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1、9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路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9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路本章学习要求1.理解滤波电路的工作原理，了解它的主要参数，能根据需要合理选择滤波电路。2.掌握产生正弦波振荡的相位平衡和幅度平衡条件。3.掌握文氏电桥振荡器的工作原理和振荡频率的计算。4.理解各种非正弦波发生电路（矩形波、锯齿波和三角波）的工作原理9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类1. 基本概念基本概
2、念滤波器：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。用频率信号的电子装置。基基本本原原理理就就是是利利用用电电路路的的频频率率特特性性实实现现对对信信号号中中频频率率成成分分的的选择。选择。 时，有时，有其中其中 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应群时延响应群时延响应9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类2. 分类分类end全通（全通（APF）带阻（带阻（BEF）带通（带通（BPF）低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）1.按所处理信号分按所处理信号分 模拟和数字滤波器模拟
3、和数字滤波器2.按所用元件分按所用元件分 无源和有源滤波器无源和有源滤波器3.按滤波特性分按滤波特性分3 3、滤波电路的研究对象、滤波电路的研究对象低通滤波器（低通滤波器（LPF）通带放大倍数通带放大倍数通带截止频率通带截止频率下降速率下降速率理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带用用幅频特性描述滤波特性，要研究幅频特性描述滤波特性，要研究 、 ( fP 、下降速率下降速率)。4.7.1 单时间常数单时间常数RC电路的频率响应（电路的频率响应（补充补充）1. RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应（电路理论中的稳态分析）（电路理论中的稳态分析）RC电路的电压增益（传递函数）：电路的电压增益
4、（传递函数）：则则且令且令又又电压增益的幅值（模）电压增益的幅值（模）（幅频响应）（幅频响应）电压增益的相角电压增益的相角（相频响应）（相频响应）增益频率函数增益频率函数RC低通电路低通电路 最大误差最大误差 -3dB频率响应曲线描述频率响应曲线描述幅频响应幅频响应1. RC低通电路的频率响应低通电路的频率响应相频响应相频响应2. RC高通电路的频率响应高通电路的频率响应RC电路的电压增益：电路的电压增益：幅频响应幅频响应相频响应相频响应RC高通电路高通电路 1.一阶一阶RC无源低通滤波器无源低通滤波器2.一阶一阶RC无源高通滤波器无源高通滤波器低通低通高通高通互偶互偶总结：总结：比较：比较：
5、空载时空载时带负载时带负载时 负载变化，通负载变化，通带放大倍数和截带放大倍数和截止频率均变化。止频率均变化。从频率特性图上我们可以看到：（1）一阶无源低通滤波器的电压放大倍数低， 只有1；（2）带负载能力差；（3）在通带截止频率附近有-20dB/十倍频的幅度衰减，并有-45/十倍频的相位滞后。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RL=?+RLVo1Vo2隔离级隔离级AV=1, Ri=, Ro=0=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传递函数传递函数其中其中特征角频率特征角频率故，幅频相应为故，幅频相应为同相比例同相比例放大系
6、数放大系数9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路2. 高通滤波电路高通滤波电路 一一阶阶有有源源滤滤波波电电路路通通带带外外衰衰减减速速率率慢慢（-20dB/十十倍倍频频程程），与与理理想想情情况况相相差差较较远远。一一般般用用在在对对滤滤波要求不高的场合。波要求不高的场合。end 低通电路中的低通电路中的R和和C交换交换位置便构成高通滤波电路位置便构成高通滤波电路9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路9.3.2 二阶有源高通滤波电路二阶有源高通滤波电路9.3.3 二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路9.3.1 二阶有源低通滤波电路二
7、阶有源低通滤波电路9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路1. 二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路2. 传递函数传递函数对于滤波电路，有对于滤波电路，有得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数（二阶）（二阶）（同相比例）（同相比例）2. 传递函数传递函数令令称为称为通带增益通带增益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滤波电路才能稳定工作。滤波电路才能稳定工作。注意：注意：2. 传递函数传递函数用用 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：归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应3. 幅频响应幅频响应归一化的幅归一化的幅频响应曲线频响
8、应曲线4. n阶巴特沃斯传递函数阶巴特沃斯传递函数传递函数为传递函数为式式中中n为为阶阶滤滤波波电电路路阶阶数数， c为为3dB载载止止角角频频率率，A0为为通通带带电电压增益。压增益。9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路1. 二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路 将将低低通通电电路路中中的的电电容容和和电电阻阻对对换换，便便成成为为高通电路。高通电路。传递函数传递函数归一化的幅频响应归一化的幅频响应2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应归一化幅频响应归一化幅频响应9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路1. 电路组成原理电路组成原理可由低通和高通串
9、联得到可由低通和高通串联得到必须满足必须满足低通截止角频率低通截止角频率高通截止角频率高通截止角频率2. 例例9.3.29.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路3. 二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路 令令传递函数传递函数得得9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路可由低通和高通并联得到可由低通和高通并联得到必须满足必须满足双双T T选频网络选频网络9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路双双T T带阻滤波电路带阻滤波电路9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路阻滤波电路的幅频特性阻滤波电路的幅频特性 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤
10、波电路end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。不同之处运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频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，前者是在输入信号频率不变或直流信域问题；测试时，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值的关系，后号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不
11、变情况下测量输出电压幅值与输者是在输入电压幅值不变情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。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关系，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滤波特性。有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。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2. 自激振荡的条件自激振荡的条件3. 起振和稳幅起振和稳幅4. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分1. 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理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. 产生自激振荡的原理产生自激
