《华中科技大学》模拟电子技术课件 第09章 信号处理与信号产生电路
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模拟电子技术基础第九讲正弦波信号产生电路
即振荡频率为
电子技术基础精 品课程——模拟
(+)
× (+)
(+) (-)
反馈
(+) (+)
(+)
(+) ×
反馈
满足相位平衡条件 电子技术基础精 品课程——模拟
满足相位平衡条件
9.3.3 LC三点式振荡电路
1. 三点式LC并联电路
仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 中间端的瞬时电位一定在首、尾端
电位之间。 三点的相位关系 A. 若中间点交流接地，则首端与尾端
电子技术基础精 品课程——模拟
例如文氏桥典型电路
+×+
+
T2
电子技术基础精 品课程——模拟
例9-1：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否 振荡
Rb1
RC1
+
T1
+
× Re1
RC2 +Vcc
-
T2
C
R-
Ce Re2
RC
不满足相位平衡条件，不能振荡 电子技术基础精 品课程——模拟
作业
• P312 • • • •
模拟电子技术基础第九 讲正弦波信号产生电路
2020年7月18日星期六
9.1 正弦波振荡器的振荡条件
• 正弦波振荡电路
– 没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输 出信号的电路
• 组成：
1. 放大电路 2. 正反馈网络 3. 选频网络 4. 稳幅环节
正反馈框图如图示 。（注意与负反馈方
框图的差别）
1 振荡条件
则，输出频率为
的正弦波。
RC正弦波电振子荡技术电基路础一精般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波
华中科技大学模拟电子技术课件
半导体二极管
1. 半导体二极管的结构和符号 (2) 面接触型二极管
PN结面积大，一般用于 工频、大电流整流电路。
（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型
（c）代表符号
华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
半导体二极管
1. 半导体二极管的结构和符号 2. 二极管的伏安特性 i IS (e
u / UT
华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
半导体二极管
1. 半导体二极管的结构和符号 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。 (1) 点接触型二极管
PN结面积小，结电 容小，用于检波和 变频等高频电路。
点接触型二极管结构示意图
华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
2. PN结外加反向电压
• 高电阻 • 很小的反向漂移电流
由此可以得出结论： PN结具有单向导电性。
华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
PN结的单向导电性
PN结的伏安特性
3. PN结的击穿
PN结的反向电压增加到一定数值 时，反向电流突然快速增加，此 现象称为PN结的反向击穿。 热击穿——不可逆 雪崩击穿 电击穿——可逆 齐纳击穿
充填空穴来实现的。 华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
1.1 半导体基础知识
• 半导体材料 硅Si和锗Ge • 半导体的共价键结构 • 本征半导体 • 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 可使半导体的导电性发生显著变化。
掺入的杂质主要是三价或五价元素。 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
(3) 结电容CJ
华中科技大学模拟电子技术课件
《模拟电子技术》
4.1 反馈的基本概念
一、反馈的定义 二、反馈类型及判定方法 3、电压反馈与电流反馈
判断方法：负载短路法
反馈量为零。——电压反馈。
将负载短路，反馈量仍然存在。
电压反馈
将负载短路(未接负载时输出端对地短路),
——电流反馈。
电流反馈
华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
4.1 反馈的基本概念
华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
4.1 反馈的基本概念
一、反馈的定义
将电子系统输出回路的电量（电压或电流）， 送回到输入回路的过程。
反馈放大电路 基本放大电路的输入 假设信号的传输是 的输入信号 信号（净输入信号）
单向的。
反馈通路——信号反向传输的渠道 开环 ——无反馈通路 闭环 ——有反馈通路 输出信号
《模拟电子技术》
4.2 负反馈对放大电路性能的影响
3、展宽通频带
放大电路加入负反馈后，增益下降，通频带加宽， 如图所示。 无反馈时的通频带 f bw= f H－fL f H， 有反馈时 放大电路高频段的 放大倍数为
华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
