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1、第 八 章 信 號 處 理 電 路8.1有源濾波器8.2電壓比較器 第 八 章 信 號 處 理 電 路8.1有源濾波器8.1.1 濾 波 電 路 的 作 用 和 分 類 1. 濾 波 電 路 的 作 用 選 頻 使 指 定 頻 段 的 信 號 順 利 通 過 ， 其 它 頻 率 的 信 號 被 衰 減 。按 處 理方 法 分 硬 件 濾 波軟 件 濾 波按 所 處 理的 信 號 分 模 擬 濾 波 器數(shù) 字 濾 波 器 按 構(gòu) 成器 件 分 無 源 濾 波 器有 源 濾 波 器2、 濾 波 器 的 分 類 按 傳 遞函 數(shù) 分 一 階 濾 波 器二 階 濾 波 器 N 階 濾 波 器: 第 八

2、 章 信 號 處 理 電 路低 通 濾 波 器 （ LPF） 的 頻 率（ 幅 頻 ） 特 性 通 帶 放 大 倍 數(shù)通 帶 截 止 頻 率 下 降 速 率 理 想 幅 頻 特 性無 過 渡 帶 用 幅 頻 特 性 描 述 濾 波 特 性 ， 要 研 究 、 ( fP、 下 降 速 率 )。puA uA按 頻 率特 性 分 低 通 濾 波 器高 通 濾 波 器帶 通 濾 波 器帶 阻 濾 波 器 第 八 章 信 號 處 理 電 路高 通 濾 波 器 （ H PF）帶 通 濾 波 器 （ BPF） 帶 阻 濾 波 器 （ BEF） ）理 想 濾 波 器 的 幅 頻 特 性 阻 容 耦 合通 信

3、電 路 抗 已 知 頻 率 的 干 擾低 通 濾 波 器 （ LPF）直 流 電 源 的 濾 波 第 八 章 信 號 處 理 電 路 ppp j1 1 2 1 1 ffARCfA uu 空 載 ： ppLpLLp j1 )( 2 1 ffAACRRfRRRA uuu 帶 載 ： 空 載 時 帶 負(fù) 載 時 3. 無 源 濾 波 電 路 和 有 源 濾 波 電 路 存 在 問 題 ： 1、 電 壓 放 大 倍 數(shù) 低 ， 最 大 為 1； 2、 帶 負(fù) 載能 力 差 ： 負(fù) 載 變 化 ， 通 帶 放 大 倍 數(shù) 和 截 止 頻 率 均 變 化 。解 決 辦 法 ： 利 用 集 成 運 放 與

4、RC 電 路 組 成 有 源 濾 波 器 。 第 八 章 信 號 處 理 電 路 無 源 濾 波 電 路 的 電 路 特 點 ： 無 源 濾 波 電 路 的 濾 波 參 數(shù)隨 負(fù) 載 變 化 ； 可 以 用 于 高 電 壓 輸 入 、 大 電 流 負(fù) 載 的 情 況 。有 源 濾 波 電 路 用 電 壓 跟 隨 器隔 離 濾 波 電 路與 負(fù) 載 電 阻 有 源 濾 波 電 路 的 電 路 特 點 ： 有 源 濾 波 電 路 的 濾 波 參 數(shù) 不隨 負(fù) 載 變 化 ， 可 放 大 ； 不 能 輸 出 高 電 壓 大 電 流 ， 只 適 用 于 信號 處 理 ， 輸 出 電 壓 受 電 源 電

5、 壓 的 限 制 ， 輸 入 電 壓 應(yīng) 保 證 集 成運 放 工 作 在 線 性 區(qū) ； 頻 率 響 應(yīng) 受 組 成 它 的 晶 體 管 、 集 成 運 放 頻 率 參 數(shù) 的 限 制 。 第 八 章 信 號 處 理 電 路一 、 一 階 低 通 濾 波 器 （ 同 相 輸 入 ）8.1.2 低 通 濾 波 器 (LPF)根 據(jù) “ 虛 短 ” ， “ 虛 斷 ” ： RCjUUCjR Cju ii 111 OURR Ru 21 1 uu 0p12 j111 ffARCj RRUUA uiOu 低 通 濾 波 器 用 來 通 過 低 頻 信 號 ， 抑 制 或 衰 減 高 頻 信 號 。Af