12、振荡的原理只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。所有正反馈电路都会产生自激振荡吗？所有正反馈电路都会产生自激振荡吗？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. 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理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正正反反馈馈放放大大电路框图电路框图（注注意意与与负负反反馈馈方方框框图图的差别）的差别）2. 振荡条件振荡条件若环路增益若环路增益则则去掉去掉仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。又又所以振荡条件为所以振荡条件为振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件，相位平衡条件，n是整数是整数起振条件起振条件3. 起振和稳
13、幅起振和稳幅 # # 振振振振荡荡荡荡电电电电路路路路是是是是单单单单口口口口网网网网络络络络，无无无无须须须须输输输输入入入入信信信信号号号号就就就就能能能能起起起起振振振振，起起起起振振振振的的的的信号源来自何处？信号源来自何处？信号源来自何处？信号源来自何处？电路器件内部噪声以及电源接通扰动电路器件内部噪声以及电源接通扰动 当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时，就就要要限限制制它它继继续续增增加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。 噪噪声声中中，满满足足相相位位平平衡衡条条件件的的某某一一频频率率 0 0的的噪噪声声信信号号被被放大，成为振荡电路的输出信
14、号。放大，成为振荡电路的输出信号。 稳稳幅幅的的作作用用就就是是，当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到end4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）4. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分4反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（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。）网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节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
15、络的选频特性3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理4. 稳幅措施稳幅措施1. 电路组成电路组成反反馈馈网网络络兼兼做做选选频频网络网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路要满足相位条件要满足相位条件反馈系数反馈系数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幅频响应幅频响应又又且令且令则则相频响应相频响应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幅频响应有最大值幅频响应有最大值相频响应相频响应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 用用瞬瞬时时极极性性法法判判断断可可知知，电电路路满足相位平衡条件满足相位平衡条件则振
16、荡电路则振荡电路满足振幅平衡条件满足振幅平衡条件当当时，时，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于产生频率低于 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，即即热敏电阻的作用热敏电阻的作用稳幅稳幅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）稳幅原理稳幅原理稳幅稳幅整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不不同而变化同而变化end采用非线性元件采用非线性元件4二极
17、管二极管稳幅原理稳幅原理稳幅稳幅起振时起振时4. 稳幅措施稳幅措施稳幅环节稳幅环节9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.1 电压比较器电压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9.8.1 电压比较器电压比较器，由于，由于|vO |不可能超过不可能超过VM ，特点：特点：1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（1）过零比较器）过零比较器开环，开环，虚短虚短不成立不成立增益增益A0大于大于105（忽略了放大器输出级的饱和压降）忽略了放大器输出级的饱和压降）所以所以当当 |+VCC | =
18、|-VEE | =VM = 15V，A0=105 时，时，可以认为可以认为vI 0 时，时， vOmax = +VCCvI 0 时，时， vOmax = -VEE（过零比较器）（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下9.8.1 电压比较器电压比较器特点：特点：1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（1）过零比较器）过零比较器开环，开环，虚短虚短不成立不成立增益增益A0大于大于105 输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波时，输出为方波。波时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性9.8.1 电压比较器电压比较器1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（2）门限电压
19、不为门限电压不为零的比较器零的比较器电压传输特性电压传输特性（门限电压为（门限电压为VREF）9.8.1 电压比较器电压比较器1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（2）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器（门限电压为（门限电压为VREF）(a) VREF0时时(b) VREF2V时时 (c) VREF4V时时 vI为峰值为峰值6V的三角波，设的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。，运放为理想器件。 解：解：例例图图示示为为另另一一种种形形式式的的单单门门限限电电压压比比较较器器，试试求求出出其其门门限限电电压压(阈阈值值电电压压)VT，画画出出其其电电压压传传输输特特性性。设设运
20、运放放输输出出的的高高、低电平分别为低电平分别为VOH和和VOL。 利用叠加原理可得利用叠加原理可得理想情况下，输出电压发生跳变理想情况下，输出电压发生跳变时对应的时对应的vPvN0，即即门限电压门限电压单门限比较器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力应为高电平应为高电平错误电平错误电平9.8.1 电压比较器电压比较器2. 迟滞比较器迟滞比较器（1）电路组成电路组成（2）门限电压门限电压门限电压门限电压上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压回差电压回差电压9.8.1 电压比较器电压比较器2. 迟滞比较器迟滞比较器（3 3）传输特性传输特性解：解：（1）门限电压）门限电压（3）输出电压波形输出
21、电压波形例例电电路路如如图图所所示示，试试求求门门限限电电压压，画画出出传传输输特特性性和和图图c所所示示输输入信号下的输出电压波形。入信号下的输出电压波形。（2）传输特性）传输特性通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：（1）用用于于电电压压比比较较器器的的运运放放，通通常常工工作作在在开开环环或或正正反反馈馈状状态态和非线性区，其输出电压只有高电平和非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电和低电VOL两种情况。两种情况。（2）一一般般用用电电压压传传输输特特性性来来描描述述输输出出电电压压与与输输入入电电压压的的函函数数关系。关系。（3
22、）电压传输特性的关键要素）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向令令vPvN所求出的所求出的vI就是门限电压就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变等于门限电压时输出电压发生跳变跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式9.8.2 方波产生电路方波产生电路1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路）稳压管双稳压管双向限幅向限幅9.8.2 方波产生电路方波产生电路2. 工作原理工作原理 由由于于迟迟滞滞比比较较器器中中正正反反馈馈的的作作用用，电电源源接接通通后后瞬瞬间间，输输出便进入饱和状态。出便进入饱和状态。假设为正向饱和状态假设为正向饱和状态3. 占空比可变的方波产生电路占空比可变的方波产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路end同相输入迟同相输入迟滞比较器滞比较器积分电路积分电路充放电时间充放电时间常数不同常数不同
