第9章波形產(chǎn)生電路

1、1第九章 波形產(chǎn)生電路9.1 正弦波振蕩電路的條件 正弦波振蕩器是一種無輸入信號，包含選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路。9.1.1產(chǎn)生正弦波的條件 vo vf基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FvidnFAFAVVFAFid211相位平衡條件振幅平衡條件：與負(fù)反饋放大器中所得到的自激條件相矛盾嗎？相位平衡條件決定振蕩頻率29.1.2 振蕩的建立和穩(wěn)定 振蕩電路的初始信號是電路中存在的擾動與噪聲。選頻網(wǎng)絡(luò)從擾動和噪聲信號中，挑選出滿足相位平衡條件的頻率分量。為了能使振蕩從小到大建立起來，剛起振時，必須使反饋信號的幅度大于等效輸入信號的幅度。nFAFA21起振條件是：當(dāng)幅度增大至一定值時，放大電路進(jìn)入非線性區(qū),增益A隨

2、輸出幅度增加而逐漸減小，最終使 達(dá)到幅度平衡，振幅穩(wěn)定下來。1FA可以利用放大管的非線性限幅，也可以在放大電路中增加其他非線性元件，幅度增加時，應(yīng)使增益下降。3Avo vf基本放大器反饋網(wǎng)絡(luò)Fvi反饋特性基本放大器幅度特性vi，vFvo振蕩的建立及穩(wěn)定過程49.1.3 正弦波振蕩電路的組成和分析方法正弦波振蕩電路包括: 放大電路，起能量轉(zhuǎn)換和控制作用。 反饋網(wǎng)絡(luò)，保證是正反饋。 選頻網(wǎng)絡(luò)，保證建立單一頻率的振蕩。 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，穩(wěn)定輸出幅度，減少非線形失真。分析方法:檢查是否包括放大電路,反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)， 放大器是否有正常的交、直流通路。檢查電路是否滿足相位平衡條件,估算振蕩頻率, 電路的振蕩

3、頻率由相位平衡條件決定。 分析幅度起振條件。59.2 RC正弦波振蕩電路9.2.1 電路原理圖9.2.2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性RCjRCRCjZZZFjRCjCRZjCRZ1)(31)1(31111/100021221voZ1Z2RC AR1vfRfRC63)()(31002002arctgFFFF相頻特性幅頻特性oFFRCffRC031211max007111RRAFAF起振條件1231RRAFAF9.2.3 振蕩條件振蕩平衡條件voZ1Z2RC AR1vfRfRC用C作頻段選擇，調(diào)節(jié)R作頻率微調(diào)。RCfFAFA210, 000振蕩頻率：相位平衡條件：1231311RRAAFAF，幅

4、度平衡條件： 對放大器的要求：同相放大器穩(wěn)定振蕩時，增益等于3 起振時，增益大于3輸入阻抗高，輸出阻抗低89.2.4 穩(wěn)幅措施1 用熱敏元件穩(wěn)幅用溫度系數(shù)為負(fù)的熱敏元件代替Rf 。Vom,PRF ,T ,RF,AV =1+RF/R1 或溫度系數(shù)為正的熱敏元件代替R1 。2 場效應(yīng)管穩(wěn)幅輸出幅度增加時，應(yīng)使放大器增益下降R5RP4 ARp3VC3voDR4CR3RRC場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)。Vom,VC,VGS RDS , AV =1+RF/(R1+RDS) 9例9.2.1:R1=5.1K R2=9.1K，R3=2.7K R=10K C=0.015Ftvo14v-14vR1R2R3vo ARR

5、CCD1D23 求當(dāng)R2=0時輸出波形AV3vo增大，D1,D2導(dǎo)通，并聯(lián)等效電阻下降，AV減小。 2 設(shè)二極管正向壓降0.6V，估算Vom。穩(wěn)幅時, AV=3，R3,+R2=2R1 ,R3,=1.1K0.6/ R3,=Vom/(R3,+R1+R2), Vom=8.35v 4 R2=時輸出波形AV=，理想情況下為方波，實際波形如右圖。109.3 LC正弦波振蕩電路LC振蕩器用L、C并聯(lián)諧振電路作選頻網(wǎng)絡(luò)，一般用來產(chǎn)生1兆Hz以上的高頻正弦波信號。v0CLRiSiCiL諧振頻率：呈電阻性發(fā)生諧振， ZLCCLjRCLCLjRjCjLRZ1)1()1(1)(09.3.1 LC選頻放大器1 并聯(lián)諧振

