.1 电压比较器,迟滞比较器,同相迟滞比较器,反相迟滞比较器,通过上述分析，可得出如下结论：,(1)电路结构：开环或正反馈,(3)电压传输特性：描述输出电压与输入电压的函数关系。,(4)电压传输特性的关键要素 输出电压的VOH和VOL 门限电压 输出电压的跳变方向,令vP vN所求出的vI 就是门限电压 vI 等于门限电压时VO发生跳变跳变方向取决于是同相输入还是反相输入方式,(2)电压比较器中的运放工作在非线性区，其vO只有高电平VOH和低电平VOL

16、两种情况。,28,概述,1.常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,2.产生电路的特点 无输入、闭环,3.波形的变换,正弦波,比较,积分,微分,矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,29,9.8.2 方波产生电路,1.电路组成,开关电路：方波输出只有高电平和低电平，称为两种状态；因而采用电压比较器。,反馈：信号产生电路没有输入，应引入反馈形成振荡。,延迟环节：决定振荡频率。利用RC电路实现，使得两个状态均维持一定的时间。,反相迟滞比较器,RC低通积分环节,9.8 非正弦信号产生电路,反馈

17、,30,2.工作原理,分析方法：断开环路某一点，加入测试信号。突破点：比较器输出端只有两个暂态。设输出为某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。,反相迟滞比较器,先求门限电压:,由虚短、虚断：,9.8.2 方波产生电路,9.8 非正弦信号产生电路,31,设vO=+VZ（因输出只有两种状态）,vC=0（电容初值）,vO=+VZ,当vC vF时,vO=VZ,当vC vF时,周而复始，形成振荡,2.工作原理,9.8.2 方波产生电路,32,3.波形,4.计算周期,问题：能否调整占空比，产生矩形波？,9.8.2 方波产生电路,33,5.占空比可变的矩形波产生电路,问题：能否同时产生方波

18、和三角波？,end,9.8.2 方波产生电路,34,9.8.3 锯齿波产生电路,1.方波三角波产生电路,用积分运算电路可将方波变为三角波,反相迟滞比较器,RC积分,反相积分电路,同相迟滞比较器,分析方法：比较器输出只有两个暂态。设输出为某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。,不能振荡！应更换为,9.8 非正弦信号产生电路,35,反相积分电路,反相迟滞比较器,反相积分电路,同相迟滞比较器,习题9.8.9,不能振荡！,可以振荡！,9.8.3 锯齿波产生电路,36,习题9.8.9,画出vO1、vO2的波形。求振荡频率；,反相积分电路,同相迟滞比较器,习题38、39,37,习题9.4

19、.9,求振荡频率；画出vO1、vO的波形。,如何调整三角波的幅值和频率？,38,2.锯齿波发生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8 非正弦信号产生电路,39,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8.1 电压比较器,单门限电压比较器,迟滞比较器,集成电压比较器,40,9 信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,9.3 高阶有源滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,9.2 一阶有源滤波电路,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,只有1个电路：RC串并

20、联网络同相比例放大电路正反馈,电路结构：RC低通、RC高通运放同相比例电路,比较器电路结构：单门限运放开环；迟滞正反馈。信号产生电路结构：RC低通 or 运放积分运放迟滞比较器,41,有源滤波,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,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,1.低通滤波电路,2.高通滤波电路,1.基本概念,2.分类,电路结构：RC低通、RC高通运放同相比例电路,分析方法 与频率响应分析相同,(1)滤波电路定义,(2)无源与有源,低通（LPF）,高通（

21、HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）H L,42,9.1 滤波电路的基本概念与分类,1.基本概念,2.分类,(1)滤波电路定义,让有用频率信号通过；而同时抑制或衰减无用频率信号。,举例：RC低通电路,滤波器的用途举例,43,(2)无源与有源,有源滤波器:RC+放大器（集成运放）,按幅频特性分类,9.1 滤波电路的基本概念与分类,1.基本概念,2.分类,分析方法 与频率响应分析相同,无源滤波器:采用R、L、C等无源元件组成；,特性描述 通常用幅频响应来表征,通带 能够通过的信号频率范围阻带 受阻或衰减的信号频率范围截止频率 通带和阻带的界限频率,缺点：严重的负载效应。,其它分类,缺点：运放带

