电子设计大赛(模电)
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有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。
缺点：低频时体积大，很难做到小型化。
优点：体积小、效率高、频率特性好。
2. 分类
低通（LPF）
高通（HPF） 带通（BPF） 带阻（BEF）
全通（APF）
3. 有源低通滤波电路
(1) 一阶低通滤波电路 RF R1 – + + uC –
+ ui –
+
R C
+ uo –
vI vP 时，vO VOL (低电平 )
vI vP 时，vO VOH (高电平 )
而vP与vO有关，对应于 vO的两个电压值可得 vP的两个 门限电压 R2VOH R1VREF VT 上门限电压 R1 R2 R1 R2
VT
回差电压
RV R1VREF 2 OL R1 R2 R1 R2 VT VT VT
模拟电子技术
• 运放 • 滤波 • 直流稳压电源
集成电路运算放大器 一、运放基本知识
1. 运放符号
+VCC N P +VCC N
– +
vo
–VEE
– +
–VEE
(b)国内外常用符号
(a)国家标准规定的符号
P
vo
2. 电压传输特性 vo= f (vi) +Vom
理想特性
O
vo
线性区
v+– v实际特性 饱和区
RF 1 R1
0
0
| A(j) |
A(j )
Auf
2 1 ( ) 0
| Auf |
A(j) Auf Auf 当 0时, A(j ) 2 当 时, A(j) 0
当 0时,
1 Auf 2
O
幅频特性
0
当 >0时，| A(j)| 衰减很快
+ uo –
uo RF Auf 1 ui R1
三、 电压比较器的设计
用作比较器时，运放工作在饱和区，即运放工作在开环状 态或引入正反馈。
1.基本电压比较器（开环）
R1
+ ui + UR R2 – –
– + +
+ uo –
当 u+>u– 时，uo= +Uo (sat) u+<u– 时，uo= –Uo (sat)
运放处于开环状态
输入信号接在反相端 R1 – + + + + uo ui + UR R2 – – –
+Uo(sat)
uo
UR u i
O –Uo(sat)
电压传输特性 输入信号接在同相端 R1 – + + + + uo UR + ui R2 – – – +Uo(sat) uo UR ui
下门限电压
R2 (VOH VOL ) R百度文库 R2
（3）传输特性
VT
R2VOH R1VREF R1 R2 R1 R2 R2VOL R1VREF R1 R2 R1 R2
VT
3. 设计步骤
（1）基本电压比较器设计时运放中的电阻阻值按几千欧~几百 千欧自行选择。
+Uo(sat)
uo
UZ UR
设稳压管的稳定电压为UZ， 忽略稳压管的正向导通压降 则 ui < UR，uo = UZ ui >UR，uo = –UZ
O
–UZ –Uo(sat)
ui
电压传输特性
单门限比较器的抗干扰能力
应为高电平
错误电平
2. 迟滞比较器（正反馈）
（1）电路组成 （2）门限电压
vP 为门限电压，
得滤波电路传递函数
Vo ( s ) AVF A( s ) Vi ( s ) 1 (3 - AVF ) sCR ( sCR) 2
（二阶）
A( s )
Vo ( s ) AVF Vi ( s ) 1 (3 - AVF ) sCR ( sCR) 2
令 A0 AVF
1 Q 3 AVF
二、 放大电路的设计
运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。
1. 反相比例运算电路 RF + ui – R1 – + +
R2
+ uo –
平衡电阻 R2 = R1 // RF
2. 同相比例运算电路 RF
R1 + ui – R2 – + +
+ uo –
RF uo (1 )u R1 uo RF Auf 1 ui R1
(2) 整流电流平均值 Io （流过负载的平均电流） VO 0.9V2 IO I L RL RL (3) 流过每管电流平均值 ID
IO I L ID 2 2
VDRM 2V2
(4) 每管承受的最高反向电压 VDRM
(5) 整流二极管的选择
U o U i
RF RF 1 1 R1 R1 1 jRC 1 j 0
1 式 中 : 0 RC 称为截止 角频 率
若频率 为变量，则电路的传递函数
Auf U o (j ) A(j ) U i (j ) 1 j 1 j
其模(幅频响应）为
RF 1 R1
当 0时,
当 0时,
A(j) 0
A(j ) Auf 2
1 Auf 2
O
当 时,
0
幅频特性
A(j) Auf
可见，电路使频率大于0 的信号通过 ，而小于0 的信号被 阻止，称为有源高通滤波器。
(2) 二阶高通滤波电路
5. 有源带通滤波电路
(2) 二阶低通滤波电路
对于滤波电路，有
