[理学]模拟电路 第五版 第九章备课讲稿

[理学]模拟电路 第五版 第 九章
9 信号产生电路
9.5 正弦波振荡电路的振荡条件 9.6 RC正弦波振荡电路 9.7 LC正弦波振荡电路
2
§9.1滤波电路的基本概念与分类
1.基本概念 滤波电路是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，工程上常用来作为信号处理、数据传送 和抑制干扰等；例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些 较高频率成分的干扰。
如果AVF＝１，则Q=0.5， 增加AVF，Q将随之升 高．当AVF趋近2时，Q 趋向无穷大．因此，
AVF愈接近2，增益的模 值愈大，可使带阻滤波
电路的选频特性愈
好．即阻断的频率范围
愈窄．
26
9.5 正弦波振荡电路的振荡条件
1. 振荡条件 2. 起振和稳幅 3. 振荡电路基本组成部分
27
1. 振荡条件
2 Xf
+
.
F
动画演示 28
2. 起振和稳幅
起振条件：
| A F | 1 （略大于）
结果：产生增幅振荡。 稳幅过程：
起振过程
起振时， | A F | 1
稳定振荡时， | A F | 1
稳幅措施：
1、被动：器件非线性。 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节 放大电路的增益。
29
3. 基本组成部分
其中 A(j) —— 模，幅频响应
( ) —— 相位角，相频响应
时延响应为 ()dd () (s)
4
§9.1滤波电路的基本概念与分类
2.有源滤波电路的分类
对于幅频响应,通常把能够通过的信号频率范围定义为通带; 把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带; 通带和阻带的界限频率叫做截止频率.
理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的
c
Q
s c2
A
Ao
[1()2]2 ( )2
c
cQ
注意：当 3A V F0，A V 即 F3时滤， 波电路才能稳定工作（极
点在左半平面），当A0=AVF≥3时，源滤波器自激。
用 s j代入，可得传递函数的频率响应：
13
§ 9.3 二阶有源滤波电路
1.二阶有源低通滤波电路
ω=0时:A(jω)|=AVF=A0
R vN R1
3 AVF
A0 AVF3时滤，波电路才能稳定工作。
+
－
Rf
同相比例 放大电路
vO
幅频响应
A(j)
1
20lg
20lg
A0
(c)212(Q c )2
16
§ 9.3 二阶有源滤波电路
2. 有源高通滤波电路 A(j)
1
20lg
20lg
幅频响应
A0
(c)212(Q c )2
当 A0＜3时，滤波器可以稳 定工作 。 此时特性与Q有关。 当Q=0.707时，幅频特性较平 坦。
放大电路（包括负反馈放大电路） 反馈网络（构成正反馈的） 选频网络 (只对一个频率的信号满足振荡条件，从而获得单一 频率的正弦波输出。常用的选频网络有RC选频和LC选频) 稳幅环节 (使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。)
30
9.6 RC正弦波振荡电路
1. 电路原理图 2. RC串并联选频网络的选频特性 3. 振荡电路工作原理 4. 稳幅措施 5. RC移相式振荡电路
93二阶有源滤波电路带阻滤波电路22双t带阻滤波电路双t选频网络93二阶有源滤波电路等效23双t带阻滤波电路幅频响应相频响应9093二阶有源滤波电路动画演示动画演示24可由低通和高通并联得到必须满足93二阶有源滤波电路动画演示动画演示25vfvf93二阶有源滤波电路特征角频率通带电压增益等效品质因数26双t带阻滤波电路如果avf1则q05增加avfq将随之升vf趋近2时q趋向无穷大
A(s)02A 2V (F 2(A 02VF )ss 2)0s2
Vv O
0
1 RC
特征角频率
AVF
A0
1
Rf R1
通带电压增益
1 Q
2(2 AVF )
等效品质因数
25
§ 9.3 二阶有源滤波电路
