第8章 信號的運(yùn)算與處理電路

1、模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程第八章第八章 信號的運(yùn)算與處理電路信號的運(yùn)算與處理電路信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院電子技術(shù)基礎(chǔ)課程組電子技術(shù)基礎(chǔ)課程組 2021-7-278 信號的運(yùn)算與處理電路信號的運(yùn)算與處理電路8.1 概述概述8.2 運(yùn)算電路運(yùn)算電路8.3 模擬乘法器模擬乘法器8.4 集成運(yùn)算放大器在信號檢測中的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器在信號檢測中的應(yīng)用8.4 集成運(yùn)算放大器在信號檢測中的應(yīng)用集成運(yùn)算放大器在信號檢測中的應(yīng)用8.5 有源濾波器有源濾波器8.6 電壓比較器電壓比較器8.7 集成運(yùn)算放大器應(yīng)用中應(yīng)注意的問題集成運(yùn)算放大器應(yīng)用中應(yīng)注意的問題一一儀表放大器儀表

2、放大器二二電流電流-電壓變換器和電壓電壓變換器和電壓-電流變換器電流變換器三三電表測量電路電表測量電路四四模擬阻抗變換器模擬阻抗變換器五五二極管限幅電路二極管限幅電路作業(yè)作業(yè) 2021-7-278.1 概述概述 二二 集成運(yùn)放和理想運(yùn)放集成運(yùn)放和理想運(yùn)放三三 運(yùn)放的電壓傳輸特性運(yùn)放的電壓傳輸特性四四 線性和非線性工作區(qū)域線性和非線性工作區(qū)域一一集成運(yùn)算放大器的主要應(yīng)用集成運(yùn)算放大器的主要應(yīng)用（線性與非線性應(yīng)用）（線性與非線性應(yīng)用）1.運(yùn)算：比例、求和、微積分、對數(shù)與指數(shù)、模擬乘法器等運(yùn)算：比例、求和、微積分、對數(shù)與指數(shù)、模擬乘法器等2.處理：濾波等處理：濾波等3.產(chǎn)生：非正弦、正弦信號產(chǎn)生電路

3、產(chǎn)生：非正弦、正弦信號產(chǎn)生電路 2021-7-27集成運(yùn)放和理想運(yùn)放集成運(yùn)放和理想運(yùn)放11、特點、特點: 利用集成工藝將相對獨立的電子系統(tǒng)制作在一小塊單晶利用集成工藝將相對獨立的電子系統(tǒng)制作在一小塊單晶 硅芯片上。硅芯片上。2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)部結(jié)構(gòu) 輸入級：利用輸入級：利用差分電路差分電路的對稱性提高電路的性能的對稱性提高電路的性能 中間放大級：由一級或多級放大電路構(gòu)成，中間放大級：由一級或多級放大電路構(gòu)成，提高增益提高增益。 輸出級：功率放大電路，為負(fù)載提供一定功率。輸出級：功率放大電路，為負(fù)載提供一定功率。3、代表符號和外部特性：、代表符號和外部特性：a. 符號：符號：國標(biāo)國標(biāo)vNvPvov

4、NvPvo國際通用國際通用 2021-7-27集成運(yùn)放和理想運(yùn)放集成運(yùn)放和理想運(yùn)放2b. 外部特性外部特性 雙電源或單電源供電雙電源或單電源供電 同、反相輸入端，對差分信號進(jìn)行放大同、反相輸入端，對差分信號進(jìn)行放大 開環(huán)電壓增益很大開環(huán)電壓增益很大 等效輸入電阻大，等效輸出電阻小等效輸入電阻大，等效輸出電阻小 輸出最大值受電源電壓限制（有正負(fù)飽和極限值）輸出最大值受電源電壓限制（有正負(fù)飽和極限值）c. 理想運(yùn)放的工作特性理想運(yùn)放的工作特性 開環(huán)電壓放大倍數(shù)開環(huán)電壓放大倍數(shù)Aod和共模抑制比和共模抑制比KCMR： 差模輸入電阻差模輸入電阻Rid=；輸出電阻；輸出電阻Ro=0 BW= 失調(diào)量為零等

5、失調(diào)量為零等 2021-7-27+10V-10V+Vom-Vom-1mV+1mV+10V-10V+Vom-Vom0vOvi設(shè)：電源電壓設(shè)：電源電壓VCC=10V。運(yùn)放的。運(yùn)放的Aod=104 vi=vP- -vN1mV時，運(yùn)放時，運(yùn)放處于線性區(qū)。處于線性區(qū)。Aod越大，線性區(qū)越小，越大，線性區(qū)越小，當(dāng)當(dāng)Aod時，線性區(qū)時，線性區(qū)00vOvi線性區(qū)線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)非線性區(qū)運(yùn)放的電壓傳輸特性運(yùn)放的電壓傳輸特性 2021-7-27為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放為了擴(kuò)大運(yùn)放的線性區(qū)，給運(yùn)放電路引入深度電路引入深度負(fù)反饋負(fù)反饋：運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析運(yùn)放工作在線性區(qū)的分析方法：方法：虛假斷路

