第七章信号处理电路

第七章信号处理电路 7.1　有源滤波器 7.2　电压比较器

通阻阻通 O O f0 f0 f f f f 通阻阻阻通通 O O f2 f1 f2 f1 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：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。图7.1.1

7.1.2　低通滤波器(LPF) 无源低通滤波器：电压放大倍数为 ——通带截止频率图7.1.2 　　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。

一阶低通有源滤波器： 电压放大倍数 ——通带电压放大倍数图7.1.3 　　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 f > f 0时，滤波特性不理想。对数幅频特性下降速度为 -20 dB / 十倍频。解决办法：采用二阶低通有源滤波器。

　　二阶低通有源滤波器： 　　输入电压经过两级 RC 低通电路，在高频段，对数幅频特性以 -40 dB /十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于理想情况。图7.1.4

-0 -20 -40 1 0.1 10 　　一阶、二阶低通有源滤波电路幅频特性的比较：理想特性－20dB/十倍频－40dB/十倍频图7.1.5低通滤波器的幅频特性

7.1.3　高通滤波器(HPF) 无源高通滤波器如下图所示。图7.1.6无源高通滤波器其通带截止频率：

图 7.1.7　二阶有源高通滤波器(a) 图7.1.7 (b) 　　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。

低通高通低通 f O f2 高通 O f f1 O f 7.1.4　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。阻通阻 f1 f2 图7.1.8

图7.1.9 带通滤波器的典型电路 ——中心频率 ——通带电压放大倍数

低通高通低通 f O f1 高通 O f f2 O f 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。通　　阻　　通图7.1.10 f1 f2

图7.1.11 带阻滤波器的典型电路 ——中心频率 ——通带电压放大倍数

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。

uO +UOpp O uI -UOpp 7.2.1　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 uI < 0 时，uO= +UOPP；当 uI > 0 时，uO = -UOPP；　　过零比较器的传输特性为： UOPP为集成运放的最大输出电压。图7.2.1 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。

uO +UOpp O uI -UOpp 利用稳压管限幅的过零比较器　　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 UZ< UOpp 　　当 uI < 0 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 uI > 0 时，右边的稳压管被反向击穿，uO = -UZ； +UZ -UZ 图7.2.2

uO +UOpp O uI -UOpp 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，门限电平为： +UZ -UZ 　　过零比较器是门限电平为零的单限比较器。图7.2.4

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。

uO +UZ O uI -UZ 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。 UT+ UT- 　　比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。图7.2.6滞回比较器

　　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+ 　　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- 回差(门限宽度)UT：

图7.2.7 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。

7.2.4　双限比较器 参考电压 UREF1 > UREF2 　　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；图7.2.8双限比较器(a) 　　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；

uO O uI 　　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； UTL UTH 图7.2.8(b) 　　综上所述，双限比较器在输入信号 uI < UREF2或 uI > UREF1 时，输出为高电平；而当 UREF2<uI <UREF1 时，输出为低电平。下门限电平 UTL= UREF2 。上门限电平 UTH = UREF1 ；

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 CJ 0710：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。

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