模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電工電子國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（華中科技大學(xué)）鄧天平羅杰第一章緒論 第二章集成運(yùn)算放大器的基本應(yīng)用 第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路 第四章雙極結(jié)型三極管及基本放大電路 第五章場效應(yīng)晶體管及放大電路 第六章模擬集成電路 第七章反饋放大電路 第八章信號處理與信號產(chǎn)生電路

第九章功率放大器電路 第十章直流穩(wěn)壓電源8信號處理與信號產(chǎn)生電路8.1有源濾波器8.2開關(guān)電容濾波器8.3正弦波振蕩電路8.4電壓比較器8.5非正弦信號產(chǎn)生電路8.1有源濾波器1.基本概念濾波器：是一種是一種有“頻率選擇”功能的電子裝置，它允許有用頻率信號通過而同時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，有其中——模，幅頻響應(yīng)——相位角，相頻響應(yīng)群時延響應(yīng)8.1.1基本概念與分類2.分類低通（LPF）

希望抑制50Hz的干擾信號，應(yīng)選用哪種類型的濾波電路？高通（HPF）帶通（BPF）帶阻（BEF）全通（APF）放大音頻信號，應(yīng)選用哪種類型的濾波電路？8.1.1基本概念與分類3.頻率響應(yīng)的逼近方式理想化的頻率響應(yīng)特性是無法實(shí)現(xiàn)的，只能采用特性逼近的方式。工程中，常用巴特沃斯(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev或Chebyshev1)、反切比雪夫(InverseChebyshev或Chebyshev2)、貝塞爾(Bessel)和橢圓型（Elliptic）等不同形式的傳遞函數(shù)去逼近理想化的頻率響應(yīng)。它們中的任何一種都可用來實(shí)現(xiàn)低通、高通、帶通與帶阻四種不同功能的濾波器。8.1.1基本概念與分類4.實(shí)際濾波電路的參數(shù)說明通帶紋波（

max）通帶截止角頻率（

p）阻帶最小衰減量（

min）阻帶截止角頻率（

s）

頻率選擇性因子（

s/

p）8.1.2一階有源濾波電路1.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)8.1.2一階有源濾波電路電路如何改變？幅頻響應(yīng)如何變化？

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。有源濾波電路和無源濾波電路相比有何優(yōu)缺點(diǎn)？2.高通濾波電路8.1.3二階有源低通濾波器1.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）8.1.3二階有源低通濾波器2.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：8.1.3二階有源低通濾波器用代入，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)2.傳遞函數(shù)8.1.3二階有源低通濾波器3.幅頻響應(yīng)歸一化的幅頻響應(yīng)曲線產(chǎn)生增益過沖的原因是什么？上限角頻率

H和特征角頻率

C有何差別？8.1.3二階有源高通濾波器1.二階高通濾波電路

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)8.1.3二階有源高通濾波器歸一化的幅頻響應(yīng)8.1.3二階有源帶通濾波器1.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8.1.3二階有源帶通濾波器3.二階有源帶通濾波電路令傳遞函數(shù)得關(guān)于選擇性8.1.4二階有源帶阻濾波器可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足8.1.4二階有源帶阻濾波器雙T帶阻濾波電路8.1.4二階有源帶阻濾波器阻濾波電路的幅頻特性小結(jié)：表8.1.1二階濾波電路的傳遞函數(shù)8.1.5二階低通濾波電路Multisim仿真8.1.6濾波器設(shè)計(jì)軟件簡介常用的濾波器設(shè)計(jì)軟件有:Nuhertz公司的產(chǎn)品FilterSolutions，TI公司提供的免費(fèi)網(wǎng)頁版軟件WEBENCHFilterDesigner和Windows桌面版FilterPro，ADI公司的軟件AnalogFilterWizard，Maxim公司的軟件FilterLab，Schematica公司的軟件FilterWizPro等。8.1.6濾波器設(shè)計(jì)軟件簡介8.1.6濾波器設(shè)計(jì)軟件簡介8.1.6濾波器設(shè)計(jì)軟件簡介8.1.6濾波器設(shè)計(jì)軟件簡介8.2開關(guān)電容濾波器1.基本原理積分電路由電容C1和兩個MOS開關(guān)管T1、T2等效電阻R1的積分電路不重疊的兩相時鐘脈沖

