第九章 信號處理與信號產(chǎn)生電路 2016.11.22

2023/2/59.1濾波電路的基本概念與分類9.3高階有源濾波電路*9.4開關(guān)電容濾波器（見書P435,本課程不作要求）9.5正弦波振蕩電路（分類、原理、振蕩條件）9.2一階有源濾波電路9.6RC正弦波振蕩電路*9.7LC正弦波振蕩電路（見書P444,本課程不作要求）9.8非正弦信號產(chǎn)生電路第九章

信號處理與信號產(chǎn)生電路

（大綱第8章）2023/2/512023/2/5本章主要內(nèi)容涉及信號的處理、信號的產(chǎn)生包含：濾波器電路-----高通、低通和帶通、帶阻電路信號產(chǎn)生電路-----正弦波產(chǎn)生電路、非正弦波產(chǎn)生電路2023/2/51.基本概念濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時(shí)抑制或衰減無用頻率信號的電子裝置。有源濾波器：由有源器件構(gòu)成的濾波器。濾波電路傳遞函數(shù)定義時(shí)，有其中——模，幅頻響應(yīng)——相位角，相頻響應(yīng)群時(shí)延響應(yīng)9.1濾波電路的基本概念與分類

32023/2/59.1濾波電路的基本概念與分類2.分類低通（LPF）高通（HPF）帶通（BPF）帶阻（BEF）全通（APF）分類42023/2/51.低通濾波電路傳遞函數(shù)（推導(dǎo)見下頁）其中特征角頻率故，幅頻相應(yīng)為同相比例放大系數(shù)9.2一階有源濾波電路

52023/2/5傳遞函數(shù)推導(dǎo)見書424運(yùn)放輸入電流近似為0，R與C電流相等假設(shè)則有表示輸入減小F倍，故放大倍數(shù)減小F倍2023/2/59.2一階有源濾波電路2.高通濾波電路

一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況相差較遠(yuǎn)。一般用在對濾波要求不高的場合。

低通電路中的R和C交換位置便構(gòu)成高通濾波電路72023/2/59.3.2有源高通濾波電路9.3.3有源帶通濾波電路9.3.4二階有源帶阻濾波電路9.3.1有源低通濾波電路9.3高階有源濾波電路

82023/2/51.二階有源低通濾波電路2.傳遞函數(shù)對于濾波電路，有得濾波電路傳遞函數(shù)（二階）（同相比例）9.3.1有源低通濾波電路

92023/2/5模擬的一階濾波器帶外衰減是20db/十倍頻，而二階則是40db/十倍頻，階數(shù)越高帶外衰減越快。可以粗略地認(rèn)為階數(shù)越高濾波效果越好，但有時(shí)可能需要折中考慮相移，穩(wěn)定性等因素。一階濾波器和二階濾波器的區(qū)別：階數(shù)越高濾波效果越好。當(dāng)然，無論電感電容濾波器還是模擬濾波器，算法都會(huì)隨著階數(shù)的增加變得復(fù)雜。102023/2/52.傳遞函數(shù)令稱為通帶增益稱為特征角頻率稱為等效品質(zhì)因數(shù)則濾波電路才能穩(wěn)定工作。注意：112023/2/52.傳遞函數(shù)用代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)：歸一化的幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)122023/2/53.幅頻響應(yīng)歸一化的幅頻響應(yīng)曲線132023/2/54.n階巴特沃斯傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為式中n為階濾波電路階數(shù)，c為3dB截止角頻率，A0為通帶電壓增益。142023/2/51.二階高通濾波電路

將低通電路中的電容和電阻對換，便成為高通電路。傳遞函數(shù)歸一化的幅頻響應(yīng)9.3.2有源高通濾波電路

152023/2/52.巴特沃斯傳遞函數(shù)及其歸一化幅頻響應(yīng)歸一化幅頻響應(yīng)162023/2/51.電路組成原理可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿足低通截止角頻率高通截止角頻率9.3.3有源帶通濾波電路

結(jié)論：RC的值不同，R1C1

＜R2C2172023/2/59.3.3有源帶通濾波電路2023/2/5182.例9.3.2請同學(xué)計(jì)算中心頻率和帶寬，畫出幅頻曲線2023/2/5

