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1、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9.4 开关电容滤波器第九章 信号处理与信号产生电路（了解）9.5 正弦波振荡的振荡条件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9.4.1 比较器9.4.2 方波发生器9.4.3 锯齿波发生器第九章 信号处理与信号产生电路（掌握）9.9 精密二极管电路 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。 滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。 9.1 滤波电路的基本概念与分类 滤波器的分类： 低通滤波器（LPF） 高通滤波器（HPF） 带通滤波器（B
2、PF） 带阻滤波器（BEF） 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。传递函数：通带增益：截止频率：1.一阶有源低通滤波器9.2 一阶有源滤波电路幅频特性及幅频特性曲线传递函数：幅频特性：缺点：阻带衰减太慢。H0.707 1+Rf/R101+Rf/R1|A|传递函数：通带增益：截止频率：2.一阶有源高通滤波器传递函数：1. 二阶有源低通滤波器9.3 高阶有源滤波电路 当 Ao3时，滤波器可以稳定工作 。 此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。 当ffH时，幅频特性曲线的斜率 为-40dB/dec。 当Ao
3、3时，有源滤波器自激。幅频特性及幅频特性曲线单边H（S）的稳定性 H（S）极点在S平面左半面（不含虚轴)，系统稳定。 H（S）极点在S平面右半面或在虚轴上有二阶以上的极点，系统不稳定。 H（S）极点在S平面虚轴上有一阶以上的极点，系统零界稳定，等幅振荡。传递函数：当Ao3时，有源滤波器不稳定、自激。2. 二阶有源高通滤波器由此绘出频率响应特性曲线 (2)通带增益（1）幅频特性：其中：当AO3时，电路自激。幅频特性曲线 当 Ao3时，滤波器可以稳定工作 。 此时特性与Q有关。当Q=0.707时，幅频特性较平坦。 当f fL时，幅频特性曲线的斜率为+40dB/dec。 可由低通和高通串联得到低通截
4、止频率高通截止频率必须满足有源带通滤波器uuR C1R1-+C2fio+uRA+uR2R2VV低通滤波器高通滤波器uiuo12 可由低通和高通并联得到必须满足有源带阻滤波器VVu高通滤波器iu2o低通滤波器1 RC有源滤波器的滤波特性取决于RC时常数及运放的性能。如果要求时常数很大，全集成化几乎是不可能的。这也是制约通讯设备全集成化的因素之一。人们寻求一种能够实现滤波器全集成化的途径，开关电容因此应运而生。它是基于电容器电荷存贮和转移原理，由受时钟控制的MOS开关、MOS电容和MOS运放组成的网络。它没有电阻，而用开关和电容代替电阻的功能。开关电容网络是一种时间离散、幅度连续的取样数据处理系统
5、，在信号产生、放大、调制、A/D、D/A中有着广泛的应用。 9.4 开关电容一、开关电容模拟电阻如图 (a)所示，MOS场效应管开关V1和V2分别受两相不重叠时钟1和2控制（图b）。当1为高电平、 2为低电平时，V1导通，V2截止，u1对C充电，其存贮的电荷Q1为 图 用开关和电容代替电阻(a)开关电容电路；(b)两相时钟；(c)等效电阻而当1为低电平而2为高电平时，V1截止，V2导通，那么C存贮的电荷Q2变为在时钟的一个周期Tc内，电容C存贮的电荷由Q1变为Q2,则意味着流过的等效电流 由开关和电容组成的等效模拟电阻(如图c)。它不仅与电容值有关，而且与时钟频率fc成反比。可见，不仅可用电容
6、和开关代替电阻，且可通过fc来控制R的大小。二、开关电容积分器我们知道，用积分器和相加器可以组成状态变量滤波器，其中积分器是关键的单元电路，如图 (a)所示。根据开关和电容代替电阻的原理，开关电容积分器电路如图 (b)所示。RC积分器的时常数为RC，而开关电容积分器的时常数为 可见，开关电容积分器的时常数取决于时钟频率fc 和电容比(C2/C1)。在MOS集成工艺中，电容比的精度可以达到很高(0.1%0.01%)，而且通过控制fc可以十分精确地控制时常数。因此，滤波器的精度也很高。 开关电容积分器(a)RC积分器；(b)开关电容积分器 一. 产生自激振荡的条件fidXXX=改成正反馈只有正反馈
7、电路才能产生自激振荡。+Xi f基本放大器A反馈网络FX+doXX9.5 正弦波振荡电路的振荡条件如果：,ifXX=则去掉,iX仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xi +f基本放大器A反馈网络FX+doXXXdof基本放大器A反馈网络FXXFA=1Xd=Xf=AFXd所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：（1）振幅条件：（2）相位条件：pjjnFA2=+n是整数因为：.Xdof基本放大器A反馈网络FXX起振振幅条件：结果：产生增幅振荡（略大于1）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稳幅过程：起振时，稳定振荡时，稳幅措施：起振