1和

2控制關(guān)管的接通與斷開8.2開關(guān)電容濾波器1.基本原理

1為高電平時，T1導(dǎo)通，T2截止

2為高電平時，T1截止，T2導(dǎo)通C1所充電荷向C2轉(zhuǎn)移

C1被充電，有qc1＝C1vI

8.2開關(guān)電容濾波器1.基本原理

1為高電平時，T1導(dǎo)通，T2截止

2為高電平時，T1截止，T2導(dǎo)通C1所充電荷向C2轉(zhuǎn)移

C1被充電，有qc1＝C1vI

在每一時鐘周期Tc內(nèi)，從信號源中提取的電荷qc1＝C1vI供給了積分電容器C2。因此，在節(jié)點(diǎn)1、2之間流過的平均電流為8.4開關(guān)電容濾波器1.基本原理當(dāng)Tc遠(yuǎn)小于信號周期時，可在兩節(jié)點(diǎn)之間定義一個等效電阻Req時間常數(shù)與脈沖周期和電容比有關(guān)得等效的積分器時間常數(shù)8.2開關(guān)電容濾波器2.開關(guān)電路濾波器舉例一階低通濾波器電路，傳遞函數(shù)為其中等效開關(guān)電容濾波器電路有8.2開關(guān)電容濾波器2.開關(guān)電路濾波器舉例代入傳遞函數(shù)表達(dá)式8.2開關(guān)電容濾波器2.開關(guān)電路濾波器舉例代入傳遞函數(shù)表達(dá)式其中一階低通濾波器的波特圖通過選擇C1、C2和時鐘頻率fc，便可獲得需要的濾波特性8.2開關(guān)電容濾波器3.單片集成開關(guān)電容濾波器簡介

目前已有通用型開關(guān)電容濾波器，可組成低通、高通、帶通等類型濾波電路，階數(shù)達(dá)8階，某些型號的產(chǎn)品能對微伏數(shù)量級的有用信號進(jìn)行濾波。開關(guān)電容濾波器的濾波特性決定于電容比和時鐘頻率，設(shè)計(jì)簡單，可實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定濾波，同時便于集成。目前集成開關(guān)電容濾波器除工作頻率還不夠高外（受脈沖頻率遠(yuǎn)大于信號頻率的限制），大部分性能指標(biāo)已達(dá)到較高水平。8.3正弦波振蕩電路8.3.1正弦波振蕩電路的工作原理8.3.2RC橋式正弦波振蕩電路8.3.3LC正弦波振蕩電路8.3.4石英晶體正弦波振蕩電路8.3.5正弦波振蕩電路的Multisim仿真8.3.1正弦波振蕩電路的工作原理正反饋放大電路框圖（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）1.振蕩條件若環(huán)路增益則去掉仍有穩(wěn)定的輸出。又所以振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件起振條件2.起振和穩(wěn)幅

#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？電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動

當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。

噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率

0的噪聲信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。

穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅平衡條件從回到放大電路（包括負(fù)反饋放大電路）3.振蕩電路基本組成部分反饋網(wǎng)絡(luò)（構(gòu)成正反饋的）選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個頻率。經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)8.3.2RC橋式正弦波振蕩電路反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)1.電路組成2.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性反饋系數(shù)幅頻響應(yīng)又且令則相頻響應(yīng)2.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值相頻響應(yīng)3.振蕩電路工作原理此時若放大電路的電壓增益為

斷開環(huán)路某一點(diǎn)，用瞬時極性法判斷可知，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，(+)Av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4.穩(wěn)幅措施采用非線性元件熱敏元件熱敏電阻起振時，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅8.3.3LC正弦波振蕩電路1LC并聯(lián)諧振回路2變壓器反饋式LC振蕩電路3三點(diǎn)式LC振蕩電路4石英晶體振蕩電路8.3.3LC正弦波振蕩電路等效損耗電阻一般有則當(dāng)時，電路諧振為諧振頻率諧振時阻抗最大，且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)同時有即1.LC并聯(lián)諧振回路1.LC并聯(lián)諧振回路阻抗頻率響應(yīng)2變壓器反饋式LC振蕩電路

雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的Q值很高，選頻特性好，所以仍能選出

0的正弦波信號。1.電路結(jié)構(gòu)2.相位平衡條件3.幅值平衡條件4.穩(wěn)幅5.選頻

通過選擇高增益的場效應(yīng)管和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足使電路可以起振。BJT進(jìn)入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。（定性分析）2變壓器反饋式LC振蕩電路3三點(diǎn)式LC振蕩電路仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A.若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端相位相反。(1)三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路

中間端的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地，則其他兩端相位相同。3三點(diǎn)式LC振蕩電路(2)電感三點(diǎn)式振蕩電路3三點(diǎn)式LC振蕩電路(3)電容三點(diǎn)式振蕩電路3三點(diǎn)式LC振蕩電路(3)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路8.3.4石英晶體振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。1.頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量——頻率偏移量?！袷庮l率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——80005000008.3.4石英晶體振蕩電路結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動交變電壓機(jī)械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時，振幅最大壓電諧振2.石英晶體的基本特性與等效電路8.3.4石英晶體振蕩電路等效電路A.串聯(lián)諧振特性

晶體等效阻抗為純阻性B.并聯(lián)諧振通常所以2.石英晶體的基本特性與等效電路8.3.4石英晶體振蕩電路實(shí)際使用時外接一小電容Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整2.石英晶體的基本特性與等效電路8.3.4石英晶體振蕩電路3.石英晶體振蕩電路8.3.5正弦波振蕩電路的Multisim仿真1.RC橋式正弦波振蕩電路的仿真8.3.5正弦波振蕩電路的Multisim仿真1.RC橋式正弦波振蕩電路的仿真8.3.5正弦波振蕩電路的Multisim仿真1.電容三點(diǎn)式振蕩器的仿真8.4電壓比較器8.4.1單門限電壓比較器8.4.2遲滯比較器8.4.1單門限電壓比較器，由于|vO|不可能超過VM，特點(diǎn)：（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|

=|-VEE|=VM=

15V，A0=105時，可以認(rèn)為vI>0時，vOmax=+VCCvI<0時，vOmax=-VEE（過零比較器）運(yùn)算放大器工作在非線性狀態(tài)下1.電路8.4.1單門限電壓比較器特點(diǎn)：（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，輸出為方波。電壓傳輸特性1.電路及工作原理思考1.若過零比較器如左圖所示，則它的電壓傳輸特性將是怎樣的？

2.輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？8.4.1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

輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出波形如圖所示。（門限電壓為VREF）解：（1）A構(gòu)成過零比較器（2）RC為微分電路，

RC<<T例電路如圖所示，當(dāng)輸入信號如圖c所示的正弦波時，定性畫出（3）D削波（限幅、檢波）解：例圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限電壓(閾值電壓)VT，畫出其電壓傳輸特性。設(shè)運(yùn)放輸出的高、低電平分別為VOH和VOL。利用疊加原理可得理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時對應(yīng)的vP＝vN＝0，即門限電壓單門限比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平錯誤電平8.4.2遲滯電壓比較器（1）電路組成（2）門限電壓而vP與vO有關(guān)，對應(yīng)vO的兩個電壓值，vP的兩個門限電壓上門限電壓下門限電壓回差電壓8.4.2遲滯電壓比較器（3）傳輸特性（4）分析要點(diǎn)

門限電壓與輸出電壓有關(guān)

任何時刻只有一個門限電壓有效

當(dāng)輸入介于兩門限之間時輸出不變。只有當(dāng)輸入高于有效的上門限或低于有效的下門限時，輸出才翻轉(zhuǎn)。翻轉(zhuǎn)方向取決于輸入輸出的相位關(guān)系。解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖9.4.6a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）傳輸特性與單門限相比，遲滯比較器在電路翻轉(zhuǎn)時有何特點(diǎn)?解：（1）門限電壓例電路如圖示，試求門限電壓，畫出傳輸特性。（2）傳輸特