模拟信号处理电路:有源滤波器和电压比较器

本文主要是介绍模拟信号处理电路:有源滤波器和电压比较器，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

信号处理电路

内容提要： 本章介绍两种常用的

首先介绍滤波电路的作用和分类，然后阐明各种有源滤波电路的工作原理和输入-输出关系，其中以二阶低通滤波电路作为典型，进行较详细的分析，对于其他各种滤波电路，只进行扼要的介绍。

随后分别介绍了几种典型的电压比较器的工作原理、传输特性和用途，例如过零比较器、单限比较器、滞回比较器和窗口比较器等等。在本章的最后，简单地介绍了集成电压比较器的特点、典型电路和主要技术指标。

学习要求：

①掌握各种电压比较器的工作原理和传输特性。

②正确理解二阶低通滤波电路的工作原理及其对数幅频特性。

③了解其他各种滤波电路的特点及工作原理。

有源滤波器

7.1.1 滤波电路的作用和分类 滤波电路的作用实质上是"选频"，即允许某一部分频率的信号顺利通过，而使另一部分频率的信号被急剧衰减(即被滤掉)。在无线电通讯、自动测量及控制系统中，常常利用滤波电路进行模拟信号的处理，如用于数据传送、抑制干扰等等。

滤波电路的种类很多，本节主要介绍由集成运放和RC网络组成的有源滤波电路。 ·

根据其工作信号的频率范围，滤波器可以分为四大类，它们是低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器(RPF)和带阻滤波器(BEF)。

低通滤波器指低频信号能够通过而高频信号不能通过的滤波器;高通滤波器的性能与之相反，即高频信号能通过而低频信号不能通过;带通滤波器是指频率在某一个频带范围内的信号能通过，而在此频带范围之外的信号均不能通过；带阻滤波器的性能与之相反，即某个频带范围内的信号被阻断，但允许在此频带范围之外的信号通过。

7.1.2 低通滤波器(LPF)

最简单的低通滤波器由电阻和电容元件构成，见上图(a)，实际上这是一个最简单的RC低通电路，一般称为无源低通滤波器。该低通电路的电压放大倍数为

式中 fo称为低通滤波器的通带截止频率。fo的值与RC的乘积成反，电路的对数幅频特性见上图(b)。由上图(b)可见，当频率高于fo后，随着频率的升高，电压放大倍数将降低，因此电路具有"低通"的特性。

这种无源RC低通滤波器的主要缺点是电压放大倍数低，由Au的表达式可知，通带电压放大倍数只有l。同时带负载能力差，若在输出端并联一个负载电阻，除了使电压放大倍数降低以外，还将影响通带截止频率fo的值。

利用集成运放与RC低通电路一起，可以组成有源滤波器，以提高通带电压放大倍数和带负载能力。上图(a)示出了一阶低通有源滤波器的电路图。

电压比较器

电压比较器也是一种常用的模拟信号处理电路。它将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出只有两种可能的状态:高电平或低电平。在自动控制及自动测量系统中，常常将比较器应用于越限报鳖、模/数转换以及各种非正弦波的产生和变换等等。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字虽1或0，因此，可以认为比较器是模拟电路和数字电路的"接口"。由于比较器的输出只有高电平或低电平两种状态，所以其中的集成运放常常工作在非线性区。从电路结构来看，运放经常处于开环状态，有时为了使输入、输出特性在状态转换时更加快速，以提高比较精度;也在电路中引入正反馈。

根据比较器的传输特性来分类，常用的比较器有:过零比较器、单限比较器、滞回比较器以及双限比较器等。下面分别进行介绍。

7.2.1 过零比铰器

处于开环工作状态的集成运放是一个最简单的过零比较器，如上图(a)所示。由于理想运放的开环差模增益Aod = ∞，因此在上图（a）中，当uI<0时，uo=十Uopp;当uI>0时，uo = -Uopp。其中Uopp是集成运放的最大输出电压。可画出此过零比较器的传输特性，如上图(b)所示。

当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态时，相应的输入电压通常称为阈值电压或门限电平。这种比较器的门限电平等于零，故称为过零比较器。

以上过零比较器采用反相输人方式，如果需要，也可采用同相输入方式。"只用一个开环状态的集成运放组成的过零比较器电路简单，但其输出电压偏度较高 uo=+Uopp。有时希望比较器的输出幅度限制在一定的范围内，例如要求与TTL数字电路的逻辑电平兼容，此时需要加上一些限幅的措施。