6、虛假斷路（ii+=ii-0）因為虛短，同時運(yùn)放的輸入電阻很大（數(shù)百因為虛短，同時運(yùn)放的輸入電阻很大（數(shù)百千歐以上），所以輸入電流非常小千歐以上），所以輸入電流非常小虛假短路虛假短路（v+=v-）Aod非常大，理想情況下趨于無窮；非常大，理想情況下趨于無窮；運(yùn)放工作在線性區(qū)時，運(yùn)放工作在線性區(qū)時，vo是有限的：是有限的：非線性工作區(qū)域非線性工作區(qū)域0NPNPood vvvvvA運(yùn)放的線性工作區(qū)域運(yùn)放的線性工作區(qū)域 2021-7-27電路開環(huán)工作或引入正反饋！電路開環(huán)工作或引入正反饋！+10V-10V+Vom-Vom0vovi運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：運(yùn)放工作在非線性區(qū)的條件：運(yùn)放非線性工作區(qū)域運(yùn)

7、放非線性工作區(qū)域 2021-7-278.2 運(yùn)算電路運(yùn)算電路（引入負(fù)反饋、線性運(yùn)用引入負(fù)反饋、線性運(yùn)用） 二二基本運(yùn)算電路基本運(yùn)算電路1.同、反相比例運(yùn)算電路同、反相比例運(yùn)算電路2.求和電路求和電路3.求差電路求差電路4.積分電路積分電路5.微分電路微分電路6.運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)一一集成運(yùn)算放大器的三種輸入方式集成運(yùn)算放大器的三種輸入方式1.反相輸入方式反相輸入方式2.同相輸入方式同相輸入方式3.差分輸入方式差分輸入方式三三對數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路對數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路 2021-7-27根據(jù)虛斷（根據(jù)虛斷（ ）：）：反相比例運(yùn)算電路反相比例運(yùn)算電路0PN ii0PN vv特點：信號從

8、集成運(yùn)算放大器的特點：信號從集成運(yùn)算放大器的反相輸入端反相輸入端輸入輸入反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋深度負(fù)反饋條件下，深度負(fù)反饋條件下，根據(jù)虛短（根據(jù)虛短（ ）：）：0PNFR viiiPNvv 結(jié)論：結(jié)論：12ioRRvvAv 1iRR 0oR時為反相器時為反相器12RR 2021-7-27同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路特點：信號從集成運(yùn)算放大器的特點：信號從集成運(yùn)算放大器的同相輸入端同相輸入端輸入輸入反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋深度負(fù)反饋條件下有虛短和虛斷的概念深度負(fù)反饋條件下有虛短和虛斷的概念結(jié)論：結(jié)論：12io1RRvvAv 電壓跟隨器電壓跟隨

9、器 iR0oR 2021-7-27電壓跟隨器電壓跟隨器阻抗變換的作用阻抗變換的作用緩沖的作用緩沖的作用 2021-7-27差分比例運(yùn)算電路差分比例運(yùn)算電路特點：同相和反相輸入端分別加上輸入信號特點：同相和反相輸入端分別加上輸入信號反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋共存反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋、電壓并聯(lián)負(fù)反饋共存深度負(fù)反饋條件下：深度負(fù)反饋條件下：結(jié)論：結(jié)論：例例2.4.1(五版五版P35)2314RRRR 若若)(i1i214ovvRRv 則有則有： 2021-7-27i114ovRRv vRRv)1(14oi223314i114o)1(vRRRRRvRRv 2314RRRR 若若)(i

10、1i214ovvRRv 則有則有：僅僅vi1作用作用下下:僅僅vi2作用作用下下:綜合考慮綜合考慮:i223314)1(vRRRRR ooovvv 疊加原理疊加原理 2021-7-27求差電路例題求差電路例題例例2.4.1(第五版第五版)高輸入電阻的差分放大電路如圖所示高輸入電阻的差分放大電路如圖所示,求輸出電壓求輸出電壓vo2的表達(dá)式的表達(dá)式,并說明該電路的特點并說明該電路的特點. 2021-7-27反相求和（加法）運(yùn)算電路反相求和（加法）運(yùn)算電路特點：多個信號從集成運(yùn)算放大器的特點：多個信號從集成運(yùn)算放大器的反相輸入端反相輸入端輸入輸入反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋深度負(fù)