令傳遞函數(shù)得193.二階有源帶通濾波電路2023/2/5可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足說明：帶通濾波電路條件是9.3.4二階有源帶阻濾波電路20實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)把帶通電路作為旁路2023/2/59.3.4二階有源帶阻濾波電路21雙T帶阻選頻網(wǎng)絡(luò)2023/2/59.3.4二階有源帶阻濾波電路22雙T帶阻濾波電路2023/2/5

9.3.4二階有源帶阻濾波電路23帶阻濾波電路的幅頻特性2023/2/524正弦波振蕩器非正弦波振蕩器振蕩器波形產(chǎn)生機(jī)理反饋式振蕩器負(fù)阻式振蕩器反饋型LC振蕩器反饋型RC振蕩器

本節(jié)主要介紹反饋型振蕩器的工作原理。石英晶體振蕩器9.5正弦波振蕩電路振蕩器的分類25正弦波振蕩器可分成兩大類：一類是利用正反饋原理構(gòu)成的反饋型振蕩器，它是目前應(yīng)用最多的一類振蕩器（本課程）；另一類是負(fù)阻振蕩器，它是將負(fù)阻器件直接接到諧振回路中，利用負(fù)阻器件的負(fù)電阻效應(yīng)去抵消回路中的損耗，從而產(chǎn)生等幅的自由振蕩，這類振蕩器主要工作在微波頻段。從原理上分類2023/2/5圖電阻器件的伏安特性（a）正電阻器件（b）電壓控制型負(fù)阻器件(c)電流控制型負(fù)阻器件負(fù)電阻是流過其間的電流越大，電阻兩端電壓越小，故電流、電壓增量的方向相反，兩者的乘積為負(fù)值，如圖（b）、(c)所示：本頁了解27振蕩器本質(zhì)正弦波振蕩器是一種將直流電能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需交流電能的電路。它與放大器的區(qū)別在于這種轉(zhuǎn)換不需外部信號的控制。振蕩器輸出的信號頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數(shù)決定。28應(yīng)用場合：正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。例如，無線發(fā)射機(jī)中的載波信號源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號源，各種測量儀器如信號發(fā)生器、頻率計(jì)、ｆT測試儀中的核心部分以及自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，都離不開正弦波振蕩器。指標(biāo)：輸出f范圍；輸出幅度范圍；f穩(wěn)定度。振蕩器的應(yīng)用和指標(biāo)2023/2/529反饋型振蕩器的基本工作原理

反饋型振蕩器是通過正反饋聯(lián)接方式實(shí)現(xiàn)等幅正弦振蕩的電路。這種電路由三部分組成，一是放大電路，二是選頻網(wǎng)絡(luò)，三是正反饋網(wǎng)絡(luò)（有時(shí)稱為兩部分組成，把選頻和正反饋合為一部分），見圖。放大電路A選頻網(wǎng)絡(luò)ω0正反饋網(wǎng)絡(luò)FUiU’i=AUi

Ui,,=AFUi

30圖

反饋振蕩器的組成方框圖及相應(yīng)電路反饋振蕩器框圖31平衡起振要求：(1)接通電源后能夠從無到有，從小到大建立起具有某一固定頻率的正弦波輸出。(信號源,正反饋,選頻)平衡要求：(2)振蕩器在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后能維持一個(gè)等幅連續(xù)的振蕩（從變大到保持不變）。(增益隨著輸入的增大而減小)穩(wěn)定要求：(3)當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，電路的穩(wěn)定狀態(tài)不受到破壞（保持輸出不變）。(負(fù)反饋)振蕩器保證性能的三點(diǎn)要求起振穩(wěn)定2023/2/532振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？接通電源瞬間引起的電壓、電流突變，電路器件內(nèi)部噪聲等。

初始信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的信號被保留（被選出），成為等幅振蕩輸出信號。（從無到有）

然而，一般初始信號很微弱，放大很小，易被干擾信號淹沒，不能形成一定幅度的輸出信號。因此，起振階段要求（由弱到強(qiáng)）起振條件9.5.1振蕩器的起振條件33起振條件分析

