模擬電子技術(shù)第八章教材

8.1正弦波振蕩電路8.1.1概述~放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)如果反饋電壓uf

與原輸入信號(hào)ui

完全相等，則即使無(wú)外輸入信號(hào)，放大電路輸出端也有一個(gè)正弦波信號(hào)——自激振蕩。(電路要引入正反饋)圖

8.1.2正弦波振蕩電路的方框圖一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件第八章

波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換由此知放大電路產(chǎn)生自激振蕩的條件是：即：所以產(chǎn)生正弦波振蕩的條件是：——幅度平衡條件——相位平衡條件電路起振的條件：

二、正弦波振蕩電路的組成及分類(lèi)

組成：放大電路：集成運(yùn)放選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：非線性環(huán)節(jié)，使輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定分類(lèi)：RC正弦波振蕩電路，頻率較低，在1MHz以下。LC正弦波振蕩電路，頻率較高，在1MHz以上。石英晶體振蕩電路，頻率較高，振蕩頻率非常穩(wěn)定。三、判斷電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩的方法和步驟

1.檢查電路是否具備正弦波振蕩的組成部分；

2.檢查放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是否能保證放大電路正常工作；

3.分析電路是否滿足自激振蕩的相位平衡條件判斷相位平衡條件的方法是：瞬時(shí)極性法。5.估算振蕩頻率和起振條件4.判斷是否滿足振幅平衡條件。8.1.2

RC正弦波振蕩電路RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路也稱(chēng)RC橋式正弦波振蕩電路或稱(chēng)文氏振蕩電路(Wien)電路組成：放大電路

——集成運(yùn)放A；選頻與正反饋網(wǎng)絡(luò)——R、C串并聯(lián)電路；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)——RF與R

組成的負(fù)反饋電路。圖

8.1.4一、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)Z1Z2取R1=R2=R，C1=C2=C，令

則：得RC串并聯(lián)電路的幅頻特性為：相頻特性為：最大，

F=0。0

F01/3+90o-90o二、振蕩頻率與起振條件1.振蕩頻率2.起振條件f=f0時(shí)，由振蕩條件知：所以起振條件為：同相比例運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)為即要求：三、振蕩電路中的負(fù)反饋(穩(wěn)幅環(huán)節(jié))引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，可以提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，改善振蕩電路的輸出波形，提高帶負(fù)載能力。反饋系數(shù)改變RF，可改變反饋深度。增加負(fù)反饋深度，并且滿足則電路可以起振，并產(chǎn)生比較穩(wěn)定而失真較小的正弦波信號(hào)。圖

8.1.7反饋電阻RF采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻，均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)幅。穩(wěn)幅的其它措施電流增大時(shí)，二極管動(dòng)態(tài)電阻減小。電流減小時(shí)，動(dòng)態(tài)電阻增大，加大非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。在RF回路中串聯(lián)二個(gè)并聯(lián)的二極管四、振蕩頻率可調(diào)的RC橋式正弦波振蕩電路用雙層波段開(kāi)關(guān)接不同電容，作為振蕩頻率f0的粗調(diào)；用同軸電位器實(shí)現(xiàn)f0的微調(diào)。RC串、并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，如何調(diào)節(jié)頻率？8.1.3

LC

正弦波振蕩電路

一、LC

諧振回路的頻率特性當(dāng)頻率變化時(shí)，并聯(lián)電路阻抗的大小和性質(zhì)都發(fā)生變化。并聯(lián)電路的導(dǎo)納：當(dāng)電路發(fā)生并聯(lián)諧振。圖

8.1.10并聯(lián)諧振角頻率令：——諧振回路的品質(zhì)因數(shù)當(dāng)Q

>>1時(shí)諧振頻率：回路等效阻抗：LC并聯(lián)回路的阻抗：發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí)，在諧振頻率附近，可見(jiàn)，Q值不同，回路的阻抗不同。不同Q

