《電子技術(shù)基礎(chǔ)》第九章 波形放大和變換

1、第九章 波形產(chǎn)生和變換正弦波振蕩電路 RC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路石英晶體波振蕩電路電壓比較器非正弦波產(chǎn)生電路方波發(fā)生器方波三角波發(fā)生器波形變換電路9.1 正弦波振蕩電路 振蕩基礎(chǔ)知識 RC正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路 石英晶體波振蕩電路9.1.1 振蕩基礎(chǔ)知識n振蕩條件n起振和穩(wěn)幅n振蕩電路的基本組成部分n振蕩電路的分析方法1. 振蕩條件相位平衡條件幅度平衡條件振蕩平衡條件振蕩平衡條件:1=FAnFA2=+XiXdXoXf基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)F反饋電路的方框圖：考慮耦合電容、極間電容等的影響負反饋自激條件:1-=FAfidXXX-=受正反饋網(wǎng)絡(luò)影響不考慮極間電容等的影響正反饋

2、自激條件:1=FAfidXXX+=+2. 起振和穩(wěn)幅滿足上述條件后，一旦電源接通，隨著時間增加輸出幅度增大。增大到一定程度后，放大電路中晶體管將進入飽和或截至狀態(tài)，輸出正弦波將失真。應(yīng)采取穩(wěn)幅措施。起振的幅度條件是：1FA3. 振蕩電路的基本組成部分 振蕩電路的基本組成部分振蕩電路的基本組成部分:（1）放大電路 沒有放大，不可能產(chǎn)生振蕩。 要保證電路具有放大功能（2）反饋網(wǎng)絡(luò) 形成正反饋，以滿足相位平衡條件（3）選頻網(wǎng)絡(luò) 以產(chǎn)生單一頻率的正弦波(RC、LC)（4）穩(wěn)幅電路 以保證輸出端得到不失真的正弦波4. 振蕩電路的分析方法判斷能否產(chǎn)生振蕩的一般方法和步驟：a. 檢查電路的組成部分c. 將電

3、路在放大器輸入端斷開，利用瞬時極性法 判斷電路是否滿足相位平衡條件 b. 檢查放大電路是否正常工作d. 分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅度條件。 一般AF應(yīng)略大于1振蕩電路的分析方法振蕩電路的分析方法:9.1.2 RC正弦振蕩電路 RC橋式振蕩電路 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性 RC橋式振蕩電路 穩(wěn)幅措施 RC橋式振蕩電路仿真 場效應(yīng)管穩(wěn)幅音頻信號發(fā)生器 移相式選頻網(wǎng)絡(luò)和移相式式振蕩電路 移相式選頻網(wǎng)絡(luò) 移相式RC振蕩電路 雙T選頻網(wǎng)絡(luò)VoRfR1CRCRVf1. RC橋式振蕩電路橋式RC振蕩電路結(jié)構(gòu):選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)放大電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性0.1fHfH10fH0-20-4045900ff-20d

4、B/十倍頻-30.1fHfH10fH0-20-40-45-900ff-20dB/十倍頻-3低頻VoCRVf高頻VoCRVfVoCRCRVfRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性VoCRCRVfRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性)j/1 (111CRZ222222j+1=)j /1/(=CRRCRZ)j1/(+)Cj/1 ()j1/(22211222212CRRRCRRZZZofVVF1)122C1RCR1j()1 (2121CRCR-R/j+)Cj/1 (2122221112RCCRCRRR)j1()Cj/1 (222112RCRRR諧振頻率為: 2121021=CCRRf時電路產(chǎn)生諧振CR1C1221R當(dāng)RC串并聯(lián)

5、網(wǎng)絡(luò)的頻率特性RC10當(dāng)R1 = R2，C1 = C2時，諧振角頻率 諧振頻率 RCf210F20022122121221)(31)1()1 (1-CRCRCCRR 幅頻特性:3arctg11arctg0012211221F-CCRRCRCR相頻特性:RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性當(dāng) f=f0 時的反饋系數(shù)為1/3 ,且與頻率f0的大小無關(guān)。此時的相角 F = 0。VoRfR1CRCRVfRC橋式振蕩電路Rf 2R1振蕩頻率:RCf210已知RC串并連選頻電路諧振時反饋系數(shù)為1/3，Vf與Vo相位差為0。所以要使電路能產(chǎn)生產(chǎn)生正弦振正弦振蕩蕩，放大器必須是同相放大器，且放大倍數(shù)要大于3。VoRfR1