振蕩過程描述（A是放大系數(shù)；F是反饋系數(shù)；T(jω)表示環(huán)路增益）

第一次循環(huán)：Ui→→→AUi→→→AFUi

第二次循環(huán)：AFUi→→A2FUi→→（AF）2Ui………

第n次循環(huán)：（AF）（n-1）Ui→→A（AF）（n-1）Ui→→AF（AF）（n-1）Ui

=（AF）nUi放大電路A選頻網(wǎng)絡(luò)ω0正反饋網(wǎng)絡(luò)FUiU’i=AUi

Ui,,=AFUi

任意第n次循環(huán)，信號由小到大的條件：AF＞1，正反饋第n次循環(huán)前后的通式:（AF）（n-1）Ui

=（AF）nUi9.5.1振蕩器的起振條件小結(jié)第n次循環(huán)前后的通式:（AF）（n-1）Ui

=（AF）nUi任意第n次循環(huán)，信號由小到大的條件：AF＞1，正反饋所以等幅振蕩的起振條件為起振相位條件起振幅度條件2023/2/535負(fù)反饋穩(wěn)定電路。若環(huán)路增益則去掉仍有穩(wěn)定的輸出。又所以等幅振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件＋

正反饋產(chǎn)生自激振蕩。（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）9.5.2振蕩器的平衡條件1800180036振蕩器起振后，振蕩幅度不會(huì)無限增長下去，而是在某一點(diǎn)處于平衡狀態(tài)。因此，反饋振蕩器既要滿足起振條件，又要滿足平衡條件。在接通電源后，依據(jù)放大器大振幅的非線性抑制作用，環(huán)路增益T(jω)必具有隨振蕩器電壓振幅Ui增大而下降的特性，如下圖所示。

平衡條件分析A點(diǎn)2023/2/52023/2/537

平衡表示，第n次循環(huán)時(shí)輸出信號與輸入相等，所以：振幅平衡條件從AF>1到AF=1。（由增到穩(wěn)）平衡條件分析（黃色底紋部分）第n次循環(huán)前后信號通式：（AF）（n-1）Ui→→（AF）nUi放大到一定程度(A點(diǎn))時(shí),放大倍數(shù)下降（進(jìn)入非線性區(qū)域）2023/2/52023/2/538

以上分析了保證振蕩器由弱到強(qiáng)地建立起振蕩的起振條件和產(chǎn)生等幅振蕩的平衡條件。

實(shí)際上，平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn)。因此，還應(yīng)該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受到破壞的穩(wěn)定條件(這里,外界因素變化有一定限制)。

穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定與相位穩(wěn)定兩種。以下分別討論之。9.5.3振蕩器的穩(wěn)定條件穩(wěn)定不穩(wěn)定2023/2/52023/2/539

要保證外界因素變化時(shí)振幅相對穩(wěn)定，就是要：當(dāng)振幅變化時(shí)，AF的大小朝反方向變化。圖振蕩特性1）振幅平衡的穩(wěn)定條件2023/2/52023/2/540

相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，相位平衡能重新建立，且仍能保持相對穩(wěn)定的振蕩頻率。外部擾動(dòng)

穩(wěn)定原理：

頻率ω相位φ頻率ω2）相位平衡的穩(wěn)定條件

由公式推導(dǎo)由并聯(lián)選頻電路得2023/2/541圖并聯(lián)諧振回路的相頻特性并聯(lián)諧振回路的相頻特性

外界因素的變化同樣會(huì)破壞相位平衡條件，使環(huán)路相移偏離2nπ。相位穩(wěn)定條件是指相位條件一旦被破壞時(shí)環(huán)路能自動(dòng)恢復(fù)φT=2nπ所應(yīng)具有的條件。42可見，振蕩電路中，依靠具有負(fù)斜率相頻特性的諧振回路來滿足相位穩(wěn)定條件的，且Ｑ越大，φZ(ω)隨ω增加而下降的斜率就越大，振蕩器的頻率穩(wěn)定度也就越高。振蕩器的頻率穩(wěn)定度穩(wěn)定更快穩(wěn)定43

(1)放大電路。(2)正反饋網(wǎng)絡(luò)。

(3)選頻網(wǎng)絡(luò)（有時(shí)與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一）

(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（有時(shí)與上面網(wǎng)絡(luò)合二為一）9.5.4正弦振蕩電路的基本組成

