信号处理电路(精)

第七章信号处理电路7.1有源滤波器7.2电压比较器本章重点和考点：1、有源一阶、二阶低通滤波电路的分析及参数设计3、集成电压比较器的应用2.电压比较器的传输特性7.1有源滤波器7.1.1滤波电路的作用和分类作用：选频。分类：f0fuAlg20O通阻fuAlg20f0O通阻f1fuAlg20O通通阻f2fuAlg20O通阻阻f1f2低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器图7.1.1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。过渡带愈窄，电路的选择性愈好，滤波特性愈理想。︱Au︱≈0.707︱AuP︱的频率为通带载止频率f0输出电压与输入电压之比Aup为通带放大倍数分析滤波电路，就是求解电路的频率特性，即求解Au(Aup)、f0和过渡带的斜率。低通滤波器的实际幅频特性f07.1.2低通滤波器(LPF)无源低通滤波器：电压放大倍数为0ioj11ffUUAuRCf210——通带截止频率由对数幅频特性知，具有“低通”的特性。电路缺点：电压放大倍数低，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。图7.1.2一阶低通有源滤波器：0p01Fioj1j11ffAffRRUUAuu电压放大倍数1Fp1RRAu——通带电压放大倍数可见：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ff0时，滤波特性不理想。对数幅频特性下降速度为-20dB/十倍频。解决办法：采用二阶低通有源滤波器。图7.1.3输入电压经过两级RC低通电路，在高频段，对数幅频特性以-40dB/十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于理想情况。020p2ppio1j)(1)j()j3(1ffQffARCRCAAUUAuuuu--1Fp1RRAuRCf210p31uAQ-图7.1.4二阶低通有源滤波器（压控电压源型）0.1dB/plg20AuAu-40-20-00ff110－20dB/十倍频－40dB/十倍频一阶、二阶低通有源滤波电路幅频特性的比较：理想特性图7.1.5低通滤波器的幅频特性问题：如何进一步改善滤波特性？7.1.3高通滤波器(HPF)RCf210其通带截止频率：无源高通滤波器如下图所示。图7.1.6无源高通滤波器ffQffARCRCAARCUUAuuuu020p2pp2io1j)(1)j()j3(1)j(---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。二阶有源高通滤波器（压控电压源型）图7.1.77.1.4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iUoUf2fuAlg20O低通fuAlg20f1O高通阻阻f2f1fuAlg20O通图7.1.8带通滤波器的典型电路)(j1)(j)3(00p00ooffffQAffffAAAuuuu--RCf210ooop3uuuuQAAAA-1Fo1RRAuo31uAQ-——中心频率——通带电压放大倍数图7.1.9——比例系数7.1.5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。低通高通iUoUf2f1fuAlg20O通阻通fuAlg20O低通f1f2fuAlg20O高通图7.1.10带阻滤波器的典型电路p0p2020)2(j2)(1)(1uuuAffAffffA---RCf2101Fp1RRAu)2(21p0uABfQ-——中心频率——通带电压放大倍数2200p1j1ffffQAAuu-图7.1.110p12)2(2fAffBu--阻带宽度复习：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)重点了解二阶LPF电路的概念和滤波特性)1Fp1RRAuRCf210p31uAQ-7.2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。附：理想运放的非线性工作区+UOPPuOu+-u-O-UOPP理想特性集成运放的电压传输特性理想运放工作在非线性区特点：当u+u-时，uO=+UOPP当u+u-时,uO=-UOPP1.uO的值只有两种可能在非线性区内，(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零0_ii7.2.1过零比较器简单的过零比较器由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以当uI0时，uO=+UOPP；当uI0时，uO=-UOPP；过零比较器的传输特性为：uIuO+UOpp-UOppOUOPP为集成运放的最大输出电压。阈值电压：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7.2.1利用稳压管限幅的过零比较器(一)设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为UZUOppuIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZ当uI0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；当uI0时，右边的稳压管被反向击穿，uO=-UZ；图7.2.2利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZ问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？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。2.二阶LPF、HPF的电路、参数的分析3.比较器的传输特性、三要素问题：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？vIOT234ttvOVOHOVOL传输特性uIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZ将正弦波变为矩形波7.2.2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。uIuO+UOpp-UOppO+UZ-UZREF21URR-过零比较器是门限电平为零的单限比较器。图7.2.4如何求门限电平？REF21TURRuUI-门限电平为：图7.2.5存在干扰时单限比较器的uI、uO波形单限比较器的作用：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。7.2.3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。OF22REFF2FuRRRURRRu比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。+UZuIuO-UZOUT-UT+图7.2.6滞回比较器若uO=-UZ，当uI逐渐减小时，使uO由-UZ跳变为UZ所需的门限电平UT-ZF22REFF2FTURRRURRRU--回差(门限宽度)UT：ZF22TTT2URRRUUU--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+ZF22REFF2FTURRRURRRU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。图7.2.7+UZuIuO-UZOUT-UT+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，uIUT,u0=U0H;uIUT,u0=U0L。反之，结论相反。7.2.4双限比较器参考电压UREF1UREF2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；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；图7.2.8双限比较器(a)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；上门限电平UTH=UREF1；下门限电平UTL=UREF2。uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号uIUREF2或uIUREF1时，输出为高电平；而当UREF2uIUREF1时，输出为低电平。图7.2.8(b)7.2.5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。图7.2.9高速集成电压比较器CJ0710：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。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。