6、CRCRVf穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施2 :利用非線性器件穩(wěn)幅iDvDVoRfR1CRCRD1D2穩(wěn)幅措施1 : Rf 采用負溫度系數(shù)的熱敏電阻 R1采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻RC橋式振蕩電路仿真仿真電路結(jié)果場效應(yīng)管穩(wěn)幅音頻信號發(fā)生器場效應(yīng)管穩(wěn)幅音頻信號發(fā)生器RC選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)輸出經(jīng)D整流和R4C3濾波后，經(jīng)R5和RP4加在場效應(yīng)管柵極。輸出幅度增大，VGS負向增大，RDS增大使放大倍數(shù)減小。2. 移相式選頻網(wǎng)絡(luò)和移相式式振蕩電路f/f01-270-1800f/f012701800RCf6210 滯后移相式選頻網(wǎng)絡(luò)CRCRCRVoVf超前移相式選頻網(wǎng)絡(luò)VoCRCRCRVf移相式選頻網(wǎng)絡(luò):超前移相仿真滯后

7、移相仿真移相式RC振蕩電路超前移相式RC振蕩器CRCRCRVoRfR1VoRfR1CRCRCR滯后移相式RC振蕩器雙T式選頻網(wǎng)絡(luò)注：有源濾波器 中R=R/2CRCR2CR0-180RR/2f/f0-360f/f090-900RR/2雙T式選頻網(wǎng)絡(luò) 仿真(RR/2)雙T式選頻網(wǎng)絡(luò) 仿真(R R/2)例1: 判斷電路能否產(chǎn)生振蕩CRCCRT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCCCCT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCC判斷電路能否產(chǎn)生振蕩CCT1T2Re1Re2Rc1Rb1VCCCRRReR1R2R4R3RRRCCCVCC-VEE變壓器反饋式變壓器反饋式電感三點式電感三點式電容三點式電容

8、三點式分類分類9.1.3 LC 正弦波振蕩電路 LC正弦波振蕩電路可產(chǎn)生1000MHz以上的正弦波信號，而一般運放頻帶較窄，高速運放價格昂貴，所以LC振蕩電路中的放大器一般采用分離元件組成。1. LC 并聯(lián)回路的基本特性R: 回路的等效耗損電阻等效阻抗:LjRCjLjRCjZ+1)+(1=IV=)1()1(1CLjRCLCLjRLjCjZ -LR :一般有 LC 并聯(lián)回路 LCRIIUL+_VLC 并聯(lián)回路的基本特性)1()1(1CLjRCLCLjRLjCjZ -b. 諧振時的等效阻抗CQLQRCLZ000 CLRRCRLQ1100 Q: 回路品質(zhì)因數(shù),用來評價回路損耗的大小, 一般為幾十到幾

9、百a. 諧振頻率LC10LCf210LC 并聯(lián)回路的基本特性c. 諧振電流諧振電流諧振時,回路呈純電阻性,這時 V 與 I 同相輸入電流:QCVZVI00諧振電流:CVCjVIL01IQIL即 LC 并聯(lián)回路 LCRIIUL+_VLC 并聯(lián)回路的基本特性d. 回路的頻率特性回路的頻率特性:諧振回路的選頻性能主要取決于Q, Q越大越大,選頻性能越好選頻性能越好)1(CLjRCLZ -在 f = f0 時,回路為純阻性純阻性,且阻抗最大RCLZ =02. 選頻放大器CLRLviRb1Rb2Tr1Tr2CbReCeTVCC+vo-當(dāng)輸入信號頻率等于LC回路諧振頻率時輸出信號最大3.變壓器反饋式正弦波

10、振蕩器 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同名端，可使反饋極性發(fā)生變化。調(diào)整反饋線圈的匝數(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。變壓器反饋式正弦振蕩器分析方法判斷能否產(chǎn)生振蕩的一般方法和步驟：a. 檢查電路的組成部分c. 將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時 極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件 b. 檢查放大電路是否正常工作d. 分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅度條件。 一般AF應(yīng)略大于1+_+同名端的判斷:先找出交流公共端,如果輸出端與反饋端如果互為同名端則同相,否則反相例2: 試用相位平衡條件判斷電路能否