Vo ( s) Rf AVF 1 VP ( s) R1
1 / sC VP ( s) VA ( s) R 1 / sC Vi ( s ) VA ( s ) VA ( s) Vo ( s) VA ( s) VP ( s) 0 R 1 / sC R
（2）迟滞比较器设计时自行选择一个电阻阻值，另外一个由回 差电压方程计算 。 回差电压
VT VT VT
R2 (VOH VOL ) R1 R2
滤波电路的设计
1. 基本概念
滤波器：是一种选频电路，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。
无源滤波器：由电阻、电容和电感组成。 滤波器
设计步骤： （1）选择运放：选择通用型运放， 如LF412
（2）选择电容器容量，计算电阻阻值
f (1~10)Hz （10~102） （102~103）（1~10） Hz Hz KHz （10~103） （102~103） KHz KHz
C
(20~10)F
（10~0.1） （0.1~0.0 uF 1）uF
(3) 工作波形
(2) 工作原理
v2 正半周，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 ，在负载电阻上得到 正弦波的正半周。反之，二极管 D2、 D4 导通， 在负载电阻上得 到正弦波的负半周。
(4) 参数计算
(1) 整流电压平均值 Vo（即负载上输出平均电压）
1π 2 2 VO VL 2V2 sin td t V2 0.9V2 π0 π
O
–Uo(sat)
阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。
+ ui + UR R2 – –
R1
– + +
ui + uo UR –
O
t1 t2
t
uo
+Uo (sat)
O
t
–Uo (sat)
输出带限幅的电压比较器
+ ui + UR R2 – – R1
u 'R o –
+
+
DZ
+ uo –
f C (1~10)Hz (20~10)F （10~102） （102~103）（1~10） Hz Hz KHz （10~0.1） （0.1~0.0 uF 1）uF （10~102） （102~103） KHz KHz
（104~103）（103~102）（102~10） pF pF pF
例：试用集成运放设计一截止频率fc=100Hz的二阶低通巴特沃斯 滤波器，要求：（1）选择运放；（2）选择和计算全部电阻、电 容参数。
–Vom
线性区：vo = Avo(v+– v-) 非线性区：v+> v– 时， vo = +Vom v+< v– 时， vo = – Vom
3. 理想运放工作在线性区的特点 v+= v– i += i – 0 虚短 虚断
N P
+VCC
–
+
–VEE
vo
4. 理想运放工作在饱和区的特点 (1) 输出只有两种可能, +Vom或–Vom v+> v– 时， vo = +Vom v+< v– 时， vo = – Vom 不存在 “虚短”现 象 (2) i+= i– 0,仍存在“虚断”现象
+
C
+ uo –
U o U i
RF RF 1 1 R1 R1 1 0 1 1 j jRC
1 式 中 : 0 RC 称为截止 角频 率
若频率 为变量，则电路的传递函数
Auf U o (j ) A(j ) 0 U i (j ) 1 j 0 1 j 其模为 Auf A(j ) | A(j) | 0 2 | Auf | 1 ( )
可由低通和高通串联得到
1 低通截止角频率 R1C 1
H
1 L R2C 2
高通截止角频率
必须满足 L H
例:
6. 有源带阻滤波电路
可由低通和高通并联得到
必须满足 L H
6. 有源滤波电路设计方法
（1）关于滤波器类型的选择 （2）级数的选择 主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低 通或高通电路可获得-20dB每十倍频程的衰减。 （3）运放的选择 在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器，运 放的开环增应在80dB 以上。如果滤波器的输入信号较小，例 如在10mV以下，则选低漂移运放。
称为 通带增益
称为 等效品质因数 称为 特征角频率
n
Q A0 c2 s c2
c
1 RC
s2
则 A( s )
注意：当 3 AVF 0 ，即 AVF 3 时，滤波电路才能稳定工作。
4. 有源高通滤波电路
(1) 一阶高通滤波电路（低通滤波器中R、C位置互换即可） RF R1 + ui – – + R
显然，电路能使低于0的信号 顺利通过，衰减很小，而使高于 0的信号不易通过，衰减很大， 称一 阶有源低通滤波器。
| Auf | 1 Auf 2 O
| A(j) |
一阶 二阶
0
幅频特性
