第八章信号处理电路

图 8.1.4
第八章： 信号处理电路
一阶、二阶低通有源滤波电路幅频特性的比较：
Au 20 lg / dB Aup
理想特性 －20dB/十倍频
-0 -20
-40 0.1
1
－40dB/十倍频
10
f f0
图 8.1.5
低通滤波器的幅频特性
问题：如何进一步改善滤波特性？
第八章： 信号处理电路
8.1.3 高通滤波器(HPF)
运放工作在非线性区的条件：
电路开环工作或引入正反馈！
i i_ 0
第八章： 信号处理电路
8.2.1 过零比较器
简单的过零比较器 当 uI < 0 时，uO= + UOPP ； 当 uI > 0 时，uO = - UOPP ； UOPP 为集成运放的最大输出电压。 过零比较器的传输特性为：
O uI uO +UOpp
无源高通滤波器如下图所示。
图 8.1.6
无源高通滤波器
其通带截止频率：
1 f0 2RC
第八章： 信号处理电路
二阶有源高通滤波器（压控电压源型）
( jRC ) 2 Aup U Au o U i 1 ( 3 - Aup )jRC ( jRC ) 2 Aup f 2 1 f0 1-( ) - j f0 Q f
uO +UOpp
+UZ
R1 U REF R2
过零比较器是门限电平为零的 单限比较器。
R1 门限电平为： T u I U U REF R2
O -UZ
uI
-UOpp
图 8.2.4
第八章： 信号处理电路
单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到 某一给定电平。
缺点：抗干扰能力差。
解决办法： 采用具有滞回 传输特性的比较器。
第八章： 信号处理电路
8.2.4 双限比较器
参考电压 UREF1 > UREF2 若 uI 低于 UREF2 ，运放 A1 输出低电平，A2 输出高电平，二 极管 VD1 截止，VD2导通，输出 电压 uO 为高电平；Leabharlann Baidu
图 8.2.8
双限比较器(a)
若 uI 高于 UREF1 ，运放 A1 输出高电平，A2 输出低电 平，二极管 VD2 截止，VD1 导通，输出电压 uO 为高电平；
共射放大 中间级： 具有较高的 电压放大倍数。
输出级：
共集电极放大电路。
图 8.2.9
第八章： 信号处理电路
复习：
1.滤波器的分类：
低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器
阈值电压（门限电压）： -UOpp 当比较器的输出电压由一种状态跳变为 另一种状态所对应的输入电压。
图 8.2.1
第八章： 信号处理电路
利用稳压管限幅的过零比较器(一) 两个稳压管两端总的的稳 定电压为 UZ < UOpp
当 uI < 0 时，不接稳压管时， uO= + UOPP ，接入稳压管后，左 边的稳压管被反向击穿，集成 运放的反向输入端“虚地”， uO = + UZ ；
第八章： 信号处理电路
实际滤波器的幅频特性
低通滤波器的实际幅频 特性中，在通带和阻带 之间存在着过渡带。 输出电压与输入电压之比
Aup为通带放大倍数
︱Au︱≈0.707︱AuP︱的频率为通带载止频率f0
f0
低通滤波器的实际幅频特性
过渡带愈窄，电路的选择性愈好，滤波特性愈理想。 分析滤波电路，就是求解电路的频率特性，即求解 Au (Aup ) 、 f0和过渡带的斜率 。
阻带宽度
图 8.1.11
B f2 - f1 2(2 - Aup ) f0
第八章： 信号处理电路
复习：
滤波电路
LPF、HPF、BPF和BEF 无源、有源(集成运放工作在线性区)
一阶、二阶(可改善滤波特性) 重点掌握一、二阶LPF和HPF电路的
概念和滤波特性)
1 RF Aup R1
图 8.1.7
可见高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互 为“镜像”关系。
第八章： 信号处理电路
8.1.4 带通滤波器(BPF)
只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信 号阻断。 低通 高通 Uo Ui
20 lg Au
O
20 lg Au
低通
f2
f
O
20 lg Au
高通
图 8.2.5
存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形
第八章： 信号处理电路
8.2.3 滞回比较器
UREF 为参考电压； 输出电压 uO 为 +UZ 或 -UZ；uI 为输入电压。 当 u+ = u- 时，输出电压 的状态发生跳变。
RF R2 u U REF uO R2 RF R2 RF
第八章： 信号处理电路
8.1.2 低通滤波器(LPF)
无源低通滤波器： 电压放大倍数为
Uo Au Ui 1 1 j f f0
f0
1 2RC
——通带截止频率
图 8.1.2
由对数幅频特性知，具有“低通”的特性。
电路缺点：电压放大倍数低，最大只有１，且带负载能力差。 解决办法：利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器。
f1
阻 f1 通 阻 f2
f
O
f
图 8.1.8
第八章： 信号处理电路
带通滤波器的典型电路 Auo Au f0 f ( 3 Auo ) j( - ) f0 f
Aup f0 f 1 jQ( - ) f0 f
f0
Aup
1 ——中心频率 2RC
Auo QAuo ——通带电压放大倍数 图 8.1.9 3 - Auo RF 1 Auo 1 ——比例系数 Q R1 3 - Auo
第八章： 信号处理电路
8.1.5 带阻滤波器(BEF)
在规定的频带内，信号被 阻断，在此频带以外的信号能 顺利通过。
20 lg Au
Ui
低通 高通
Uo
O
20 lg Au
低通 f1
f
O
20 lg Au
高通 f2 通 f1 阻 通 f2
f
O
f
图 8.1.10
第八章： 信号处理电路
1 1 Q f0 3 - Aup 2RC
第八章： 信号处理电路
8.2
电压比较器
电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压 进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。 比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开 环状态或引入正反馈。
分类：过零比较器、单限比较器、滞回比较器及双 限比较器。
UT-
uO
+UZ UT+
O
-UZ
uI
比较器有两个不同的门限电平，故 传输特性呈滞回形状。
图 8.2.6
滞回比较器
第八章： 信号处理电路
若 uO = UZ ，当 uI 逐渐增大时，使 uO 由 +UZ 跳变 为 -UZ 所需的门限电平 UT+