11、產(chǎn)生振蕩C1CR2R1VCCC1CR2R1VCCR3不能，直流偏置不對不滿足相位平衡條件能試用相位平衡條件判斷電路能否產(chǎn)生振蕩C2CR2R1VCCR3C1CeCR2R1VCCR3C1能能4. 三點式正弦振蕩器(1) 三點式振蕩器的一般結(jié)構(gòu)三點式振蕩器的一般結(jié)構(gòu) A：放大電路：1,3：輸入端2,3：輸出端Z2：電路負載Z1，Z3起反饋作用Z3Z1Z2Vo132AZ3Z1Z2roVoA三點式正弦振蕩器反饋系數(shù):311ZZZFv開環(huán)增益:oLLodvrZZAA-)/(312ZZZZLZLZ3Z1Z2Vo132A三點式正弦振蕩器如果Z1,Z2 ,Z3都是純電抗元件,則有:Z1= jX1 Z2= jX2

12、 Z3= jX3 LXCXLC-電感：電容1:所以:)()(31232121XXXXXXjrXXAFAoodvv-要使電路能產(chǎn)生振蕩,必須滿足:1vvFA)()(31232121ZZZZZZrZZAFAoodvv-環(huán)路增益:三點式正弦振蕩器a.)+( -=)+( -=0=+213312321XXXXXXXXX或即b.1=+-=)+(-=2131131221XXAXXXAXXXXXAFAodododvv)()(31232121XXXXXXjrXXAFAoodvv-所以對于反相放大器： X1 ，X2 必須是同類電抗元件， X3 與X1 或X2 是不同類電抗元件，要求：要使1vvFA三點式正弦振蕩器

13、結(jié)論: 對于反相放大電路，X1 、X2 必須是同類電抗元 件，X3 與X1 或X2 是不同類電抗元件； 對于同相放大電路，X1 、X2 必須是不同類電抗 元件，X3 與X1 或X2 是同類電抗元件。 Z3Z1Z2Vo132電容三點式/ VbeVceVfIO矢量圖2121021:CCCCCLCf 振蕩頻率VCCLCb1Cb2C1C2LC1C2VbeVceVf+-+-ILC1支路呈感性,電流滯后電壓90度；C1上電壓滯后電流90度-+電感三點式MLLLCLf2+=21:210振蕩頻率VbeVceVfIOL2CL1VceVf+-IL1C支路呈容性,電流超前電壓90度; L1上電壓超前電流90度-+-

14、VbeVCCL2Cb1Cb2CL1Ce常見的電感三點式電路常見的電容三點式電路兩種改進型電容三點式振蕩電路克拉潑電路 (Clapp)西勒電路 (Seiler )回路的總電容回路的總電感并聯(lián)回路的諧振頻率就是振蕩頻率: : 2100CLCLff :LC VCCLCb1Cb2C1C2VCCLCb1Cb2C1C2例3: 試用相位平衡條件判斷三點式電路能否產(chǎn)生振蕩能不能判斷三點式電路能否產(chǎn)生振蕩VCCLCb1C1C2能能VCCL2Cb1CL1判斷三點式電路能否產(chǎn)生振蕩VCCLCb1Cb2C1C2Vo+-能不能，直流偏置錯誤。在發(fā)射極與電感線圈間加隔直電容VCCL2Cb1C1L1作業(yè)9.3.19.3.2

15、9.3.69.1.4 石英晶體正弦波振蕩電路1. 基本知識(2) 符號和等效電路優(yōu)優(yōu) 點點 : Q值很大 頻率穩(wěn)定度高(1) 壓電效應(yīng) 壓電諧振問題諧振與振蕩是相同的嗎？石英晶體諧振分析L、C組成串聯(lián)諧振電路L、C、C0組成并聯(lián)諧振電路因此晶體有兩個諧振頻率：LCfs 21串聯(lián)諧振頻率:000121CCfCCCCLfsp 并聯(lián)諧振頻率:C02PC0.01PL2.5HR640石英晶體諧振分析串聯(lián)諧振時有最小阻抗，且相移為0。并聯(lián)諧振時有最大阻抗，相移不為0。一般CC0 ，fs與fp接近石英晶體振蕩電路串聯(lián)并聯(lián)石英晶體振蕩電路串聯(lián)型 f0 =fs并聯(lián)型 fs f0 V 時, V o 為高 V+ V

16、 時, V o 為低 比較器的分析方法1.求出閾值: 輸出從一個電平跳變到另一個電平 時（這時運放的兩個輸入端之間可視為虛短虛 斷）所對應(yīng)的輸入電壓值。2. 分析輸入與輸出的關(guān)系,畫出傳輸特性 9.2.1 簡單電壓比較器過零比較器： 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所示。簡單電壓比較器 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所示。電壓幅度比較器：過零比較器應(yīng)用同相比較器反相比較器反相比較器波形圖同相比較器波形圖?傳輸特性?限幅比較器同相端與反相端間的電壓?輸出幅度?同相端與反相端間的

