模擬電子技術簡明教程第三版(楊素行)第8章-信號處理電路

第八章

信號處理電路8.1有源濾波器8.2電壓比較器本章重點和考點：1、有源一階、二階低通濾波電路的分析及參數(shù)設計3、集成電壓比較器的應用2.電壓比較器的傳輸特性8.1有源濾波器8.1.1濾波電路的作用和分類作用：選頻。對頻率進行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，保留下有用信號。分類：f0fO通阻ff0O通阻f1fO通通阻f2fO通阻阻f1f2低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器圖8.1.1

濾波器的用途

濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。實際濾波器的幅頻特性低通濾波器的實際幅頻特性中，在通帶和阻帶之間存在著過渡帶。過渡帶愈窄，電路的選擇性愈好，濾波特性愈理想。︱Au︱≈0.707︱AuP︱的頻率為通帶載止頻率f0輸出電壓與輸入電壓之比Aup為通帶放大倍數(shù)分析濾波電路，就是求解電路的頻率特性，即求解Au(Aup)、f0和過渡帶的斜率。低通濾波器的實際幅頻特性f08.1.2低通濾波器(LPF)無源低通濾波器：電壓放大倍數(shù)為——通帶截止頻率由對數(shù)幅頻特性知，具有“低通”的特性。電路缺點：電壓放大倍數(shù)低，最大只有１，且?guī)ж撦d能力差。

解決辦法：利用集成運放與RC電路組成有源濾波器。圖8.1.2一階低通有源濾波器：電壓放大倍數(shù)——通帶電壓放大倍數(shù)可見：一階低通有源濾波器與無源低通濾波器的通帶截止頻率相同；但通帶電壓放大倍數(shù)得到提高。

缺點：一階低通有源濾波器在f>f0時，濾波特性不理想。對數(shù)幅頻特性下降速度為-20dB/十倍頻。

解決辦法：采用二階低通有源濾波器。圖8.1.3輸入電壓經(jīng)過兩級RC低通電路，在高頻段，對數(shù)幅頻特性以-40dB/十倍頻的速度下降，使濾波特性比較接近于理想情況。圖8.1.4二階低通有源濾波器（壓控電壓源型）0.1-40-20-0110－20dB/十倍頻－40dB/十倍頻一階、二階低通有源濾波電路幅頻特性的比較：理想特性圖8.1.5低通濾波器的幅頻特性問題：如何進一步改善濾波特性？8.1.3高通濾波器(HPF)其通帶截止頻率：無源高通濾波器如下圖所示。圖8.1.6無源高通濾波器可見高通濾波電路與低通濾波電路的對數(shù)幅頻特性互為“鏡像”關系。二階有源高通濾波器（壓控電壓源型）圖8.1.78.1.4帶通濾波器(BPF)只允許某一段頻帶內的信號通過，將此頻帶以外的信號阻斷。低通高通f2fO低通ff1O高通阻阻f2f1fO通圖8.1.8帶通濾波器的典型電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)圖8.1.9——比例系數(shù)8.1.5帶阻濾波器(BEF)在規(guī)定的頻帶內，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。低通高通f2f1fO通阻通fO低通f1f2fO高通圖8.1.10帶阻濾波器的典型電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)圖8.1.11阻帶寬度復習：濾波電路LPF、HPF、BPF和BEF無源、有源(集成運放工作在線性區(qū))一階、二階(可改善濾波特性)重點掌握一、二階LPF和HPF電路的概念和濾波特性)8.2電壓比較器電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓進行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。比較器中的集成運放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器。附：理想運放的非線性工作區(qū)+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性集成運放的電壓傳輸特性理想運放工作在非線性區(qū)特點：當u+>u-時，uO=+UOPP當u+<u-時,uO=-

UOPP1.uO的值只有兩種可能在非線性區(qū)內，(u+

-

u-)可能很大，即u+≠u-?！疤摰亍辈淮嬖?.理想運放的輸入電流等于零運放工作在非線性區(qū)的條件：電路開環(huán)工作或引入正反饋！8.2.1過零比較器簡單的過零比較器當uI<0時，uO=+

UOPP；當uI>

0時，uO=-

UOPP；過零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOpp-UOppOUOPP為集成運放的最大輸出電壓。閾值電壓（門限電壓）：當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓。圖8.2.1利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(一)兩個穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為UZ

<UOppuIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ當uI<0時，不接穩(wěn)壓管時，uO=+

UOPP，接入穩(wěn)壓管后，左邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，集成運放的反向輸入端“虛地”，uO=+

UZ；

當uI>0時，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uO=-

UZ；圖8.2.2利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(二)電路圖傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？問題：過零比較器如圖所示，輸入為正負對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾?.2.2單限比較器單限比較器有一個門限電平，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。當輸入電壓uI變化，使反相輸入端的電位為零時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。uIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZ過零比較器是門限電平為零的單限比較器。圖8.2.4如何求門限電平？門限電平為：圖8.2.5存在干擾時單限比較器的uI、uO波形單限比較器的作用：檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。

缺點：抗干擾能力差。

解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。8.2.3滯回比較器UREF為參考電壓；輸出電壓uO為+UZ或-UZ；uI為輸入電壓。當u+=u-時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。+UZuIuO-UZOUT-UT+圖8.2.6滯回比較器若uO=

UZ，當uI逐漸減小時，使uO由UZ跳變?yōu)閁Z所需的門限電平UT-

回差(門限寬度)UT：若uO=UZ，當uI逐漸增大時，使uO由+UZ跳變?yōu)?UZ所需的門限電平UT+

作用：產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波，或用于波形變換?？垢蓴_能力強。圖8.2.7+UZuIuO-UZOUT-UT+電壓比較器分析方法小結（1）由限幅電路確定電壓比較器的輸出高電平+UZ和輸出低電平-UZ。（2）寫出u-和u+的電位表達式，令u-=u+，解得輸入電壓就是閾值電壓UT。（3）u0在uI過UT時的躍變方向決定于作用于集成運放的哪個輸入端。當uI從反向輸入端輸入時，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L

。反之，結論相反。8.2.4雙限比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI低于UREF2，運放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1截止，VD2導通，輸出電壓uO為高電平；若uI高于UREF1，運放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2截止，VD1導通，輸出電壓uO為高電平；圖8.2.8雙限比較器(a)當uI高于UREF2而低于UREF1時，運放A1、A2均輸出低電平，二極管VD1、VD2均截止，輸出電壓uO為低電平；

上門限電平UTH=UREF1；

下門限電平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL綜上所述，雙限比較器在輸入信號uI<UREF2或uI>UREF1時，輸出為高電平；而當UREF2<

uI<

UREF1時，輸出為低電平。圖8.2.8(b)8.2.5集成電壓比較器對集成電壓比較器的主要要求：1.具有較高的開環(huán)差模增益；2.具有較快的響應速度；3.具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；4.具有較低的失調電壓、失調電流及較低的溫漂。圖8