4.2 负反馈对放大电路性能的影响
3、展宽通频带
X id X i X f 0
一、深度负反馈的特点
《模拟电子技术》
4.2 负反馈对放大电路性能的影响
2、影响输入电阻和输出电阻
UT IT AX id ro UT AFIT ro
闭环输出电阻
UT rof (1 AF )ro IT
电流负反馈
引入电流负反馈后，输出电阻增大了（1+AF）倍。 华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》课件第9章 信号发生电路
电路可以输出频率为
f0
AV
FV 3 1
2πRC
1 1
3
的正弦波
RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波
4. 稳幅措施
采用非线性元件 热敏元件
起振时，
AV
1
Rf R1
3
即 AV FV 1
热敏电阻的作用
热敏电阻
Vo
Io
Rf 功耗
Rf 温度
Rf 阻值
AV
AV 3
四、 三端式LC振荡电路 2. 电容三点式振荡电路
T
Rc
C1
Rb2 Rb1
L
+ +
C2
–
– +–
+
A β RC
rb e
F Vf C1
Vo
C2
令 A F C1 β RC 1
C 2 rbe
起振条件为 β C 2 rbe
C1 RC
谐振频率
f0
2π
1 LC
C C1C2 C1 C2
四、 三端式LC振荡电路 3. 电感三点式振荡电路
§9.2 RC正弦波振荡电路
一、RC串并联网络振荡电路 1. 电路组成
RC桥式振荡电路
i2
R2
R1
i1
vN -
vI
vP
A +
vO
反馈网络兼做选频 网络
AV
1
Rf R1
2. RC串并联选频网络的选频特性
1
1
Z R jω C
Z2 R// jωC
FV
V f V1
Z2 Z1 Z2
jωCR (1 ω2 R2C 2 ) 3 jωCR
模拟电子技术课件-模电第09章信号处理与信号产生电路
3. 按阶数分类：一阶，二阶 … 高阶
4. 按电路功能分类：
低通20滤21/3/波18 器;高通滤波器;带通滤波器;带阻滤波器 3
四种典型滤波器的频率特性
U—o 低通
Ui
U—o Ui
高通
U—o
带通
Ui
U—o
带阻
Ui
三、滤波电路作用的描述
——202用1/3/1电8 压增益~频率的关系来描述,称为传递函数。 4
8
二、二阶有源高通滤波器
Rf
1、 电路 将低通电路中的电容
和电阻对换，便成为高 ui 通电路。
R1
um
u－
－∞
u+
A +
+
C
C
uo
2. 频率响应(传递函数)
R
R
A(j)1(CA)20j C Q
Ao,C,Q——与低通相同。
可见：
幅频特性:
越大A越大。
20lgA(j) 20lg
1
A0
2021/3/18
通带 L H
——202p1/43/1286图3.1.11以及p429图3.1.13。 10
例1 计算下图电路的输出频率范围。
低通截止频率: fH 2 H2 R 3(或 R 1 1/R /2)C 11.1 14H 0 z
高通截止频率: fL 2L2R 17C4 88Hz
输出202频1/3/1率8 范围: =(88~1.1×104)Hz 11
(C)212(Q C)2
波特图斜率 40dB/十倍频程。
9
三、有源带通滤波电路
1. 电路组成原理
——可由低通和高通串联组成
|A|
vi 低通
华中科技大学电子技术基础课件模电ch09-3
A1 A0 通带 O A2 A0 阻带 通带 O A A0 通带 O 阻带 阻带
ωH
ω
高通
ωL
ω
通带
ωH
ωL
ω
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
双T选频网络
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
双T带阻滤波电路
R 2 vI C R C R vP
＋ －
vO Rf
2C
Rf＝(AVF－1)R1
R1
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
归一化的幅 频响应曲线
ω /ωC
4. n阶巴特沃斯传递函数 传递函数为
A( jω ) =
A0 1 + (ω / ω c ) 2n
式中 n 为阶滤波电路阶数，ω c 为 3dB 载止角频率， A0 为通带电 压增益。 | A( jω ) |
Ao
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
相频响应
ω ω cQ ϕ (ω ) = −arctg ω 1 − ( )2 ωc
3. 幅频响应
1 A( jω ) = 20 lg 20 lg 2 A0 ω 2 ω 2 ) 1 − ( ) + ( ωc ω cQ
20lg| A(jω) | A0 /dB 20 10 Q＝10 5 2 1 0 －3 －10 －20 －30 －40 0.3 0.4 0.1 0.2 0.5 1 2 3 5 10 0.707 0.5
s2 +
注意：当 3 − AVF > 0 ，即 AVF < 3 时， 滤波电路才能稳定工作。
2. 传递函数 用 s = jω 代入，可得传递函数的频率响应： 归一化的幅频响应
1 A( jω ) = 20 lg 20 lg 2 A0 ω 2 ω 2 ) 1 − ( ) + ( ωc ω cQ
ωH
ω
高通
ωL
ω
通带
ωH
ωL
ω
