模拟电路9章节波形产生电路

1第九章 波形产生电路9.1 正弦波振荡电路的条件 正弦波振荡器是一种无输入信号，包含选频网络的正反馈放大电路。9.1.1产生正弦波的条件 vo vf基本放大器A反馈网络FvidnFAFAVVFAFid211相位平衡条件振幅平衡条件：与负反馈放大器中所得到的自激条件相矛盾吗？相位平衡条件决定振荡频率29.1.2 振荡的建立和稳定 振荡电路的初始信号是电路中存在的扰动与噪声。选频网络从扰动和噪声信号中，挑选出满足相位平衡条件的频率分量。为了能使振荡从小到大建立起来，刚起振时，必须使反馈信号的幅度大于等效输入信号的幅度。nFAFA21起振条件是：当幅度增大至一定值时，放大电路进入非线性区,增益A随输出幅度增加而逐渐减小，最终使 达到幅度平衡，振幅稳定下来。1FA可以利用放大管的非线性限幅，也可以在放大电路中增加其他非线性元件，幅度增加时，应使增益下降。3Avo vf基本放大器反馈网络Fvi反馈特性基本放大器幅度特性vi，vFvo振荡的建立及稳定过程49.1.3 正弦波振荡电路的组成和分析方法正弦波振荡电路包括:放大电路，起能量转换和控制作用。反馈网络，保证是正反馈。选频网络，保证建立单一频率的振荡。稳幅环节，稳定输出幅度，减少非线形失真。分析方法:检查是否包括放大电路,反馈网络和选频网络，放大器是否有正常的交、直流通路。检查电路是否满足相位平衡条件,估算振荡频率,电路的振荡频率由相位平衡条件决定。分析幅度起振条件。59.2 RC正弦波振荡电路9.2.1 电路原理图9.2.2 RC串并联选频网络的频率特性RCjRCRCjZZZFjRCjCRZjCRZ1)(31)1(31111/100021221voZ1Z2RC AR1vfRfRC63)()(31002002arctgFFFF相频特性幅频特性oFFRCffRC031211max007111RRAFAF起振条件1231RRAFAF9.2.3 振荡条件振荡平衡条件voZ1Z2RC AR1vfRfRC用C作频段选择，调节R作频率微调。RCfFAFA210,000振荡频率：相位平衡条件：1231311RRAAFAF，幅度平衡条件：对放大器的要求：同相放大器稳定振荡时，增益等于3 起振时，增益大于3输入阻抗高，输出阻抗低89.2.4 稳幅措施1 用热敏元件稳幅用温度系数为负的热敏元件代替Rf。Vom,PRF,T ,RF,AV=1+RF/R1 或温度系数为正的热敏元件代替R1。2 场效应管稳幅输出幅度增加时，应使放大器增益下降R5RP4 ARp3VC3voDR4CR3RRC场效应管工作在可变电阻区。Vom,VC,VGS RDS,AV=1+RF/(R1+RDS)9例9.2.1:R1=5.1K R2=9.1K，R3=2.7K R=10K C=0.015Ftvo14v-14vR1R2R3vo ARRCCD1D23 求当R2=0时输出波形AV3vo增大，D1,D2导通，并联等效电阻下降，AV减小。2 设二极管正向压降0.6V，估算Vom。稳幅时,AV=3，R3,+R2=2R1,R3,=1.1K0.6/R3,=Vom/(R3,+R1+R2),Vom=8.35v 4 R2=时输出波形AV=，理想情况下为方波，实际波形如右图。109.3 LC正弦波振荡电路LC振荡器用L、C并联谐振电路作选频网络，一般用来产生1兆Hz以上的高频正弦波信号。v0CLRiSiCiL谐振频率：呈电阻性发生谐振，ZLCCLjRCLCLjRjCjLRZ1)1()1(1)(09.3.1 LC选频放大器1 并联谐振回路特性谐振频率LCf21011谐振时，等效阻抗为纯电阻，达Z的最大值。Z0=L/RC谐振回路的品质因素 Q=0L/R=1/(RC0)Z0=Q2R谐振时端口电压同相，达最大值与SSsIRCLIZIV00输入电流与支路电流的关系 arctgQIQarctgQLRIRCLjLRVIIjQjCRCLIjCVISSLSSC2020000000)(ILIC=QISSILICI12阻抗Z的频率特性Z的幅频特性和相频特性具有带通特性。