ch8波形發(fā)生-正弦波振蕩電路2-電壓比較器-非正弦波發(fā)生電路

模擬電路（1月4日將確定取消考試資格名單）

2015年01月13日(星期二)14時(shí)30分～16時(shí)30分課程號主選班級考場人數(shù)18013800012013物理學(xué)(師范)01/2013物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院01H5-2045918013800012013物理學(xué)(師范)01/2013物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院01H5-205718013800022013物理學(xué)(師范)01/2013物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院01H5-20552自激振蕩的條件振幅條件相位條件n是整數(shù)放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動，這些擾動可分解為各種頻率的正弦波分量（可按傅里葉級數(shù)展開），其中也包括有fo分量的正弦波。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：|AF|>1，且

A+

F=2n，即可起振。(1)為使電路產(chǎn)生正弦波振蕩，標(biāo)出集成運(yùn)放的“+”和“-”，并說明電路是哪種正弦波振蕩電路。(2)若R1短路則電路將有什么現(xiàn)象？(3)若R1斷路則電路將有什么現(xiàn)象？(4)若Rf短路則電路將有什么現(xiàn)象？(5)若Rf斷路則電路將有什么現(xiàn)象？解：(1)上“-”下“+”，是RC橋式正弦波振蕩電路。(2)集成運(yùn)放只處于正反饋狀態(tài)，差模增益大，即便起振但輸出飽和；經(jīng)選頻后的正弦波電位非正即負(fù)，故輸出平臺幾乎為方波。(3)集成運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器，電壓放大倍數(shù)為1，不滿足正弦波振蕩的幅值條件，電路不發(fā)生起振，輸出為零。(5)集成運(yùn)放只處于正反饋狀態(tài)，差模增益大，即便起振但輸出飽和；經(jīng)選頻后的正弦波電位非正即負(fù)，故輸出平臺幾乎為方波。(4)集成運(yùn)放構(gòu)成電壓跟隨器，電壓放大倍數(shù)為1，不滿足正弦波振蕩的幅值條件，電路不發(fā)生起振，輸出為零?！?.1.3LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可產(chǎn)生高頻振蕩。由于通用型集成運(yùn)放的上限截止頻率太低，而高頻運(yùn)放價(jià)格又較高，故一般用分離元件組成放大電路。本節(jié)對LC振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)、相位條件判別及晶振應(yīng)用做簡單介紹。為提高RC橋式正弦波振蕩電路的f0,必須減小R和C的數(shù)值。當(dāng)R減小到一定程度時(shí)，同相比例運(yùn)算電路的輸出電阻將(同量級)影響選頻特性；當(dāng)C減小到一定程度時(shí)，晶體管的極間電容和電路的分布電容(由兩個(gè)存在壓差而又相互絕緣的導(dǎo)體所構(gòu)成，是由非電容形態(tài)形成的一種電容分布參數(shù))將(同量級)影響選頻特性。上述情況下f0不僅決定于選頻網(wǎng)絡(luò),還與放大電路參數(shù)有關(guān)。因此，當(dāng)f0較高時(shí)，應(yīng)選用LC正弦波振蕩電路。一、LC正弦波振蕩電路選頻網(wǎng)絡(luò)簡介諧振時(shí)回路電流比總電流大的多，外界對諧振回路的影響可忽略！CLR常見LC選頻網(wǎng)絡(luò)多采用LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)理想電路(無損耗)考慮電路損耗時(shí)的網(wǎng)絡(luò)信號頻率較低時(shí)容抗大，網(wǎng)絡(luò)呈感性;信號頻率較高時(shí)感抗(jωL)大,網(wǎng)絡(luò)呈容性;諧振角頻率定義品質(zhì)因數(shù)電抗（f=f0時(shí)）Q>>1時(shí)(R較小)當(dāng)f=f0，網(wǎng)絡(luò)呈純阻性，這時(shí)電路產(chǎn)生電流諧振,電容的電場能與電感的磁場能發(fā)生相互轉(zhuǎn)換。i頻率特性圖：電抗Z是頻率的函數(shù),Q值愈大曲線愈陡，選頻特性愈好。若以LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為共射放大電路的集電極負(fù)載,f=f0時(shí)電壓放大倍數(shù)最大且無相移,對于其余頻率電壓放大倍數(shù)不但減小且有相移,電路具有選頻特性,故稱選頻放大電路。若在電路中引入正反饋,并能用反饋電壓取代輸入電壓,則電路就成為正弦波振蕩電路。++––+

例1：正反饋+UCCCC1C2頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定變壓器同名端：指副邊感應(yīng)電動勢相位和原邊相同的那一端，且用星號或小黑點(diǎn)將它們標(biāo)記出來。二、相位條件的實(shí)例判別仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A.若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端相位相反。特殊：三點(diǎn)式LC振蕩電路三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地，則其他兩端相位相同。例2：正反饋頻率由C、