從上面的討論可知，要使反饋振蕩器能夠產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩，必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件，它們是缺一不可的。因此，反饋型正弦波振蕩器應(yīng)該包括：2023/2/544原理框圖與滿足條件的實(shí)際電路1、放大（合適偏置，放大到一定程度，進(jìn)入非線性區(qū)域滿足條件AF＞1，AF=1；平衡點(diǎn)附近有dAF/dUi＜0

）2、反饋（正）支路（φT=n2π，AF＞1

）3、選頻（并聯(lián)）支路（選出所需頻率，相位特性為dφ/df＜0）滿足條件的實(shí)際電路分析45反饋型振蕩器原理小結(jié)反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路,放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(振蕩回路)作負(fù)載,是一調(diào)諧放大器,反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。2023/2/546去掉仍有穩(wěn)定的輸出。

正反饋產(chǎn)生自激振蕩。（注意與負(fù)反饋方框圖Xf的差別）由正反饋的觀點(diǎn)來決定振蕩的電路

正負(fù)＋選頻含在放大2023/2/52023/2/51.

電路組成2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性3.

振蕩電路工作原理4.

穩(wěn)幅措施9.6RC正弦波振蕩電路

2023/2/5472023/2/5反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)RC橋式振蕩電路電路組成圖見書P4402023/2/5482023/2/5低頻段：高頻段：在頻率從0～∞中必有一個(gè)頻率f0，φF＝0o。1、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)高通電路低通電路合成一個(gè)帶通電路50512023/2/5當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值相頻響應(yīng)2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性

2023/2/5522023/2/5此時(shí)若放大電路的電壓增益為

用瞬時(shí)極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件當(dāng)時(shí)，電路可以輸出頻率為的正弦波RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波3.

振蕩電路工作原理

頻率高于1MHz的正弦波，一般用LC正弦波振蕩電路。2023/2/553

原因：要提高其振蕩頻率，必須減小R和C的值，放大器的輸出電阻和晶體管的極間電容將影響其選頻特性，輸出頻率不穩(wěn)定。RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波。542023/2/5采用非線性元件負(fù)溫度系數(shù)熱敏元件熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅見書P443思考：當(dāng)溫度上升時(shí)…….提示此時(shí)A先變大…..4.

穩(wěn)幅措施

55見上公式2023/2/5采用非線性元件穩(wěn)幅二極管穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅起振時(shí)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)56思考：設(shè)計(jì)一個(gè)頻率為1K的正弦波振蕩電路（設(shè)C=0.01uF）典型穩(wěn)幅正弦波振蕩電路2023/2/59.7.2變壓器反饋式LC振蕩電路9.7.3三點(diǎn)式LC振蕩電路9.7.4石英晶體振蕩電路9.7.1LC選頻放大電路9.7LC正弦波振蕩電路

57（見書P444,本課程不作要求）2023/2/59.8.2方波產(chǎn)生電路9.8.3鋸齒波產(chǎn)生電路9.8.1電壓比較器單門限電壓比較器（門限有0和非0兩種）

(雙向比較器)遲滯比較器（門限隨著輸出不同而不同）集成電壓比較器（轉(zhuǎn)換速率高）9.8非正弦信號產(chǎn)生電路

582023/2/5集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用——電壓比較器

當(dāng)集成運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)時(shí)，由于它的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很大，即使在兩輸入端之間輸入一個(gè)微小的信號，也能使運(yùn)放飽和而進(jìn)入非線性狀態(tài)。電壓比較器便是根據(jù)這一原理工作的。電壓比較器就是將一個(gè)模擬量的電壓信號去和一個(gè)參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變。所以，通常電壓比較器輸入的是連續(xù)變化的模擬信號，輸出的是以高、低電平為特征的數(shù)字信號或脈沖信號。電壓比較器廣泛地用于越限報(bào)警、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、波形變換及信號測量等方面。

一、電壓比較器的工作原理圖9-22為電壓比較器電路。其中，（a）圖為反相型電壓比較器，（b）圖為同相型電壓比較器。以圖9-23的電壓比較器為例，輸入信號ui加于集成運(yùn)放的反相輸入端，UR為參考電壓，接在同相輸入端。根據(jù)9.4.2節(jié)中關(guān)于集成運(yùn)放在非線性區(qū)工作特點(diǎn)的分析，我們可對圖9-23中的反相型電壓比較器的工作原理說明如下當(dāng)ui＜UR

