电子技术基础模拟部分(第六版康华光)第10章 信号处理与信号产生电路

《电子技术基础》模拟部分（第六版）华中科技大学张林2华中科技大学张林电子技术基础模拟部分1绪论2运算放大器3二极管及其基本电路4场效应三极管及其放大电路5双极结型三极管及其放大电路6频率响应7模拟集成电路8反馈放大电路9功率放大电路10信号处理与信号产生电路11直流稳压电源华中科技大学张林310信号处理与信号产生电路10.1滤波电路的基本概念与分类10.2一阶有源滤波电路10.3高阶有源滤波电路*10.4开关电容滤波器10.5正弦波振荡电路的振荡条件10.6RC正弦波振荡电路10.7LC正弦波振荡电路10.8非正弦信号产生电路4华中科技大学张林10.1滤波电路的基本概念与分类1.基本概念)()()(iosVsVsA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。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。)(Itv)(Otv滤波电路滤波电路传递函数定义时，有js)()j()j(AA其中)j(A)(——模，幅频响应——相位角，相频响应群时延响应)(d)(d)(s5华中科技大学张林10.1滤波电路的基本概念与分类理想|A|A0O通带|A|A0O理想实际H0L实际理想|A|A0OL0H|A|A0O实际理想阻带通带L|A|A0O实际理想通带通带阻带H2.分类低通（LPF）希望抑制50Hz的干扰信号，应选用哪种类型的滤波电路？高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）放大音频信号，应选用哪种类型的滤波电路？6华中科技大学张林＋－vIRR1CvP＋－Rf＋－vORL无源RC滤波电路同相比例放大电路10.2一阶有源滤波电路1.低通滤波电路c01)(sAsA传递函数2c0)(1)j(AA其中特征角频率1f01RRARC1c故，幅频相应为同相比例放大系数理想实际－20dB/十倍频程20lg||A(j)A0/dB0－3－20110/C7华中科技大学张林10.2一阶有源滤波电路电路如何改变？幅频响应如何变化？一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。有源滤波电路和无源滤波电路相比有何优缺点？2.高通滤波电路＋－vIRR1CvP＋－Rf＋－vORL无源RC滤波电路同相比例放大电路理想实际－20dB/十倍频程20lg||A(j)A0/dB0－3－20110/C华中科技大学张林810.3高阶有源滤波电路10.3.1有源低通滤波电路10.3.2有源高通滤波电路10.3.3有源带通滤波电路10.3.4二阶有源带阻滤波电路9华中科技大学张林vIRAvARC1＝CvPC2＝C＋－R1同相比例放大电路(AVF-1)R1vO10.3.1有源低通滤波电路1.二阶有源低通滤波电路2.传递函数1fF1RRAV)()(PoFsVsVAV)(/1/1)(APsVsCRsCsV对于滤波电路，有RsVsV)()(AisCsVsV/1)()(oA0)()(PARsVsV得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA2FF)()-(31sCRsCRAAVV（二阶）（同相比例）10华中科技大学张林10.3.1有源低通滤波电路2.传递函数F0VAARC1c令称为通带增益)()()(iosVsVsA2FF)()-(31sCRsCRAAVVF31VAQ称为特征角频率称为等效品质因数则2cc22c0)(ωsQωsωAsA滤波电路才能稳定工作。时，，即当303FFVVAA注意：11华中科技大学张林10.3.1有源低通滤波电路用代入，可得传递函数的频率响应：js2c22c0)()(11lg20)j(lg20QAA归一化的幅频响应相频响应2cc)(1arctg)(Q2.传递函数12华中科技大学张林10.3.1有源低通滤波电路20100－3－10－20－30－400.10.20.50.30.4123510/CQ＝105210.7070.520lg||A(j)A0/dB3.幅频响应2c22c0)()(11lg20)j(lg20QAA归一化的幅频响应曲线产生增益过冲的原因是什么？上限角频率H和特征角频率C有何差别？13华中科技大学张林1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0n＝1n＝1n＝2n＝3co|)j(|AAn＝4理想4.n阶巴特沃斯传递函数传递函数为2nc0)/(1)j(ωωAωA式中n为阶滤波电路阶数，c为3dB载止角频率，A0为通带电压增益。14华中科技大学张林10.3.2有源高通滤波电路1.二阶高通滤波电路＋－vICCRvAvPRR1(AVF-1)R1vO同相比例放大电路将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。传递函数2cc220)(sQssAsA2c22c0)(1)(1lg20)j(lg20QAA归一化的幅频响应15华中科技大学张林10.3.2有源高通滤波电路1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1000.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0n＝1n＝2n＝3n＝4co|)j(|AA2.巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应2nc0)/(1)j(ωωAωA归一化幅频响应16华中科技大学张林10.3.3有源带通滤波电路1.