震蕩電路詳解

1、第9章 波形產(chǎn)生與變換電路 9.1 正弦波振蕩電路 9.2 非正弦波發(fā)生電路 正弦波發(fā)生電路能產(chǎn)生正弦波輸出，它是在放大電路的基礎(chǔ)上加上正反饋而形成的，它是各類波形發(fā)生器和信號源的核心電路。正弦波發(fā)生電路也稱為正弦波振蕩電路或正弦波振蕩器。 9.1.1 產(chǎn)生正弦波的條件 9.1.2 RC正弦波振蕩電路 9.1.3 LC正弦波振蕩電路9.1.1 產(chǎn)生正弦波的條件一、 正弦波發(fā)生電路的組成二、 產(chǎn)生正弦波的條件三、 起振條件和穩(wěn)幅原理一、正弦波發(fā)生電路的組成 為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分。但是，這樣兩部分構(gòu)成的振蕩器一般得不到正弦波，這

2、是由于很難控制正反饋的量。 如果正反饋量大，則增幅，輸出幅度越來越大，最后由三極管的非線性限幅，這必然產(chǎn)生非線性失真。 反之，如果正反饋量不足，則減幅，可能停振，為此振蕩電路要有一個穩(wěn)幅電路。 為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合而為一。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來命名。正弦波發(fā)生電路的組成 放大電路 正反饋網(wǎng)絡(luò) 選頻網(wǎng)絡(luò) 穩(wěn)幅電路二、 產(chǎn)生正弦波的條件 產(chǎn)生正弦波的條件與負反饋放大電路產(chǎn)生自激的條件十分類似。只不過負反饋放大電路中是由于信號頻率達到了通頻帶的兩端，產(chǎn)生了足夠的附加相移，從而使負反饋變

3、成了正反饋。在振蕩電路中加的就是正反饋，振蕩建立后只是一種頻率的信號，無所謂附加相移。FAAA1f 振蕩條件 幅度平衡條件 相位平衡條件 1FA1FAAF = A+ F= 2n(a) 負反饋放大電路 (b) 正反饋振蕩電路 圖11.01 振蕩器的方框圖 比較圖11.01(a) 和 (b)就可以明顯地看出負反饋放大電路和正反饋振蕩電路的區(qū)別了。由于振蕩電路的輸入信號 ，所以 。由于正、負號的改變0iXfiXX1|FA 振蕩器在剛剛起振時，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強一些，即要求這稱為起振條件。三、 起振條件和穩(wěn)幅原理1.|.|FA 既然 ，起振后就要產(chǎn)生增幅振蕩，需要靠三極管大信號運用時的

4、非線性特性去限制幅度的增加，這樣電路必然產(chǎn)生失真。這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號，以獲得正弦波輸出。 也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而達環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而達到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路中加以介紹。中加以介紹。9.1.2 RC正弦波振蕩電路一、 RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)二、 RC文氏橋振蕩器一、 RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路如圖11.02(a) 所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應(yīng)如下:)j/1 (11

5、1CRZ222222j1 )j/1/(CRRCRZ圖11.02(a) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)1)122C1RCR1j()1 (2121CRCRR/j+)Cj/1 (2122221112RCCRCRRR)j1()Cj/1 (222112RCRRR諧振頻率為: f0=212121CCRRRC10當(dāng)R1 = R2，C1 = C2時，諧振角頻率和諧振頻率分別為:RCf210)j1/(+)Cj/1 ()j1/(22211222212CRRRCRRZZZofVVF幅頻特性:相頻特性:F 當(dāng) f=f0 時的反饋系數(shù) ,且與頻率f0的大小無關(guān)。此時的相角 F=0。即改變頻率不會影響反饋系數(shù)和相角，在調(diào)節(jié)諧振頻率的過程