f=f0时，电路为纯电阻，达最大值。ff0时，电路呈电容性。Q值越大，幅频特性越尖锐，选频特性越好。相频特性越陡峭，振荡频率越稳定。)(1)/1(/000RjLRCLCLjRCLZ0021jQZZ)(0139.3.2 变压器反馈式LC振荡电路Cg、Rg用来产生自生栅偏压 LRVDDCMCgRg(+)(-)(-)(+)(-)(+)1,电路的组成及起振条件rdsgsVZrZrZVVAdsdsgsdV1rdsgsmVgMLRCdVgsVgsd=gmrdsjLRMjVjLRVMjVVFdsdsdsgsjLRjRCLCjLRjCZ)1(112)()1()(2dsdsVRCrLjLCrRjLRA141)()1(12dsdsVRCrLjLCrRMjFA振荡的平衡条件：LCfLCrRLCLCrRdsds211110)1(2相位平衡条件：LMRCggrRCrLMFAmmdsdsV1幅度平衡条件：LMRCgm起振条件：15刚接通电源时，Cg未充电，VGS=0，管子的跨导最大，满足起振条件。起振后，栅源间PN结整流，当时间常数g=RgCg振荡周期时，电容Cg充电到栅极电压的峰值，为栅极和源极提供负偏压Vgs。（自生栅偏压）随着振幅的增长，栅源电压越负，工作点下移，gm减小，直到|AF|=1时，达到稳定，输出一定频率的等幅的正弦波。iDiDvGSvGStt利用自生栅偏压和跨导的非线性稳幅。LRVDDCMCgRg2 振荡的建立和稳定16 一般原理组成：三个电抗元件组成，三个端点分别与晶体管的三个极相连，或运放的两个输入及输出端相连。9.3.3 三点式LC振荡电路oFooIjXVIjXV21X1，X2，X3为何种性质，才可产生振荡？由相位条件A+F=2n 在谐振频率处A=所以必须F=（vf与vo反相）要使vf与vo反相，X1、X2必为同种性质的电抗，又由于要形成谐振，X3的电抗性质必与X1、X2相反。与发射极相连的两个电抗性质必须相同，另一个则相反。同理，与运放同相输入端相连的两个电抗性质必须相同。三点式振荡器的振荡频率可以用下式估算 X1+X2+X3=0idVX3X1X2fVoVoI171电感三点式振荡电路(哈特莱振荡器)振荡频率MVCCR1R2Ce CL1L2CbRe012021321CMLLXXXL1vivf vcL2CM 起振的幅度条件只要AV足够大，适当调节L2/L1的值，可实现起振。(+)(-)(+)(-)(+)(-)CMLLfCMLL)2(21)2(12121电路特点调节频率方便，用于产生几百千Hz至几十兆Hz的频率。输出波形中含有较大的高次谐波，波形较差。182 电容三点式振荡电路（考毕兹）振荡频率起振的幅度条件 只要值较大，适当调节C2/C1的大小就可起振。011021321CCLXXXReVCCR1R2CeLC1C2LCCbC1C2LiVfVoV(+)(-)(+)(-)(+)(-)(21)(121212121CCCCLfCCCCL电路特点反馈电压取自电容，电容对高次谐波阻抗很小,反馈电压中谐波分量较小，输出波形较好。振荡频率很高，可达100MHz以上。调频不方便，用于固定频率振荡。193 电容三点式改进型振荡电路(克拉泼振荡器)选取：C3C1,C3C2321LCfo调节频率时反馈系数可保持恒定，提高振荡频率的稳定性。ReVCCR1R2CeLC1C2LCCbC3C3C1C2LiVfVoV209.3.4 石英晶体振荡器1 正弦波频率稳定问题 频率稳定度：在一定时间间隔内频率的相对变化量f/f0引起频率不稳的因素有：L、C的变化（机械变形，环境影响）回路电阻的变化（负载的变化）有源器件参数的变化谐振回路品质因素Q是决定频率稳定度的重要因素。提高频率稳定度的措施：减少可产生参数变化的原因，提高回路Q值。