時(shí)，差動(dòng)輸入信號UA-UA′＜0,uo=+Uom當(dāng)ui＞UR時(shí)，差動(dòng)輸入信號UA-UA′＞0，uo=-Uom圖9–22簡單的電壓比較器電路

圖9-23反相電壓比較器及傳輸特性

也就是說，當(dāng)輸入電壓ui＞UR時(shí)，電路反轉(zhuǎn)，輸出負(fù)飽和電壓-Uom；當(dāng)輸入電壓ui＜UR時(shí)，電路反轉(zhuǎn)，輸出正飽和電壓+Uom。

二、傳輸特性傳輸特性就是輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系特性。根據(jù)9.7.1節(jié)中比較器的工作原理分析，反相電壓比較器的傳輸特性如圖9-23（b）所示。

三、過零比較器在圖9-23的反相電壓比較器中，當(dāng)參考電壓UR=0時(shí)，該電路就變?yōu)橐粋€(gè)過零比較器。其關(guān)系是：當(dāng)ui＞0，UA＞0時(shí),Uo=-Uom

當(dāng)ui＜0，UA＜0時(shí)，Uo=+Uom

過零比較器的電路和傳輸特性如圖9-24所示。利用這個(gè)特性，可以進(jìn)行波形變換。例如，將輸入的正弦波變換成矩形波電壓輸出。圖9-25就是將圖（a）中的正弦波輸入到過零比較器，然后在t1、t2、t3等時(shí)刻反轉(zhuǎn)成圖（b）的矩形波輸出。圖9–24過零比較器及其傳輸特性

圖9–25過零比較器的波形轉(zhuǎn)換

2023/2/59.8.1電壓比較器，由于|vO|不可能超過VM，特點(diǎn)：1.單門限電壓比較器（1）過零比較器開環(huán)，虛短不成立增益A0大于105（忽略了放大器輸出級的飽和壓降）所以當(dāng)|+VCC|

=|-VCC|=VM=

15V，A0=105時(shí)，可以認(rèn)為vI>0時(shí)，vOmax=+VCCvI<0時(shí)，vOmax=-VCC（過零比較器）運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)下-VCC≤vO≤+VCC|vI|≥662023/2/59.8.1電壓比較器特點(diǎn)：1.單門限電壓比較器（1）過零比較器開環(huán)，虛短不成立增益A0大于105

輸入為正負(fù)對稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性-VCC≤vO≤+VCC2023/2/567輸入端在反相端和同相端輸出相反，見左兩個(gè)圖，后面不重復(fù)。2023/2/59.8.1電壓比較器1.單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性------本圖中只有輸入大于VREF時(shí)輸出為正（虛線是輸入信號接反相端）（門限電壓為VREF）682023/2/5圖單門限電壓比較電路典型單門限電壓比較電路

9.8.1電壓比較器1.單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器（門限電壓為VREF）(a)VREF＝0時(shí)(b)VREF＝2V時(shí)

(c)VREF＝－4V時(shí)vI為峰值6V的三角波，設(shè)±VCC＝±12V，運(yùn)放為理想器件。可以用于占空比調(diào)節(jié)2023/2/570雙向比較器---雙限比較器（窗口比較器）

圖電路由兩個(gè)LM339組成一個(gè)窗口比較器。當(dāng)被比較的信號電壓Uin位于門限電壓之間時(shí)（UR1<Uin<UR2），輸出為高電位（UO=UOH）。當(dāng)Uin不在門限電位范圍之間時(shí)，（Uin>UR2或Uin<UR1）輸出為低電位（UO=UOL），窗口電壓ΔU=UR2-UR1。它可用來判斷輸入信號電位是否位于指定門限電位之間。2023/2/5應(yīng)為高電平產(chǎn)生了錯(cuò)誤電平72為避免產(chǎn)生錯(cuò)誤電平，引出遲滯比較器提高單門限比較器的抗干擾能力

2023/2/5遲滯比較器遲滯比較器又可理解為加正反饋的單限比較器。前面介紹的單限比較器，如果輸入信號Uin在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)（起伏）。在電路中引入正反饋可以克服這一缺點(diǎn)。