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
双T选频网络
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
双T带阻滤波电路
R 2 vI C R C R vP
＋ －
vO Rf
2C
Rf＝(AVF－1)R1
R1
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
归一化的幅 频响应曲线
ω /ωC
4. n阶巴特沃斯传递函数 传递函数为
A( jω ) =
A0 1 + (ω / ω c ) 2n
式中 n 为阶滤波电路阶数，ω c 为 3dB 载止角频率， A0 为通带电 压增益。 | A( jω ) |
Ao
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
相频响应
ω ω cQ ϕ (ω ) = −arctg ω 1 − ( )2 ωc
3. 幅频响应
1 A( jω ) = 20 lg 20 lg 2 A0 ω 2 ω 2 ) 1 − ( ) + ( ωc ω cQ
20lg| A(jω) | A0 /dB 20 10 Q＝10 5 2 1 0 －3 －10 －20 －30 －40 0.3 0.4 0.1 0.2 0.5 1 2 3 5 10 0.707 0.5
s2 +
注意：当 3 − AVF > 0 ，即 AVF < 3 时， 滤波电路才能稳定工作。
2. 传递函数 用 s = jω 代入，可得传递函数的频率响应： 归一化的幅频响应
1 A( jω ) = 20 lg 20 lg 2 A0 ω 2 ω 2 ) 1 − ( ) + ( ωc ω cQ
华科模电--CH09-1信号处理与信号产生电路
2. 分类
3) 按阶数分类
一阶，二阶 … 高阶
4) 按所用元件分类
无源滤波器和有源滤波器 无源滤波器：由无源元件（R、L、C）组成。 有源滤波器：由有源器件构成的滤波器，用集成运放 （有源元件）和RC网络组成。
8
9.2 一阶有源滤波电路
前言-无源滤波器的缺点
低通滤波电路
高通滤波电路
9
9.2 一阶有源滤波电路
0 无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）
R
Vi Vo
C
传递函数：
Vo 1 A SRC 1 Vi
A ( j )
1 1 j ωRC
1
1 1 j ω ωo
( o
1 RC
)
1 (
o
)
2
10
0 无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）
A ( j ) 1 1 (
2
RC
1
RF R1
A ( j )
RF 1 0.707 R1
一阶有源 滤波电 路通带 外 衰 减 速 率 慢 （ -20dB/ 十 倍频程），与理想情况相差 较远。一般用在对滤波要求 不高的场合。
0
c
18
4
9.1 滤波电路的基本概念与分类
2. 分类
1) 按信号性质分类
模拟滤波器和数字滤波器
2) 按电路功能分类
低通滤波器；高通滤波器； 带通滤波器；带阻滤波器 通带：能够通过的信号频率范围 阻带：受阻或衰减的信号频率范围 截止频率：通带与阻带的界限
5
2. 滤波电路的分类
2) 按电路功能分类
A
低通
A
高通
3) 按阶数分类
一阶，二阶 … 高阶
4) 按所用元件分类
无源滤波器和有源滤波器 无源滤波器：由无源元件（R、L、C）组成。 有源滤波器：由有源器件构成的滤波器，用集成运放 （有源元件）和RC网络组成。
8
9.2 一阶有源滤波电路
前言-无源滤波器的缺点
低通滤波电路
高通滤波电路
9
9.2 一阶有源滤波电路
0 无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）
R
Vi Vo
C
传递函数：
Vo 1 A SRC 1 Vi
A ( j )
1 1 j ωRC
1
1 1 j ω ωo
( o
1 RC
)
1 (
o
)
2
10
0 无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）
A ( j ) 1 1 (
2
RC
1
RF R1
A ( j )
RF 1 0.707 R1
一阶有源 滤波电 路通带 外 衰 减 速 率 慢 （ -20dB/ 十 倍频程），与理想情况相差 较远。一般用在对滤波要求 不高的场合。
0
c
18
4
9.1 滤波电路的基本概念与分类
2. 分类
1) 按信号性质分类
模拟滤波器和数字滤波器
2) 按电路功能分类
低通滤波器；高通滤波器； 带通滤波器；带阻滤波器 通带：能够通过的信号频率范围 阻带：受阻或衰减的信号频率范围 截止频率：通带与阻带的界限
5
2. 滤波电路的分类
2) 按电路功能分类
A
低通
A
高通
华中科技大学模拟电子技术课件
《模拟电子技术》
2.3 放大电路的分析方法
三、静态工作点稳定电路
例：放大电路如图，已知三极管β =50，UBEQ=0.7V。 （1）估算放大电路的静态工作点。 （2）估算放大电路的Au、ri、ro。 R 解：(1) U BQ 1 U CC 4V
I CQ
R1 R2 U BQ U BEQ I EQ 1mA Re
2、图解法
分析非线性失真 分析最大不失真输出电压Uom
Uom
静态工作点设在 交流负载线的中点 华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
