模擬電子技術基礎8振蕩器及波

1、7/15/2021 5:38:01 PM 第8章 振蕩器及波 形產生電路 7/15/2021 5:38:01 PM 基本要求基本要求 1)掌握正弦波振蕩器的振蕩條件、電路組成、 工作原理及分析方法；RC正弦波振蕩器、LC 反饋式正弦波振蕩器、LC三點式正弦波振蕩 器以及石英晶體振蕩器的電路組成、選頻特 性、振蕩頻率及特點等； 了解非正弦波振蕩器的電路組成及工作原理。 7/15/2021 5:38:01 PM 信號發(fā)生器按產生的波形特點可分為信號發(fā)生器按產生的波形特點可分為 正弦波信號發(fā)生器正弦波信號發(fā)生器 非正弦波信號發(fā)生器非正弦波信號發(fā)生器 信號發(fā)生器常稱為振蕩器信號發(fā)生器常稱為振蕩器 正弦

2、波信號發(fā)生器是按照自激振蕩原理構成的。正弦波信號發(fā)生器是按照自激振蕩原理構成的。 7/15/2021 5:38:01 PM 8.1 正弦波振蕩器的振蕩條件正弦波振蕩器的振蕩條件 8.1.1 振蕩器的平衡振蕩條件振蕩器的平衡振蕩條件 1產生正弦波自激振蕩的平衡條件產生正弦波自激振蕩的平衡條件 . 正正反饋網絡反饋網絡 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié) . Xo A F . Xid Xf 圖8-1 正弦波振蕩器的方框圖 of XFX id o XAX ii idof XXFA XFAXFX若 則可以產生自激振蕩則可以產生自激振蕩 7/15/2021 5:38:01 PM 輸入輸入Xid . 反饋反饋Xf=FXo

3、. . 輸出輸出Xo= AXid . . 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié) A 正正反饋網絡反饋網絡 F 若滿足若滿足Xf=Xid . 可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號 則為正反饋則為正反饋 7/15/2021 5:38:01 PM 振蕩器的平衡振蕩條件振蕩器的平衡振蕩條件 知電路產生自激振蕩的平衡條件為知電路產生自激振蕩的平衡條件為 由由 . idof AFXFXX 及及 idf XX 1 AF 幅值平衡條件幅值平衡條件： 1 FA （8-2） 相位平衡條件相位平衡條件： n2 FA 2 , 1 , 0n （8-3） 7/15/2021 5:38:01 PM 8.1.2 振蕩

4、器的起振條件和穩(wěn)幅振蕩器的起振條件和穩(wěn)幅 當振蕩器穩(wěn)定工作時，當振蕩器穩(wěn)定工作時， fi idXXX 若若 , ,則電路減幅振蕩，最后停止振蕩則電路減幅振蕩，最后停止振蕩 。 1 AF 振蕩器的起振條件為：振蕩器的起振條件為： 1 FA 幅值條件幅值條件： 1 FA （8-5） 相位條件相位條件： 2 FA n 2 , 1 , 0n （8-6） 7/15/2021 5:38:01 PM 振蕩的建立與穩(wěn)定振蕩的建立與穩(wěn)定 A 反饋特性反饋特性 幅度特性幅度特性 F太小太小 自激振蕩電路的建立過程（自激振蕩電路的建立過程（線性反饋）線性反饋） om U 0 fid UU id0 U id3 U i

5、d2 U id1 U od0 U od1 U od2 U od3 U 7/15/2021 5:38:01 PM 幅度特性幅度特性 B 幅度特性幅度特性 非線性反饋非線性反饋 非線性反饋非線性反饋 om U 0 fid UU 7/15/2021 5:38:01 PM 8.1.3 振蕩器的組成、分析和分類振蕩器的組成、分析和分類 1振蕩器的基本組成振蕩器的基本組成 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié) 正反饋網絡正反饋網絡 選頻網絡選頻網絡 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 組成組成 7/15/2021 5:38:01 PM 2. 振蕩器的分析振蕩器的分析 一般步驟為： （1）檢查振蕩器是否具有振蕩器的幾個基本環(huán)節(jié)，即是否有 放大電