2023/2/59.8.1電壓比較器2.遲滯比較器----門限電壓與U0有關(guān)（1）電路組成（2）門限電壓門限電壓上門限電壓下門限電壓回差電壓2023/2/574推導(dǎo)見書P455，運(yùn)用疊加定理2023/2/5遲滯比較器小結(jié)----門限電壓與輸出狀態(tài)有關(guān)設(shè)：門限電壓為VP，因?yàn)榧佑姓答佒罚敵鰰?huì)反饋部分到比較端，疊加到門限電壓VP上，使實(shí)際的門限電壓改變（見例題）此時(shí)，實(shí)際的門限電壓減小，為VT-，見左圖；輸入在5V左右時(shí)，輸出為低電平，VT-為-5V左右，有部分干擾信號，只要不變?yōu)樨?fù)的就不會(huì)影響輸出。此時(shí)，實(shí)際的門限電壓增加，為VT+，見左圖，輸入在-5V左右時(shí)，輸出為高電平，VT+為-5V左右，有部分干擾信號只要不變?yōu)檎木筒粫?huì)影響輸出2023/2/59.8.1電壓比較器2.遲滯比較器（3）傳輸特性2023/2/5762023/2/5解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖c所示輸入信號下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性2023/2/577例2023/2/5通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：（1）用于電壓比較器的運(yùn)放，通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平VOH和低電平VOL兩種情況。（2）一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。（3）電壓傳輸特性的關(guān)鍵要素

輸出電壓的高電平VOH和低電平VOL

門限電壓輸出電壓的跳變方向令vP＝vN所求出的vI就是門限電壓vI等于門限電壓時(shí)輸出電壓發(fā)生跳變跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式2023/2/5782023/2/59.8.1電壓比較器3.集成電壓比較器------見書P460集成電壓比較器與集成運(yùn)算放大器比較：開環(huán)增益低、失調(diào)電壓大、共模抑制比小，靈敏度往往不如用集成運(yùn)放構(gòu)成的比較器高。

但集成電壓比較器中無頻率補(bǔ)償電容，因此轉(zhuǎn)換速率高，改變輸出狀態(tài)的典型響應(yīng)時(shí)間是30～200ns。

相同條件下741集成運(yùn)算放大器的響應(yīng)時(shí)間為30s左右。792023/2/59.8.2方波產(chǎn)生電路1.電路組成（多諧振蕩電路）穩(wěn)壓管雙向限幅802023/2/59.8.2方波產(chǎn)生電路2.工作原理

由于遲滯比較器中正反饋的作用，電源接通后瞬間，輸出便進(jìn)入飽和狀態(tài)。假設(shè)為正向飽和狀態(tài)2023/2/5812023/2/53.占空比可變的方波產(chǎn)生電路9.8.2方波產(chǎn)生電路822023/2/59.8.3鋸齒波產(chǎn)生電路end同相輸入遲滯比較器積分電路充放電時(shí)間常數(shù)不同832023/2/51.基本概念濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時(shí)抑制或衰減無用頻率信號的電子裝置。有源濾波器：由有源器件構(gòu)成濾波器，對有用頻率信號有放大作用。濾波電路傳遞函數(shù)定義84本章小結(jié)無源濾波器：濾波器中不含有源器件，對有用頻率信號無放大作用。2023/2/5本章小結(jié)2.分類低通（LPF）高通（HPF）帶通（BPF）帶阻（BEF）全通（APF）分類852023/2/51.低通濾波電路傳遞函數(shù)其中特征角頻率故，幅頻相應(yīng)為同相比例放大系數(shù)9.2一階有源濾波電路

862023/2/59.2一階有源濾波電路2.高通濾波電路

一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況相差較遠(yuǎn)。一般用在對濾波要求不高的場合。

低通電路中的R和C交換位置便構(gòu)成高通濾波電路872023/2/5模擬的一階濾波器帶外衰減是20db/十倍頻，而二階則是40db/十倍頻，階數(shù)越高帶外衰減越快?？梢源致缘卣J(rèn)為階數(shù)越高濾波效果越好，但有時(shí)可能需要折中考慮相移，穩(wěn)定性等因素。一階濾波器和二階濾波器的區(qū)別：階數(shù)越高濾波效果越好。當(dāng)然，無論電感電容濾波器還是模擬濾波器，算法都會(huì)隨著階數(shù)的增加變得復(fù)雜。882023/2/51.電路組成原理可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿足低通截止角頻率高通截止角頻率9.3有源帶通濾波電路