6、()=Uo/Ui稱 為 濾 波 電 路 增 益 或 電 壓 傳 遞 函 數(shù) 。電 壓 串 聯(lián) 負(fù) 反 饋 第 八 章 信 號 處 理 電 路 12p 1 RRAu RCf 2 10 0pj1 ffAA uu 頻 率 趨 于 0時 的放 大 倍 數(shù) 為 通 帶放 大 倍 數(shù)特 征 頻 率決 定 于 RC環(huán) 節(jié)表 明 進(jìn) 入 高 頻 段的 下 降 速 率 為 20dB/十 倍 頻一 階 低 通 有 源 濾 波 器 與 無 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 。（ 1） 改 變 電 阻 R 2和 R1的 阻 值 可 調(diào) 節(jié)

7、 通 帶 電 壓 放 大 倍 數(shù)（ 2） 改 變 截 止 頻 率 ， 應(yīng) 調(diào) 整 RC 第 八 章 信 號 處 理 電 路一 階 低 通 濾 波 器 幅 頻 特 性 為 了 使 過 渡 帶 變 窄 ， 采 用 多 階 濾 波 器 ， 即 增 加 RC 環(huán) 節(jié) 。0p j1 1 f/fAAuu 20f )/(1 1lg20lg20 ffAAuu 歸 一 化 幅 頻 特 性 缺 點 ： 在 f f 0 時 ， 對 數(shù) 幅 頻 特性 下 降 速 度 為 20 dB / 十 倍 頻 ，過 渡 帶 太 寬 ， 與 理 想 的 幅 頻 特 性相 差 甚 遠(yuǎn) 。通 帶 截 止 頻 率 fP 特 征 頻 率

8、f0理 想 低 通 濾 波 器 第 八 章 信 號 處 理 電 路二 、 二 階 低 通 濾 波 器 j3)(1 1)1( 02012 ffffRRAu 截 止 頻 率 fp 0.37f0 特 征 頻 率 2 10 RCf 電 路 引 入 了 負(fù) 反 饋 ， 利 用虛 短 ， 虛 斷 求 解 可 得 ：1、 簡 單 二 階 LPF 由 幅 頻 特 性 可 見 ， 在 高 頻 段 ， 衰減 的 斜 率 為 40 dB /十 倍 頻 ， 但fp遠(yuǎn) 離 f0 ， 其 幅 頻 特 性 與 理 想 低通 濾 波 器 相 差 較 大 。-3dB 第 八 章 信 號 處 理 電 路C1 C2C1=C2=C2

9、、 實 用 二 階 LPF（ 壓 控 電 壓 源 二 階 LPF） 引 入 正 反 饋f0時 ， C1斷 路 ， 正 反 饋 斷 開 ,放 大 倍 數(shù) 為 通 帶 放 大 倍 數(shù) ； f ， C2短 路 ， 正 反 饋 不 起作 用 ， 放 大 倍 數(shù) 小 0 ； 對 于 不 同 頻 率 的 信 號 正 反 饋 的 強(qiáng) 弱 不 同 。定 性 分 析 ： 只 要 參 數(shù) 選 擇 合 適為 使 fp=f0， 且 在 f=f0時 幅 頻 特 性 按 40dB/十 倍 頻 下 降 。在 f=f0附 近 形 成 正 反 饋 ， 不 致 造 成 自 激 振 蕩 ， 使 f0附 近 的 電 壓放 大 倍 數(shù)

10、 等 于 或 大 于 通 帶 放 大 倍 數(shù) 。 第 八 章 信 號 處 理 電 路 upooF AUURR RUU 1 1 0)( CjUURUURUU MoMMi UCjR UUM 2)()3(1 RCjRCjA AUUA up upiou 020 1)(1 ffQjff Aup 11 RRA Fup RCf 2 10 upAQ 3 1其 中 定 量 計 算 ： 第 八 章 信 號 處 理 電 路Q 等 效 品 質(zhì) 因 數(shù)物 理 意 義 ： f=f 0時 的 電 壓 放 大倍 數(shù) 與 通 帶 放 大 倍 數(shù) 之 比 。Aup = 3 時 Q uA電 路 產(chǎn) 生 自 激 振 蕩 020 1)

11、(1 1 ffQjffAAupu f = f 0 Q=1, 幅 頻 特 性 較 理 想正 反 饋 提 升 了 f 0 附 近 的 Au。pp p0 3 uuuu AQAAAff 時 ， pp 0 32 uffuu AAA 時 ，當(dāng) 為 保 證 電 路 穩(wěn) 定 工 作 ， 要 求 R F 2R1 upAQ 3 1 第 八 章 信 號 處 理 電 路 40dB/十 倍 頻 0.1dB/plg20 AuAu -40-20-0 0ff1 10 20dB/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 結(jié) 論 ： 將 電 容 C1接 地 的 一 端