6、路、正反饋網絡、選頻網絡、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（選頻網絡常和 正反饋網絡合而為一，有些振蕩器沒有單獨的穩(wěn)幅部分）。 （2）檢查放大電路是否具有合適的靜態(tài)工作點。 （3）判斷振蕩器是否滿足正反饋自激振蕩的相位平衡條件。 （4）判斷振蕩器是否滿足幅值的起振條件和平衡條件， 并由此確定相關的放大電路和反饋網絡的參數(shù)。 7/15/2021 5:38:01 PM 3.正弦波正弦波振蕩器的分類振蕩器的分類 根據(jù)選頻網絡所用元件分為根據(jù)選頻網絡所用元件分為 RC型振蕩器型振蕩器 LC型振蕩器型振蕩器 晶體振蕩器晶體振蕩器 文氏電橋振蕩電路文氏電橋振蕩電路 移相式振蕩電路移相式振蕩電路 主要類型主要類型 雙雙T網絡式振蕩

7、電路網絡式振蕩電路 8.2 RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 7/15/2021 5:38:01 PM 8.2 RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 8.2.1.1 RC串并聯(lián)網絡的頻率特性串并聯(lián)網絡的頻率特性 o U f U 1 R 2 R 1 C 2 C 圖8-3 RC串并聯(lián)網絡 Z1 Z2 C1 R1Z w wj 1 1 C2 R2Z w w j 1 / 2 7/15/2021 5:38:01 PM o U f U 1 R 2 R 1 C 2 C 圖8-3 RC串并聯(lián)網絡 Z1 Z2 當角頻率較低時當角頻率較低時 1 1 1 R C w 2 2 1 R C w o U f U 2 R 1 C F o

8、 90 0 w w F 7/15/2021 5:38:01 PM 當角頻率較高時當角頻率較高時 1 1 1 R C w 2 2 1 R C w o U f U 1 R 2 R 1 C 2 C 圖8-3 RC串并聯(lián)網絡 Z1 Z2 o U f U 2 C 1 R F o 90 w w F 0 0 7/15/2021 5:38:01 PM 由圖由圖8-3有：有： 2 211 2 2 21 2 o f j 1 /j j 1 / C RCR C R ZZ Z U U F w w w ) 1 ( j)1 ( 1 12 21 1 2 2 1 CR CR C C R R w w 為了方便調節(jié)振蕩頻率，一般取

9、 RRR 21 CCC 21 令 RC 1 0 w 則有則有 )( j3 1 ) 1 ( j3 1 0 0 w w w w w w RC RC F（8-7） 7/15/2021 5:38:01 PM 其幅頻特性和相頻特性分別為：其幅頻特性和相頻特性分別為： 20 0 2 )(3 1 w w w w F （8-8） )( 3 1 arctan 0 0 F w w w w （8-9） F F o 90 1 1 o 90 圖8-6 RC串并聯(lián)網絡的頻率特性 3/ 1 0.110 0.110 （a) 幅頻特性（b) 相頻特性 0 w w 0 w w (a) (b) RC 1 0 ww 時時 3 1 m

10、ax FF o F 0 時時 0 ww o F 90 幅頻幅頻 特性特性 曲線曲線 相頻相頻 特性特性 曲線曲線 7/15/2021 5:38:01 PM 8.2.1.2 RC串并聯(lián)正弦波振蕩器串并聯(lián)正弦波振蕩器 選頻網絡選頻網絡 反饋網絡反饋網絡 放大電路放大電路 + - A o U f U R 1 R C t R R C A F 圖8-7 RC串并聯(lián)正弦波振蕩器 1. .電路組成電路組成 7/15/2021 5:38:01 PM 2. 工作原理工作原理 的幅值最大的幅值最大Uf =/ 3 Uo Uf 與與同相位同相位Uo Uf (1) 當當f = 時時 0 f (2) 當當 3 時，滿足振

11、蕩條件。時，滿足振蕩條件。 2 21 R RR A (3) 振蕩頻率振蕩頻率 RC f 2 1 0 7/15/2021 5:38:01 PM 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施 + - A o U f U R 3 R C 4 R R C 1 D 2 D 5 R 圖8-8 利用二極管穩(wěn)幅的文式橋振蕩器 選頻網絡選頻網絡 反饋網絡反饋網絡 限幅網絡限幅網絡 圖圖8-8是利用二極管的是利用二極管的 非線性自動實現(xiàn)穩(wěn)幅的非線性自動實現(xiàn)穩(wěn)幅的 電路。電路。 7/15/2021 5:38:02 PM 8.2.2 移相式移相式RC振蕩器振蕩器 7/15/2021 5:38:02 PM + - A o U f U 1 R 2

12、R 1 C 2 C R 3 C f R 圖8-9 RC移相式正弦波振蕩器 在圖8-9中，第三級 RC網絡的電阻是放大 器的輸入電阻。 321 RRR 通常取 321 CCC 由相位平衡條件和幅值平衡條件推得： RC f 32 1 0 振蕩頻率振蕩頻率 振幅條件振幅條件 RR12 f 7/15/2021 5:38:02 PM 8.2.3 雙雙T選頻網絡選頻網絡RC振蕩器振蕩器 圖8-10 雙T網絡正弦波振蕩器 + - A o U f U R 3 R C C2 R f R R C 雙T選頻網絡RC 振蕩器電路原理圖 如圖8-10所示。 RC f 5 1 0 當 0 ff 時，雙 T 網絡的相位移

