北京航空航天大学电子电路i4.4.6-8非正弦波发生电路一、概述一、概述1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。电压比较器的功能：比较电压的大小。 广泛用于各种报警电路。广泛用于各种报警电路。 输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况。果，只有高电平和低电平两种情况。 使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。2. 电压比较器的描述方法电压比较器的描述方法 :电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压）阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向三、滞回比较器 1. 阈值电压阈值电压三、滞回比较器 2. 工作原理及电压传输特性工作原理及电压传输特性 设设uIUT，则，则 uN uP， uO+UZ。此时。此时uP +UT，增大增大 uI，直至，直至+UT，再增大，再增大， uO才从才从+UZ跃变为跃变为 UZ。 设设 uI+UT，则，则 uN uP， uOUZ。此时。此时uP UT，减小减小 uI，直至，直至UT，再减小，再减小， uO才从才从UZ跃变为跃变为+UZ。1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？3. 若要改变输入电压过若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的阈值电压时输出电压的 跃变方向，则应如何修跃变方向，则应如何修 改电路？改电路？改变输出改变输出限幅电路限幅电路4.4.7-1 正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成二、RC正弦波振荡电路三、LC正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成一、正弦波振荡的条件和电路的组成1. 正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下，对于某一特定频率在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：的信号形成正反馈： 由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。1. 正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件 一旦产生稳定的振荡，则一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即电路的输出量自维持，即幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件起振条件：起振条件： 要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在，且在合闸通电时对于合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。即满足起振条件。2. 起振与稳幅起振与稳幅电路如何从起振到稳幅？电路如何从起振到稳幅？稳定的稳定的振幅振幅非线性环节非线性环节的必要性！的必要性！3. 基本组成部分基本组成部分1) 放大电路：放大作用放大电路：放大作用2) 正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件3) 选频网络：确定选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡保证电路产生正弦波振荡4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅非线性环节（稳幅环节）：稳幅1) 是否存在主要组成部分；是否存在主要组成部分；2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是点，信号是 否可能正常传递，没有被短路或断路；否可能正常传递，没有被短路或断路；3) 是否满足相位条件，即是否存在是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡，是否可能振荡 ；4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。常合二为一常合二为一4 4、分析方法、分析方法相位条件的判断方法：相位条件的判断方法：瞬时极性法瞬时极性法 断开反馈，在断开处给放大电路加断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，且规且规定其极性，然后根据定其极性，然后根据 Ui的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf的极性的极性若若Uf与与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。可能产生自激振荡。 在多数正弦波振荡电路在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。反馈量均为电压量。极性？极性？5. 分类分类常用选频网络所用元件分类。常用选频网络所用元件分类。1) RC正弦波振荡电路：几百千赫以下正弦波振荡电路：几百千赫以下2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定二、二、RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. RC串并联选频网络串并联选频网络低频段低频段高频段高频段 在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频率f0，F0。