一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢 (-20dB/十倍频 程 ) ，一般用在对滤波要求不高的场合。为了改善滤波 效果，使 > 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤 波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。
（104~103）（103~102）（102~10） pF pF pF
参考此表，可选C1=C2=0.33uF
1 2f c 由 c RC 1 4.8K 得 R 2πfcC
选择标准电阻R=4.7千欧
表2 巴特沃斯低通、高通电路阶数n与增益G之关系
阶数n 增益G 一级 二级 三级 四级 2 1.586 4 1.152 2.235 6 1.068 1.586 2.483 8 1.038 1.377 1.889 2.610
平衡电阻 R2 = R1 // RF
当 R1= 或 RF = 0 时， uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。 + ui –
– + +
+ uo –
3. 设计步骤
RF R1 R2 R1 + uo – + ui –
RF
+ ui –
– + +
R2
– + +
（1）根据放大倍数找到R1与RF的关系，然后自行选定其中一个 元件值，计算另一个元件值（运放中的电阻阻值不宜过大 或过小，通常选择几千欧~几百千欧）。 （2）根据平衡电阻计算R2阻值。
由表2可知：2阶巴特沃斯滤波器增益为 A0=AVF=1.586 若取R1=68千欧，则 Rf=（AVF-1)R1=39.8千欧
直流稳压电源设计
小功率直流稳压电源的组成
变压 整流 滤波 稳压
交流电源
负载
u1
u2
u3
u4
uo
功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压
1. 单相桥式整流电路 (1) 电路结构
（4）元器件的选择 一般设计滤波器时都要给定截止频率fc (ωc)、带内增益Av， 以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时 经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之 数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设 计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电 容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作 频率范围按照表1初选电容值。 表1 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系
缺点：低频时体积大，很难做到小型化。
优点：体积小、效率高、频率特性好。
2. 分类
低通（LPF）
高通（HPF） 带通（BPF） 带阻（BEF）
全通（APF）
3. 有源低通滤波电路
(1) 一阶低通滤波电路 RF R1 – + + uC –
+ ui –
+
R C
+ uo –
vI vP 时，vO VOL (低电平 )
vI vP 时，vO VOH (高电平 )
而vP与vO有关，对应于 vO的两个电压值可得 vP的两个 门限电压 R2VOH R1VREF VT 上门限电压 R1 R2 R1 R2
VT
回差电压
RV R1VREF 2 OL R1 R2 R1 R2 VT VT VT
模拟电子技术
• 运放 • 滤波 • 直流稳压电源
集成电路运算放大器 一、运放基本知识
1. 运放符号
+VCC N P +VCC N
– +
vo
–VEE
– +
–VEE
(b)国内外常用符号
(a)国家标准规定的符号
P
vo
2. 电压传输特性 vo= f (vi) +Vom
理想特性
O
vo
线性区
v+– v实际特性 饱和区
RF 1 R1
0
0
| A(j) |
A(j )
Auf
2 1 ( ) 0
| Auf |
A(j) Auf Auf 当 0时, A(j ) 2 当 时, A(j) 0
当 0时,
1 Auf 2
O
幅频特性
0
当 >0时，| A(j)| 衰减很快
+ uo –
uo RF Auf 1 ui R1
三、 电压比较器的设计
用作比较器时，运放工作在饱和区，即运放工作在开环状 态或引入正反馈。
1.基本电压比较器（开环）
R1
+ ui + UR R2 – –
– + +
+ uo –
当 u+>u– 时，uo= +Uo (sat) u+<u– 时，uo= –Uo (sat)
运放处于开环状态
输入信号接在反相端 R1 – + + + + uo ui + UR R2 – – –