13、o F 180，而反相比例放 大電路的相移 o A 180， 因此可以滿足振蕩的相位條件。 7/15/2021 5:38:02 PM 8.3 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 8.3.1 LC并聯(lián)網絡的頻率特性并聯(lián)網絡的頻率特性 C L r U I Z 圖8-11 LC并聯(lián)電路 如圖8-11所示是一個LC并聯(lián)電路， 其中r是電感和電路中其他損耗的總等 效電阻。 并聯(lián)LC電路的等效阻抗表達式為： Lr C Lr C Lr C I U Z w w w w w w j j 1 )j( j 1 )j/( j 1 7/15/2021 5:38:02 PM 通常rL w，上式可寫成： ) 1 ( j) 1 (

14、 j j j 1 C Lr C L C Lr L C Z w w w w w w （8-13） 當 C L w w 1 時， 阻抗Z為實數(shù)， 即純電阻性。 電壓 U和 電流源 I同相， 發(fā)生了并聯(lián)諧振。 諧振時的角頻率為： LC 1 0 w LC f 2 1 0 7/15/2021 5:38:02 PM 諧振時的阻抗為 Cr L Z 0 定義諧振時的品質因素 C L rCrr L Q 11 0 0 w w 阻抗一般表達式可寫為 )(j1)(j1 0 0 0 0 0 0 f f f f Q Z Q Z Z w w w w 7/15/2021 5:38:02 PM 其幅頻特性和相頻特性分別為 20

15、 0 2 0 )(1 f f f f Q Z Z )(arctan 0 0 f f f f Q Z 1 0 f f Q大 Q小 o 90 10 f f o 90 Q大 Q小 7/15/2021 5:38:02 PM 8.3.2 變壓器反饋式振蕩器變壓器反饋式振蕩器 如圖8-13所示為變壓器反饋式正弦波振蕩器。 7/15/2021 5:38:02 PM a. a. 用用LCLC并聯(lián)諧振回路作為選頻網絡并聯(lián)諧振回路作為選頻網絡 b. b. 主要用來產生主要用來產生1 MHz1 MHz以上的高頻信號以上的高頻信號 主要特點主要特點 c. c. 頻率穩(wěn)定性較好頻率穩(wěn)定性較好 7/15/2021 5:3

16、8:02 PM i U f U 2 R b C 1 R C e R T e C L R 1 N L 2 N 3 N CC U 圖8-13 變壓器反饋式LC振蕩器 C D B A 首先判斷電路是否滿足振蕩的相位平衡條件。 LC f 2 1 0 斷開反饋回路斷開反饋回路 A F 2 FA 滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件 7/15/2021 5:38:02 PM (a) (b) V/ CE u t 圖3-14 振蕩的建立、穩(wěn)定與穩(wěn)幅 0 0 mA/ C i V/ BE u 1 Q 2 Q 0 V/ BE u t mA/ C i 0 t mA/ C i 0 CE U C I CC U V/ CE u

17、 7/15/2021 5:38:02 PM 8.3.3 電感三點式振蕩器電感三點式振蕩器 i U f U 2 R b C 1 R C e R T e C L R 1 L 2 L 3 N 1 3 2 CC U 圖8-15 電感三點式振蕩器 A 7/15/2021 5:38:03 PM 振蕩電路的交流通路振蕩電路的交流通路 T L2 R1/R2 L1 C C + T + N1 N2 E R L2 L1 1 R b C 2 R e C CC U 7/15/2021 5:38:03 PM 忽略忽略R1/R2 簡化的交流通路簡化的交流通路 線圈的三個端子分別與線圈的三個端子分別與T的三個電極的三個電極B

18、、C、E 相連接，故稱之為電感三點式振蕩電路。相連接，故稱之為電感三點式振蕩電路。 T L2 L1 C T L2 R1/R2 L1 C 7/15/2021 5:38:03 PM 7/15/2021 5:38:03 PM 振蕩頻率取決于LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 CMLLLC f )2(2 1 2 1 21 0 （8-22） 振蕩電路的起振條件 )( )( 2 1be MLR MLr （8-23） 電路特點電路特點 a. 電感電感L1與與L2之間耦合很緊，容易起振。之間耦合很緊，容易起振。 b. 輸出波形中含有高次諧波，波形較差。輸出波形中含有高次諧波，波形較差。 7/15/2021 5:38:

