模拟电路第8章.ppt
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1、第8章 波形的发生和信号的转换,重点:,1.正弦波振荡电路 2.电压比较器 3.非正弦波发生电路,8.1,正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下,依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。,8.1.1 概述,一、产生正弦波振荡的条件,图示正弦波振荡电路的方框图,它由放大电路和正反馈网络(具有选频作用)组成。,正弦波振荡电路,1. 起振与稳幅,由于电扰动(如合闸通电),电路产生一个幅值很小的输出量,它含有丰富的频率,若电路只对频率为fo的正弦波产生正反馈过程,则,由于晶体管的非线性特性,当X0的幅值增大到一定程度时,放大倍数的数值将减小。因此,Xo增大到一定数值时,电路达到动态平衡。,2.
2、 振荡条件,正弦波振荡的平衡条件为,幅值平衡条件,相位平衡条件,电路的起振条件为,或,(n为整数),二、正弦波振荡电路的组成及分类,1. 组成,(1)放大电路:保证电路能够从起振到动态平衡的过程,满足幅值条件。 (2)选频电路:保证电路产生单一频率的正弦波振荡。 (3)正反馈网络:使 ,满足相位条件。 (4)稳幅环节:即非线性环节,使输出信号幅值稳定。,注:实际中,常将选频网络与正反馈网络“合二而一”。,2. 分类,按选频网络不同分类: (1)RC正弦波振荡电路:f0低,一般在1MHZ以下; (2)LC正弦波振荡电路:f0高,多在1MHZ以上; (3)石英晶体电路:振荡频率稳定,可等效LC振荡
3、电路。,三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤,(1)检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分; (2)判断放大电路是否能正常工作,既是否有合适的静态工作点及动态信号是否能够输入、输出和放大; (3)用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件; (4)判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件,既是否满足起振条件。方法是求 、 ,判断 否。,只有在相位条件满足的情况下,判断是否满足幅 值条件才有意义。,注:,8.1.2 RC正弦波振荡电路,常见的RC正弦波振荡电路有: (1)RC桥式正弦波振荡电路; (2)RC移相式振荡电路; (3)双T选频网络振荡电路等。,一、RC串并联选频网络,RC串
4、并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网络,又为正反馈网络。,Z1,Z2,取 R1 = R2 = R , C1 = C2 = C ,令,则:,得 RC 串并联电路的幅频特性为:,相频特性为:,可见,具有选频特性。,1/3,+90,-90,二、RC桥式正弦波振荡电路,1. 电路组成,(1)放大电路:同相比例运算放大电路 ;,(2)选频与正反馈网络 : R、C 串并联网路;,(3)稳幅环节 :RF 与 R1 组成的电压串联负反馈电路。,R1、RF及R、C串联、并联的R、C各为一臂构成桥路,故此得名,如图。,RC串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路(Wien)。,2. 振荡频
5、率与起振条件,(1) 振荡频率,(2) 起振条件,f = f0 时,,由振荡条件知:,所以起振条件为:,同相比例运放的电压放大倍数为,3. 稳幅措施,为了稳定输出电压的幅值,一般应在电路中加入非线性环节。,(1)可选用R1为正温度系数的热敏电阻。 当UORF、R1上电流R1的温度TCR1AuUO,(2)可选用RF为负温度系数的热敏电阻。,(3)在 Rf 回路串联两个并联的二极管,如图。 IDrd ,IDrd 加入非线性环节,从而稳定输出电压。,三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路,用双层波段开关接不同电容,作为振荡频率f0的粗调;,用同轴电位器实现f0的微调。,RC串、并联网络中,如何调节
6、频率?,问题:如何提高频率?,电子琴的振荡电路,使R2R1,AF1,可调,A2,四、其他形式的 RC 振荡电路,1. 移相式振荡电路,集成运放产生的相位移 A = 180,如果反馈网络再相移 180,即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,振荡频率为:,270,180,90,当 f = f0 时,相移 180,满足正弦波振荡的相位条件。,起振条件:RF 12 R,2. 双 T 选频网络振荡电路,振荡频率约为:,当 f = f0 时,双 T 网络的相移为 F = 180;反相比例运放的相移 A = 180,因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。,如果放大电路的放大倍数足够大,同时满足振幅平衡条件
