模电第9章

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1、9.1 滤波电路的基本概念与分类 1)基本概念 滤波器让有用频率信号顺利通过，同时抑制无用频率信号。 有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,第9章 信号处理与信号产生电路 本章主要讨论信号的处理（滤波）和信号产生（振荡）电路。,滤波电路传递函数定义,时，有,其中, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,时延响应,2) 有源滤波电路的分类 各种滤波器的幅频特性 通带允许信号通过的频率范围； 阻带能够阻断信号的频率范围； 截止频率通带与阻带的界限频率,分类,低通（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）,全通（APF）,各种滤波器的用途 低通滤波器(LPF)削弱高次谐波或频率较高的干扰

2、和噪声（低频、直流信号可通过） 高通滤波器(HPF)削弱低频、直流分量（高频信号可通过） 带通滤波器(BPF)突出有用频段的信号； 带阻滤波器(BEF)抑制某一频段的干扰信号；,有源滤波器的主要参数 通带增益Ao；通带宽度BW；特征角频率n（ c ）；等效品质因数Q；中心角频率o 。,9.2 一阶有源滤波电路 1. 低通滤波电路 RC为无源低通，另加同相电压放大。 1）传递函数 在通带范围内电压增益：,同相比例放大系数,令,因为传递函数A (j) 的分母为角频率的一次幂，故称“一阶有源滤波器”,幅频响应按 20dB 十倍频程 衰减,滤波性能差。 通带增益：Ao=AVF = (R1+Rf)/R1

3、 ； 通带宽度：BW= c ； 特征频率：c=1 RC,2. 高通滤波电路,低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路,9.3 高阶有源滤波电路 1) 二阶有源低通滤波器,传递函数,得滤波电路传递函数,（二阶）,（同相比例）,2. 传递函数,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,2. 传递函数,用 代入，可得传递函数的频率响应：,归一化的幅频响应,相频响应,3. 幅频响应,归一化的幅频响应曲线,-40dB/十倍频程,滤波效果比一阶好,2）二阶有源高通滤波器,通带增益Ao = AvF=(R1+R2)/R1 特征频率c=1/RC 等效品质因素Q；通带宽度BW= 。,将低通电路中

4、的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,二阶有源带通滤波器,二阶有源滤波器的滤波性能明显优于一阶有源滤波器。,20lgA（jw）/Ao,二阶滤波器的传递函数： 低通：A(S)=Aoc2 (S2+cS Q+ c2 ) 高通：A(S)=AoS2 (S2+cS Q+ c2 ) 带通：A(S)= (AooS Q) (S2+oS Q+ o2 ) 带阻：A(S)=Ao (S2+o2 ) (S2+oS Q+ o2 ),信号发生器： 目的产生波形； 措施加强自激振荡的条件 （正反馈） 正反馈（振荡）： 反馈信号与净输入信号同相，反馈送到同相输入端。,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件 正弦波振荡器实质上是

5、一种满足自激震荡条件带选频网络的放大电路。（正反馈，且在反馈支路中加选频网络；无需输入信号）。 1.反馈放大器产生自激振荡的基本原理 负反馈（放大）：反馈信号与净输入信号反相。净输入减小。,2.振荡条件。,3.起振和稳幅 电路中的 噪声、扰动信号（含fo）选频网络选出fo，并使其符合相位平衡条件； 若开始时， ，fo得不到有效放大，不能起振。 起振的幅值条件是： 1 若 1一直存在，起振后信号越来越大波形失真； 起振后还需要稳幅环节，使波形基本不失真。,因为,所以,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,4、分析方法 (1)确定电路中的基本环节放大电路、反馈网络和选频网络； (2)分析

6、是否满足： =1关键是相位平衡条件（瞬时极性法）；振幅条件的分析可在满足相位平衡条件后进行； (3)计算fo与选频网络有关； (4)振荡的建立和稳定起振条件、稳幅措施。,5、分类 正弦波振荡电路可分为 RC、LC（含石英晶体器件）两大类 RC 产生1Hz1MHz低频信号； LC 产生1MHz以上的高频信号。,96 RC正弦波振荡电路（低频） 又称桥式振荡电路器（由Z1、Z2、R1、Rf组成四个臂）,1电路的构成,基本环节放大电路： 同相比例 选频反馈网络： RC串、并联选频网络 当f=fo时，选频网络对外呈电阻性，C不产生附加相移。 瞬时极性法正反馈,2.RC串并联选频网络的选频特性,反馈系数

7、,幅频响应,又,且令,则,相频响应,2. RC串并联选频网络的选频特性,当,幅频响应有最大值,相频响应,3. 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,电路可以输出频率为 的正弦波,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,选频网络呈电阻性,采用非线性元件,4. 稳幅措施,负热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,起振条件,振幅平衡条件,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,例1：移相式正弦波信号发生器电路如图所示。试说明该电路是如何满足振