2.3 放大电路的分析方法
二、放大电路的动态分析
3、解析法
Uo 电压放大倍数 Au U i Ui 输入电阻 Ri I
i
输出电阻
Uo Ro (U S 0, RL ) Io
采用该方法分析静态工作点，必须已知 三极管的输入输出特性曲线。
华中科技大学文华学院
《模拟电子技术》
2.3 放大电路的分析方法
列输出回路方程（直流负载线）
列输入回路方程
uBE U CC iB Rb
UCE=UCC－iCRc
在输入特性曲线上，作出直线 uBE =UU CC RB，与IBQ曲线 在输出特性曲线上，作出直流负载线 UCE CC－iC i c Rb ，两线
Vo ( j ) 其中：AV ( ) 称为幅频响应 ( j ) Vi
( ) o ( ) i ( ) 称为相频响应
衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。
其 中 ： f H — —上限频率
f L — —下限频率
通频带：f BW f H f L
华中科技大学文华学院
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9.7.4 石英晶体振荡电路
1. 频率稳定问题
频率稳定度一般由
f 来衡量 f0
f ——频率偏移量。
f 0 ——振荡频率。
Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。 LC振荡电路 Q ——数百 Q ——10 000 500 000
石英晶体振荡电路
9.7.4 石英晶体振荡电路
2. 石英晶体的基本特性与等效电路 结构 极板间加电场 晶体机械变形 极板间加机械力
ω 相频响应 (ω) arctan ωcQ ω 1 ( )2 ωc
3. 幅频响应
20 lg
A( j ) 1 20 lg 2 A0 2 2 ) 1 ( ) ( c cQ
归一化的幅 频响应曲线
4. n阶巴特沃斯传递函数 传递函数为
1 ( / c ) 2n 式中n为阶滤波电路阶数，c为3dB截止角频率，A0为通带电
A( j ) A0
2 1 ( ) c
9.2 一阶有源滤波电路
2. 高通滤波电路 低通电路中的R和C交换
位置便构成高通滤波电路
一阶有 源滤波电 路通 带外衰减速率慢（-20dB/ 十倍频程），与理想情况 相差较远。一般用在对滤 波要求不高的场合。
end
9.3 高阶有源滤波电路
9.3.1 有源低通滤波电路 9.3.2 有源高通滤波电路 9.3.3 有源带通滤波电路 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
c
归一化的幅频响应
2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应 A0 A( j ) 1 ( c / ) 2n
归一化幅频响应
9.3.3 有源带通滤波电路
1. 电路组成原理 可由低通和高通串联得到
1 H 低通截止角频率 R1C1
L
1 R2C 2
高通截止角频率
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
必须满足 L H
用频率信号的电子装置。 有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。 滤波电路传递函数定义
Vo ( s ) A( s ) Vi ( s )
s j 时，有 A( j ) A( j ) e j ( ) A( j ) ( )
其中
A( j ) —— 模，幅频响应
( ) —— 相位角，相频响应 d ( ) ( ) ( s ) 群时延响应 d
压增益。
A( j)
A0
9.3.2 有源高通滤波电路
1. 二阶高通滤波电路 将低通电路中的电 容和电阻对换，便成为 高通电路。 传递函数
A( s ) s2 A0 s 2 Q s c2
A( j ) 1 20 lg 20 lg 2 A0 c 2 c 2 ( ) 1 ( Q )
3. 振荡电路基本组成部分
放大电路（包括负反馈放大电路） 反馈网络（构成正反馈的）
选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。） 稳幅环节
end
9.6 RC正弦波振荡电路
1. 电路组成 2. RC串并联选频网络的选频特性
3. 振荡电路工作原理
4. 稳幅措施
1. 电路组成
（a）代表符号 （b）电路模型 （c）电抗-频率响应特性
1 2 π LC
1
C C fs 1 C0 C0
所以 f s 与 f p 很接近
9.7.4 石英晶体振荡电路
2. 石英晶体的基本特性与等效电路 实际使用时外接一小电容Cs 则新的谐振频率为
f s 1 2 π LC C C 1 fs 1 C0 Cs C0 Cs
2. 起振和稳幅
起振条件
A( ) F ( ) 1
a ( ) f ( ) 2nπ
# 振荡电路是单口网络，无需输入信号就能起振，起振的 信号源来自何处？ 电路器件内部噪声以及电源接通扰动 噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0的噪声信号被 放大，成为振荡电路的输出信号。 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增 加，否则波形将出现失真。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时， 使振幅平衡条件从 AF 1回到 AF 1 。
9.3.1 有源低通滤波电路