11、反饋條件下：深度負(fù)反饋條件下：結(jié)論：結(jié)論：）（.223113o iivRRvRRv同相求和同相求和例例2.4.2 2021-7-27反相求和例題反相求和例題例例2.4. 2(第五版第五版)某歌唱小組有一個領(lǐng)唱和兩個伴唱，各自的歌聲分別輸入三個話筒，某歌唱小組有一個領(lǐng)唱和兩個伴唱，各自的歌聲分別輸入三個話筒，各話筒的內(nèi)阻各話筒的內(nèi)阻Rs=500，接入求和電路如圖，接入求和電路如圖2.4.5所示。所示。1. 求總輸出電壓求總輸出電壓vo的表達(dá)式；的表達(dá)式；2. 當(dāng)各話筒產(chǎn)生的電信號為當(dāng)各話筒產(chǎn)生的電信號為vs= vs1= vs2= vs3=10mV時，時，vo=2V，伴唱，伴唱支路增益支路增益Av

12、1= Av2，領(lǐng)唱支路增益，領(lǐng)唱支路增益Av3= 2Av1，求各支路增益；，求各支路增益；3. 選擇電阻選擇電阻R1、R2、 R3、 R4的阻值（要求阻值小于的阻值（要求阻值小于100k） 2021-7-27同相求和（加法）運(yùn)算電路同相求和（加法）運(yùn)算電路特點：多個信號從集成運(yùn)算放大器的特點：多個信號從集成運(yùn)算放大器的同相輸入端同相輸入端輸入輸入反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋反饋類型：電壓串聯(lián)負(fù)反饋深度負(fù)反饋條件下：深度負(fù)反饋條件下：結(jié)論：結(jié)論：)1(211i2212i134oRRRvRRRvRRv 2021-7-27負(fù)反饋的基本概念負(fù)反饋的基本概念+ + + +瞬時電位變化極性瞬時電位變化極性增大

13、：增大：減?。簻p?。簐ivnvovn負(fù)反饋：負(fù)反饋：將輸出量的部分或者全部送回到輸入端，起自動將輸出量的部分或者全部送回到輸入端，起自動調(diào)整放大電路、牽制輸出量變化的作用。調(diào)整放大電路、牽制輸出量變化的作用。 2021-7-27積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路特點：反相比例運(yùn)算電路基礎(chǔ)上，用電容特點：反相比例運(yùn)算電路基礎(chǔ)上，用電容C代替電阻代替電阻Rf作為作為負(fù)反饋元件。負(fù)反饋元件。 反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋深度負(fù)反饋條件下：深度負(fù)反饋條件下：結(jié)論：結(jié)論：應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例tvRCvd1Io 電容電容C充、放電的瞬態(tài)響應(yīng)：充、放電的瞬態(tài)響應(yīng)：tiCvd1CC 2021-7-271

14、. 反相積分器：反相積分器：tvi0tvo0-VomTM積分時間積分時間tvRCvd1io tvRCi1 求積到飽和值的時間：求積到飽和值的時間：MiOM1TvRCV s05. 0iOMM vRCVT設(shè)設(shè)Vom=15V，vi=+3V，R=10k ，C=1 F如果如果vi為直流電壓，輸出將反相積為直流電壓，輸出將反相積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例1 2021-7-27輸入方波，輸出是三角波。輸入方波，輸出是三角波。tvi0tvo02. 波形變換波形變換顯示器的掃描電路顯示器的掃描電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)學(xué)模擬運(yùn)算器數(shù)學(xué)模擬運(yùn)算器應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例2

15、 2021-7-27應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例3試用運(yùn)算放大器構(gòu)成模擬計算電路，以求解微分方程試用運(yùn)算放大器構(gòu)成模擬計算電路，以求解微分方程信號。信號。生器，以提供生器，以提供利用一個正弦波信號發(fā)利用一個正弦波信號發(fā)，）（。初始條件為。初始條件為tdtdvvtvdtvdt sin0V100sin520ooo2o2 2021-7-27微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路1特點：特點：將積分運(yùn)算電路中的反相端輸入電阻和反饋電將積分運(yùn)算電路中的反相端輸入電阻和反饋電 容互相交換位置容互相交換位置。 反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋反饋類型：電壓并聯(lián)負(fù)反饋深度負(fù)反饋條件下：深度負(fù)反饋條件下：結(jié)論：結(jié)論：電容電容C充、放電的瞬態(tài)響應(yīng)