結(jié)論：RC的值不同，R1C1

＜R2C2892023/2/5

令傳遞函數(shù)得902.典型二階有源帶通濾波電路2023/2/5可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足說明：帶通濾波電路條件是9.4

二階有源帶阻濾波電路912023/2/5典型二階有源帶阻濾波電路92雙T帶阻濾波電路帶阻濾波電路的幅頻特性2023/2/593正弦波振蕩器非正弦波振蕩器振蕩器波形產(chǎn)生機(jī)理反饋式振蕩器負(fù)阻式振蕩器反饋型LC振蕩器反饋型RC振蕩器

本節(jié)主要介紹反饋型正弦波振蕩器的工作原理。石英晶體振蕩器9.5正弦波振蕩電路振蕩器的分類94正弦波振蕩器可分成兩大類：一類是利用正反饋原理構(gòu)成的反饋型振蕩器，它是目前應(yīng)用最多的一類振蕩器（本課程）；另一類是負(fù)阻振蕩器，它是將負(fù)阻器件直接接到諧振回路中，利用負(fù)阻器件的負(fù)電阻效應(yīng)去抵消回路中的損耗，這類振蕩器主要工作在微波頻段。從原理上分類正弦波振蕩器定義：正弦波振蕩器是一種將直流電能自動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需交流電能的電路。它與放大器的區(qū)別在于這種轉(zhuǎn)換不需外部信號的控制。振蕩器輸出的率、波形、幅度完全由電路自身的參數(shù)決定。95應(yīng)用場合：正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。例如，無線發(fā)射機(jī)中的載波信號源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號源，各種測量儀器如信號發(fā)生器、頻率計(jì)、ｆT測試儀中的核心部分以及自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，都離不開正弦波振蕩器。指標(biāo)：輸出f范圍；輸出幅度范圍；f穩(wěn)定度。振蕩器的應(yīng)用和指標(biāo)96平衡起振要求：(1)接通電源后能夠從無到有，從小到大建立起具有某一固定頻率的正弦波輸出。(信號源,正反饋,選頻)平衡要求：(2)振蕩器在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后能維持一個(gè)等幅連續(xù)的振蕩（從變大到保持不變）。(增益隨著輸入的增大而減小)穩(wěn)定要求：(3)當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，電路的穩(wěn)定狀態(tài)不受到破壞（保持輸出不變）。(負(fù)反饋)振蕩器保證性能的三點(diǎn)要求起振穩(wěn)定穩(wěn)定的振蕩器工作波形示意圖2023/2/597振蕩器的振蕩條件（公式描述的條件）起振條件振蕩器的平衡條件振幅平衡條件相位平衡條件振蕩器的穩(wěn)定條件放大電路A選頻網(wǎng)絡(luò)ω0正反饋網(wǎng)絡(luò)FUiU’i=AUi

U’i=AUiUi’’=AFUi

振幅起振條件相位起振條件振幅穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件98

(1)放大電路。(2)正反饋網(wǎng)絡(luò)。

(3)選頻網(wǎng)絡(luò)（有時(shí)與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一）

(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（有時(shí)與上面網(wǎng)絡(luò)合二為一）

正弦振蕩電路的基本組成

從上面的討論可知，要使反饋振蕩器能夠產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩，必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件，它們是缺一不可的。因此，反饋型正弦波振蕩器應(yīng)該包括：2023/2/5991、放大（合適偏置---軟自激,放大倍數(shù)隨輸入大小自動(dòng)調(diào)整----放大的非線性,在不同時(shí)間滿足條件AF＞1，AF=1；AF/

Ui＜0）2、反饋（正）支路（φT=n2π，使AF＞1

）3、選頻（并聯(lián)）支路（φ/

f＜0穩(wěn)定相位，選出所需頻率）對應(yīng)條件的實(shí)際電路框圖分析電路名稱放大（平衡點(diǎn)附近A隨輸入變化反向變化）反饋（正）支路選頻（并聯(lián)）支路滿足條件（或電路目的）AF＞1，AF=1；

AF/

Ui＜0φT=n2πAF始終穩(wěn)定大于等于1

φ/

f＜0選出所需頻率，穩(wěn)定相位條件的分析放大到一定程度失真自身非線性限幅；負(fù)斜率（軟自激）必須正反饋w=wo時(shí)輸出最大，選出需要的信號；并聯(lián)諧振電路負(fù)斜率的相頻特性

2023/2/51.