22、宽限制,44,2.分类,低通（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）H L,按幅频特性分类,9.1 滤波电路的基本概念与分类,分析任务,确定类型,确定通带增益A0(中频增益)通带截止频率f0(fL，fH),确定过渡带衰减速率 阻带衰减速率,分析方法 与频率响应分析相同,频响表达式,模，幅频响应,相位角，相频响应,45,有源滤波,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,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,1.低通滤波电路,2.高通滤波电路,1.基

23、本概念,2.分类,电路结构：RC低通、RC高通运放同相比例电路,分析方法 与频率响应分析相同,(1)滤波电路定义,(2)无源与有源,低通（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）H L,46,9.2 一阶有源滤波电路,1.低通滤波电路,2.高通滤波电路,结构：RC低通 同相比例,结构：RC高通 同相比例,传递函数,频响表达式,确定通带增益A0、通带截止频率f0,确定阻带衰减速率,一阶通带外衰减速率慢，与理想情况相差较远。需要高阶滤波器。,20dB/十倍频程,（归一化）,47,有源滤波,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,9.3.

24、2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,1.低通滤波电路,2.高通滤波电路,1.基本概念,2.分类,电路结构：RC低通、RC高通运放同相比例电路,分析方法 与频率响应分析相同,(1)滤波电路定义,(2)无源与有源,低通（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）H L,48,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,(3)高阶滤波电路的性能改善,(2)高阶滤波电路传

25、函的一般形式,二阶可以由一阶串联一阶构成(带阻-并联),49,分析举例1,设图中的集成运放均为理想运放。试分析：,1.集成运放A1和电阻R3、R4构成什么电路？,2.推导该电路的传递函数,3.作出对数幅频响应曲线（波特图）,4.该电路的通频带BW=？，中频增益Avm=？,一阶低通有源滤波器,(1)高阶滤波电路组成的一般规律 二阶可以由一阶串联一阶构成,50,分析举例2,一阶？带通有源滤波器,可由低通和高通串联得到,应满足,51,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,(3)高阶滤波电路

26、的性能改善,(2)高阶滤波电路传函的一般形式,二阶可以由一阶串联一阶构成(带阻-并联),9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,52,(2)高阶的传函形式,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,53,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,带通滤波器构成示意图,54,(1)高阶滤波电路组成的一

27、般规律,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,实现带阻滤波器的其他方法,可由低通和高通并联得到，必须满足,55,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,必须满足,56,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,(3)高阶滤波电路的性能改善,(2)高阶滤波电路传函的一般

28、形式,二阶可以由一阶串联一阶构成(带阻-并联),9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,57,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.1 有源低通滤波电路,为特征角频率,称为等效品质因素,等效品质因素？,通带截止频率？,58,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.1 有源低通滤波电路,压控电压源结构,引入正反馈,f0时C1断路，正反馈断开，增益为通带增益；f，C2短路，正反馈不起作用，增益较小0；,因而有可能在f=f c时增益等于或大于通带增益。使通带扩展。,59,1.压控电压源低通滤波

29、器,7.1.3 二阶有源滤波器,图7.1.3 二阶压控电压源低通滤波器电路,(1)传递函数,为特征角频率,令,称为等效品质因素,二阶低通滤波器传递函数的典型表达式,60,(1)传递函数,(2)频率响应,图7.1.4 二阶低通滤波器的幅频响应,图7.1.3 二阶压控电压源低通滤波器电路,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,61,基本要求,掌握低通、高通、带通和带阻有源滤波电路的幅频响应特点 了解一阶、二阶滤波电路的频率特性(频率响应分析)掌握产生正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件 掌握RC串并联桥式正弦波振荡电路的工作原理、起振条件、稳幅原理，以及振荡频率的计算 掌握单门限

30、和迟滞电压比较器工作原理，会画电压传输特性正确理解方波产生电路和锯齿波产生电路的工作原理,9 信号处理与信号产生电路,62,temp,63,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,(3)高阶滤波电路的选用和设计,(2)几种常用的高阶滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成(带阻-并联),64,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有

31、源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,65,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,带通滤波器构成示意图,66,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,实现带阻滤波器的其他方法,可由低通和高通并联得到，必须满足,67,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,9.