16、：充、放電的瞬態(tài)響應(yīng)：tvRCvddIO Rvii)0(ORC 2021-7-27)90sin( tRC tRCvcosO tvi0tvo0tv sini tvRCvddIO 90EWB微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路2對高頻信號的放大能力強(qiáng)對高頻信號的放大能力強(qiáng)抗高頻干擾能力差抗高頻干擾能力差阻塞現(xiàn)象阻塞現(xiàn)象采取采取措施措施 2021-7-27實用的微分電路實用的微分電路1.1. 小阻值電阻限流，但將影響微分器的運(yùn)算精度小阻值電阻限流，但將影響微分器的運(yùn)算精度2.2. 小電容相位補(bǔ)償，提高電路穩(wěn)定性，防止自激振蕩小電容相位補(bǔ)償，提高電路穩(wěn)定性，防止自激振蕩3.3. 并聯(lián)穩(wěn)壓二極管限幅，保證運(yùn)放工作在

17、線性區(qū)，消除阻塞現(xiàn)象并聯(lián)穩(wěn)壓二極管限幅，保證運(yùn)放工作在線性區(qū)，消除阻塞現(xiàn)象 2021-7-27PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器反相運(yùn)算的一般形式反相運(yùn)算的一般形式EWB復(fù)阻抗：復(fù)阻抗：RsZR )(sCsZC1)( )()()()(I1OsvsZsZsvf )()()()()(1IOsZsZsvsvsAf )1()(111!ffffCsRCsRCCRRsA PIDPID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 2021-7-27對數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路對數(shù)與指數(shù)運(yùn)算電路利用利用PNPN結(jié)伏安特性所具有的結(jié)伏安特性所具有的指數(shù)規(guī)律指數(shù)規(guī)律，將二極管或者三極管分別，將二極管或者三極管分別接入集成運(yùn)放的反饋回路和輸入回路，可以實現(xiàn)對數(shù)運(yùn)算和指數(shù)接

18、入集成運(yùn)放的反饋回路和輸入回路，可以實現(xiàn)對數(shù)運(yùn)算和指數(shù)運(yùn)算，而利用對數(shù)運(yùn)算，而利用對數(shù)運(yùn)算、指數(shù)運(yùn)算、指數(shù)運(yùn)算和運(yùn)算和加減加減運(yùn)算電路相組合，便可運(yùn)算電路相組合，便可實現(xiàn)實現(xiàn)乘法、除法、乘方和開方乘法、除法、乘方和開方等運(yùn)算等運(yùn)算對數(shù)電路對數(shù)電路指數(shù)電路指數(shù)電路集成對數(shù)運(yùn)算電路集成對數(shù)運(yùn)算電路ICL8048 2021-7-27對數(shù)電路對數(shù)電路 2021-7-27指數(shù)電路指數(shù)電路 2021-7-27集成對數(shù)運(yùn)算電路集成對數(shù)運(yùn)算電路ICL8048 2021-7-27模擬乘法器模擬乘法器廣泛用于信息傳輸系統(tǒng)作為調(diào)幅、解調(diào)、混頻、鑒相和自廣泛用于信息傳輸系統(tǒng)作為調(diào)幅、解調(diào)、混頻、鑒相和自動增益控制電路

19、；動增益控制電路；模擬乘法器是實現(xiàn)兩個模擬信號（連續(xù)變化的電壓模擬乘法器是實現(xiàn)兩個模擬信號（連續(xù)變化的電壓或或電流）電流）相乘的非線性電子器件，廣泛用于乘法、除法、乘方和開方等相乘的非線性電子器件，廣泛用于乘法、除法、乘方和開方等模擬運(yùn)算；模擬運(yùn)算；一一表示符號表示符號二二工作象限工作象限三三實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法1. 對數(shù)指數(shù)型模擬乘法器對數(shù)指數(shù)型模擬乘法器2. 變跨導(dǎo)型模擬乘法器變跨導(dǎo)型模擬乘法器3. 模擬乘法器的應(yīng)用模擬乘法器的應(yīng)用 2021-7-27儀用放大器儀用放大器 1Ri2Ri2Ri211vvvR +43vv +3nv3pv 2021-7-27有源濾波器有源濾波器一一濾波電路的基本概念

20、與分類濾波電路的基本概念與分類二二一階有源濾波電路一階有源濾波電路四四*開關(guān)電容濾波器開關(guān)電容濾波器三三高階有源濾波電路高階有源濾波電路 2021-7-27濾波電路的基本概念和分類濾波電路的基本概念和分類1. 基本概念基本概念 濾波器是一種具有選頻特性的電子裝置，能使一定頻濾波器是一種具有選頻特性的電子裝置，能使一定頻率范圍內(nèi)的信號（有用信號）通過，同時屏蔽和抑制率范圍內(nèi)的信號（有用信號）通過，同時屏蔽和抑制該范圍以外的頻率成分（無用信號）。該范圍以外的頻率成分（無用信號）。 無源濾波器無源濾波器（passive filters）：僅由無源元件構(gòu)成）：僅由無源元件構(gòu)成 有源濾波器有源濾波器（a

