模擬電子技術(shù)簡(jiǎn)明教程第三版(楊素行)第8章-信號(hào)處理電路

第八章

信號(hào)處理電路8.1有源濾波器8.2電壓比較器本章重點(diǎn)和考點(diǎn)：1、有源一階、二階低通濾波電路的分析及參數(shù)設(shè)計(jì)3、集成電壓比較器的應(yīng)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(lèi)作用：選頻。對(duì)頻率進(jìn)行選擇,過(guò)濾掉噪聲和干擾信號(hào)，保留下有用信號(hào)。分類(lèi)：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(lái)濾除信號(hào)中無(wú)用的頻率成分，例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含一些較高頻率成分的干擾。實(shí)際濾波器的幅頻特性低通濾波器的實(shí)際幅頻特性中，在通帶和阻帶之間存在著過(guò)渡帶。過(guò)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(guò)渡帶的斜率。低通濾波器的實(shí)際幅頻特性f08.1.2低通濾波器(LPF)無(wú)源低通濾波器：電壓放大倍數(shù)為——通帶截止頻率由對(duì)數(shù)幅頻特性知，具有“低通”的特性。電路缺點(diǎn)：電壓放大倍數(shù)低，最大只有１，且?guī)ж?fù)載能力差。

解決辦法：利用集成運(yùn)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(jiàn)：一階低通有源濾波器與無(wú)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(diǎn)：一階低通有源濾波器在f>f0時(shí)，濾波特性不理想。對(duì)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(guò)兩級(jí)RC低通電路，在高頻段，對(duì)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(wèn)題：如何進(jìn)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(wú)源高通濾波器如下圖所示。圖8.1.6無(wú)源高通濾波器可見(jiàn)高通濾波電路與低通濾波電路的對(duì)數(shù)幅頻特性互為“鏡像”關(guān)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(nèi)的信號(hào)通過(guò)，將此頻帶以外的信號(hào)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(nèi)，信號(hào)被阻斷，在此頻帶以外的信號(hào)能順利通過(guò)。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(fù)習(xí)：濾波電路LPF、HPF、BPF和BEF無(wú)源、有源(集成運(yùn)放工作在線性區(qū))一階、二階(可改善濾波特性)重點(diǎn)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(gè)模擬量輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)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(yùn)放一般工作在非線性區(qū)；處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。分類(lèi)：過(guò)零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器。附：理想運(yùn)放的非線性工作區(qū)+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性集成運(yùn)放的電壓傳輸特性理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn)：當(dāng)u+>u-時(shí)，uO=+UOPP當(dāng)u+<u-時(shí),uO=-

UOPP1.uO的值只有兩種可能在非線性區(qū)內(nèi)，(u+

-

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

UOPP；當(dāng)uI>

0時(shí)，uO=-

UOPP；過(guò)零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOpp-UOppOUOPP為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。閾值電壓（門(mén)限電壓）：當(dāng)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(duì)應(yīng)的輸入電壓。圖8.2.1利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器(一)兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為UZ

<UOppuIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ當(dāng)uI<0時(shí)，不接穩(wěn)壓管時(shí)，uO=+

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

UZ；

當(dāng)uI>0時(shí)，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(guò)零比較器(二)電路圖傳輸特性u(píng)IuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ問(wèn)題：如將輸入信號(hào)加在“+”端，傳輸特性如何？問(wèn)題：過(guò)零比較器如圖所示，輸入為正負(fù)對(duì)稱(chēng)的正弦波時(shí)，輸出波形是怎樣的？傳輸特性u(píng)IuO+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(gè)門(mén)限電平，當(dāng)輸入電壓等于此門(mén)限電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。當(dāng)輸入電壓uI變化，使反相輸入端的電位為零時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。uIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZ過(guò)零比較器是門(mén)限電平為零的單限比較器。圖8.2.4如何求門(mén)限電平？門(mén)限電平為：圖8.2.5存在干擾時(shí)單限比較器的uI、uO波形單限比較器的作用：檢測(cè)輸入的模擬信號(hào)是否達(dá)到某一給定電平。

缺點(diǎn)：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(dāng)u+=u-時(shí)，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。比較器有兩個(gè)不同的門(mén)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(dāng)uI逐漸減小時(shí)，使uO由UZ跳變?yōu)閁Z所需的門(mén)限電平UT-

回差(門(mén)限寬度)UT：若uO=UZ，當(dāng)uI逐漸增大時(shí)，使uO由+UZ跳變?yōu)?UZ所需的門(mén)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(qiáng)。圖8.2.7+UZuIuO-UZOUT-UT+電壓比較器分析方法小結(jié)（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(xiě)出u-和u+的電位表達(dá)式，令u-=u+，解得輸入電壓就是閾值電壓UT。（3）u0在uI過(guò)UT時(shí)的躍變方向決定于作用于集成運(yùn)放的哪個(gè)輸入端。當(dāng)uI從反向輸入端輸入時(shí)，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L

。反之，結(jié)論相反。8.2.4雙限比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI低于UREF2，運(yùn)放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1截止，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；若uI高于UREF1，運(yùn)放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2截止，VD1導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；圖8.2.8雙限比較器(a)當(dāng)uI高于UREF2而低于UREF1時(shí)，運(yùn)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(mén)限電平UTH=UREF1；

下門(mén)限電平UTL

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

uI<

UREF1時(shí)，輸出為低電平。圖8.2.8(b)8.2.5集成電壓比較器對(duì)集成電壓比較器的主要要求：1.具有較高的開(kāi)環(huán)差模增益；2.具有較快的響應(yīng)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(diào)電壓、失調(diào)電流及較低的溫漂。圖8