6、回路特性諧振頻率LCf21011諧振時，等效阻抗為純電阻，達(dá)Z的最大值。 Z0=L/RC諧振回路的品質(zhì)因素 Q=0L/R=1/(RC0) Z0=Q2R諧振時端口電壓同相，達(dá)最大值與SSsIRCLIZIV00輸入電流與支路電流的關(guān)系 arctgQIQarctgQLRIRCLjLRVIIjQjCRCLIjCVISSLSSC2020000000)(ILIC=QISSILICI12阻抗Z的頻率特性Z的幅頻特性和相頻特性具有帶通特性。 f=f0時，電路為純電阻，達(dá)最大值。ff0時，電路呈電容性。Q值越大，幅頻特性越尖銳，選頻特性越好。相頻特性越陡峭，振蕩頻率越穩(wěn)定。)(1)/1(/000RjLRCLCL

7、jRCLZ0021jQZZ)(0139.3.2 變壓器反饋式LC振蕩電路Cg、Rg用來產(chǎn)生自生柵偏壓 LRVDDCMCgRg(+)(-)(-)(+)(-)(+)1,電路的組成及起振條件rdsgsVZrZrZVVAdsdsgsdV1rdsgsmVgMLRCdVgsVgsd=gmrdsjLRMjVjLRVMjVVFdsdsdsgsjLRjRCLCjLRjCZ)1 (112)()1 ()(2dsdsVRCrLjLCrRjLRA141)()1 (12dsdsVRCrLjLCrRMjFA振蕩的平衡條件：LCfLCrRLCLCrRdsds211110)1 (2相位平衡條件：LMRCggrRCrLMFAmm

8、dsdsV1幅度平衡條件：LMRCgm起振條件：15剛接通電源時，Cg未充電，VGS=0，管子的跨導(dǎo)最大，滿足起振條件。起振后，柵源間PN結(jié)整流，當(dāng)時間常數(shù)g=RgCg振蕩周期時，電容Cg充電到柵極電壓的峰值，為柵極和源極提供負(fù)偏壓Vgs 。（自生柵偏壓）隨著振幅的增長，柵源電壓越負(fù)，工作點下移，gm減小，直到|AF|=1時，達(dá)到穩(wěn)定，輸出一定頻率的等幅的正弦波。iDiDvGSvGStt利用自生柵偏壓和跨導(dǎo)的非線性穩(wěn)幅。LRVDDCMCgRg2 振蕩的建立和穩(wěn)定16 一般原理組成：三個電抗元件組成，三個端點分別與晶體管的三個極相連，或運放的兩個輸入及輸出端相連。9.3.3 三點式LC振蕩電路o

9、FooIjXVIjXV21X1，X2，X3為何種性質(zhì)，才可產(chǎn)生振蕩？由相位條件A+F=2n 在諧振頻率處A= 所以必須F=（vf與vo反相）要使vf與vo反相，X1、X2必為同種性質(zhì)的電抗，又由于要形成諧振，X3的電抗性質(zhì)必與X1、X2相反。與發(fā)射極相連的兩個電抗性質(zhì)必須相同，另一個則相反。同理，與運放同相輸入端相連的兩個電抗性質(zhì)必須相同。idVX3X1X2fVoVoI171電感三點式振蕩電路(哈特萊振蕩器) 振蕩頻率MVCCR1R2Ce CL1L2CbRe012021321CMLLXXXL1vivf vcL2CM 起振的幅度條件只要AV足夠大，適當(dāng)調(diào)節(jié)L2/L1的值，可實現(xiàn)起振。(+)(-)

10、(+)(-)(+)(-)CMLLfCMLL)2(21)2(12121電路特點調(diào)節(jié)頻率方便，用于產(chǎn)生幾百千Hz至幾十兆Hz的頻率。 輸出波形中含有較大的高次諧波，波形較差。182 電容三點式振蕩電路（考畢茲）振蕩頻率起振的幅度條件 只要值較大，適當(dāng)調(diào)節(jié)C2/C1的大小就可起振。011021321CCLXXXReVCCR1R2CeLC1C2LCCbC1C2LiVfVoV(+)(-)(+)(-)(+)(-)(21)(121212121CCCCLfCCCCL電路特點反饋電壓取自電容，電容對高次諧波阻抗很小, 反饋電壓中諧波分量較小，輸出波形較好。振蕩頻率很高，可達(dá)100MHz以上。調(diào)頻不方便，用于固定