21 2 石英晶体的基本特性与等效电路晶片的压电效应在石英晶片的两个面间加一电场，晶片会产生机械形变。反之，在晶片两个面间上施加机械力，则在相应方向产生电场。这种机电相互转换的现象称为压电效应。加交变电压机械变形振动产生交变电压。石英晶体的基本特性压电效应石英的化学成分为 sio2，晶体呈六角锥型，具有各向异性的特性。按一定方位切下的一个薄片称晶片。压电谐振：当外加交变电压的频率与晶片固有频率相等时，振幅最大。22石英晶体等效电路CRL C0符号C0：静态电容L：模拟机械振动的惯性C：模拟晶片的弹性R：模拟晶片振动时的 磨擦损耗石英晶体的电抗-频率特性（忽略R)1()1(111232LCCCLCCjLCjCjCjCjLjCjXoooo)()1(22ooLCCCCLCX23石英晶体在并联谐振时,电抗为并联谐振频率：)()1(22ooLCCCCLCXfsffp：呈感性，且等效Q值很高。ffp：呈容性。f=fS：呈电阻性。ooopCCLCCCCCLf12121LCfs21石英晶体在串联谐振时，电抗为0，等效为小电阻。串联谐振频率：Xf0fsfp容性容性感性电阻性ospCCff1)spoffCC24串联谐振频率的调整CS)()(122oSoSSoSoSLCCCCCCCLCCCCCXXpSSSosfffCCCLCf121)211(CCCSo)(21(SoSSCCCff)(2SoSSSCCCfff频率相对变化量：晶振产品的标称频率是外结电容后校正的频率。25 3 石英晶体振荡器串联型晶体振荡电路晶体工作在串联谐振频率fs处，利用其阻抗为纯电阻且为最小的特性来构成振荡电路。并联型晶体振荡电路晶体工作在fs和fp之间，利用晶体为高Q电感，与外接电容组成并联谐振回路来产生振荡。26串联型晶体振荡电路R3R6VCCvoR1R2R4R5CeCb频率为串联谐振频率fs时，晶体为纯电阻，满足相位条件，振荡频率为fs。适当调节R5的大小就可以改变反馈的深度，以便获得良好的波形输出。27并联型晶体振荡器当工作频率在fsfp之间时，晶体呈感性。构成电容三点式振荡电路。振荡频率基本由晶体的固有频率决定。R1VCCReR2CeC1C2RC石英晶体的等效Q值很高，振荡频率很稳定。频率稳定度可高达10-9 10-11。289.4 非正弦信号产生电路一般情况集成运放开环运用或加正反馈运用。运放工作在非线性区特点:输出电压只有两种可能。当V VP PV VN N 时:运放输出达最大V VOHOH当V VP PV VN N 时:运放输出达最小V VOLOL输入电流为零。I IP P=I=IN N=0=0虚短路不成立 V VP PVVN N9.4.1 比较器比较器用于将输入信号与参考电压进行比较，两者相等时，输出端产生电压的突变。VOVP-VNVOH-VOLVP-VNVOH-VOLVO29 AVREFVidViVo门限电压Vth:使输出电压从一个电平跳变到另一个电平时所对应的输入电压。求门限电压的方法是:令VN=VP如果VREF=0，为过零比较器。输入电压加于同相端，为同相比较器。ViVREF:Vo=VOHViVREF:Vo=VOLVth=VREF voviVOHVOLVREF1 单门限比较器传输特性30反相单门限比较器 voviVOHVOLVREF将Vi,VREF交换位置，则为反相比较器。ViVo AVREF31例:下图电路中，输入波形为正弦波，试画出输出电压的波形。VoHVoLt优点:电路简单,灵敏度高缺点:抗干扰能力差 AVidViVoRL RVo,VL32vi单门限比较器抗干扰能力差VthvoviVthvo输入无干扰时输入有干扰时33具有迟滞回环传输特性的比较器。AVREFVidViVoR2R1R1,R2构成正反馈网络，使门限电压受到输出电压的影响。