21、ctive filters）：由運(yùn)算放大器、電阻、）：由運(yùn)算放大器、電阻、電容等元件構(gòu)成電容等元件構(gòu)成 有源濾波器的優(yōu)勢有源濾波器的優(yōu)勢：增益較大；負(fù)載效應(yīng)較小：增益較大；負(fù)載效應(yīng)較小 濾波器的電壓傳遞函數(shù)濾波器的電壓傳遞函數(shù)（Voltage transfer function）2. 有源濾波電路的分類有源濾波電路的分類通帶：能夠通過的信號頻率范圍通帶：能夠通過的信號頻率范圍阻帶：受抑制或衰減的信號頻率范圍阻帶：受抑制或衰減的信號頻率范圍截止頻率：通帶與阻帶之間的臨界截止頻率：通帶與阻帶之間的臨界/界限頻率界限頻率理想濾波器：通帶（零衰減、線性）、阻帶（零增益）理想濾波器：通帶（零衰減、線性）

22、、阻帶（零增益） 2021-7-27)()()(iosVsVsA 濾波電路傳遞函數(shù)定義：濾波電路傳遞函數(shù)定義：時，有：時，有： j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A 模，幅頻響應(yīng)模，幅頻響應(yīng))( 相位角，相頻響應(yīng)相位角，相頻響應(yīng)時延響應(yīng)為：時延響應(yīng)為：)( d)(d)(s )(Itv)(Otv濾波電路濾波電路濾波電路的傳遞函數(shù)濾波電路的傳遞函數(shù)通常用幅頻響應(yīng)表征濾波電路的特性；欲使信號通過濾波電路通常用幅頻響應(yīng)表征濾波電路的特性；欲使信號通過濾波電路的失真小，則相位或時延響應(yīng)亦需考慮。當(dāng)相位響應(yīng)呈線性變的失真小，則相位或時延響應(yīng)亦需考慮。當(dāng)相位響應(yīng)呈線性變化

23、，即化，即（ ）為常數(shù)時，輸出信號才可能避免失真。）為常數(shù)時，輸出信號才可能避免失真。 2021-7-27有源濾波電路的分類有源濾波電路的分類1a) 從技術(shù)的角度分類從技術(shù)的角度分類 無源濾波器，包括單時間常數(shù)、無源濾波器，包括單時間常數(shù)、L型、型、T型、型、型以及梯型以及梯型網(wǎng)絡(luò)的多時間常數(shù)濾波器型網(wǎng)絡(luò)的多時間常數(shù)濾波器 有濾波器有濾波器 應(yīng)用于數(shù)字信號處理的各種數(shù)字濾波器應(yīng)用于數(shù)字信號處理的各種數(shù)字濾波器 其它技術(shù)：其它技術(shù)：Quartz filters and piezoelectrics、SAW filters、BAW filters 、Garnet filters 、Atomic f

24、ilters ，etc.b) 按傳遞函數(shù)的特征分類按傳遞函數(shù)的特征分類c) 按通帶與阻帶的分布按通帶與阻帶的分布d) 按電路元件的布局按電路元件的布局 2021-7-27According to Transfer FunctionButterworth filter - no gain ripple in pass band and stop band, slow cutoff Chebyshev filter (type I) - no gain ripple in stop band, moderate cutoff Chebyshev filter (type II) - no gain

25、 ripple in pass band, moderate cutoff Bessel filter - no group delay ripple, no gain ripple in both bands, slow gain cutoff Elliptic filter - gain ripple in pass and stop band, fast cutoff Optimum L filter Gaussian filter - no ripple in response to step function Hourglass filter Raised-cosine filter

26、 2021-7-27 2021-7-27有源濾波電路的分類有源濾波電路的分類2c) 按通帶與阻帶的分布按通帶與阻帶的分布d) 按電路元件的布局按電路元件的布局Low-pass filter - Low frequencies are passed, high frequencies are attenuated. High-pass filter - High frequencies are passed, Low frequencies are attenuated. Band-pass filter - Only frequencies in a frequency band are pa

27、ssed. Band-stop filter - Only frequencies in a frequency band are attenuated. All-pass filter - All frequencies are passed, but the phase of the output is modified. 2021-7-27According to Passband低通濾波器（低通濾波器（LPF） 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF） 高通濾波器（高通濾波器（HPF） 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BSFBSF） 理想理想實際實際通帶通帶阻阻帶帶全通濾波器（全通濾波器（APF） 2