6、中，不會停振，也不會使輸出幅度改變。有關(guān)曲線見圖11.02(b)。31F20022122121221)(31)1()1 (1CRCRCCRR3arctg11arctg0012211221FCCRRCRCR圖11.02(b) RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線二、 RC文氏橋振蕩電路 (1) RC文氏橋振蕩電路的構(gòu)成文氏橋振蕩電路的構(gòu)成 RC文氏橋振蕩電路如圖文氏橋振蕩電路如圖11.03所示，所示，RC 串串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，另外還增加了并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是正反饋網(wǎng)絡(luò)，另外還增加了R3和和R4負反饋網(wǎng)絡(luò)。負反饋網(wǎng)絡(luò)。 C1、R1和C2、R2正反饋支路與R3、R4負反饋支路正好構(gòu)成一個橋路，稱為文氏橋。圖11

7、.03 RC文氏橋振蕩電路當(dāng)C1 =C2、R1 =R2時: 為滿足振蕩的幅度條件 =1，所以Af3。加入R3、R4支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負反饋。FA31ofVVFF=0RCff2103143fRRA (2) RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅過程 RC文氏橋振蕩 電路的穩(wěn)幅作用是 靠熱敏電阻R4實現(xiàn) 的。R4是正溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓升高，R4上所加的電壓升高，即溫度升高，R4的阻值增加，負反饋增強，輸出幅度下降。反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負溫度系數(shù)，應(yīng)放置在R3的位置。見圖11.03。 (a) 穩(wěn)幅電路 (b) 穩(wěn)幅原理圖 圖11.04 反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路 采用反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路如圖11

8、.04所示。電路的電壓增益為4p3pf +1=RRRRAv 式中 Rp是電位器上半部的電阻值，Rp是電位器下半部的電阻值。R3= R3 / RD，RD是并聯(lián)二極管的等效平均電阻值。 當(dāng)Vo大時，二極管支路的交流電流較大，RD較小，Avf較小，于是Vo下降。由圖(b)可看出二極管工作在C、D點所對應(yīng)的等效電阻，小于工作在A、B點所對應(yīng)的等效電阻，所以輸出幅度小。 二極管工作在A、B點，電路的增益較大，引起增幅過程。當(dāng)輸出幅度大到一定程度，增益下降，最后達到穩(wěn)定幅度的目的。9.1.3 LC正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路的構(gòu)成與RC正弦波振蕩電路相似，包括有放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電

9、路。這里的選頻網(wǎng)絡(luò)是由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成，正反饋網(wǎng)絡(luò)因不同類型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。 一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng) 二、變壓器反饋LC振蕩器 三、電感三點式LC振蕩器一、一、LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng) LC并聯(lián)諧振電路如圖11.05（a）所示。顯然輸出電壓是頻率的函數(shù)： )()(ioVfV 輸入信號頻率過高，電容的旁路作用加強，輸出減?。环粗l率太低，電感將短路輸出。并聯(lián)諧振曲線如圖11.05（b）所示。 （a）LC并聯(lián)諧振電路圖11.05 LC并聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振曲線 （b）并聯(lián)諧振曲線諧振時諧振頻率0100CLLCf210 諧振時電感支路電流或電容支路

10、電流與總電流之比，稱為并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)CRRLIIIIQ00CL/1/ 考慮電感支路的損耗，用R表示，如圖11.06所示。 圖11.06 有損耗的諧振電路 對于圖11.05(b)的諧振曲線，Q值大的曲線較陡較窄，圖中Q1Q2。并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗CLQCQLQRCLZ000諧振時LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個電阻。二、變壓器反饋二、變壓器反饋LC振蕩電路振蕩電路圖11.07變壓器反饋LC振蕩電路變壓器反饋LC振蕩電路如圖11.07所示。 LC并聯(lián)諧振電路作為三極管的負載，反饋線圈L2與電感線圈相耦合,將反饋信號送入三極管的輸入回路。交換反饋線圈的兩個線頭，可使反饋極性發(fā)生變化。調(diào)整反饋線圈的