19、03 PM 8.3.4 電容三點式振蕩器電容三點式振蕩器 L 2 R b C 1 R e R T e C 1 C c R 2 C CC U 圖8-16 電容三點式振蕩器 i U A f U 3 2 1 電容三點式振蕩器如圖8-16所示。 電容器的電容器的 三個端子分別三個端子分別 與與T的三個電的三個電 極相連接，故極相連接，故 稱之為電容三稱之為電容三 點式振蕩電路。點式振蕩電路。 7/15/2021 5:38:03 PM 交流通路交流通路 21b /RRR L 2 C 1 C C R T b R L 2 C 1 C T 簡化的交流通路簡化的交流通路 7/15/2021 5:38:03 PM

20、 振蕩頻率振蕩頻率 021 0 111 1 2 1 2 1 CCC L LC f （8-26） 電路特點：電路特點： a. 容易起振；容易起振； c. 輸出波形中高次諧波少，波形好；輸出波形中高次諧波少，波形好； d. 改變電容時，容易停振。改變電容時，容易停振。 b. 振蕩頻率高；振蕩頻率高； 7/15/2021 5:38:03 PM 8.4 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 1. 石英晶體的基本特性石英晶體的基本特性 (a) 各向異性各向異性 (b) 具有具有壓電效應壓電效應 (1) 壓電效應壓電效應 a. 石英晶體的基本特性石英晶體的基本特性 晶片 涂銀層 引線 圖8-18 石英晶體的結構和

21、符號 （a) 結構 （b) 電路符號 7/15/2021 5:38:03 PM 壓電效應壓電效應 在晶片的兩側施加壓力，又會產生電場。在晶片的兩側施加壓力，又會產生電場。 在晶片的兩面之間加電場，就會產生機械變形。在晶片的兩面之間加電場，就會產生機械變形。 當交變電壓的頻率等于晶片的固有機械振動頻率當交變電壓的頻率等于晶片的固有機械振動頻率 時，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。時，振幅急劇增加，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。 當在晶片的兩電極之間加交變電壓時，晶片就會當在晶片的兩電極之間加交變電壓時，晶片就會 產生機械變形振動。產生機械變形振動。 壓電諧振壓電諧振 7/15/2021 5:38:0

22、3 PM 2. 石英晶體的等效電路石英晶體的等效電路 r 等效晶片振動時內部的摩擦損耗等效晶片振動時內部的摩擦損耗 等效電路等效電路 C0 兩金屬電極間形成的靜電電容兩金屬電極間形成的靜電電容 L 等效晶片振動時的慣性等效晶片振動時的慣性 C 等效晶片振動時的彈性等效晶片振動時的彈性 L r C 0 C (a) 符號符號 7/15/2021 5:38:03 PM 電路特點：電路特點： a. L很大，很大，C和和r很??；很??； b . Q很高，達很高，達104106； c. 頻率穩(wěn)定度（頻率穩(wěn)定度（f /f0）很高。）很高。 三種振蕩電路的頻率穩(wěn)定度三種振蕩電路的頻率穩(wěn)定度 RC振蕩器振蕩器 1

23、02 LC振蕩振蕩 103 104 石英晶體振蕩石英晶體振蕩 1091011 7/15/2021 5:38:03 PM 忽略r的影響，圖8-19b所示可得石英晶體的等效阻抗。 )( 1 j 1 jj 1 j ) 1 jj ( 1 j 0 2 0 2 0 0 CLCCC LC C L C C L C Z ww w w w w w w w 當當f fs時，時，X fs時，時，X 0，電路呈感性。電路呈感性。 a. 當當 1w w2LC = =0 時時，X=0電路發(fā)生串聯(lián)諧振電路發(fā)生串聯(lián)諧振 串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率 LC f 2 1 s 7/15/2021 5:38:03 PM 并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧

24、振頻率 X = b. b. 當當jw w (C0+Cw w2LCC0 ) = = 0 0時時 電路發(fā)生并聯(lián)諧振電路發(fā)生并聯(lián)諧振 CC CC L f 0 0 p 2 1 )(j 1 0 2 0 2 LCCCC LC X w ww w w w s f p f f X 0 感 性 容性 容性 7/15/2021 5:38:03 PM 8.4.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 8.4.3.1 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器 2 R b C 1 R e R T e C 1 C c R 2 C 1 2 3 CC U 圖8-20 并聯(lián)型石英晶體振蕩器 X 諧振頻率諧振頻率 CCC CCC L f