8、过程Xdof基本放大器A反馈网络FXX二.起振条件和稳幅原理1.放大电路2.正反馈网络3.选频网络只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。 常用的选频网络有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。三.正弦波振荡器的一般组成R1C1 串联阻抗：R2C2 并联阻抗：频率特性：9.6 RC正弦波振荡电路一. RC 串并联网络的选频特性通常，取R1R2R，C1C2C，则有：式中：可见：当 时， F最大，且 =0 Fmax=1/3RC串并联网络完整的频率特性曲线：当 时， F= Fmax=1/3F+90|F|在 f0 处满足相位条件：因为：AF=131=F1
9、1f+=RRA1f2RR =只需：A=3输出正弦波频率：振幅条件：引入负反馈：选：二.RC桥式振荡器的工作原理：例题: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=1592 Hz起振条件：能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻(负温度系数）起振时Rt较大 使A3,易起振。 当uo幅度自激增长时， Rt减小，A减小。 当uo幅度达某一值时， A3。 当uo进一步增大时， RT再减小 ,使A UREF时 , uo = +Uom当ui UREF时 , uo = -Uom 运放处于开环状态uoui0+Uo
10、m-UomUREF当ui UREF时 , uo = -Uom 若ui从反相端输入uuU+i-uu+AOREFuoui0+UZ-UZ（1）用稳压管稳定输出电压忽略了UD3. 限幅电路使输出电压为一稳定的确定值当ui 0时 , uo = +UZ当ui 0时 , uo = -UZ当ui 0时 , uo = +UZ 1.工作原理两个门限电压。特点:电路中使用正反馈运放工作在非线性区。（1）当uo =+UZ时，（2）当uo =-UZ时，UT+称上门限电压UT-称下门限电压UT+- UT-称为回差电压二. 迟滞比较器迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设ui , 当ui = UT+
11、时, uo从+UZ -UZ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：uoui08V2V传输特性+6V-6V2V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V2V传输特性+6V-6V1.电路结构由滞回比较电路和RC定时电路构成上下限:9.8.2 方波产生电路2.工作原理：(1) 设 uo = + UZ , 此时，uO给C 充电, uc ，则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦 uc UT+ , 就有 u- u+ , uo 立即由UZ变成UZ 。在 uc UT+ 时，u- 0.6V才行。如图 (b)所示。
12、一、精密半波整流电路一种精密半波整流电路如图(a)所示。由图可见，当|uo|0.6V(即UVON)时，二极管V1及V2均不导通，运放处于开环工作状态，其开环放大倍数极大(如105)；而当| uo |0.6V后，其中总有一个二极管导通，电路进入正常的限幅状态。而要使|uo|0.6V,ui只需0.6V/105=6V，可见，消除了由二极管死区电压引起的限幅模糊现象。 精密半波整流电路(a)电路；(b)传输特性；(c)波形 (1)当ui0, uo0时，V1截止，V 2导通，R1、R2构成反相比例放大器. (2)当ui0， uo0时， V1导通， V2截止，uo=0，而V1导通，保证了运放仍处于闭环工作
13、。该电路的传输特性及输出波形分别如图 (b)、(c)所示。 二、精密全波整流电路绝对值电路 用半波整流和相加器便构成了全波整流电路，如图所示，其具体电路如图所示。图中，A1构成半波整流，A2构成相加器。其工作原理为： (1) 当ui0时，uo1=- ui, uo= - ui -2uo1=- ui +2 ui = ui (2) 当ui0时，uo1=0, uo = - ui (3) 结论: uo =| ui |精密全波整流电路的传输特性及输出波形，如图所示。图 精密全波整流电路的传输特性及输出波形 uo =| ui |3峰值检波电路 在一些测量电路中，需要检出信号峰值，如图(a)所示。实现这种功能
14、的关键是电容只充电而不放电，其电路之一如图(b)所示。由图可见： 当uiuo时，uo10，二极管开关V导通，C充电，且整个电路(A1、A2)构成跟随器， uo =uCui，输出跟随ui增大；当ui uo时， uo1 0，V截止，A2输入阻抗很大，C无放电回路，故uo=uC，处于保持状态。这样，即可以实现峰值检波。4取样保持电路 取样保持电路由取样门(开关)和保持电容组成。当取样脉冲到来时，取样门闭合，uC=ui(ui uC,C充电， ui uC,C放电)。 当取样脉冲过去时，取样门打开，电容电压保持不变。这样，就可以将输入信号ui对应取样脉冲到达时刻的样品取出，且在脉冲休止期间保持住。其模型如图所示。图 取样保持电路