4. 双T带阻滤波电路
A( j )
AVF
1
j 0
2
2
1
1 Q
•
j 0
j 0
4. 双T带阻滤波电路
双T选频网络
C
+ vi R
－ 2C
C
+
R R/2
vf
－
等效
+R/2 vi 2C
－
Z1 Z2 Z3
R/2 +
2C vf
－
22
§ 9.3 二阶有源滤波电路
4. 双T带阻滤波电路
C
+ vi R
－ 2C
C
+
R R/2
vf
－
幅频响应
F( j)
相频响应
2
1
0
1
0
2
1(3-AVF)A sVF CR(sC)R 2 （二阶）
12
§ 9.3 二阶有源滤波电路
1.二阶有源低通滤波电路
A(s)
Vo (s) Vi (s)
AVF
1(3-AVF)sCR(sC)R 2
令 A0 AVF 称为通带增益
c
1 RC
称为特征角频率
Q 1 称为等效品质因数
3 AVF
则
A(s)
s2
A0c2
31
1. 电路原理图
R C
RC
Vi Vf
Rf
＋ －
R1
V O
动画演示
反馈网络兼做选频网络
32
2. RC串并联选频网络的选频特性
反馈系数
FV
(s)
Vf (s) Vo (s)
Z2 Z1 Z2
sCR
13sCR(sCR)2
又 s j
且令
0
1 RC
+
则
FV
1
3 j(
0 )
0
幅频响应
FV
1
32 ( 0 )2 0
无源滤波器:采用无源元件R、L和C组成的滤波器；
有源滤波器:由集成运放和R、C组成的滤波电路；不用电
感、体积小、重量轻；
3
§9.1滤波电路的基本概念与分类
1.基本概念
滤波电路传递函数定义
vI (t )
滤波电路
vO (t )
A(s) Vo(s) Vi (s)
s j 时，有 A (j)A (j)ej() A(j)()
A0
Vo Vi
1
Vi
C
Vo
信号频率从零到无穷大变化时,电压增益:
AV Vo i R1/1j/jC C1j 1RC|
A A
0
|
A 1 1 j f fc
A0 1 j f fc
令：fc
1
2RC
|
A
|
特征频率
A0 1 ( f )2
fc
0 .7 A0 o
fc
f
7
§ 9.2 一阶有源滤波电路
R
A0
Vo Vi
A
2R
vN
+
－
vO
令 得
A0
AVF 3 - AVF
0
1 RC
1
Q
3 AVF
A(s)
A0
s
Q0
1 s ( s )2
Q0 0
R1 令s=jw：
Rf 动画演示
A(
j
)
1
A0
(
1 Q
)2
•
j 0
j
0
0Q
19
§ 9.3 二阶有源滤波电路
3. 有源带通滤波电路
化简得：
A( j)
1
A0
jQ(
0 )
0
RL
9
§ 9.2 一阶有源滤波电路 First-order active filters
1.传递函数
Rf
R1
vN －
vI
R vP +
V0
1
(1
Rf R1
)Vp
vO VP(s)RsC1 Vi(s)11sRCVi(s)
sC
C
A(s)Vo(s)(1Rf) 1
(1 Rf )
Vi(s)
R1 1sRC
传递函数： A(s) R1 A0 A0 1sRC 1sRC 1 s
A VF1Rf /R1
vI R CR v P
+
A
C
－
vO
对于滤波电路，有
vN
AVF
Vo (s) VP (s)
1/sC VP(s)R1/sCVA(s)
R1
Rf
同相比例
放大电路
正反馈＜负反馈
Vi(s)VA(s) VA(s)Vo(s) VA(s)VP(s)0
R
1/sC
R
得滤波电路传递函数
A(s)
Vo (s) Vi (s)
相位响应,在阻带内幅度衰减到零（|A(jω)|=0）.
|A|
实 际 理想 | A |
实际 理想
A0 通带
A0 阻带
阻带
通带 | A |
理想oΒιβλιοθήκη |A|Ho
理想 | A |
L
A0
理想
通带
A0
实 际 A0
实际 o
5
o
L 0 H
o
H 0 L
§ 9.2 一阶有源滤波电路
R 信号频率趋于零时,电容容抗趋
于无穷大,此时求得通带电压增益:
当ω=ω0时:电路具有最大增 益A=A0=AVF/(3-AVF),即带通 滤波电路的通带电压增益；
当
Q( 0 ) 1 0
时
140Q 14Q2 1
2 40Q 14Q2 1
Q值越高,通带BW=f0/Q越窄.