32、3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,必须满足,68,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,(3)高阶滤波电路的选用和设计,(2)几种常用的高阶滤波电路,69,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构成,9.3.1 有源低通滤波电路,为特征角频率,称为等效品质因素,等效品质因素？,通带截止频率？,70,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,9.3 高阶有源滤波电路,二阶可以由一阶串联一阶构

33、成,9.3.1 有源低通滤波电路,压控电压源结构,引入正反馈,f0时C1断路，正反馈断开，增益为通带增益；f，C2短路，正反馈不起作用，增益较小0；,因而有可能在f=f c时增益等于或大于通带增益。使通带扩展。,71,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,图7.1.3 二阶压控电压源低通滤波器电路,(1)传递函数,为特征角频率,令,称为等效品质因素,二阶低通滤波器传递函数的典型表达式,72,(1)传递函数,(2)频率响应,图7.1.4 二阶低通滤波器的幅频响应,图7.1.3 二阶压控电压源低通滤波器电路,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,73,9.3 高阶有

34、源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,(1)高阶滤波电路组成的一般规律,(3)高阶滤波电路的选用和设计,(2)几种常用的高阶滤波电路,74,(2)几种常用的高阶滤波电路,理想滤波：在通带内应具有最大幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。,实际的滤波电路：难以达到理想要求。如要同时在幅频和相频响应两方面都满足要求就更为困难。因此只有根据不同的实际需要，寻求最佳的近似理想特性。,最常用的低通有源滤波电路有4种,巴特沃斯(Butterworth)滤波电路,切比雪夫(Chebyshev)滤波电路,贝塞尔

35、(Bessel)滤波电路,9.3 高阶有源滤波电路,椭圆滤波器（Elliptic filter）又称考尔滤波器（Cauer filter）,75,(2)几种常用的高阶滤波电路,9.3 高阶有源滤波电路,巴特沃斯(Butterworth)滤波电路,在通带中具有最平幅度特性，但从通带到阻带衰减较慢 特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国无线电工程期刊的一篇论文中提出的,切比雪夫(Chebyshev)滤波电路,能迅速衰减，但允许通带中有一定纹波 切比雪夫滤波器，是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的

36、滤波器。切比雪夫滤波器来自切比雪夫分布，以“切比雪夫”命名，是用以纪念俄罗斯数学家巴夫尼提列波维其切比雪夫。,76,(2)几种常用的高阶滤波电路,9.3 高阶有源滤波电路,着重于相频响应，其相移与频率基本成正比，可得失真较小的波形是具有最大平坦的群延迟（线性相位响应）的线性过滤器。贝赛尔滤波器常用在音频天桥系统中。模拟贝赛尔滤波器描绘为几乎横跨整个通频带的恒定的群延迟，因而在通频带上保持了被过滤的信号波形。滤波器的名字来自于Friedrich贝赛尔，一位德国数学家（17841846），他发展了滤波器的数学理论基础。,贝塞尔(Bessel)滤波电路,是在通带和阻带等波纹的一种滤波器。椭圆滤波器相

37、比其他类型的滤波器，在阶数相同的条件下有着最小的通带和阻带波动。它在通带和阻带的波动相同，这一点区别于在通带和阻带都平坦的巴特沃斯滤波器，以及通带平坦、阻带等波纹或是阻带平坦、通带等波纹的切比雪夫滤波器。,椭圆滤波器（Elliptic filter）又称考尔滤波器（Cauer filter）,77,(3)高阶滤波电路的选用和设计,9.3 高阶有源滤波电路,78,基本要求,掌握低通、高通、带通和带阻有源滤波电路的幅频响应特点 了解一阶、二阶滤波电路的频率特性(频率响应分析)掌握产生正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件 掌握RC串并联桥式正弦波振荡电路的工作原理、起振条件、稳幅原理，以及振荡频率