8、荡条件的。,解： A = 1800 ， f =?,一级RC移相网络可移相00900， 三级RC移相网络可移相002700， 只要适当选择R、 C的数值，可在特定频率fo时，使f = 1800 A+ f =3600 满足相位平衡条件 只要调节Rf的数值，使放大器 的AvF适当，可满足振幅平衡条件。 注：,V1 超前Vo ：00900,V1 滞后Vo ：00900,例2：试从相位平衡条件判断下列电路能否产生正弦振荡。,解： A = 1800 ； 当fo =1 (2RC)时，f =00 A+ f = 1800 ，不满足相位平衡条件，不能起振。,方法瞬时极性法： “断开回路，引进输入”看反馈信号与输入

9、信号是否同相。,（+）,例2：试从相位平衡条件判断下列电路能否产生正弦振荡。,解： A = 1800 ； 两连级RC移相网络可移相001800之间，而达不到1800 ， A+ f 2n ，不满足相位平衡条件，不能起振。,（+）,例2：试从相位平衡条件判断下列电路能否产生正弦振荡。,（+）,（+）,（+）,解： A = 00 ； 当fo =1 (2RC)时，f =00 ； A+ f = 00 = 2n ，满足相位平衡条件; 但由于Av 1 3 ,不满足振幅平衡条件 , 不能起振。,例2：试从相位平衡条件判断下列电路能否产生正弦振荡。,解： A =3600 ； 当fo =1 (2RC)时，f =0

10、0 ； A+ f = 3600 = 2n ，满足相位平衡条件;能起振。,（+）,（+）,（+）,9.7 LC正弦波振荡电路（高频） 用LC作选频网络，放大电路由分立元件构成；常见的振荡器有：变压器反馈式、电感三点式、电容三点式。,9.7.1 LC选频放大电路 1）串、并联谐振回路 （当谐振回路的固有频率等于工 作信号频率时，电抗之和为0。）,讨论并联谐振回路：,当 时，,电路谐振。,1.谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,有,即,特点：,2.,3.谐振时,阻抗频率响应,（a）幅频响应 （b）相频响应,4.,Q值越大，谐振阻抗越大，选频特性越好。,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,虽然波形出现了失

11、真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,3. 幅值平衡条件,4. 稳幅,5. 选频,A =1800 ， f=1800 ， f +A =2n。,例：试判断下列振荡电路是否满足相位平衡条件。,A =1800 ， f=1800 ， f +A =2n。 满足相位平衡条件,A =1800 ， f=1800 ， f +A =2n。 满足相位平衡条件,A =00 ， f=00 ， f +A =2n。 满足相位平衡条件,9.7.3 三点式LC振荡电路,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,1

12、. 三点式LC并联电路,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B. 若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。,9.7.3 三点式LC振荡电路,2. 电感三点式振荡电路,振荡频率,Av较大（共射）；适当选取L1、L2比值，即可起振。（加大L2有利于起振）,相位平衡条件,振幅平衡条件,9.7.3 三点式LC振荡电路,3. 电容三点式振荡电路,振荡频率,相位平衡条件,例：试判断下列振荡电路是否满足相位平衡条件。,变压器反馈式LC振荡电路,A =00 ， f=00 ， f +A =2n, 满足相位平衡条件,A =00 ， f=00 ， f +A =2n, 满足相位平衡条件,9.

13、7.4 石英晶体振荡电路,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,9.7.4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,结构,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,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 = 固有频率时，振幅最大。,压电谐振,等效电路,A. 串联谐振,特性,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,9.7.4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,（a）代表符号 （b）电

14、路模型 （c）电抗-频率响应特性,9.7.4 石英晶体振荡电路,2. 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Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,9.8 非正弦波信号产生电路 非正弦信号：矩形波，三角波，锯齿波，尖脉冲，阶梯波，等等。 非正弦信号并非由不同频率分量的正弦信号叠加，而是通过一定的电子技术和电路结构来完成的。 注意：非正弦信号，不能用相量法进行分析。运放不能用虚短的概念来分析。,9.8.1 电压比较器 电压比较器：对两个输入电压进行大小比较，在输出端用高低电平给出比较结果，若将高低电平看成“开-关”，则电压比较器就具有开关特性. 运放构成的电压比较器中，运放或

15、是开环结构、或是（正反馈）闭环结构。,1单门限（阈值）电压比较器（简单电压比较器） （1）基本电路及工作原理：运放开环。,图（a）：当v1 v2 时，输出vo 为（饱和）高电平；反之则为（饱和）低电平。 图（b）： VREF为参考电压。当vi1 vREF时，输出vo为高电平；反之则为低电平。 （2）传输特性（以图（b为例）：,说明： 电路的开关转换点电平（也称为“阈值电平”或“门槛电平”）为VREF。由于vi 只有一个阈值，因此这种电路称为“单门限（阈值）电压比较器”。 若输入信号对换，则传输特性反之（如虚线所示）。,中间的过渡过程可忽略。,U,D,（3）过零比较器 若使VREF = 0，则上述电路就成为“过零比较器”，它可用于检测输入信号vi的过零状态。 其传输特性只要将上述图中的纵坐标平移VREF即可得到。 过零比较器可将输入的正弦波转换成方波：,（4）限幅措施和保护措施 为防止输入信号过大损坏集成运放，除了在比较器的输入回路中串联电阻外，还可在集成运放的两输入端间并联两个正反相接的二极管。在输出端加接稳压管和（或）二极管，可对输出端起限幅保护作用。见图示。,U,D,9.8.2 迟滞比较器