11、頻率振蕩。193 電容三點式改進(jìn)型振蕩電路(克拉潑振蕩器)選?。篊3C1,C3C2321LCfo調(diào)節(jié)頻率時反饋系數(shù)可保持恒定，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。ReVCCR1R2CeLC1C2LCCbC3C3C1C2LiVfVoV209.3.4 石英晶體振蕩器1 正弦波頻率穩(wěn)定問題 頻率穩(wěn)定度：在一定時間間隔內(nèi)頻率的相對變化量f/f0引起頻率不穩(wěn)的因素有：L、C的變化（機械變形，環(huán)境影響）回路電阻的變化（負(fù)載的變化）有源器件參數(shù)的變化諧振回路品質(zhì)因素Q是決定頻率穩(wěn)定度的重要因素。提高頻率穩(wěn)定度的措施：減少可產(chǎn)生參數(shù)變化的原因，提高回路Q值。21 2 石英晶體的基本特性與等效電路晶片的壓電效應(yīng)在石英晶片的兩

12、個面間加一電場，晶片會產(chǎn)生機械形變。反之，在晶片兩個面間上施加機械力，則在相應(yīng)方向產(chǎn)生電場。這種機電相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。加交變電壓機械變形振動產(chǎn)生交變電壓。石英晶體的基本特性壓電效應(yīng)石英的化學(xué)成分為 sio2 ，晶體呈六角錐型，具有各向異性的特性。按一定方位切下的一個薄片稱晶片。壓電諧振：當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片固有頻率相等時，振幅最大。22石英晶體等效電路CRL C0符號C0：靜態(tài)電容L：模擬機械振動的慣性C：模擬晶片的彈性R：模擬晶片振動時的 磨擦損耗石英晶體的電抗-頻率特性（忽略R) 1() 1(111232LCCCLCCjLCjCjCjCjLjCjXoooo)() 1(22o

13、oLCCCCLCX23石英晶體在并聯(lián)諧振時,電抗為并聯(lián)諧振頻率： )() 1(22ooLCCCCLCXfsffp：呈感性，且等效Q值很高。ffp：呈容性。f=fS：呈電阻性。ooopCCLCCCCCLf12121LCfs21石英晶體在串聯(lián)諧振時，電抗為0 ，等效為小電阻。串聯(lián)諧振頻率：Xf0fsfp容性容性感性電阻性ospCCff1)spoffCC24串聯(lián)諧振頻率的調(diào)整CS)()(122oSoSSoSoSLCCCCCCCLCCCCCXXpSSSosfffCCCLCf121)211(CCCSo)(21 (SoSSCCCff)(2SoSSSCCCfff頻率相對變化量：晶振產(chǎn)品的標(biāo)稱頻率是外結(jié)電容后

14、校正的頻率。25 3 石英晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩電路晶體工作在串聯(lián)諧振頻率fs處，利用其阻抗為純電阻且為最小的特性來構(gòu)成振蕩電路。并聯(lián)型晶體振蕩電路晶體工作在fs和fp之間，利用晶體為高Q電感，與外接電容組成并聯(lián)諧振回路來產(chǎn)生振蕩。26串聯(lián)型晶體振蕩電路R3R6VCCvoR1R2R4R5CeCb頻率為串聯(lián)諧振頻率fs時，晶體為純電阻，滿足相位條件，振蕩頻率為fs 。適當(dāng)調(diào)節(jié)R5的大小就可以改變反饋的深度，以便獲得良好的波形輸出。27并聯(lián)型晶體振蕩器當(dāng)工作頻率在fsfp之間時，晶體呈感性。構(gòu)成電容三點式振蕩電路。振蕩頻率基本由晶體的固有頻率決定。R1VCCReR2CeC1C2RC石英晶體的等效