28、021-7-27一階有源濾波電路一階有源濾波電路基本組成：基本組成：RC濾波電路（選頻）濾波電路（選頻）+集成運(yùn)算放大器（隔離負(fù)載、放大）集成運(yùn)算放大器（隔離負(fù)載、放大）一階有源低通濾波器：一階有源低通濾波器：一階有源高通濾波器一階有源高通濾波器一階有源帶通濾波器一階有源帶通濾波器一階有源帶阻濾波器一階有源帶阻濾波器 無源無源RC低通濾波電路低通濾波電路 帶電壓跟隨器的低通濾波器帶電壓跟隨器的低通濾波器 帶同相比例放大的低通濾波器帶同相比例放大的低通濾波器一階濾波器進(jìn)入阻帶后一階濾波器進(jìn)入阻帶后, ,幅頻曲線衰減的斜率是幅頻曲線衰減的斜率是20dB/20dB/十倍頻程十倍頻程, ,緩慢緩慢!

29、! 要想加速衰減要想加速衰減, ,要采用二階甚至高階濾波器要采用二階甚至高階濾波器. . 2021-7-27cjRcjVVjA 11)(io cRj 112H)(11)( jA傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：RC1H 截止頻率：截止頻率：無源無源RC低通濾波電路低通濾波電路Hio11)( jVVjA 幅頻特性：幅頻特性： 2021-7-27低通的幅頻特性低通的幅頻特性0.707 H截止頻率截止頻率0 1|A|2H)(11)( jA幅頻特性：幅頻特性：缺陷：缺陷：1、帶負(fù)載能力差、帶負(fù)載能力差2、無放大作用、無放大作用3、特性不理想、特性不理想 2021-7-27iHo)11(VjvvV )11(H j i

30、oVVA 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：其中截止頻率：其中截止頻率：RC1H 帶電壓跟隨器的低通濾波器帶電壓跟隨器的低通濾波器 2021-7-27 vRRvf)1(1OIH1)11)(1(vjRRf 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：1fF01RRAAV 通帶增益：通帶增益：幅頻特性幅頻特性帶同相比例的低通濾波器帶同相比例的低通濾波器cFIO11)()()( sAsvsvsAV ：特征角頻率：特征角頻率RC1Hc 分母為分母為s s的一次冪的一次冪 2021-7-27有源低通的幅頻特性有源低通的幅頻特性幅頻特性：幅頻特性：缺陷：阻帶衰減慢缺陷：阻帶衰減慢2H1)(11)1( RRAf1fF01RRAAV 通帶增益：通

31、帶增益： 0707. 0A0A0H ARC1H 上上限限截截止止頻頻率率： 2021-7-27一階有源高通濾波器一階有源高通濾波器iLo)11(VjvvV )11(H j ioVVA 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：其中截止頻率：其中截止頻率：RC1L 2021-7-27可由低通和高通串聯(lián)得到可由低通和高通串聯(lián)得到1111CR 必須滿足：必須滿足：低通特征角頻率：低通特征角頻率：2221CR 高通特征角頻率：高通特征角頻率：12 帶通濾波器的幅頻特性帶通濾波器的幅頻特性一階有源帶通濾波器一階有源帶通濾波器 2021-7-27帶通濾波器的幅頻特性帶通濾波器的幅頻特性A0A2A1A0阻帶阻帶通帶通帶阻帶阻帶通

32、帶通帶OO 1 2 AA0O 2 1通帶通帶阻帶阻帶阻帶阻帶低通低通高通高通帶通帶通 2021-7-27可由低通和高通并聯(lián)得到可由低通和高通并聯(lián)得到1111CR 必須滿足：必須滿足：低通特征角頻率低通特征角頻率2221CR 高通特征角頻率高通特征角頻率12 帶阻濾波器的幅頻特性帶阻濾波器的幅頻特性一階有源帶阻濾波器一階有源帶阻濾波器 2021-7-27帶阻濾波器的幅頻特性帶阻濾波器的幅頻特性低通低通高通高通帶帶阻阻A0A2A1A0阻阻 帶帶通通 帶帶阻阻 帶帶通通 帶帶OO 1 2 AA0O 1 2通通 帶帶阻阻 帶帶通通 帶帶 2021-7-27高階有源濾波電路高階有源濾波電路1. 常用低通