2 迟滞比较器 组成门限宽度或回差电压Vth=Vth+-Vth-=R2(VOH-VOL)/(R1+R2)212211RRRVRRRVVoREFP门限电压计算212211RRRVRRRVVVVVoREFthini212211RRRVRRRVVVVOHREFthOHo时当212211RRRVRRRVVVVOLREFthOLo时当34设Vo=VOH 此时 Vp=Vth+输入由小变大 当ViVth+时 Vo=VOL 传输特性设Vo=VOL 此时 Vp=Vth-输入由大变小 当ViVth-时 Vo=VOL不变 当Vi=Vth-输出产生上跳变 当ViVth-时 Vo=VOH Vth-VOHVOLViVoVth+输入信号加于反相端为反相迟滞比较器 AVREFVidViVoR2R135同相迟滞比较器 AVREFViVoR2R1REFoipVRRRVRRRVV212211Vth-VOHVOLViVoVth+12121RRVRRRVVVoREFthi12121RRVRRRVVVVOHREFthOHo12121RRVRRRVVVVOLREFthOLo36ViVo-5V5V10V-10V 0 1.求门限电压 例:9.4.2R2 20k AViVoR1 20kR3 10kR4 1kVZ10V2.传输特性3 输出波形ViVott5v-5v10v-10vVi=Vp=VoR2/(R1+R2)Vth+=R2VZ/(R1+R2)=5VVth-=-R2VZ/(R1+R2)=-5V 379-4-2 方波产生电路(多谐振荡器)1 矩形波产生原理H具有延迟作用的反馈网络vovfL开关器件 基本组成部分具有开关特性的器件具有延迟作用的反馈网络延迟时间决定振荡频率。振荡条件无论输出电压为高电平或低电平，经过一定的延迟时间后，反馈电路通过开关器件使输出改变状态，那么就能产生周期性的振荡。tvo382 方波产生电路电路的构成 Rf、C电路起反馈和延迟作用，反相滞回比较器起开关作用。反相滞回比较器的门限电压：Vth+=R2VZ/(R1+R2)Vth-=-R2VZ/(R1+R2)RfVoR2R1 AC AR2CR1RfRVZVo39振荡周期振荡周期设t=0时 Vc=0 Vo=VZCRTttVVVVtVVRRRVtVeVtVVtVfZCththCZthCttCCCC2)()()()()()()(12221211212)21ln(212RRCRTf1)()()()(1ttCCCCeVtVVtVRC电路三要素公式：一阶 AR2CR1RfRVZVoVOtVZ-VZ403 占空比可调的矩形波发生电路占空比：脉冲波高电平时间与周期时间之比。要改变占空比只需改变电容的充放电时间常数。C AR2R1RVZVoRf1Rf2D1D2)21ln()21ln(12221211RRCRTRRCRTffT1T241A1同相输入迟滞比较器A2积分器9.4.3三角波形发生器t1t2t3T/2T/2Vth+Vth-Vo A1Vo1R1R2R3VZRCVoA2R4R5Vo1 VZ-VZ门限电压：Vp1=Vo1R1/(R1+R2)+VoR2/(R1+R2)=0得：Vo=-R1Vo1/R2当Vo1=-VZ时：上门限Vth+=R1VZ/R2当Vo1=VZ时：下门限Vth-=-R1VZ/R242振荡周期和频率vo1 VZ-VZt1t2t3T/2T/2Vth+Vth-vo方波的幅度：VZ锯齿波幅度：Vth=R1VZ/R2)()()()()()()(1211211121ttRCvtvtvttRCvtvtvtvtttoooooCo21)(4RRRCT 12)(4RRCRf 2)(12TRCVVttRCVVVZthZththZththVRRVV2143电容的正向充电电阻为 R4/R输出下降时间 使电容的充电电阻与放电电阻不等，就得到锯齿波。VoT1T2Vth+Vth-锯齿波信号发生器Vo1R2R1R3VZCVoDR4RA1A22142)/(2RCRRRT 电容的反向充电电阻为 R输出上升时间 2112RRCRT 214)/(2RCRRRRT