值時(shí)，LC并聯(lián)電路的幅頻特性：Z01Z02Q1

>Q2Q1Q2相頻特性：

F+90o-90oQ1Q2Q1

>Q2感性純阻容性結(jié)論：

1.當(dāng)f=f0

時(shí)，電路為純電阻性，等效阻抗最大；當(dāng)f

<

f0

時(shí)，電路為感性；當(dāng)f

>

f0

時(shí)，電路為容性。所以LC并聯(lián)電路具有選頻特性。

2.電路的品質(zhì)因數(shù)Q愈大，選頻特性愈好。圖

8.1.11二、變壓器反饋式振蕩電路1.工作原理用瞬時(shí)極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。

-

2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件圖

8.1.14變壓器反饋式振蕩電路三、電感反饋式振蕩電路1.電路組成用瞬時(shí)極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。-

--2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件四、電容反饋式振蕩電路1.電路組成用瞬時(shí)極性判斷為正反饋，所以滿足自激振蕩的相位平衡條件。2.振蕩頻率和起振條件振蕩頻率起振條件

圖

8.1.20

--

-

-電容反饋式改進(jìn)型振蕩電路振蕩頻率選擇C<<C1，C<<C2，則：減小了三極管極間電容對(duì)振蕩頻率的影響，適用于產(chǎn)生高頻振蕩。圖

8.1.22名稱(chēng)變壓器反饋式電感反饋式電容反饋式電容反饋式改進(jìn)型電路形式振蕩頻率起振條件同左頻率調(diào)節(jié)方法及范圍頻率可調(diào)，范圍較寬。同左頻率可調(diào)，范圍較小。同左振蕩波形一般較差好好頻率穩(wěn)定度可達(dá)10-4同左可達(dá)10-4~10-5可達(dá)10-5適用頻率幾千赫~幾十兆赫同左幾兆赫~一百兆赫同左各種LC

振蕩電路的比較8.1.4石英晶體振蕩器

石英晶體諧振器，簡(jiǎn)稱(chēng)石英晶體，具有非常穩(wěn)定的固有頻率。一、石英晶體的特點(diǎn)

壓電效應(yīng)：在石英晶片的兩極加一電場(chǎng)，晶片將產(chǎn)生機(jī)械變形；若在晶片上施加機(jī)械壓力，在晶片相應(yīng)的方向上會(huì)產(chǎn)生一定的電場(chǎng)。

壓電諧振：晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時(shí)，振幅突然增加。1.壓電效應(yīng)和壓電振蕩

2.等效電路和振蕩頻率符號(hào)：串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率電抗頻率特性O(shè)fXfsfp容性容性感性圖

8.1.27圖

8.1.28二、石英晶體正弦波振蕩電路1.并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩電路交流等效電路振蕩頻率由于圖

8.1.292.串聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖

8.1.30串聯(lián)型石英晶體振蕩電路當(dāng)振蕩頻率等于fS

時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，此時(shí)正反饋?zhàn)顝?qiáng)，相移為零，電路滿足自激振蕩條件。振蕩頻率調(diào)節(jié)R

可改變反饋的強(qiáng)弱，以獲得良好的正弦波。8.2電壓比較器1.電壓比較器將一個(gè)模擬量輸入電壓與一個(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(kāi)環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。3.分類(lèi)：?jiǎn)蜗薇容^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，在測(cè)量、控制、D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路中應(yīng)用廣泛。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2.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(duì)應(yīng)的輸入電壓。3.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(guò)UT時(shí)，uO躍變的方向。二、理想運(yùn)放的非線性工作區(qū)+UOMuOuP-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(kāi)環(huán)狀態(tài)，就是工作在正反饋。8.2.2單限比較器一、過(guò)零比較器由于理想運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模增益為無(wú)窮大，所以當(dāng)uI<0時(shí)，uO=+

UOM；當(dāng)uI>

0時(shí)，uO=-

UOM；過(guò)零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOM-UOMO

UOM

為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。閾值電壓：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(duì)應(yīng)的輸入電壓。圖8.2.3利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器設(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)，不接穩(wěn)壓管時(shí)，uO=+