+Uo(sat)
uo
UR u i
O –Uo(sat)
电压传输特性 输入信号接在同相端 R1 – + + + + uo UR + ui R2 – – – +Uo(sat) uo UR ui
下门限电压
R2 (VOH VOL ) R百度文库 R2
（3）传输特性
VT
R2VOH R1VREF R1 R2 R1 R2 R2VOL R1VREF R1 R2 R1 R2
VT
3. 设计步骤
（1）基本电压比较器设计时运放中的电阻阻值按几千欧~几百 千欧自行选择。
+Uo(sat)
uo
UZ UR
设稳压管的稳定电压为UZ， 忽略稳压管的正向导通压降 则 ui < UR，uo = UZ ui >UR，uo = –UZ
O
–UZ –Uo(sat)
ui
电压传输特性
单门限比较器的抗干扰能力
应为高电平
错误电平
2. 迟滞比较器（正反馈）
（1）电路组成 （2）门限电压
vP 为门限电压，
得滤波电路传递函数
Vo ( s ) AVF A( s ) Vi ( s ) 1 (3 - AVF ) sCR ( sCR) 2
（二阶）
A( s )
Vo ( s ) AVF Vi ( s ) 1 (3 - AVF ) sCR ( sCR) 2
令 A0 AVF
1 Q 3 AVF
二、 放大电路的设计
运算放大器工作在线性区时，通常要引入深度负反馈。
1. 反相比例运算电路 RF + ui – R1 – + +
R2
+ uo –
平衡电阻 R2 = R1 // RF
2. 同相比例运算电路 RF
R1 + ui – R2 – + +
+ uo –
RF uo (1 )u R1 uo RF Auf 1 ui R1
(2) 整流电流平均值 Io （流过负载的平均电流） VO 0.9V2 IO I L RL RL (3) 流过每管电流平均值 ID
IO I L ID 2 2
VDRM 2V2
(4) 每管承受的最高反向电压 VDRM
(5) 整流二极管的选择
U o U i
RF RF 1 1 R1 R1 1 jRC 1 j 0
1 式 中 : 0 RC 称为截止 角频 率
若频率 为变量，则电路的传递函数
Auf U o (j ) A(j ) U i (j ) 1 j 1 j
其模(幅频响应）为
RF 1 R1
当 0时,
当 0时,
A(j) 0
A(j ) Auf 2
1 Auf 2
O
当 时,
0
幅频特性
A(j) Auf
可见，电路使频率大于0 的信号通过 ，而小于0 的信号被 阻止，称为有源高通滤波器。
(2) 二阶高通滤波电路
5. 有源带通滤波电路
(2) 二阶低通滤波电路
对于滤波电路，有
Vo ( s) Rf AVF 1 VP ( s) R1
1 / sC VP ( s) VA ( s) R 1 / sC Vi ( s ) VA ( s ) VA ( s) Vo ( s) VA ( s) VP ( s) 0 R 1 / sC R
（2）迟滞比较器设计时自行选择一个电阻阻值，另外一个由回 差电压方程计算 。 回差电压
VT VT VT
R2 (VOH VOL ) R1 R2
滤波电路的设计
1. 基本概念
滤波器：是一种选频电路，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。
无源滤波器：由电阻、电容和电感组成。 滤波器
设计步骤： （1）选择运放：选择通用型运放， 如LF412
（2）选择电容器容量，计算电阻阻值
f (1~10)Hz （10~102） （102~103）（1~10） Hz Hz KHz （10~103） （102~103） KHz KHz
C
(20~10)F
（10~0.1） （0.1~0.0 uF 1）uF
(3) 工作波形
(2) 工作原理
v2 正半周，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 ，在负载电阻上得到 正弦波的正半周。反之，二极管 D2、 D4 导通， 在负载电阻上得 到正弦波的负半周。
(4) 参数计算
(1) 整流电压平均值 Vo（即负载上输出平均电压）
1π 2 2 VO VL 2V2 sin td t V2 0.9V2 π0 π
O
–Uo(sat)
阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。
+ ui + UR R2 – –
R1
– + +
ui + uo UR –
O
t1 t2
t
uo
+Uo (sat)
O
t
–Uo (sat)
输出带限幅的电压比较器
+ ui + UR R2 – – R1
u 'R o –
+
+
DZ
+ uo –
f C (1~10)Hz (20~10)F （10~102） （102~103）（1~10） Hz Hz KHz （10~0.1） （0.1~0.0 uF 1）uF （10~102） （102~103） KHz KHz
