第09章 信号检测与处理电路

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1、第九章信号检测与处理电路第九章信号检测与处理电路科技前沿――开关电容滤波器50年代曾有人提出开关电容滤波器(SCF)的概念，由于当时集成工艺不过关，并没有引起人们的重视。1972年，美国一个叫Fried的科学家发表了用开关和电容模拟电阻R，说SCF的性能只取决于电容之比，与电容绝对值无关，这才引起人们的高度重视。1979年发达国家单片SCF已成为商品（属于高度保密技术）;在我国，1983年清华大学已制成单片SCF。现在SCF技术已趋成熟。SCF采用MOS工艺加以实现，被公认为80年代网络理论与集成工艺的一个重大突破。当前MOS电容值一般为几皮法至100pF之内，它具有（10～100）-

2、6-6×10/V的电压系数与（10～100）×10/℃的温度系数，这两个系数接近理想境界。SCF具有下列优点：SCF可以大规模集成；SCF精度高，因为其性能取决于电容之比，而MOS电容之比的误差小于千分之一；功能多，几乎所有电子部件和功能均可以由SCF技术来实现；比数字滤波器简单，因为不需要A/D、D/A转换；功能小，可以做到小于10mW。SCF的应用以声频范围应用为主体，在仪表测量、医疗仪器、数据或信息处理等许多领域，诸如程控SCF、振动分析、自适应性滤波器、音乐综合、共振谱、语言综合器、音调选择、语声编码、声频分析、均衡器、解调器、锁相电路、离散傅氏变换等都有广泛应用前景。SCF目

3、前还有许多课题有待研究：①由于运放和控制MOS开关的采样频率所限制SCF只能在音频范围内应用。近年虽然出现无运放的SCF电路，但工作频率最高仅1MHz；②MOS管开关的沟道电阻以及非理想的运放特性造成SCF误差；③开关电容本身的寄生电容使SCF的频响发生畸变；④MOS开关与MOS运放的热噪声使SCF的动态范围受到限制；⑤最终要以MOS工艺来实现的SCF，由于是时变网络，因此，设计完善的CAD技术是解决这一问题的唯一手段。此外，在灵敏度分析、噪声分析等方面均有许多课题有待研究。1第九章信号检测与处理电路信号检测与处理系统主要包括信号传感、仪用放大、滤波、信号转换处理等单元电路。这些电路形

4、式在现代电子信息系统中越来越发挥着重要的作用。本章首先研究了仪用放大、采样保持、电荷放大等单元的电路设计原理与常用电路形式，接着介绍了有源滤波电路组成与详细计算过程，最后深入探讨了电压比较单元电路原理与分析方法。本章根据集成化观点介绍了每一种单元电路的集成方法与常用集成芯片应用方法。本章重点阐述了信号检测与处理系统中各信号处理电路单元原理、种类及其计算方法。要求熟练掌握的内容有：(1)仪用放大器。主要掌握仪用放大器增益计算以及电路特点。(2)有源滤波电路。主要分析电路工作原理与信号传输函数计算方法。(3)电压比较器。主要掌握非线性分析方法与阈值计算，了解其传输曲线、输出曲线画法与原理。

5、*9.1信号检测系统中的放大电路在电子测量系统中，需要检测大量的电量或非电量信息，而且检测的电信号又非常的微弱，而且又多处在强噪声的背景下，因此测量系统属于微弱信号的检测。因此，对前置级获取信号的放大器，提出了如下要求：高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移、低噪声、低输出电阻等参数要求。信号检测(signaldetection)系统最终端的器件是传感器。传感器，顾名思义就是敏感于各种物理量变化的器件，将不同的物理量变化如声、光、电、热力、以电压或电流的形式加以采集和传输的器件。传感器要感知某种物理量的变化，因此它所处的工作环境条件一般是相当恶劣的。传感器都暴露在检测系统之外，共模电压干扰是

6、在传感器应用电路中主要的干扰信号，又由于传感器感知的信号强度是极其微弱的（μV）而共模电压高达伏级，甚至更高，所以克服这个共模电压在技术上难度非常大。随着集成电路的不断进步，仪用放大器(instrumentationamplifier)的出现解决了这一难题，实践证明该电路是行之有效的消除该共模信号的方法。另一方面,在电信号检测中，敏感元件内部噪声、供电、电源内噪声，都在传感器检测电路中存在,这也是设计仪用放大电路时必须消除的信号。9.1.1精密仪用放大器仪用放大器与很多放大电路一样，都是用来放大信号的用的，但仪用放大电路的特点是所测量的信号通常都是在共模噪声环境下的微小信号，所以在电路

7、设计要求上，电路有很高的共模抑制比，利用共模抑制比将信号从噪声中分离出来。因此好的仪用放大器测量的信号能达到很高的精度，在医用设备、数据采集、检测和控制电子设备等方面都得到了广泛的应用。在这些应用中，信号源的输出阻抗常常达几千欧或更大。因此，仪表放大器的输入阻抗非常大——通常达数GΩ，它工作在直流(DC)到约1MHz之间。在更高频率处，输入容抗的问题比输入阻抗更大，因此，高速应用通常采用差分放大器，差分放大器速度更快，但输入阻抗要低。1．仪用放