7、,即可产生正弦波振荡。,起振条件,* 三种 RC 振荡电路的比较,可方便地连续调节振荡频率,便于加负反馈稳幅电路,容易得到良好的振荡波形。,电路简单,经济方便,适用于波形要求不高的轻便测试设备中。,选频特性好,适用于产生单一频率的振荡波形。,8.1.3 LC 正弦波振荡电路,一、LC 谐振回路的频率特性,由于振荡频率较高, 放大电路多采用分立元件电路,必要时还应采用共基电路。,并联电路的导纳:,当,电路发生并联谐振。,并联谐振角频率,式中:,谐振回路的品质因数,当 Q 1 时,谐振频率:,图示不同 Q 值时,LC 回路的幅频特性和相频特性。,Z01,Z02,Q1 Q2,Q1,Q2,Q1,Q2,
8、Q1 Q2,感性,纯阻,容性,结论:,(1)当 f = f0 时,电路为纯电阻性,等效阻抗最大;当 f f0 时,电路为容性。所以 LC 并联电路具有选频特性。,(2)电路的品质因数Q愈大,选频特性愈好。,若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载,当 f = f0 时,电压放大倍数的数值最大,且无附加相移。因而电路称为选频放大电路。,若引入正反馈,并用反馈电压取代输入电压,则电路就成为正弦波振荡电路。,LC 正弦波振荡电路,二、变压器反馈式振荡电路,1. 工作原理,判断电路产生正弦波振荡的可能性:,(1)振荡电路含有:放大电路,选频网络,正反馈网络及晶体管的非线性实现的稳幅环节四个部分。,
9、(2)用瞬时极性法,可知满足正弦波振荡的相位条件。,(3)图示电路中的放大电路是典型的工作点稳定电路,可设置合适的静态工作点;从交流通路可见,电路可正常放大。,(4)本电路的输入电阻是放大电路负载的一部分, 相互关联。只要合理选择变压器的匝比及其它电路参数 ,电路容易满足幅值条件。,2. 振荡频率和起振条件,图示变压器反馈式振荡电路的交流等效电路。R是LC谐振回路、负载等的总损耗,L1为考虑到N3回路参数折合到原边的等效电感,L2为副边电感,M为N1和N2间的等效互感;Ri为放大电路的输入电阻,Ri=Rb1/Rb2/rbe 。,整理得,式中,当Q1时,振荡频率,在谐振频率下,,(b)图为(a)
10、图从A、B向右看进去的等效电路。可见,带负载后,电感量减小,损耗变大,,因而Q,选频特性变差。其品质因数,电路的起振条件,即,可见,Q值愈大,要求的值愈低。,3. 优缺点,代入上式得 起振条件为,变压器反馈式振荡电路 易于产生振荡,输出波形失真不大,应用范围广泛。但是耦合不紧密,损耗大;且振荡频率的稳定性不高。,三、电感反馈式振荡电路,1. 电路组成,为了克服变压器反馈振荡电路中变压器原、副边耦合不紧的缺点,N1和N2合并为一个线圈。 为了加强谐振效果,将电容C跨接在整个线圈两端,如图所示。,2. 工作原理,判断电路能否产生正弦波振荡: (1)电路中包含放大电路、选频回路、反馈网络和非线性元件
11、(晶体管)四个部分; (2)放大电路能够正常工作; (3)由瞬时极性法判断满足正弦波振荡的相位条件; (4)只要电路参数选择得当,电路就可满足幅值条件。,由图可见,原边线圈的三个端分别接在晶体管的三个电极,故称电感反馈振荡电路为电感三点式电路。,3. 振荡频率和起振条件,断开反馈且空载情况下的交流等效电路如图示。 设Q1,则振荡频率。,反馈系数的数值,A、B两端向右看的等效电阻为,从A、B两端向右看进去的等效电阻为,可见,,易起振,不易起振,故,4. 优缺点,优点:由于N2与N1耦合紧密,幅值大; 当C可调,可获得大范围的振荡频率。,缺点:由于Uf 取自电感,对高次谐波有较大的电抗,输出电压含
12、有高次谐波,波形较差。适用于对波形要求不高的设备中。,,,四、电容反馈式振荡电路,1. 电路组成,将电感反馈式振荡电路中的电容换成电感,电感换成电容,且增加RC,就是电容反馈式振荡电路,如图示。,因为两个电容的三个端分别接晶体管的三个极,故又称为电容三点式电路。,RL,3. 振荡频率和起振条件,振荡频率,2. 工作原理,判断:(1)电路包含放大电路,选频网络,反馈网络和 非线性元件(晶体管)四个部分; (2)放大电路能够正常工作; (3)用瞬时极性法可知满足相位条件; (4)只要电路参数选择得当,电路就可满足幅 值条件,而产生正弦波振荡。,RL,反馈系数,电压放大倍数,式中集电极等效负载,根据