电路组成原理可由低通和高通串联得到必须满足A0A2A1A0阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴OOHLAA0OLH通带测评阻带阻碍阻带阻碍211H1CR低通截止角频率22L1CR高通截止角频率HLvI低通高通vO17华中科技大学张林10.3.3有源带通滤波电路＋－C1R1R3C2R435.7k＋－viR568k低通＋－R8R7R223.2k1000pF14kC30.1FC40.1F1000pF39.8kR948kR1082k18k－＋vo－高通18k2.例18华中科技大学张林10.3.3有源带通滤波电路0－20－400.11/0Q＝105210.520lg||A(j)A0/dB3.二阶有源带通滤波电路R2＝RC1＝CvIRCR3＝2R低通高通＋－R1同相比例放大电路(AVF-1)R1vO令传递函数2FF)()-(31)(sCRsCRAsCRAsAVVFF0-3VVAAARC10F31VAQ得20000)(1)(sQsQsAsA关于选择性19华中科技大学张林10.3.4二阶有源带阻滤波电路可由低通和高通并联得到必须满足HLA0A2A1A0阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴阻带阻碍阴通带测评通带阻碍阴OOHLAA0OHL通带测评阻带阻碍通带测评vI低通高通vO20华中科技大学张林10.3.4二阶有源带阻滤波电路双T选频网络21华中科技大学张林10.3.4二阶有源带阻滤波电路双T带阻滤波电路2CCR2CRRvIvP＋－vORfR1Rf＝(AVF－1)R122华中科技大学张林10.3.4二阶有源带阻滤波电路Q大Q小0－10－20－30－400.10.20.512510/020lg||A(j)A0/dB阻滤波电路的幅频特性23华中科技大学张林10.4开关电容滤波器1.基本原理C2R121v1vO＋－积分电路vI＋C22vO－T1T2C1112＋－由电容C1和两个MOS开关管T1、T2等效电阻R1的积分电路不重叠的两相时钟脉冲1和2控制关管的接通与断开Tc1224华中科技大学张林10.4开关电容滤波器1.基本原理1为高电平时，T1导通，T2截止vI＋C22vO－T1T2C1112＋－Tc122为高电平时，T1截止，T2导通C1所充电荷向C2转移C1被充电，有qc1＝C1vIvI＋－C112C2vO＋－25华中科技大学张林10.4开关电容滤波器1.基本原理1为高电平时，T1导通，T2截止vI＋C22vO－T1T2C1112＋－Tc122为高电平时，T1截止，T2导通C1所充电荷向C2转移C1被充电，有qc1＝C1vI在每一时钟周期Tc内，从信号源中提取的电荷qc1＝C1vI供给了积分电容器C2。因此，在节点1、2之间流过的平均电流为C1C2vO2＋－cI1c1avTCTqicv26华中科技大学张林10.4开关电容滤波器1.基本原理当Tc远小于信号周期时，可在两节点之间定义一个等效电阻ReqvI＋C22vO－T1T2C1112＋－Tc12时间常数与脉冲周期和电容比有关得等效的积分器时间常数1cI1cICTCTvvavIeqiRv1c1Cf12ceq2CCTRC27华中科技大学张林10.4开关电容滤波器2.开关电路滤波器举例一阶低通滤波器电路，传递函数为其中3dB0ff1fio/111)()()(sACsRRRsVsVsA－＋viR1RfvOCf1f0RRAff3dB1CRff3dBπ21CRf等效开关电容滤波器电路－＋vi1voCf2T1T2C1T4C1T3122cfeqf1CfRR1c1eq11CfRR有28华中科技大学张林10.4开关电容滤波器2.开关电路滤波器举例代入传递函数表达式ff1fj2π11)j(CfRRRA－＋viR1RfvOCf－＋vi1voCf2T1T2C1T4C1T3122cf1c2c2πj1111CffCCfCf3dB21j11ffCC)/j(13dB0ffA29华中科技大学张林10.4开关电容滤波器2.开关电路滤波器举例代入传递函数表达式其中f2c3dBπ2CCff)/j(13dB0ffAA210CCA3dB00.1f3dBf3dB10f3dBf/Hz-20dB/十倍频f/Hz-45/十倍频-180-270020lg|A|/dB20lg|A0|-225一阶低通滤波器的波特图通过选择C1、C2和时钟频率fc，便可获得需要的滤波特性－＋vi1voCf2T1T2C1T4C1T31230华中科技大学张林10.4开关电容滤波器3.单片集成开关电容滤波器简介目前已有通用型开关电容滤波器，可组成低通、高通、带通等类型滤波电路，阶数达8阶，某些型号的产品能对微伏数量级的有用信号进行滤波。开关电容滤波器的滤波特性决定于电容比和时钟频率，设计简单，可实现高精度和高稳定滤波，同时便于集成。目前集成开关电容滤波器除工作频率还不够高外（受脉冲频率远大于信号频率的限制），大部分性能指标已达到较高水平。31华中科技大学张林10.5正弦波振荡电路的振荡条件正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）1.振荡条件fiaXXX若环路增益1FA则，faXX去掉，iXoX仍有稳定的输出。又fafaAFFAFA所以振荡条件为1)()(FA振幅平衡条件π2)()(fan相位平衡条件32华中科技大学张林XoXaXf+放大电路A反馈网络F起振条件2.起振和稳幅#振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声以及电源接通扰动1)()(FAπ2)()(fan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。噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到1AF。1AF33华中科技大学张林XoXaXf+放大电路A反馈网络F放大电路（包括负反馈放大电路）3.振荡电路基本组成部分反馈网络（构成正反馈的）选频网络（选择满足相位平衡