利用两个背靠背的稳压臂实现限幅的过零比较器见下图（a）。假设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的稳定电压值均为Uz，而且Uopp>Uz。

当UI<0时，若不接稳压管，则uo将等于十Uopp，接入两个稳压管后，左边的稳压管将被反向击穿，而右边的稳压臂正向导通，于是引入一个深度负反馈，使集成运放的反相输入端"虚地"，故uo=十Uz；若uI>0，则右边稳压管被反向击穿，而左边稳压管正向导通，uo=-Uz，。比较器的传输特性如上图(b)所示。也可以在集成运放的输出端接一个电阻R和两个稳压管来实现限幅，见下图。不难看出，此时过零比较器的舆特性仍如上图(b)所示。这两个电路的不同之处在于，上图(a)电路中的集成运放，由于当稳压管反向击穿时引入一个深度负反馈，因此工作在线性区;而下图电路中的集成运放处于开环状态，所以工作在非线性区。

7.2.2 单限比较器 所谓单限比较器是指只有一个门限电平的比较器，当输人电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。单限比较器可用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定的电平。

单限比较器的电路可有多种，其中一种如下图(a)所示。可以看出，此电路是在过零比较器的基础上，将参考电压UREF通过电阻R2也接在集成运放的反相输入端而得到的。由于输入电压uI与参考电压UREF接成求和电路的形式，因此这种比较器也称为求和型单限比较器。

由图可见，集成运放的同相输入端通过电阻R’接地，因此，当输入电压uI变化时，若反相输入端的电位u_ = 0，则输出端的状态将发生跳变。根据"虚断"的特点，并利用叠加原理可求得此时反相输入端的电位为

由上式可解得门限电平为

(7.2.1) 此单限比较器的传输特性见上图(b)。

单限比较器还可以有其他电路形式。例如，将输入电压uI和参考电压UREF。分别接到开环工作状态的集成运放的两个输入端也可组成单限比较器。如果需要，也可在输出端接上背靠背的稳压管实现限幅。

7.2.3 滞回比较器

滞回比较器又名施密特触发器，其电路如下图（a)所示。

输入电压uI经电阻R1加在集成运放的反相输入端，参考电压UREF经电阻R2接在同相输入端，此外从输出端通过电阻RF引回同相输入端。电阻R和背靠背稳压管VDz，的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在士Uz。在本电路中，当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等，即u_=u＋时，输出端的状态将发生跳变。其中 u_=u＋，u＋则由参考电压UREF及输出电压uo二者共同决定，而uo有两种可能的状态，十Uz或一Uz。由此可见，使输出电压由十Uz跳变为一Uz，以及由一Uz跳变为十Uz所需的输入电压值是不同的。也就是说，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如上图(b)所示。

现在来估算滞回比较器两个门限电平的值。利用叠加原理可求得同相输入端的电位为

若原来uo = + Uz，当uI逐渐增大时，使uo从十Uz，跳变为-Uz，所需的门限电平用UT＋表示，由上式可知

(7.2.2) 若原来的uo = - Uz，当uI逐渐减小，使uo从-Uz跳变为十Uz所需的门限电平用uT_ 表示，则

(7.2.3) 上述两个门限电平之差称为门限宽度或回差，用符号△UT表示，由以上两式可求得

(7.2.4) 由式(7·2·4)可见，门限宽度△UT的值取决于稳压管的稳定电压Uz以及电阻R2和RF的值，但与参考电压UREF无关。改变UREF的大小可以同时调节两个门限电平UT＋和UT—的大小，但二者之差△UT不变。也就是说，当UREF增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。

上图(a)所示电路是反相输入方式的滞回比较器。如将输入电压uI与参考电压UREF的位置互换，即可得到同相输入滞回比较器。读者可自行分析其传输特性，此处不再重复。

7.2.4 双限比较器

前面介绍射单限比较器可以检测输入信号的电平是否达到某一个给定的门限电平。但是在实际工作中，有时需要检测输入模拟信号的电平是否处在给定的两个门限电平之间，这就要求比较器有两个门限电平。这种比较器称为双限比较器。

双限比较器的一种电路如下图(a)所示。电路由两个集成运放组成，输入电压uI各通过一个电阻R分别接到A1的同相输入端和A2的反相输入端，参考电压UREF1和UREF2分别加在A1的反相输入端和A2的同相输入端，其中UREF1>UREF2，两个集成运放的输出端各通过一个二极管后并联在一起，成为双限比较器的淆出端。