11、匝數(shù)可以改變反饋信號的強度，以使正反饋的幅度條件得以滿足。 有關(guān)同名端的極性請參閱圖11.08。 圖11.08 同名端的極性 變壓器反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為LCf210三、電感三點式LC振蕩器 圖11.09 為電感三點式LC振蕩電路。電感線圈L1和L2是一個線圈，2點是中間抽頭。如果設(shè)某個瞬間集電極電流減小，線圈上的瞬時極性如圖所示。反饋到發(fā)射極的極性對地為正，圖中三極管是共基極接法，所以使發(fā)射結(jié)的凈輸入減小，集電極電流減小，符合正反饋的相位條件。 圖11.09 電感三點式LC振蕩器（CB） 圖11.10電感三點式LC振蕩器（CE）圖11.10 為另一種電感三點式L

12、C振蕩電路。 分析三點式LC振蕩電路常用如下方法，將諧振回路的阻抗折算到三極管的各個電極之間，有Zbe、Zce、Zcb ,如圖11.11所示。 圖11.11 三點式振蕩器 對于圖11.09 Zbe是L2、 Zce是L1、 Zcb是C?？梢宰C明若滿足相位平衡條件， Zbe和Zce必須同性質(zhì)，即同為電容或同為電感，且與Zcb性質(zhì)相反。四、電容三點式LC振蕩電路 與電感三點式LC振蕩電路類似的有電容三點式LC振蕩電路，見圖11.12。（a）CB組態(tài) （b）CE組態(tài)圖11.12 電容三點式LC振蕩電路例11.1：圖11.13為一個三點式振蕩電路 試判斷是否滿足相位平衡條件。 (a) (b) 圖11.1

13、3 例題11.1的電路圖五、石英晶體LC振蕩電路 利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點，構(gòu)成LC振蕩電路，如圖11.14所示。 (a)串聯(lián)型 f0 =fs （b）并聯(lián)型 fs f0fp 圖11.14 石英晶體振蕩電路 石英晶體的阻抗頻率特性曲線見圖11.15,圖11.15 石英晶體的電抗曲線它有一個串聯(lián)諧振頻率fs,一個并聯(lián)諧振頻率 fp，二者十分接近。 對于圖對于圖11.15(a)11.15(a)的電路與電感三點式振的電路與電感三點式振蕩電路相似。要使反饋信號能傳遞到發(fā)射極，蕩電路相似。要使反饋信號能傳遞到發(fā)射極，為此石英晶體應(yīng)處于串聯(lián)諧振點，此時晶體為此石英晶體應(yīng)處于串聯(lián)諧振點，此時晶體的阻抗接

14、近為零。的阻抗接近為零。 對于圖對于圖11.14(b)11.14(b)的電路，滿足正反饋的的電路，滿足正反饋的條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形成成LC并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的體的Q值很高，可達到幾千以上，所示電路可值很高，可達到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。9.2 非正弦波發(fā)生電路 9.2.1 比較器 9.2.2 非正弦波發(fā)生電路9.2.1 比較器一、固定幅度比較器一、固定幅度比較器二、滯回比較器二、滯回比較器三、窗口比較器三、窗口比較器四、比較器的應(yīng)用四、

15、比較器的應(yīng)用 比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準(zhǔn)電壓相比較的電路。 常用的幅度比較電路有電壓幅度比較器、窗口比較器和具有滯回特性的比較器。這些比較器的閾值是固定的，有的只有一個閾值，有的具有兩個閾值。 一、固定幅度比較器一、固定幅度比較器 (1) 過零比較器和電壓幅度比較器 過零電壓比較器是典型的幅度比較電路，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖14.01所示。(a)(b) 圖14.01 過零電壓比較器(a)電路圖(b)傳輸特性曲線 將過零電壓比較器的一個輸入端從接地改接到一個電壓值VREF 上 , 就得到電壓幅度比較器，它的電路圖和傳輸特性曲線如圖14.02所示。 圖14.02 固定電壓比較器(a