12、 改 接 到 運 放 的 輸 出 端 ， 形 成 正 反饋 后 ， 可 使 輸 出 電 壓 的 幅 度 在 f = f0范 圍 內(nèi) 得 到 加 強(qiáng) ， 如 果 Q值合 適 ， 其 幅 頻 特 性 比 較 接 近 理 想 情 況 。 第 八 章 信 號 處 理 電 路例 8.1 已 知 R = 160 k， C = 0.01 F， R1 = 170 k， Rf = 100 k， 求該 濾 波 器 的 截 止 頻 率 、 通 帶 增 益 及 Q 值 。解 : z(5.991001.0106012 12 1 630 RCf 特 征 頻 率 588.117010011 1fp RRAuQ = 1/(3

13、 Aup) = 1/(3 1.588) = 0.708Q = 0.707 時 ， f0 = fH上 限 截 止 頻 率 ： fH = 99.5 H z 第 八 章 信 號 處 理 電 路8.1.3 高 通 濾 波 器 (H PF) RCf 2 10通 帶 截 止 頻 率 ： 無 源 高 通 濾 波 器 如 下 圖 所 示 理 想 高 通 濾 波 器 高 通 濾 波 器 與 低 通 濾波 器 具 有 對 偶 關(guān) 系 ， 低 通濾 波 器 電 阻 與 電 容 位 置 互易 就 可 得 到 高 通 濾 波 器 。 第 八 章 信 號 處 理 電 路 ffQff A RCRCA ARCUUA u u

14、uu 020 p 2p p2io 1j)(1 )j()j3(1 )j( 二階有源高通濾波器11 RRA Fup RCf 2 10 upAQ 3 1其 中 ：與 LPF有 對 偶 性 ， 將 二 階 LPF的 電阻 和 電 容 互 換 ， 就 可 以 得 到 二 階H PF電 路 。 第 八 章 信 號 處 理 電 路 uA電 路 產(chǎn) 生 自 激 振 蕩 二 階 低 通 、 高 通 濾 波 器 ， 為 防 止 自 激 ， 應(yīng) 使 Aup 3，即 要 求 RF f1 第 八 章 信 號 處 理 電 路帶 通 濾 波 器 的 典 型 電 路)(j1 )(j)3( 0 0p 00o o ffffQA

15、ffffA AA uu uu RCf 2 10 ooop 3 uuuu QAAAA 1Fo 1 RRAu o3 1 uAQ 中 心 頻 率通 帶 電 壓 放 大 倍 數(shù) BW = f2 - f1 = f0 /Q 01 )2( fRRF 第 八 章 信 號 處 理 電 路8.1.5 帶 阻 濾 波 器 (BEF) 在 規(guī) 定 的 頻 帶 內(nèi) ， 信 號 被阻 斷 ， 在 此 頻 帶 以 外 的 信 號 能順 利 通 過 。 低 通高 通iU oU f2f1 fuAlg20 O 通 阻 通 fuAlg20 O 低 通 f1 f2 fuAlg20 O 高 通 要 求 ：f2 f1 第 八 章 信 號

16、 處 理 電 路帶 阻 濾 波 器 的 典 型 電 路 p0p20 20 )2(j2)(1 )(1 uuu AffAff ffA RCf 2 10 1Fp 1 RRAu )2(2 1 p0 uABfQ 中 心 頻 率通 帶 電 壓 放 大 倍 數(shù)2201 ff ffQAA uu 0p1j 雙 T網(wǎng) 絡(luò) 第 八 章 信 號 處 理 電 路運算電路與有源濾波器的比較相 同 之 處 電 路 中 均 引 入 深 度 負(fù) 反 饋 ， 因 而 集 成 運 放 均 工 作 在 線 性 區(qū) 。 均 具 有 “ 虛 短 ” 和 “ 虛 斷 ” 的 特 點 ， 均 可 用 節(jié) 點 電 流 法 求 解 電路 。不

17、同 之 處 運 算 電 路 研 究 的 是 時 域 問 題 ， 有 源 濾 波 電 路 研 究 的 是 頻 域 問 題 ；測 試 時 ， 前 者 是 在 輸 入 信 號 頻 率 不 變 或 直 流 信 號 下 測 量 輸 出 電壓 與 輸 入 電 壓 有 效 值 或 幅 值 的 關(guān) 系 ， 后 者 是 在 輸 入 電 壓 幅 值 不變 的 情 況 下 測 量 輸 出 電 壓 幅 值 與 輸 入 電 壓 頻 率 的 關(guān) 系 。 運 算 電 路 用 運 算 關(guān) 系 式 描 述 輸 出 電 壓 與 輸 入 電 壓 的 關(guān) 系 ， 有 源 濾 波 器 用 電 壓 放 大 倍 數(shù) 的 幅 頻 特 性 描 述 濾 波 特 性 。