13、 ,由式,可得,起振条件为,注:,(1),不利电路起振,利于电路起振,要适当,,(2)输出波形好,但用改变电容调节fo。则会影响电路的起振条件;而用改变电感调节fo 比较困难。所以常用在固定振荡频率的场合。在振荡频率可调范围不大时,可采用图示选频网络。,根据实验确定。,4. 稳定振荡频率的措施,若要提高电容反馈式振荡电路的频率,势必要减小C1、C2和L。在C1和C2较小时,晶体管的极间电容和电路的杂散电容将影响振荡频率。 为了稳定振荡频率,在设计电路时,必须使Ci和CO对选频特性的影响忽略不计。若C1和C2远大于极间电容和杂散电容, 振荡频率几乎不受CI和CO影响,振荡频率稳定。 具体办法是在
14、电感支路串联一个小电容C,且CC1 , CC2 ,则,振荡频率,可见,fo 几乎与C1和C2无关,也与极间电容和杂散电容无关。,注:,若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达100MHz以上,则应采用共基极放大电路,如图示。,例1,电路如图所示,图中Cb为旁路电容,C1为耦合电容,对交流信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡,试说明变压器原边线圈和副带边线圈的同名端。,由瞬时极性法得,变压器原边线圈下端 和副边线圈的上端为同名端。,解:,L接在晶体管的基极和集电极,L使两个电极近似短路,放大电路的静态工作点不合适,故应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容。,改正图所示电路中的错误,使之
15、有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法。,例2,Ce容量远大于C1和C2,故为旁路电容,对交流可视为短路。C1、C2和L构成LC并联谐振网络,C2上电压为输出电压,C1上电压为反馈电压,因而为电容反馈式振荡电路。,解:,晶体管的集电极直接接电源,交流输出电压等于零,所以必须在集电极加电阻RC。,各种 LC 振荡电路的比较,频率可调,范围较宽。,一般,可达 10-4,几千赫 几十兆赫,同左,较差,同左,同左,频率可调,范围较小。,好,可达 10-4 10-5,几兆赫 一百兆赫,同左,同左,好,可达 10-5,同左,8.1.4 石英晶体振荡器,石英晶体谐振器,简称石英晶体,具有非常稳
16、定的固有频率。,将二氧化硅(SiO2)结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片,再将晶片两个对应的表面抛光和涂敷银层,并作为两个极引出管脚,加以封装,就构成石英晶体振荡器,其结构示意图和符号如图示。,一、石英晶体的特点,结构示意图,符号,压电效应:在石英晶片的两极加一电场,晶片将产生机械变形;若在晶片上施加机械压力,在晶片相应的方向上会产生一定的电场。,压电谐振:晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时,振幅突然增加。,1. 压电效应和压电振荡,这一特定的频率就是石英晶体的固有频率,也称谐振频率。,2.石英晶体的等效电路和谐振频率,符号,串联谐振频率,并联谐振频率,电抗频率特性,fs,fp,容性,容
17、性,感性,由于CC0 , 所以 fpfs。共Q值高, 稳定度 f / f0。,等效电路,二、石英晶体正弦波振荡电路,1. 并联型石英晶体正弦波振荡电路,交流等效电路,振荡频率,由于,2. 串联型石英晶体振荡电路,当振荡频率等于 fS 时,晶体阻抗最小,且为纯电阻,此时正反馈最强,相移为零,电路满足自激振荡条件。,振荡频率,调节 的阻值,可使电路满足振荡的幅值平衡条件。,电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路,是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。,电压比较器,一、 电压比较器的电压传输特性,1. 的关系曲线,称为电压传输特性。uo可能两种状态,即UOH或UOL 。,2. 阈值电压UT,当比
18、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。,3. 电压传输特性的三要素,(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。 (2)当uI变化且经过UT时, uO跃变的方向。 (3)阈值电压的数值UT。,8.2.1 概述,8.2,二、集成运放的非线工作区,+UOM,-UOM,在电压比较器中,集成运放不是工作在开环状态,就是引入了正反馈。,Aod=,uo与uI 不是线性关系,如图示传输特性。 uo=UOM,ip = iN = 0,三、电压比较器的种类,1.单限比较器,电路只有一个阈值电压,图示单限比较器的电压传输特性。,2. 滞回比较器,电路有两个阈值电压,当输入电压单方向变化时,
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