16、)電路圖(b)傳輸特性曲線(2)比較器的基本特點 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。 開關(guān)特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。 非線性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線性關(guān)系。二、二、 滯回比較器滯回比較器om21221REF1TVRRRRRVRVom21221REF1TVRRRRRVRV 從輸出引一個電阻分壓支路到同相輸入端，電路如圖14.03(a)所示。當(dāng)輸入電壓vI從零逐漸增大，且 時， ， 稱為上限閾值(觸發(fā))電平。TIVv omOVvTV當(dāng)輸入電壓 時， ， 此時觸發(fā)電平變?yōu)?， 稱為下限閾值(觸發(fā))電平。TIVv omOVv TV TV圖14.03(a)滯回比較

17、器電路圖 當(dāng) 逐漸減小，且 以前， 始終等于 ，因此出現(xiàn)如圖14.03(b)所示的滯回特性曲線。Iv TIVv OvomV回差電壓 ：Vomom212 TTVVRRRVVV圖14.03滯回比較電路 的傳輸特性三、窗口比較器三、窗口比較器 窗口比較器的電路如圖14.04所示。電路由兩個幅度比較器和一些二極管與電阻構(gòu)成。設(shè)R1 =R2，則有：DLHDCC212DCCL2=)2(21)2(=VVVVVRRRVVV 圖14.04 窗口比較器 窗口比較器的電壓傳 輸特性如下頁 圖 14.05所示。 當(dāng)vIVH時，vO1為高電平，D3導(dǎo)通；vO2為低電平, D4截止，vO= vO1。 當(dāng)vI VL時，vO

18、2為高電平，D4導(dǎo)通；vO1為低電平，D3截止，vO= vO2。 當(dāng)VH vI VL時，vO1為低電平，vO2為低電平，D3、D4截止，vO為 低電平。 圖14.05 窗口比較器的傳輸特性 信號的電位水平高于某規(guī)定值VH的情況，相當(dāng)比較電路正飽和輸出。 信號的電位水平低于某規(guī)定值VL的情況，相當(dāng)比較電路負飽和輸出。 該比較器有兩個閾值，傳輸特性曲線呈窗口狀，故稱為窗口比較器。四、比較器的應(yīng)用四、比較器的應(yīng)用 比較器主要用來對輸入波形進行整形，可以將不規(guī)則的輸入波形整形為方波輸出,其原理圖如圖14.06所示。(a) 正弦波變換為矩形波 (b) 有干擾正弦波變換為方波 圖14.06 用比較器實現(xiàn)波

19、形變換一、方波發(fā)生電路二、三角波發(fā)生電路三、鋸齒波發(fā)生電路 9.2.2 非正弦波發(fā)生電路 一、方波發(fā)生電路一、方波發(fā)生電路 方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和RC定時電路構(gòu)成的，電路如圖14.07所示。(1)工作原理電源剛接通時, 設(shè)21Z2PZOC, 0RRVRVVvv所以 電容C充電， 升高。參閱圖14.08。Cv圖14.07 方波發(fā)生器 當(dāng) 時， ，所以 電容C放電， 下降。PNCVVvZOVv21Z2PRRVRVCv 當(dāng) ，時，返回初態(tài)。PNCVVvZOVv 方波周期用過渡過程公式可以方便地求出 )21ln(212fRRCRT 圖14.08 方波發(fā)生器波形圖(2)占空比可調(diào)的矩形波電路 顯然為了改變輸出方波的占空比，應(yīng)改變電容器C的充電和放電時間常數(shù)。占空比可調(diào)的矩形波電路見圖14.09。 C充電時，充電電流經(jīng)電位器的上半部、二極管D1、Rf； C放電時，放電電流經(jīng)Rf、二極管D2、電位器的下半部。 圖14.09 占空比可調(diào)方波發(fā)生電路 占空比為：%100%1002111TTCRrRf1d w1 其中， 是電位器中點到上端電阻， 是二極管D1的導(dǎo)通電阻。 wR1drCRrRRf2d ww2 其中， 是二極管D2的導(dǎo)