U T RF R2 U REF UZ R2 RF R2 RF
第八章： 信号处理电路
8.2.5 集成电压比较器
对集成电压比较器的主要要求： 1. 具有较高的开环差模增益； 2. 具有较快的响应速度； 3. 具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高； 4. 具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。
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高速集成电压比较器 LM710： 差动输入级： 采用恒流源式差 分放大电路，因而具 有较高的共模抑制比。
第八章： 信号处理电路
问题：过零比较器如图所示，
输入为正负对称的正弦波时， 输出波形是怎样的？
传输特性
uO +UOpp
+UZ
vI T 2 3 4
O
t
O -UZ -UOpp
uI
vO VOH O VOL t
将正弦波变为矩形波
第八章： 信号处理电路
8.2.2 单限比较器
单限比较器有一个门限电平， 当输入电压等于此门限电平时， 输出端的状态立即发生跳变。 当输入电压 uI 变化，使反相输 入端的电位为零时，输出端的状 态将发生跳变。 如何求门限电平？
当 uI > 0 时，右边的稳压管 被反向击穿，uO = - UZ ；
-UZ -UOpp
uO +UOpp
+UZ O uI 图 8.2.2
第八章： 信号处理电路
利用稳压管限幅的过零比较器(二)
电路图
传输特性
uO +UOpp +UZ O uI
-UZ -UOpp
问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？
+UZ UT+ UT-
O
-UZ
uI
图 8.2.7
作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。 抗干扰能力强。
第八章： 信号处理电路
电压比较器分析方法小结 （1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平+UZ 和输出低电平-UZ。
（2）写出u-和u+的电位表达式，令u-=u+ ，解得输 入电压就是阈值电压UT。 （3） u0在uI 过UT时的跃变方向决定于作用于集 成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时， uI<UT ,u0=U0H ; uI>UT ,u0=U0L 。反之，结论相反。
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二阶低通有源滤波器（压控电压源型）
输入电压经过两级 RC 低 通电路，在高频段，对数幅频 特性以 -40 dB /十倍频的速度 下降，使滤波特性比较接近于 理想情况。
Au p Uo Au U i 1 ( 3 - Aup )jRC ( jRC ) 2 Aup f 2 1 f 1-( ) j f0 Q f0 1 1 RF f 1 Q Aup 0 3 - Aup R1 2RC
若 uO= - UZ ，当 uI 逐渐减小时，使 uO 由 -UZ 跳 变为 UZ 所需的门限电平 UTU TRF R2 U REF UZ R2 RF R2 RF
回差(门限宽度)UT ：
U T U T - U T-
2 R2 UZ R2 RF
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uO
第八章： 信号处理电路 uO
当 uI 高 于 UREF2 而 低 于 UREF1 时 ，运放 A1、 A2 均输出 低电平，二极管 VD1 、VD2 均 截止，输出电压 uO 为低电平；
O
UTL
UTH
uI
图 8.2.8(b)
综上所述，双限比较器在输入信号 uI < UREF2 或 uI > UREF1 时，输出为高电平；而当 UREF2< uI < UREF1 时，输 出为低电平。 下门限电平 UTL = UREF2 。 上门限电平 UTH = UREF1 ；
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附：理想运放的非线性工作区
uO
+UOPP
理想特性
O
u+-u-
-UOPP
集成运放的电压传输特性
第八章： 信号处理电路
理想运放工作在非线性区特点： 1. uO 的值只有两种可能 当 u+ > u-时，uO = + UOPP 当 u+< u-时, uO = - UOPP 在非线性区内，(u+ - u-)可能很大，即 u+ ≠u- 。 “虚地”不存在 2. 理想运放的输入电流等于零
第八章
8.1 8.2
信号处理电路
有源滤波器 电压比较器
第八章： 信号处理电路
本章重点和考点：
1、有源一阶、二阶低通滤波电路的分析及参数设计
2.电压比较器的传输特性
3、集成电压比较器的应用
第八章： 信号处理电路
8.1
8.1.1 滤波电路的作用和分类
有源滤波器
作用：选频。对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号， 保留下有用信号。 分类： 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器
第八章： 信号处理电路
一阶低通有源滤波器：
电压放大倍数
Uo Au Ui RF 1 Aup R1 f f 1 j 1 j f0 f0
RF Aup 1 ——通带电压放大倍数 图 8.1.3 R1 可见：一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带 截止频率相同；但通带电压放大倍数得到提高。 缺点：一阶低通有源滤波器在 f > f 0 时，滤波特性不 理想。对数幅频特性下降速度为 -20 dB / 十倍频。 解决办法：采用二阶低通有源滤波器。
带阻滤波器的典型电路
Au f 2 1- ( ) f0 f 2 f 1 - ( ) j2( 2 - Aup ) f0 f0
Aup
1 f0 ——中心频率 2RC RF Aup 1 ——通带电压放大倍数 R1
f0 1 Q B 2( 2 - Aup )
Au
Aup 1 ff0 1 j Q f 02 - f 2
20 lg Au
带阻滤波器
20 lg Au
通 O
20 lg Au
阻 f0 f O
20 lg Au
阻 f0
通 f
O
阻 f1
通
阻 f2 f O
图 8.1.1
通 阻 通 f2 f f1
第八章： 信号处理电路
滤波器的用途
滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成 分，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。