15、Q值很高，振蕩頻率很穩(wěn)定。頻率穩(wěn)定度可高達(dá)10-9 10-11 。289.4 非正弦信號產(chǎn)生電路一般情況集成運放開環(huán)運用或加正反饋運用。運放工作在非線性區(qū)特點:輸出電壓只有兩種可能。當(dāng)V VP PV VN N 時: 運放輸出達(dá)最大V VOHOH當(dāng)V VP PV VN N 時: 運放輸出達(dá)最小V VOLOL輸入電流為零。 I IP P=I=IN N=0=0虛短路不成立 V VP PVVN N9.4.1 比較器比較器用于將輸入信號與參考電壓進(jìn)行比較，兩者相等時，輸出端產(chǎn)生電壓的突變。VOVP-VNVOH-VOLVP-VNVOH-VOLVO29 AVREFVidViVo門限電壓Vth :使輸出電壓從

16、一個電平跳變到另一個電平時所對應(yīng)的輸入電壓。求門限電壓的方法是: 令VN=VP如果VREF=0，為過零比較器。輸入電壓加于同相端，為同相比較器。ViVREF: Vo=VOHViVREF: Vo=VOLVth=VREF voviVOHVOLVREF1 單門限比較器傳輸特性30反相單門限比較器 voviVOHVOLVREF將Vi,VREF交換位置，則為反相比較器。ViVo AVREF31例:下圖電路中，輸入波形為正弦波，試畫出輸出電壓的波形。VoHVoLt優(yōu)點:電路簡單,靈敏度高缺點:抗干擾能力差 AVidViVoRL RVo,VL32vi單門限比較器抗干擾能力差VthvoviVthvo輸入無干擾

17、時輸入有干擾時33具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器。 AVREFVidViVoR2R1R1,R2構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)，使門限電壓受到輸出電壓的影響。2 遲滯比較器 組成門限寬度或回差電壓Vth=Vth+-Vth-=R2(VOH-VOL)/(R1+R2)212211RRRVRRRVVoREFP門限電壓計算212211RRRVRRRVVVVVoREFthini212211RRRVRRRVVVVOHREFthOHo時當(dāng)212211RRRVRRRVVVVOLREFthOLo時當(dāng)34設(shè)Vo=VOH 此時 Vp=Vth+ 輸入由小變大 當(dāng)ViVth+時 Vo=VOL 傳輸特性設(shè)Vo=VOL 此時 Vp=Vth- 輸

18、入由大變小 當(dāng)ViVth-時 Vo=VOL不變 當(dāng)Vi=Vth- 輸出產(chǎn)生上跳變 當(dāng)ViVth-時 Vo=VOH Vth-VOHVOLViVoVth+輸入信號加于反相端為反相遲滯比較器 AVREFVidViVoR2R135同相遲滯比較器 AVREFViVoR2R1REFoipVRRRVRRRVV212211Vth-VOHVOLViVoVth+12121RRVRRRVVVoREFthi12121RRVRRRVVVVOHREFthOHo12121RRVRRRVVVVOLREFthOLo36ViVo-5V5V10V-10V 0 1.求門限電壓 例:9.4.2R2 20k AViVoR1 20kR3

19、10kR4 1kVZ10V2.傳輸特性3 輸出波形ViVott5v-5v10v-10vVi=Vp=VoR2/(R1+R2)Vth+=R2VZ/(R1+R2)=5VVth-=-R2VZ/(R1+R2)=-5V 379-4-2 方波產(chǎn)生電路(多諧振蕩器)1 矩形波產(chǎn)生原理H具有延遲作用的反饋網(wǎng)絡(luò)vovfL開關(guān)器件 基本組成部分具有開關(guān)特性的器件具有延遲作用的反饋網(wǎng)絡(luò)延遲時間決定振蕩頻率。 振蕩條件無論輸出電壓為高電平或低電平，經(jīng)過一定的延遲時間后，反饋電路通過開關(guān)器件使輸出改變狀態(tài)，那么就能產(chǎn)生周期性的振蕩。tvo382 方波產(chǎn)生電路電路的構(gòu)成 Rf、C電路起反饋和延遲作用，反相滯回比較器起開關(guān)作用。 反相滯回比較器的門限電壓：Vth+= R2VZ/(R1+R2)Vth-= -R2VZ/(R1+R2)RfVoR2R1 AC AR2CR1RfRVZVo39振蕩周期振蕩周期設(shè)t=0時 Vc=0 Vo=VZCRTttVVVVtVVRRRVtVeVtVVtVfZCththCZthCttCCCC2)()()()()()()(12221211212)21ln(212RRCRTf1)()()()(1ttCCCCeVtVVtVRC電路三要素公式