RC串并联选频网络的频率响应串并联选频网络的频率响应当当 f=f0时，不但时，不但=0，且，且 最大，为最大，为1/3。1)是否可用共射放大电路？是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？是否可用两级共射放大电路？2. 电路组成电路组成 应为应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。的放大电路。不符合相位条件不符合相位条件不符合相位条件不符合相位条件输入电阻小、输出输入电阻小、输出电阻大，影响电阻大，影响f0 可引入电压串联负反馈，使可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于电压放大倍数大于3，且，且Ri大、大、Ro小，对小，对f0影响小影响小4.4.7-2 4.4.7-2 非正弦波发生电路非正弦波发生电路一、常见的非正弦波二、矩形波发生电路三、三角波发生电路一、常见的非正弦波一、常见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。二、矩形波发生电路 输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。1. 基本组成部分基本组成部分 （1）开关电路：输出只有高电平和低电平两种）开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。 （2）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕）反馈网络：自控，在输出为某一状态时孕育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。育翻转成另一状态的条件。应引入反馈。 （3）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时）延迟环节：使得两个状态均维持一定的时间，决定振荡频率。间，决定振荡频率。利用利用RC电路实现。电路实现。2. 电路组成电路组成正向充电：正向充电： uO（+UZ）RC地地反向充电：反向充电： 地地C R uO（UZ）RC 回路回路滞回比较器滞回比较器3. 工作原理：分析方法工作原理：分析方法方法一：方法一：方法一：方法一： 设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻设电路已振荡，且在某一暂态，看是否能自动翻转为另一暂态，并能再回到原暂态。转为另一暂态，并能再回到原暂态。方法二：方法二：方法二：方法二： 电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无电路合闸通电，分析电路是否有两个暂态，而无稳态。稳态。 设合闸通电时电容上电压为设合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：上升，则产生正反馈过程： uO uN uO ，直至直至 uOUZ， uP+UT，第一暂态。第一暂态。3. 工作原理：分析工作原理：分析 电容正向充电，电容正向充电，t uN，t ， uN UZ；但当但当uN +UT时，再时，再增大，增大， uO从从+ UZ跃变为跃变为-UZ， uPUT，电路进入第二暂态。电路进入第二暂态。 电容反向充电，电容反向充电，t uN，t ， uN - UZ；但当但当uN UT时，再减小，时，再减小， uO从从- UZ跃变为跃变为+UZ， uP+UT，电路返回电路返回第一暂态。第一暂态。第一暂态：第一暂态：uOUZ， uP+UT。脉冲宽度脉冲宽度4. 波形分析波形分析 正向充电和反向充电时间常数可正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。调，占空比就可调。5. 占空比可调电路占空比可调电路为了占空比调节范围大，为了占空比调节范围大，R3应如何取值？应如何取值？三、三角波发生电路 1. 电路组成电路组成 用积分运算电路可将方波变为三角波。用积分运算电路可将方波变为三角波。两个两个RC环节环节实际电路将两个实际电路将两个RC 环节合二为一环节合二为一为什么采用同相输为什么采用同相输入的滞回比较器？入的滞回比较器？uO要取代要取代uC，必须改变输入端。，必须改变输入端。集成运放应用电路的分析方法：集成运放应用电路的分析方法：化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算化整为零（分块），分析功能（每块），统观整体，性能估算2. 工作原理工作原理滞回比较器滞回比较器积分运算电路积分运算电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素求滞回比较器的电压传输特性：三要素 UOH 、 UOL ， UT， uI过过UT时曲线的跃变方向。时曲线的跃变方向。 合闸通电，通常合闸通电，通常C 上电压为上电压为0。设。设uO1 uP1 uO1，直至，直至uO1 UZ（第一暂态）；积分电路反向积分，（第一暂态）；积分电路反向积分，t uO，一旦，一旦uO过过 UT ，uO1从从 UZ跃变为跃变为 UZ （第二暂态）（第二暂态） 。 积分电路正向积分，积分电路正向积分，t uO， 一旦一旦uO过过 UT ， uO1从从 UZ跃变为跃变为 UZ ，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的，返回第一暂态。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。变化，即振荡。 电路状态翻转时，电路状态翻转时，uP1=?三角波发生电路的振荡原理三角波发生电路的振荡原理3. 波形分析波形分析 如何调整三角波的幅值和频率？如何调整三角波的幅值和频率？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？ “理性地调试理性地调试”：哪些：哪些参数与幅值有关？哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调参数与频率有关？先调哪个参数？哪个参数？4.4.8 4.4.8 有源滤波电路有源滤波电路一、概述二、低通滤波器三、高通、带通、带阻滤波器四、状态变量型滤波器1. 滤波电路的功能滤波电路的功能 使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。2. 滤波电路的种类滤波电路的种类低通滤波器（低通滤波器（LPF）通带放大倍数通带放大倍数通带截止频率通带截止频率下降速率下降速率理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带一、概述一、概述用幅频特性描述滤波特性，要研究用幅频特性描述滤波特性，要研究 、 ( fP、下降速率、下降速率)。高通滤波器（高通滤波器（HPF）带通滤波器（带通滤波器（BPF）带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）全通滤波器（全通滤波器（APF）理想滤波器的幅频特性理想滤波器的幅频特性阻容耦合阻容耦合通信电路通信电路抗已知频率的干扰抗已知频率的干扰f-转换转换空载时空载时带负载时带负载时3. 无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路 负载变化，通负载变化，通带放大倍数和截带放大倍数和截止频率均变化。止频率均变化。 无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大，不能输出高电路的滤波参数不随负载变化，可放大，不能输出高电压大电流。压大电流。有源滤波电路有源滤波电路 用电压跟随用电压跟随器隔离滤波电器隔离滤波电路与负载电阻路与负载电阻二、低通滤波器1. 同相输入同相输入 对于对于LPF，频率趋于频率趋于0时的放大倍数即为通带放大倍数。时的放大倍数即为通带放大倍数。求解传递函数时，只需将放大倍数中的求解传递函数时，只需将放大倍数中的 j用用 s 取代即可。取代即可。一阶一阶LPF经拉氏变换得传递函数经拉氏变换得传递函数频率趋于频率趋于0时的放大时的放大倍数为通带放大倍数倍数为通带放大倍数决定于决定于RC环节环节表明进入高频段表明进入高频段的下降速率为的下降速率为20dB/十倍频十倍频（1 1）一阶电路）一阶电路1. 同相输入同相输入（1 1）一阶电路：幅频特性）一阶电路：幅频特性 为了使过渡带变窄，需采为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加用多阶滤波器，即增加RC环环节。在节。在Au(s)表达式分母中表达式分母中s的的方次就是滤波器的阶数。方次就是滤波器的阶数。（2 2）简单二阶）简单二阶LPFLPF截止频率截止频率 fp 0.37f0分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。压与输入电压的关系。（3 3）压控电压源二阶）压控电压源二阶LPFLPF引入正反馈引入正反馈为使为使 fp=f0，且在，且在f=f0时幅频特性按时幅频特性按40dB/十倍频下降。十倍频下降。 f0时，时，C1断路，正反馈断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大断开，放大倍数为通带放大倍数；倍数； f ， C2短路，正反馈短路，正反馈不起作用，放大倍数小不起作用，放大倍数小0 ； 因而有可能在因而有可能在f = f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。压控电压源二阶压控电压源二阶LPFLPF的分析的分析 列列P、M点的节点电流方程，点的节点电流方程，整理可得：整理可得：2. 反相输入低通滤波器反相输入低通滤波器积分运算电路的传递函数为积分运算电路的传递函数为加加R2后，后， f0，C 断开，通带放大倍数，断开，通带放大倍数，OOO三、高通、带通、带阻有源滤波器1. 高通滤波器（高通滤波器（HPF） 与与LPF有对偶性，将有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶、简单二阶HPF、压控电压源二阶、压控电压源二阶HPF电路。电路。2. 带通滤波器带通滤波器（BPF）3. 带阻滤波器带阻滤波器（BEF）fHfLfHfL四、状态变量型滤波器要点：要点：将比例、积分、求和将比例、积分、求和等基本运算电路组合等基本运算电路组合成自由设置传递函数、成自由设置传递函数、实现各种滤波功能的实现各种滤波功能的电路，称为状态变量电路，称为状态变量型滤波器。型滤波器。通带放大倍数决定于通带放大倍数决定于负反馈网络。负反馈网络。利用利用“逆运算逆运算”方法。方法。 f0时负反馈最强，时负反馈最强， A1输出电压输出电压0； f 时时C 相当于相当于短路，短路，A2输出电压输出电压0，电路开环，电路开环， A1输出电压输出电压UOM，工作到非线性区；需引入负反馈决定通带放大倍数。工作到非线性区；需引入负反馈决定通带放大倍数。四、状态变量滤波器四、状态变量滤波器 二阶电路的组成二阶电路的组成运算电路与有源滤波器的比较相同之处相同之处电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。线性区。均具有均具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点，均可用节点电流法的特点，均可用节点电流法求解电路。求解电路。不同之处不同之处运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。量输出电压幅值与输入电压频率的关系。运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。滤波特性。双双T网络网络A1组成组成 HPF电路为电路为LPF讨论清华大学 华成英 hchyatsinghua.edu.cn结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！50