L1、

L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCCC1L1L2C2設(shè)uB

+uC

-uD2+uB

+uD1

-D2D1例3：正反饋頻率由L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCC1LC2ABCD設(shè)uB

+uC

-uD

+uB

+uA

-例4：正反饋+UCCC1C2設(shè)uB

+uC

-uE

-ube

+uA

-AECB+–頻率由L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。對于交流信號,電源相當(dāng)于“地”Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。（1）頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量，該值越小越好——頻率偏移量。——振蕩頻率。一般LC振蕩電路Q——數(shù)百晶振Q——10000

500000三、石英晶體振蕩電路（晶振）應(yīng)用品質(zhì)因數(shù)Q>>1（2）石英晶體的基本特性結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動交變電壓機(jī)械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大(共振)壓電諧振(3)石英晶體等效電路及隨頻率的變化規(guī)律(須牢記)當(dāng)LCR支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振(對應(yīng)頻率fs)，該支路呈純阻性R，此時(shí)石英晶體也呈純阻性R。晶體不振動時(shí)，等效為平板電容C0(靜態(tài)電容)；晶片振動時(shí)，機(jī)械振動的慣性等效為電感L，彈性等效為電容C(其值很小)，摩擦損耗等效為電阻R；C<<Co。f<fs時(shí)LCR支路呈容性；f>fs時(shí)LCR支路呈感性，而當(dāng)與C0產(chǎn)生并聯(lián)諧振(對應(yīng)頻率為fp，與fs在數(shù)值上很接近)時(shí)使石英晶體又呈純阻性。f8.2電壓比較器

1.電壓比較器將一個(gè)輸入電壓uI與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。

2.比較器中的集成運(yùn)放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。3.分類：單限比較器、滯回比較器及窗口比較器。

8.2.1概述

4.比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元。一、電壓比較器的傳輸特性1.電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數(shù)關(guān)系3.閾值電壓：UT當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應(yīng)的輸入電壓。2.電壓傳輸特性的三要素(1)輸出電壓的高電平UOH和低電平UOL的數(shù)值。(2)閾值電壓的數(shù)值UT。(3)當(dāng)uI變化且經(jīng)過UT時(shí)，uO躍變的方向。二、理想運(yùn)放的非線性工作區(qū)+UOMuOuI=uP-uNO-UOM集成運(yùn)放的電壓傳輸特性在電壓比較器中，集成運(yùn)放不是工作在開環(huán)狀態(tài)，就是工作在正反饋。對于理想運(yùn)放，閾值電壓UT是使得uP=uN得以實(shí)現(xiàn)的那個(gè)輸入電壓uI的數(shù)值。對于本圖，uI=uP-uN，顯然此時(shí)對應(yīng)的閾值電壓UT=0。8.2.2單限比較器一、過零比較器由于理想運(yùn)放的開環(huán)差模增益為無窮大，所以當(dāng)uI

<0時(shí)，uO=+

UOM；當(dāng)uI

>

0時(shí)，uO

=-

UOM

；過零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOM-UOMOUOM

為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。顯然，過零比較器的UT就是0改造：利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(一)——輸出端處理，集成運(yùn)放仍工作在非線性區(qū)電路圖傳輸特性uIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ設(shè)任何一個(gè)穩(wěn)壓管被反向擊穿時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為UZ

<UOM問題：1、如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？2、如果沒有R，會發(fā)生什么事情？——相反——穩(wěn)壓管燒毀由于穩(wěn)壓管的反向電流小于IZmin時(shí)不穩(wěn)壓,大于IZmax時(shí)會因超過額定功耗而損壞，所以在穩(wěn)壓管電路中必須串聯(lián)一個(gè)電阻來限制電流，從而保證穩(wěn)壓管正常工作，故稱這個(gè)電阻為限流電阻。只有在R取值合適時(shí)，穩(wěn)壓管才能安全地工作在穩(wěn)壓狀態(tài)。設(shè)任何一個(gè)穩(wěn)壓管被反向擊穿時(shí)，兩個(gè)穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為UZ

<UOMuIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ當(dāng)uI<0時(shí)，若不接穩(wěn)壓管，此時(shí)uN≈uI<0(虛斷引起)，則uO=+UOM；接入穩(wěn)壓管后，左邊穩(wěn)壓管被反向擊穿，集成運(yùn)放的反向輸入端“虛地”，使得uO

=+UZ

。改造：利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(二)——輸入端負(fù)反饋處理，集成運(yùn)放工作在線性區(qū)注：虛短概念僅適用于線性工作區(qū)同理，當(dāng)uI>0時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uO=-UZ

。問題：過零比較器如圖所示，輸入為正負(fù)對稱的正弦波時(shí)，輸出波形是怎樣的？將正弦波變?yōu)榫匦尾╱IuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ二、單限比較器當(dāng)輸入電壓uI