38、的计算 掌握单门限和迟滞电压比较器工作原理，会画电压传输特性正确理解方波产生电路和锯齿波产生电路的工作原理,9 信号处理与信号产生电路,79,分析举例3,带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,应满足,一阶低通,一阶高通,反相加法,80,7.1 有源滤波器,7.1.1 基本概念,7.1.2 一阶有源滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,7.1.4 几种常用的高阶滤波电路,81,7.1.1 基本概念,7.1 有源滤波器,1.滤波器定义,滤波器就是一种选频电路，它是一种能使有用频率信号通过，而同时抑制(或大大衰减)无用频率信号的电子装置。,例如：RC低通电路,滤波器的用途举例,82,滤波器的用途举例,

39、7.1.1 基本概念,7.1 有源滤波器,1.滤波器定义,滤波器就是一种选频电路，它是一种能使有用频率信号通过，而同时抑制(或大大衰减)无用频率信号的电子装置。,83,2.无源与有源,无源滤波器：采用R、L、C 等无源元件组成；,有源滤波器：无源滤波器R、C+放大器（三极管、集成运放）,3.按幅频特性分类,7.1.1 有源滤波器基本概念,特性描述 通常用幅频响应来表征,通带 将能够通过的信号频率范围阻带 将受阻或衰减的信号频率范围截止频率 通带和阻带的界限频率,优缺点：,84,3.按幅频特性分类,低通（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）H L,7.1.1 有源滤波器基本概

40、念,在通带内应具有零衰减的幅频响应在阻带内应具有无限大的幅度衰减,理想滤波器,85,4.分析任务,低通（LPF）,确定类型,确定通带增益A0、通带截止频率f0,确定阻带增益、过渡带衰减速率,5.分析步骤 方法与频率响应分析类似,7.1.1 有源滤波器基本概念,求频率响应，获取性能指标,1.传递函数,2.频率相应表达式,3.画对数幅频曲线（归一化）,4.性能指标：截止频率、通带增益 阻带衰减速率等,时延响应为,86,7.1.2 一阶有源滤波器,滤波器分析步骤,1.传递函数,2.频率相应表达式,3.画对数幅频曲线（归一化）,4.性能指标：,RC低通同相比例,RC低通电压跟随,一阶低通有源滤波器,截

41、止频率=fH、通带增益=A0 阻带(过渡带)衰减速率=20dB/十倍频,87,7.1.2 一阶有源滤波器,RC低通同相比例,一阶低通有源滤波器,RC高通同相比例,一阶高通有源滤波器,？一阶滤波器的滤波效果还不够好，它的衰减只是20dB/十倍频。,二阶有源滤波器,阻带(过渡带)衰减速率=40dB/十倍频,四阶有源滤波器,阻带(过渡带)衰减速率=80dB/十倍频,88,7.1.3 二阶有源滤波器,7.1 有源滤波器,1.压控电压源低通滤波器,2.高通滤波器,3.带通滤波器,4.带阻滤波器,实际上，高于二阶的滤波器都可以由一阶和二阶有源滤波器构成。因此，下面重点地研究二阶有源滤波器的组成和特性。,(

42、1)二阶低通滤波器的组成原理,(2)压控电压源低通滤波器的特性分析,89,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,(1)二阶低通滤波器的组成原理,二阶可以由一阶串联一阶构成,简单结构1,简单结构2,简单结构2,为特征角频率,其中：,称为等效品质因素,令,90,简单结构1,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,(1)二阶低通滤波器的组成原理,二阶可以由一阶串联一阶构成,简单结构1,简单结构2,称为等效品质因素,91,简单结构1,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,(1)二阶低通滤波器的组成原理,二阶可以由一阶串联一阶构成,简单结构1,简单结构2,简

43、单结构2,92,(2)压控电压源低通的特性分析,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,简单结构1,压控电压源结构,f0时，C1断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大倍数；,f，C2短路，正反馈不起作用，放大倍数小0；,因而有可能在f=f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。,引入正反馈,93,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,图7.1.3 二阶压控电压源低通滤波器电路,(1)传递函数,为特征角频率,令,称为等效品质因素,二阶低通滤波器传递函数的典型表达式,94,(1)传递函数,(2)频率响应,图7.1.4 二阶低通滤波器的幅