電路組成2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性3.

振蕩電路工作原理4.

穩(wěn)幅措施9.6典型RC正弦波振蕩電路

2023/2/51002023/2/5反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)RC橋式振蕩電路電路組成圖見書P4372023/2/51012023/2/5低頻段：高頻段：在頻率從0～∞中必有一個(gè)頻率f0，φF＝0o。1、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)高通電路低通電路合成一個(gè)帶通電路1031042.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性2023/2/5此時(shí)若放大電路的電壓增益為

用瞬時(shí)極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件當(dāng)時(shí)，電路可以輸出頻率為的正弦波RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波3.

振蕩電路工作原理

頻率高于1MHz的正弦波，一般用LC正弦波振蕩電路。2023/2/51052023/2/5采用非線性元件負(fù)溫度系數(shù)熱敏元件熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅見書P439思考：當(dāng)溫度上升時(shí)…….提示此時(shí)A先變大…..4.

穩(wěn)幅措施

106見上公式2023/2/5采用非線性元件穩(wěn)幅二極管穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅起振時(shí)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)107思考：設(shè)計(jì)一個(gè)頻率為1K的正弦波振蕩電路（設(shè)C=0.01uF）典型穩(wěn)幅正弦波振蕩電路2023/2/59.8.2方波產(chǎn)生電路9.8.3鋸齒波產(chǎn)生電路9.8.1電壓比較器單門限電壓比較器（門限有0和非0兩種）

(雙向比較器)遲滯比較器（門限隨著輸出不同而不同）集成電壓比較器（轉(zhuǎn)換速率高）9.8非正弦信號產(chǎn)生電路

1082023/2/5集成運(yùn)放的非線性應(yīng)用——電壓比較器

當(dāng)集成運(yùn)放工作在開環(huán)狀態(tài)時(shí)，由于它的開環(huán)電壓放大倍數(shù)很大，即使在兩輸入端之間輸入一個(gè)微小的信號，也能使運(yùn)放飽和而進(jìn)入非線性狀態(tài)。電壓比較器便是根據(jù)這一原理工作的。電壓比較器就是將一個(gè)模擬量的電壓信號去和一個(gè)參考電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變。所以，通常電壓比較器輸入的是連續(xù)變化的模擬信號，輸出的是以高、低電平為特征的數(shù)字信號或脈沖信號。電壓比較器廣泛地用于越限報(bào)警、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、波形變換及信號測量等方面。2023/2/59.8.1電壓比較器特點(diǎn)：1.單門限電壓比較器（1）過零比較器開環(huán)，虛短不成立增益A0大于105

輸入為正負(fù)對稱的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性-VCC≤vO≤+VCC2023/2/5110輸入端在反相端和同相端輸出相反，見左兩個(gè)圖，后面不重復(fù)。2023/2/59.8.1電壓比較器1.單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性------本圖中只有輸入大于VREF時(shí)輸出為正（虛線是輸入信號接反相端）（門限電壓為VREF）1112023/2/59.8.1電壓比較器1.單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性------本圖中只有輸入大于VREF時(shí)輸出為正（虛線是輸入信號接反相端）（門限電壓為VREF）1122023/2/5圖單門限電壓比較電路典型單門限電壓比較電路

9.8.1電壓比較器1.單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器（門限電壓為VREF）(a)VREF＝0時(shí)(b)VREF＝2V時(shí)

(c)VREF＝－4V時(shí)vI為峰值6V的三角波，設(shè)±VCC＝±12V，運(yùn)放為理想器件?？梢杂糜谡伎毡日{(diào)節(jié)2023/2/51142023/2/5遲滯比較器遲滯比較器又可理解為加正反饋的單限比較器。前面介紹的單限比較器，如果輸入信號Uin在門限值附近有微小的干擾，則輸出電壓就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的抖動(dòng)（起伏）。在電路中引入正反饋可以克服這一缺點(diǎn)。

2023/2/59.8.1電壓比較器2.遲滯比較器----門限電壓與U0有關(guān)（1）電路組成（