變化，使反相輸入端uN電位與同相輸入端uP電位（為零）相同時(shí)，輸出端狀態(tài)將發(fā)生跳變，則此時(shí)的uI即為閾值電壓：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ過零比較器是閾值電壓為零(此時(shí)UREF=0)的單限比較器。根據(jù)疊加原理可得[例1]在下圖（1）所示電路中，已知：UZ=±6V，圖（2）電路中：R1=R2=5kΩ，基準(zhǔn)電壓UREF=2V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±5V

；它們的輸入電壓均為圖示的三角波。試畫出相應(yīng)電路的輸出電壓波形

解圖（1）圖（2）存在干擾時(shí)單限比較器的uI、uO

波形單限比較器的作用：檢測輸入的模擬信號是否達(dá)到某一給定電平。

缺點(diǎn)：抗干擾能力差。

解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。8.2.3滯回(遲滯)比較器一.反相輸入端輸入的滯回比較器閾值電壓電壓傳輸特性uo從+UZ躍變到-UZ的

閾值電壓為+UTuo從-UZ躍變到+UZ的

閾值電壓為-UTuI在-UT與+UT之間增加或減小,uO不發(fā)生變化——抗干擾！注：正反饋促使uo在+UZ與-UZ之間轉(zhuǎn)換；集成運(yùn)放仍工作于非線性工作區(qū)比較器有兩個(gè)不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。為使滯回比較器的電壓傳輸特性曲線左右平移，需將2個(gè)閾值電壓疊加相同的正電壓或負(fù)電壓。把電阻R1接地端改接UREF。二.加了參考電壓的滯回比較器按照疊加原理，新的閾值電壓第一項(xiàng)是平移項(xiàng)(決定平移距離)，UREF的極性決定平移方向。如何使電壓傳輸特性曲線上下平移？改變穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓[例2]已知某電壓比較器的輸入波形和輸出波形。畫出電路圖及電壓傳輸特性圖；改造并畫出新的電路圖，使閾值分別為2V、-4V，若用到參考電壓，其值應(yīng)是多少？輸出為±UZ＝±9V1、輸出信號在輸入信號小于-3V和大于3V的表現(xiàn)說明是反相輸入；輸出信號在輸入信號介于3V和-3V的表現(xiàn)說明具備滯回特性(觀察從-3V到3V、從3V到-3V這二段表現(xiàn))?！嫵鲭妷簜鬏斕匦詧D——反相輸入端輸入的滯回比較器（畫出相應(yīng)的電路圖）2、對比改造前后的閾值，等于在原數(shù)值上減了1V，故應(yīng)在原滯回比較器上加參考電壓UREF。再將R2：R1＝2代入平移項(xiàng)，得UREF=-1.5V改造后，UREF應(yīng)滿足關(guān)系為平移項(xiàng)將±UZ＝±9V、代入U(xiǎn)T，可得R2：R1＝2改造前電路的關(guān)系情況為參考電壓URH>URL若uI低于URL，A1輸出u01為-UOM(VD1截止)，A2輸出uo2為+UOM(VD2導(dǎo)通)，uO

為+UZ。——虛線若uI高于URH，A1輸出u01為+UOM(VD1導(dǎo)通)，A2輸出uo2為-UOM(VD2截止)，uO

為+UZ?！獙?shí)線前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時(shí)，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在二個(gè)電壓之間。當(dāng)URL<uI<URH時(shí)，u01、u02均為-UOM(VD1、VD2均截止)，uO為0V。電壓傳輸特性8.2.4窗口比較器電阻R1、R2和穩(wěn)壓管Dz構(gòu)成限幅電路電壓比較器分析方法小結(jié)電壓傳輸特性的三個(gè)要素是輸出電壓的高低電平、閾值電壓以及輸出電壓的躍變方向。(3)寫出up和uN的電位表達(dá)式，令up=uN

，解得輸入電壓就是閾值電壓UT。

(2)在電壓比較器中,集成運(yùn)放多工作在非線性區(qū)；輸出電壓只有高電平和低電平兩種可能的情況（由限幅電路確定），因此可用電壓比較器作為模擬電路和數(shù)字電路的接口電路。(4)u0在uI

過UT時(shí)的躍變方向決定于作用于集成運(yùn)放的哪個(gè)輸入端。當(dāng)uI從反向輸入端輸入時(shí)，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L。反之，結(jié)論相反。(5)一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。一、電路結(jié)構(gòu)上下閾值電壓(此情況沒有外接輸入電壓)：集成運(yùn)放的輸入電壓變化依靠電容壓降（即負(fù)反饋引起的UN）的變化，即UN此時(shí)充當(dāng)uI的角色，由此可判斷該電路的二個(gè)閾值電壓UT（高電壓UH及低電壓UL）下行的滯回比較器，輸出經(jīng)上行的RC電路再輸入到此比較器的反相輸入端。－++RR1R2C+ucuo–8.3.1方波(