33、有源電路常用低通有源電路 巴特沃斯巴特沃斯(Butterworth)：通帶中幅頻響應(yīng)曲線最平：通帶中幅頻響應(yīng)曲線最平 貝塞爾（貝塞爾（Bessel）：可得失真較小的波形；群時延基本恒定）：可得失真較小的波形；群時延基本恒定3. 二階二階Butterworth低通濾波電路低通濾波電路 切比雪夫切比雪夫(Chebyshiv)：迅速衰減：迅速衰減,但是通帶中有一定紋波但是通帶中有一定紋波4. 二階二階Butterworth高通濾波電路高通濾波電路5. 二階二階Butterworth帶通濾波電路帶通濾波電路2. 二階有源濾波器（二階有源濾波器（Sallen-Key電路）傳遞函數(shù)的一般形式電路）傳遞函數(shù)

34、的一般形式6. 二階二階Butterworth帶阻濾波電路帶阻濾波電路F3232321421F21IO)()()()(VVAYYYYYYYYYYAYYsvsvsA 2021-7-27Transfer functionfOp1p0 RvvRv 根據(jù)虛短與虛斷：根據(jù)虛短與虛斷：1fOp1)( )( RRsvsv )( )( 242pAYYYsvsv 2pA3OA1AI)()( )()()()( YsvsvYsvsvYsvsv 1fF1 RRAV 令令FOp)( )( VAsvsv F3232321421F21IO)()()()(VVAYYYYYYYYYYAYYsvsvsA ：復(fù)電導(dǎo)：復(fù)電導(dǎo) iY

35、2021-7-27Butterworth Low-Pass Filter1RYY1 21 sC 43 YY代入代入一般表達(dá)式一般表達(dá)式有：有：2FF)()3(1sCRsCRAAVV a) 電路組成：電路組成：b) 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：令令RC1c F31VAQ 2c2c2c0IO)()()(sQsAsvsvsA F0VAA Q：等效品質(zhì)因數(shù)：等效品質(zhì)因數(shù)電路穩(wěn)定工作的條件電路穩(wěn)定工作的條件22121212FIO)(1)()()(sRRCCsRRCAsvsvsAV 2021-7-27電路穩(wěn)定工作的條件電路穩(wěn)定工作的條件 2021-7-27Butterworth Low-Pass Filter2c

36、) 幅頻響應(yīng)：幅頻響應(yīng)：22c2c0)(1 )(1lg20)(lg20 QAjA2c4c2c)()()(211lg20Q 時時707. 022 Q4c0)(11lg20)(lg20 AjA幅頻響應(yīng)最平坦：幅頻響應(yīng)最平坦：d) n階階Butterworth傳遞函數(shù)（幅頻特性）：傳遞函數(shù)（幅頻特性）：nAjA2c0)(1)( 00 dAdV 2021-7-27Butterworth Low-Pass Filter32cc)(1)(arctg)( Qe) 相頻特性：相頻特性：e) 低通幅頻響應(yīng)曲線：低通幅頻響應(yīng)曲線： 2021-7-27Butterworth與其它線性濾波器的比較與其它線性濾波器的比

37、較 2021-7-27Butterworth Low-Pass Filter4例例9.3.1 試用集成運(yùn)放設(shè)計一截止頻率試用集成運(yùn)放設(shè)計一截止頻率fc=100Hz的四階的四階Butterworth濾波器。要求：濾波器。要求： 選擇運(yùn)放；選擇運(yùn)放； 選擇和選擇和計算全部電阻、電容參數(shù)；計算全部電阻、電容參數(shù)； 用用SPICE仿真畫出幅仿真畫出幅頻響應(yīng)波特圖；頻響應(yīng)波特圖；用用SPICE仿真畫出各級和總的歸仿真畫出各級和總的歸一化幅頻響應(yīng)曲線。一化幅頻響應(yīng)曲線。 2021-7-27Butterworth High-Pass FiltersCYY 21 RYY1 43 a) 電路組成：電路組成：b)

38、 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：2c2c20IO)()()(sQssAsvsvsA nAjA2c0)(1)( 2021-7-27Butterworth Band-Pass Filter 2021-7-27Butterworth Band-Stop Filter 2021-7-27非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路1. 電壓比較器（電壓比較器（Comparator）2. 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路3. 鋸齒波產(chǎn)生電路鋸齒波產(chǎn)生電路a. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器b. 遲滯比較器遲滯比較器（schmitt trigger）c. 集成電壓比較器集成電壓比較器功能：將輸入信號與一參考電壓相比較，輸出一定的