1. 二阶有源低通滤波电路 2. 传递函数
AVF 1 Rf （同相比例） R1
对于滤波电路，有
AVF Vo ( s ) VP ( s )
1 / sC VP ( s ) VA ( s ) R 1 / sC Vi ( s ) VA ( s ) VA ( s ) Vo ( s ) VA ( s ) VP ( s ) 0 R 1 / sC R AVF Vo ( s ) 得滤波电路传递函数 A( s ) Vi ( s ) 1 (3 - AVF ) sCR ( sCR) 2
为品质因数
Ic Q Is
即 I c I L I s
9.7.1 LC选频放大电路
阻抗频率响应
（a）幅频响应
（b）相频响应
9.7.1 LC选频放大电路
2. 选频放大电路
9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路
1. 电路结构 2. 相位平衡条件 3. 幅值平衡条件 通过选择高增益的场效应管和调
R1
则振荡电路满足振幅平衡条件 AV FV 3 1 1
3
1 电路可以输出频率为 f 0 的正弦波 2πRC
RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波
4. 稳幅措施
采用非线性元件 热敏元件 起振时，AV 1 Rf 3
R1
热敏电阻
即
AV FV 1
热敏电阻的作用
9.1 滤波电路的基本概念与分类 9.2 一阶有源滤波电路 9.3 高阶有源滤波电路 *9.4 开关电容滤波器 9.5 9.6 9.7 9.8 正弦波振荡电路的振荡条件 RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 非正弦信号产生电路
9.1 滤波电路的基本概念与分类
1. 基本概念
滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无
s2
注意：当 3 AVF 0 ，即 AVF 3 时，滤波电路才能稳定工作。
2. 传递函数 用 s j 代入，可得传递函数的频率响应：
归一化的幅频响应
20 lg A( j ) 1 20 lg 2 A0 2 2 ) 1 ( ) ( c cQ
0 ) 0
幅频响应 FV
1 32 (
0 2 ) 0 ω ω0 ( ) 相频响应 f arctan ω0 ω 3
2. RC串并联选频网络的选频特性
FV 32 ( 1
0 2 ) 0
ω ω0 ( ) ω ω f arctan 0 3
RC桥式振荡电路
反馈网络兼做选频 网络
2. RC串并联选频网络的选频特性
反馈系数
Vf ( s ) Z2 sCR FV ( s ) Vo ( s ) Z1 Z 2 1 3 sCR ( sCR ) 2 1 且令 0 又 s j RC 1 则 F
V
3 j(
（二阶）
2. 传递函数
Vo ( s ) AVF A( s ) Vi ( s ) 1 (3 - AVF ) sCR ( sCR ) 2
令 A0 AVF
1 Q 3 AVF
称为通带增益 称为等效品质因数 称为特征角频率
n
Q A0 c2 s c2
c
1 RC
则 A( s )
Q 0
0
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
可由低通和高通并联得到 必须满足 L H
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
双T选频网络
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
双T带阻滤波电路
9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
阻滤波电路的幅频特性
end
*9.4 开关电容滤波器
不作要求
end
9.5 正弦波振荡电路的振荡条件
稳幅原理
Vo
R3
AV
AV 3
AV FV 1 稳幅
end
9.7 LC正弦波振荡电路
9.7.1 LC选频放大电路 9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路 9.7.3 三点式LC振荡电路 9.7.4 石英晶体振荡电路
9.7.1 LC选频放大电路
1. 并联谐振回路
1 ( R jL) jC Z 1 R jL jC
AV
RDS
可变电阻区， 斜率随vGS不 同而变化
iD
vGS=0V -1V -2V -3V vDS
AV 3
AV FV 1 稳幅
4. 稳幅措施
采用非线性元件 二极管 起振时
R2 R3 AV 1 3 R1
其中 R3 是R3、D1和D 2 并 联支路的等效电阻
稳幅环节
1. 振荡条件
正反馈放大电路框图
（注意与负反馈方框图的差别）
Xa Xi Xf 若环路增益 AF 1 则 X a X f ， 去掉 X i ， X o 仍有稳定的输出。
又 AF AF a f AF a f 所以振荡条件为 A( ) F ( ) 1 振幅平衡条件 a ( ) f ( ) 2nπ 相位平衡条件
9.3.3 有源带通滤波电路
2. 例9.3.2
3. 二阶有源带通滤波电路 传递函数
AVF sCR A( s ) 1 (3 - AVF ) sCR ( sCR) 2
令
AVF A0 3 - AVF 1 0 RC
1 Q 3 AVF
得 A( s )
A0 1 s
s Q 0 ( s )2
等效损耗电阻