A(j)
20l g|
| /dB
A0
0
0.5
1
20
2
5
400.1
Q 10
1
/ 0
BW212 0Q20Q f0
（一阶）
通带增益：
Ao
1
Rf R1
c 特征角频率： c
(
1 RC
)
用 s j 代入，可得传递函数的频率响应：
10
§ 9.2 一阶有源滤波电路
2.幅频特性
一阶滤波器的过渡带不够陡
A(
j )
1
A0
j(
)
( c
1 RC
)
c
| A( j) | A0 1 ( )2 c
当: c
|
A|
A0 2
0.707A0
为使负载不影响滤波特性,可在
无源滤波电路和负载之间加一个高 输入电阻、低输出电阻的隔离电路.
•
Vi
Vo Vp
fc
1
2 RC
A Vo Vp A0
Vi Vi 1 j f
fc
•
A0
AVF
1
Rf R1
Vi
通带电压增益
同相比例放大 电路电压增益
•
R Vp
C R1
•
R Vp
C
A
Rf
A
•
Vo
RL
•
Vo
20lg | A | 3dB
A 20 lg | | / dB
A 0
0
3
实际
理想
-20dB/十倍频程
A 0
频率每升高10倍,|A|下降10倍. 2 0
1
10
c
此时特征频率ωc刚好等于-3dB截止频率ωH. 但-
20dB/十倍频程衰减太慢,滤波特性不够理想.
11
§ 9.3 二阶有源滤波电路
1. 二阶有源低通滤波电路
RL R RL
Vi
C
Vo
RL
令 ： fc2(R1||RL)C
AVo RL//(1jC)
RL RRL
A0
Vi
RRL//(1jC)
1j(R//RL)C 1 j f
f c
带负载后，通带放大倍数A0数值减小，且截止频率fc升高， 说明无源滤波电路的A0与fc随着负载变化而变化.
8
§ 9.2 一阶有源滤波电路
20lgA(j) 20lg
1
A0
1(c)22(cQ)2
ω→∞时:|A(jω)| → 0;
Q=0.707时: ω/ ωc=1; 20lg|A(jω)/A0|=-3dB
截止频率ωH=特征频率ωc
①幅频特性曲线下降速
率约为40dB/十倍频,比一
阶滤波电路快了2倍. ②
应使A0<3,否则传递函分 母上s的一次项的系数为
2
4
0
2
当ω/ω0<1
f arctg
1
4
0
0
2
当ω/ω0>1
f arctg
1
4
0
0
2
F( j)
1
0
n
1
f
90°
0°
1
n
-90°
动画演示
23
§ 9.3 二阶有源滤波电路
4. 双T带阻滤波电路
Rf
R1
vI
C
-
C
+
R
R
2C
(1/2)R
+
V O
-
R
( 0 )
+
相频响应 f arctg0 3
R
C
+
+
C Vf -
+
33
2. RC串并联选频网络的选频特性
FV
1
32 ( 0 )2 0
( 0 ) f arctg0 3
当 0R 1C 或ff021 RC
幅频响应有最大值
相频响应
1 FVmax 3 f 0
FV
1/3
o
φf +90°
§ 9.3 二阶有源滤波电路
4. 带阻滤波电路
带阻滤波电路是用来抑制或衰减某一频段的信号,而让该 频段以外的所有信号通过,又叫陷波电路,经常用于电子系统抗 干扰.
从输入信号中减去带通滤波电路处理过的信号,就可得到 带阻信号;另外一种实现带阻的思路是双T带阻滤波电路.
21
§ 9.3 二阶有源滤波电路
o
-90°
动画演示 34
3. 振荡电路工作原理
(+)
当
0
1 RC
时，f
0
R C (+)
用瞬时极性法判断可知，电
路满足相位平衡条件
af 2n
RC
(+)
Vi Vf
Rf
＋
－
R1
振幅条件： AF=1 A=3
(+) V O
引入负反馈：
A 1 Rf R1
Rf 2R1
输出正弦波频率：
f0
1
2RC
RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波
vN
低通 高通 R1
Rf
同相比例
放大电路
A1
A0
通带
阻带
O
测评 1