25、0 0 0 )( 2 1 p0s fff 由于由于 )( 0 CCC 0時時 電容電容C充電充電 uo=+UZ t uo, uC uo uC 0 UZ UZ FUZ FUZ + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 圖8-22 矩形波發(fā)生器 u iC 7/15/2021 5:38:03 PM 0 t uo, uC UZ UZ uo、uC波波 形圖形圖 b. 當當uCFUZ 時時 U+= FUZ uo= UZ uO uC FUZ FUZ + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 圖8-22 矩形波發(fā)生器 u iC 7/15/2021 5:38:

26、03 PM t uo, uC c. 當當uo= UZ時時 U+= FUZ uC按指數(shù)規(guī)律下降按指數(shù)規(guī)律下降 電容電容C放電放電 + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 圖8-22 矩形波發(fā)生器 u iC uo uC 0 UZ UZ FUZ FUZ uC充電充電 uC放電放電 7/15/2021 5:38:03 PM c. 當當uo= UZ時時 U+= FUZ uo uC 0 t uo, uC UZ UZ FUZ FUZ uC按指數(shù)規(guī)律下降按指數(shù)規(guī)律下降 電容電容C放電放電 + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 圖8-22 矩形波發(fā)生器

27、u iC uC充電充電 uC放電放電 7/15/2021 5:38:03 PM d. 當當uC FUZ 時時 U+=FUZ uo=UZ uo uC 0 t uo, uC UZ UZ FUZ FUZ + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 圖8-22 矩形波發(fā)生器 u iC uC充電充電 uC放電放電 7/15/2021 5:38:03 PM e. 當當uo=+UZ時時 U+=FUZ uC又按指數(shù)規(guī)律上升又按指數(shù)規(guī)律上升 電容電容C又充電又充電 0 t uO, uC UZ UZ FUZ FUZ uo uC + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c

28、 u 圖8-22 矩形波發(fā)生器 u iC uC充電充電 uC放電放電 7/15/2021 5:38:03 PM uo uC 0 t uo, uC UZ UZ FUZ FUZ uo為方波為方波 7/15/2021 5:38:03 PM 8.5.1.2 振蕩周期和頻率振蕩周期和頻率 電容充電、放電過程可以用方程表示為 t uuutu e)()0()()( cccc 充放電時間 )()( )0()( ln cc cc tuu uu t 矩形波的周期矩形波的周期 )21ln(2 2 1 LH R R RCTTT 矩形波的頻率矩形波的頻率 T f 1 占空比占空比 %50 H T T q 7/15/20

29、21 5:38:03 PM 8.5.1.3 占空比可調的矩形波發(fā)生器占空比可調的矩形波發(fā)生器 T U T U Z U Z U 0 0 o u t t 圖8-25 占空比可調的矩形波發(fā)生器波形 L T H T 1 t 2 t 3 t + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 圖8-24 占空比可調的矩形波發(fā)生器 1w R 2w R w R 1 D 2 D 7/15/2021 5:38:03 PM 8.5.2 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器 1. 電路組成電路組成 2 R 3 R Z D 1o u C 1 R 4 R o u 5 R 圖8-26 三角波發(fā)生器 + - A1 +

30、- A2 c u u 遲滯比較器遲滯比較器 積分器積分器 7/15/2021 5:38:04 PM 2. 工作原理工作原理 0t時 0 co uu 由疊加定理可得滯回比較器的同相端的電壓為 o 21 2 1o 21 1 u RR R u RR R u （8-44） O 21 2 Z 21 1 )U(u RR R RR R 7/15/2021 5:38:04 PM 輸出電壓輸出電壓 電容電容 C充電充電 uo隨時間線性下降隨時間線性下降 設設uC(0)=0 tu RC u tt t d 1 1OO D D t RC U D D Z (1) 當當 時時 ZO1 Uu 2 R 3 R Z D 1o

31、u C 1 R 4 R o u 5 R 圖8-26 三角波發(fā)生器 + - A1 + - A2 c u u t uo , uo1 0 uo uo1 UZ 7/15/2021 5:38:04 PM 得得uo1翻轉時的輸出電壓翻轉時的輸出電壓 (2) 當當 時時0 B u Zo1 Uu 令令 0 O 21 2 Z 21 1 + u RR R U RR R u Z 2 1 o U R R u 2 R 3 R Z D 1o u C 1 R 4 R o u 5 R 圖8-26 三角波發(fā)生器 + - A1 + - A2 c u u t uO , uO1 0 uO uO1UZ UZ 21Z /RRU 7/15/2021 5:38:04 PM (3) 當當 uB0時時 得得uo1翻轉時的輸出電壓