44、频响应,图7.1.3 二阶压控电压源低通滤波器电路,1.压控电压源低通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,95,已知3dB截止频率fH=1000Hz，Q=0.707，试选择和计算图7.1.3所示的二阶低通滤波器参数。设R1=861.5k。,选择电容C的容量、计算电阻R的阻值,求Rf值,解:,图7.1.3 二阶压控电压源低通滤波器电路,例7.1.1,通常C的容量宜在微法数量级以下，R的值一般约为几百千欧以内。,选择C=0.001F，则,96,2.高通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,图7.1.5 二阶压控电压源高通滤波器电路,图7.1.6 图7.1.5所示滤波器的幅频响应,(1)传递函数,(2

45、)幅频响应,考虑到高通和低通具有对偶关系，直接将式(7.1.8)中的sCR用1/sCR代替，可得二阶高通滤波器的传递函数为,97,3.带通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,图7.1.7 带通滤波器构成示意图(a)原理框图(b)幅频响应,由带通滤波器的幅频响应与高通、低通滤波器的幅频响应进行比较，不难发现低通与高通滤波器相串联可以构成带通滤波器。,构成原理：,低通滤波器的截止角频率大于高通滤波器的截止角频率，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。,构成条件：,98,图7.1.8 二阶压控电压源带通滤波器电路,图7.1.9 带通滤波器幅频响应,3.带通滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,(1)传递

46、函数,(2)幅频响应,令,则,通带电压增益,中心角频率,等效品质因素,Q值越高，通带越窄。,由节点电流法列出方程可导出,99,4.带阻滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,图7.1.10 实现带阻滤波器的一种方法,图7.1.11 双T带阻滤波电路,实现带阻滤波的两种方法,100,图7.1.12 双T带阻滤波电路的幅频特性,4.带阻滤波器,7.1.3 二阶有源滤波器,(1)传递函数,(2)幅频响应,图7.1.11 双T带阻滤波电路,由节点导纳方程不难导出电路的传递函数,101,1.巴特沃斯低通滤波,7.1.4 几种常用的高阶滤波电路,图7.1.13 阶数n=2、4、6、8、10的巴特沃斯低通滤波电

47、路幅频响应,n阶低通滤波电路幅频响应的一般形式,考虑到在c1时，巴特沃斯低通滤波电路的幅频响应是平坦的。而在c1时，主要是c 的低次项对分母起作用而使A(jc)下降。,巴特沃斯低通滤波电路的特性方程,n阶巴特沃斯低通滤波器的传速函数,随着阶数n增加，其幅频特性将向理想特性逼近。,102,要求：(1)选择运放；(2)选择和计算全部电阻、电容参数；(3)用SPICE仿真画出幅频响应波特图；(4)用SPICE仿真画出各级和总的归一化幅度响应曲线。,试用集成运放设计一载止频率fc=100Hz的四阶低通巴特沃斯滤波器。,例7.1.3,图7.1.14 例7.1.3四阶巴特沃斯低通滤波电路,103,图7.1

48、.16 图7.1.14电路各级和总的归一化幅频响应曲线,图7.1.15 图7.1.14的四阶巴特沃斯低通滤波电路幅频响应曲线,(3)用SPICE仿真画出波特图,(4)用SPICE画出各级和总的归一化的幅频响应曲线,例7.1.3,解：,104,2.贝塞尔低通滤波,7.1.4 几种常用的高阶滤波电路,贝塞尔滤波器的相频特性接近线性，是一种线性相位型滤波器。,式中ai和bi是正实数，当阶数n为奇数时，系数b1为零。,表7.1.2 不同阶数时贝塞尔滤波电路的系数ai和bi值,n阶滤波器的传递函数可写为,105,图7.1.17 三阶贝塞尔低通滤波器电路,(1)第1级滤波器,选定C11=100nF,(2)

49、第2级滤波器,例7.1.4,设截止频率fc=100Hz，试选择和计算图7.1.17所示电路形式的贝塞尔三阶低通滤波器的电阻和电容参数(电路的通带电压增益为1),解：,由图7.1.17可导出,106,*7.2 开关电容滤波器,1.基本原理,2.单片集成开关电容滤波器简介,107,采用非线性元件,4.稳幅措施,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,同相比例放大,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,