39、高功能：將輸入信號與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。低電平。構(gòu)成：和運(yùn)放類似，組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出構(gòu)成：和運(yùn)放類似，組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系與輸入的關(guān)系vo=f(vi)是非線性函數(shù)。是非線性函數(shù)。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：omo,vvvv omo,vvvv 虛斷的特點虛斷的特點 2021-7-27單門限電壓比較器單門限電壓比較器1參考電壓、負(fù)飽和狀態(tài)、正飽和狀態(tài)、門限電壓參考電壓、負(fù)飽和狀態(tài)、正飽和狀態(tài)、門限電壓/ /閾值電

40、壓、閾值電壓、同同/ /反相輸入單門限電壓比較器、過零比較器反相輸入單門限電壓比較器、過零比較器CCOHOREFI,VVvVv 忽略飽和管壓降：忽略飽和管壓降： vI vO - - + A +VCC -VEE VREF vO VOH VOL vI O VREF EEOLOREFI,VVvVv 使輸出狀態(tài)發(fā)生改變的輸入電壓使輸出狀態(tài)發(fā)生改變的輸入電壓為門限電壓為門限電壓輸入正弦信號，輸出方波信號輸入正弦信號，輸出方波信號vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOLVREF 2021-7-27單門限電壓比較器單門限電壓比較器21. 過零比較器過零比較器: （門限電壓（門限電壓=0） vO VOH

41、VOL vI O vI vO - - + A +VCC -VEE vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL vI vO + + - - A +VCC -VEE vOVOHVOLvIOvIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL 2021-7-27單門限電壓比較器單門限電壓比較器32. 其他單門限過零比較器其他單門限過零比較器: vI vO - - + R1/R2 VREF R2 R1 vI vO - - + R1/R2 VREF R2 R1 vO VOH VOL vI REFVRR12 vO VOH VOL vI REFVRR12 (a) (b) When v+ =0 , 門限電壓門限電壓

42、I211REF212vRRRVRRRv REF12IVRRv vO =VOH;vO =VOL;REF12IVRRv REF12IVRRv 3. 比較器的應(yīng)用（比較器的應(yīng)用（ street light control ） 2021-7-27街燈控制器街燈控制器 vI + VREF R VCC Relay switch D + vn Photodetector circuit vO vI t VREF vO VOH t VOL vI? Chatter effect Photodector：光電探測器；：光電探測器； D 防止防止 B-E junction反偏；反偏； vI 和光線總量成正比和光線總

43、量成正比, 隨時間隨時間呈線性增加；呈線性增加； vn 代表噪聲代表噪聲nIivvv Noise producing chatter effect turn lights off and on. 2021-7-27遲滯比較器遲滯比較器1a) 電路結(jié)構(gòu)：反相輸入、正反饋電路結(jié)構(gòu)：反相輸入、正反饋 vI + A vO R2 R1 R1/R2 vP b) 門限電壓：虛斷（門限電壓：虛斷（vi= vn ）OLOpIVvvv ，OHOpIVvvv ，c) 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 vO (a) VT+ vI 211OpRRRvv voltage thresholdupper :21OH1T上門限電壓，上

44、門限電壓，RRVRV voltage thresholdlower 21OL1T：下門限電壓，：下門限電壓，RRVRV 回差電壓回差電壓：門限寬度：門限寬度 /)(21OLOH1TTTRRVVRVVV vO (b) VT vI vO (c) VT vI VT+ 2021-7-27遲滯比較器的傳輸特性遲滯比較器的傳輸特性 vI + A vO R2 R1 R1/R2 vP vO (a) VT+ vI vO (b) VT vI vO (c) VT vI VT+ T111OLpOLOHTITI111OHpOHOIVRRRVvVVVvVvRRRVvVvv此時，門限電壓變?yōu)榇藭r，門限電壓變?yōu)?，進(jìn)一步的，進(jìn)

45、一步的，變成變成，輸出的狀態(tài)立刻由，輸出的狀態(tài)立刻由略微大于略微大于當(dāng)當(dāng)壓為壓為在增大過程中的門限電在增大過程中的門限電足夠小足夠小 T111OHpOHOLTITI111OLpOLOIVRRRVvVVVvVvRRRVvVvv此時，門限電壓變?yōu)榇藭r，門限電壓變?yōu)?，進(jìn)一步的，進(jìn)一步的，變?yōu)樽優(yōu)椋敵龅臓顟B(tài)立刻由，輸出的狀態(tài)立刻由略微小于略微小于當(dāng)當(dāng)壓為壓為在減小過程中的門限電在減小過程中的門限電足夠大足夠大 2021-7-27遲滯比較器遲滯比較器2d) 帶參考電壓的遲滯比較器帶參考電壓的遲滯比較器 vI + A vO R2 R1 R1/R2 vP VREF 21O1S21O121REF2PRRvRVRRvRRRVRv Vs：轉(zhuǎn)換