（104~103）（103~102）（102~10） pF pF pF
例：试用集成运放设计一截止频率fc=100Hz的二阶低通巴特沃斯 滤波器，要求：（1）选择运放；（2）选择和计算全部电阻、电 容参数。
–Vom
线性区：vo = Avo(v+– v-) 非线性区：v+> v– 时， vo = +Vom v+< v– 时， vo = – Vom
3. 理想运放工作在线性区的特点 v+= v– i += i – 0 虚短 虚断
N P
+VCC
–
+
–VEE
vo
4. 理想运放工作在饱和区的特点 (1) 输出只有两种可能, +Vom或–Vom v+> v– 时， vo = +Vom v+< v– 时， vo = – Vom 不存在 “虚短”现 象 (2) i+= i– 0,仍存在“虚断”现象
+
C
+ uo –
U o U i
RF RF 1 1 R1 R1 1 0 1 1 j jRC
1 式 中 : 0 RC 称为截止 角频 率
若频率 为变量，则电路的传递函数
Auf U o (j ) A(j ) 0 U i (j ) 1 j 0 1 j 其模为 Auf A(j ) | A(j) | 0 2 | Auf | 1 ( )
可由低通和高通串联得到
1 低通截止角频率 R1C 1
H
1 L R2C 2
高通截止角频率
必须满足 L H
例:
6. 有源带阻滤波电路
可由低通和高通并联得到
必须满足 L H
6. 有源滤波电路设计方法
（1）关于滤波器类型的选择 （2）级数的选择 主要根据对带外衰减特殊性的要求来确定。每一阶低 通或高通电路可获得-20dB每十倍频程的衰减。 （3）运放的选择 在无特殊要求的情况下，可选用通用型运算放大器，运 放的开环增应在80dB 以上。如果滤波器的输入信号较小，例 如在10mV以下，则选低漂移运放。
称为 通带增益
称为 等效品质因数 称为 特征角频率
n
Q A0 c2 s c2
c
1 RC
s2
则 A( s )
注意：当 3 AVF 0 ，即 AVF 3 时，滤波电路才能稳定工作。
4. 有源高通滤波电路
(1) 一阶高通滤波电路（低通滤波器中R、C位置互换即可） RF R1 + ui – – + R
显然，电路能使低于0的信号 顺利通过，衰减很小，而使高于 0的信号不易通过，衰减很大， 称一 阶有源低通滤波器。
| Auf | 1 Auf 2 O
| A(j) |
一阶 二阶
0
幅频特性
一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢 (-20dB/十倍频 程 ) ，一般用在对滤波要求不高的场合。为了改善滤波 效果，使 > 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤 波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。
（104~103）（103~102）（102~10） pF pF pF
参考此表，可选C1=C2=0.33uF
1 2f c 由 c RC 1 4.8K 得 R 2πfcC
选择标准电阻R=4.7千欧
表2 巴特沃斯低通、高通电路阶数n与增益G之关系
阶数n 增益G 一级 二级 三级 四级 2 1.586 4 1.152 2.235 6 1.068 1.586 2.483 8 1.038 1.377 1.889 2.610
平衡电阻 R2 = R1 // RF
当 R1= 或 RF = 0 时， uo = ui ， Auf = 1， 称电压跟随器。 + ui –
– + +
+ uo –
3. 设计步骤
RF R1 R2 R1 + uo – + ui –
RF
+ ui –
– + +
R2
– + +
（1）根据放大倍数找到R1与RF的关系，然后自行选定其中一个 元件值，计算另一个元件值（运放中的电阻阻值不宜过大 或过小，通常选择几千欧~几百千欧）。 （2）根据平衡电阻计算R2阻值。
由表2可知：2阶巴特沃斯滤波器增益为 A0=AVF=1.586 若取R1=68千欧，则 Rf=（AVF-1)R1=39.8千欧
直流稳压电源设计
小功率直流稳压电源的组成
变压 整流 滤波 稳压
交流电源
负载
u1
u2
u3
u4
uo
功能：把交流电压变成稳定的大小合适的直流电压
1. 单相桥式整流电路 (1) 电路结构
（4）元器件的选择 一般设计滤波器时都要给定截止频率fc (ωc)、带内增益Av， 以及品质因数Q（二阶低通或高通一般为0.707）。在设计时 经常出现待确定其值的元件数目多于限制元件取值的参数之 数目，因此有许多个元件均可满足给定的要求，这就需要设 计者自行选定某些元件值。一般从选定电容器入手，因为电 容标称值的分档较少，电容难配，而电阻易配，可根据工作 频率范围按照表1初选电容值。 表1 滤波器工作频率与滤波电容取值的对应关系