17、電壓?輸出幅度?+_R1R2vivoVD=0.7VVD =.2VVZ+_R1R2vivoVD=0.7V9.2.2 滯回比較器a. 反相輸入滯回比較器臨界狀態(tài)下有:PNIN=vv=vv2112RRvRVRvORP1212+RRVRVR=VZRT1212-+- RRVRVR=VZRTvI-+AR2vOR1R3VZVRvNvP滯回比較器當(dāng)vI從VT-逐漸增大，增大到vI VT+時， vo=-Vz vP=VT-zzVVRRRVVV211 -TT-當(dāng)vI VT-時，vo=+Vz vP=VT+當(dāng)vI從VT+逐漸減小，減小到vI VT-時， vo=+Vz vP=VT+(VR=0V)vI-+AR2vOR1R3

18、VZVRvNvP滯回比較器輸入輸出波形VT+VT-(VREF=0V)滯回比較器IoRPvRRRvRRRVv212211oRIvRRVRRv2121-)+1 (=ZRTVRRVRRV2121+)+1 (=ZRTVRRVRRV2121-)+1 (=臨界狀態(tài)下有:RPNRN=V=vv=Vvb. 同相滯回比較器vI-+AR2vOR1R3VZVRvPvN同相滯回比較器電壓傳輸特性VT+VT-(VREF=0V)zVRRVVV21 -TT2-vRVT+VT-vIvOVOHVOL滯回比較器應(yīng)用為了提高簡單電壓比較器的抗干擾能力滯回比較器應(yīng)用正弦波變換為矩形波 有干擾正弦波變換為方波9.2.3 窗口比較器設(shè)R1

19、 =R2，則有：DLHDCC212DCCL2+=)2-(21=+)2-(=VVVVVRRRVVV 當(dāng)vIVH時，vO1為高電平，D3導(dǎo)通；vO2為低電平, D4截止，vO= vO1 = VOH。窗口比較器當(dāng)VH vI VL時，vO1為低電平，vO2為低電平，D3、D4截止，vO為0V；傳輸特性當(dāng)vI VL時，vO2為高電平，D4導(dǎo)通；vO1為低電平，D3截止，vO= vO2 = VOH 。9.2.4 三態(tài)比較器截至導(dǎo)通221100DvVvDvVvoOHooRHI0002211oooRHIRLvDvDvVvV截至截至截至導(dǎo)通112200DvVvDvVvoOLooRLIvI-+A2vOR3R4VZ

20、VRL-+A1R1R2VRHD1D2vo1vo2R5vOvIVRLVRHVOHVOL9.3 非正弦波產(chǎn)生電路占空比占空比 =T1TTT1矩形波方波05VTTL波 矩形波發(fā)生電路的基本工作原理方波經(jīng)積分變?yōu)槿遣? 矩形波積分變?yōu)殇忼X波9.3.1 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，電路如圖所示。方波發(fā)生電路工作原理(2)當(dāng)vc=VNVP時，vo=-VZ，所以：電容C放電， vc 開始下降。21Z2P+-=RRVRV(1)電源剛接通時, 設(shè)：21Z2PZOC+=,+=, 0=RRVRVVvv所以電容C充電， vc 開始升高；(3)當(dāng)vc=VNVp時，vo=+VZ ，返

21、回初態(tài)。方波發(fā)生電路輸出波形 方波周期用過渡過程公式可以方便地求出： )21ln(212fRRCRTZtcZttcfVvVRRRvCR-=+=212=1其中：)0(+)-1 ()(-)0(=)(-)0(+)(=)(-ctcctccccvevvevvvtv過渡過程公式：t1t2方波發(fā)生電路波形周期計算t1t212-=2ttTZCRt-ZZcV+RRR+)-e)(V+RRR-=(-Vvf2122121)21ln(212fRRCRTZCR-TZZZV+RRR)+-e)(V+RRR-(-VV+RRRf21222122121=-ZcV+RRR=v212-2T=t時，當(dāng)211tt -t=ttt，且其中：方波發(fā)生電路改進占空比可調(diào)的矩形波電路 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)的矩形波電路如圖。 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。矩形波電路的占空比可調(diào)占空比為：%100%1002111TTCRrRf1d w1 其中， 是二極管D2的導(dǎo)通電阻。即改變 的中點位置，占空比就可改變。wR2dr 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-思考題：思考題：正弦振蕩與非正弦振蕩的原理有什