UOM，接入穩(wěn)壓管后，左邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，集成運(yùn)放的反向輸入端“虛地”，uO=+

UZ；

當(dāng)uI>0時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uO=-

UZ；圖8.2.6利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器(二)電路圖傳輸特性u(píng)IuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ問(wèn)題：如將輸入信號(hào)加在“+”端，傳輸特性如何？問(wèn)題：過(guò)零比較器如圖所示，輸入為正負(fù)對(duì)稱(chēng)的正弦波時(shí)，輸出波形是怎樣的？傳輸特性u(píng)IuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾ǘ蜗薇容^器單限比較器有一個(gè)門(mén)限電平，當(dāng)輸入電壓等于此門(mén)限電平時(shí)，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。當(dāng)輸入電壓uI變化，使反相輸入端的電位為零時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變，門(mén)限電平為：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ過(guò)零比較器是門(mén)限電平為零的單限比較器。圖8.2.7R1R2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(cè)輸入的模擬信號(hào)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滯回比較器一、從反相輸入端輸入的滯回比較器電路計(jì)算閾值電壓UT電壓傳輸特性u(píng)o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

UREF為參考電壓；；uI

為輸入電壓；輸出電壓uO為+UZ或-UZ。當(dāng)uP

=uN

時(shí)，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。比較器有兩個(gè)不同的門(mén)限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。

+UZuIuO-UZOUT-UT+圖8.2.10滯回比較器二、加了參考電壓的滯回比較器若uO=

UZ，當(dāng)uI

逐漸減小時(shí)，使uO由

UZ

跳變?yōu)?/p>

UZ

所需的門(mén)限電平UT-

回差(門(mén)限寬度)

UT：若uO=

UZ，當(dāng)uI

逐漸增大時(shí)，使uO由+UZ

跳變?yōu)?UZ

所需的門(mén)限電平UT+8.2.4窗口比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI

低于UREF2，運(yùn)放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1

截止，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；若uI

高于UREF1，運(yùn)放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2

截止，VD1

導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；圖8.2.13雙限比較器(a)前面的比較器在輸入電壓?jiǎn)我环较蜃兓瘯r(shí)，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測(cè)出輸入電壓是否在二個(gè)電壓之間。當(dāng)uI

高于UREF2而低于UREF1時(shí)，運(yùn)放A1、A2均輸出低電平，二極管VD1、VD2

均截止，輸出電壓uO為低電平；

上門(mén)限電平UTH=UREF1；

下門(mén)限電平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL綜上所述，雙限比較器在輸入信號(hào)uI

<UREF2

或uI

>UREF1時(shí)，輸出為高電平；而當(dāng)UREF2<

uI<

UREF1時(shí)，輸出為低電平。圖8.2.13(b)8.3非正弦波發(fā)生電路非正弦波：矩形波、三角波、鋸齒波和階梯波等圖8.3.1幾種常見(jiàn)的非正弦波8.3.1矩形波發(fā)生電路一、電路組成RC

充放電回路滯回比較器圖

8.3.2滯回比較器：集成運(yùn)放、R1、R2；充放電回路：R、C；（延遲環(huán)節(jié)、反饋網(wǎng)絡(luò)）鉗位電路：VDZ、R3。（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）二、工作原理設(shè)t=0時(shí)，uC

=

0，uO=+UZ則tOuCOuOtu+u-當(dāng)u-=uC

=u+

時(shí)，t1t2則當(dāng)u-=uC

=u+

時(shí)，輸出又一次跳變，uO=+UZ輸出跳變，uO=-UZ圖

8.3.4三、振蕩周期電容的充放電規(guī)律：對(duì)于放電，解得：結(jié)論：改變充放電回路的時(shí)間常數(shù)及滯回比較器的電阻，即可改變振蕩周期。t1t2tOuCOuOtt3圖

8.3.4振蕩頻率f=1/T四、占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路圖

8.3.5a使電容的充、放電時(shí)間常數(shù)不同且可調(diào)，即可使矩形波發(fā)生器的占空比可調(diào)。tOuCuOtOT1