实用模拟电子技术教程第16章电子.ppt

实用模拟电子技术教程,主编：徐正惠,副主编：刘希真张小冰,第三篇模拟集成电路及其应用本篇介绍集成电路和模拟集成电路的分类、命名方法、封装方式等基本常识。在此基础上重点介绍集成运算放大电路、集成稳压电路、集成信号测量电路、集成仪表放大电路、集成功率放大电路、集成信号发生电路等。通过介绍和讨论，要求掌握或了解相关集成电路常用的型号、外型、封装、功能、主要性能指标和典型应用电路。要求掌握常用模拟集成电路应用电路的设计方法。,第16章集成信号发生电路,第三篇模拟集成电路及其应用,学习要求：掌握正弦波振荡电路的组成和起振条件；掌握正弦波振荡电路的分类，以及各类振荡电路的优缺点；学会识读变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式振荡电路，用瞬时极性判别法分析其形成正反馈的原理；正确找出各个电路的选频环节；掌握石英振荡电路的工作原理；了解函数发生器电路ICL8038的主要性能，读懂其典型的应用电路。,16.1正弦波发生电路的组成和起振条件,第16章集成信号发生电路,在许多控制或测量电路中，经常要用到各种波形的信号，例如正弦波、方波、矩形波、三角波、锯齿波等，这些信号需要通过特定的电路来产生。能产生这些波形信号的电路称为波形发生电路，也称波形发生器。按照所产生波形的不同，波形发生电路可以分为两大类：正弦波发生电路和非正弦波发生电路，正弦波发生电路也称正弦波振荡器。我们首先讨论正弦波发生电路。,16.1.1正弦波振荡的条件,16.1正弦波发生电路的组成和起振条件,正弦波发生电路是在没有外加输入信号的情况下，自行产生正弦波输出的电路。我们讨论这种能自行输出正弦波信号的电路应该满足怎么样的条件。,1、必须含有放大电路首先，这种电路必须包含有放大电路。有了放大电路，只要电路中存在微弱的正弦波信号，经过放大电路的放大，就可以使该电路产生正弦波信号输出，如图所示。,16.1.1正弦波振荡的条件,16.1正弦波发生电路的组成和起振条件,2、必须存在正反馈和反馈网络光依靠放大电路显然不能构成正弦波发生电路，因为只有正弦波信号输入时，放大电路才会产生正弦波输出，而该输入正弦波正是我们需要产生的。,如果电路中存在下图所示正反馈，情况就会发生变化。图Xi表示正弦波输入信号，X0表示正弦波输出，A为放大电路，F为反馈网络，Xd表示放大电路的净输入电压。,16.1正弦波发生电路的组成和起振条件,正反馈如何形成自激振荡？假设初始时刻有一个正弦波电压Xi输入，经过放大，输出正弦波信号X0，输出信号经反馈网络形成反馈信号Xf，通过正反馈，X0XfXdX0Xd，Xd增加到一定的程度，即使将输入信号Xi撤去，电路照样有正弦波信号输出。可见，引入正反馈后，只要有一个初始正弦振荡，通过正反馈，就可以在输出端得到正弦信号输出。电路中总存在某种扰动，这种扰动即可成为初始振荡，但这种初始振荡并不是正弦波，为此，还需要“选频网络”,16.1正弦波发生电路的组成和起振条件,3、必须包含选频网络选频网络的作用是使正反馈过程仅对某一确定的频率有效，因此，只有这个频率的信号能在输出端形成输出，这样，就可以得到正弦波信号输出。多数信号发生电路做法是将反馈网络和选频网络“合二为一”，使反馈网络具有选频的功能，即反馈网络只对某一确定频率的信号有最大的反馈系数，偏离这一频率的信号，其反馈系数大大下降，正反馈的结果，输出端输出的就是正弦波信号。,4、还必须有稳幅的环节幅度的环节，通常的做法是利用放大电路的非线性。由于放大电路元器件非线性的限制，X0达到一定的幅度后，电压放大倍数A的数值将降低，输出电压X0、反馈电压Xf和净输入电压Xd最后都将维持一个稳定的数值不变，电路达到动态平衡。,16.1正弦波发生电路的组成和起振条件,起振条件可以证明，电路自激振荡达到动态平衡时，放大倍数和反馈系数应满足关系：,上式包含两层意思：其一，平衡时放大倍数和反馈系数大小的乘积等于1，其二，反馈信号和放大电路输出信号位相相同（或相差2的整数倍）。为了使输出信号从电路接通电源开始有一个从小到大，直至达到平衡的过程，电路的起振条件为：,16.1.2正弦波振荡电路的组成和分类,根据上述分析，正弦波振荡电路的组成如下图所示。电路由放大电路A和反馈、选频网络组成，在分立元件组成的正弦波发生电路中，放大电路中晶体管依靠其非线性，同时起着稳幅的作用；反馈选频网络即起选频的作用，同时产生正反馈信号，形成电路的正反馈。,正弦波振荡电路组成,组成：,16.1.2正弦波振荡电路的组成和分类,分类：,按照反馈、选频网络的不同，正弦波振荡电路可以分为三类：,1、反馈、选频网络由电阻和电容组成的，称为RC正弦波振荡电路；2、反馈、选频网络由电感和电容组成的，称为LC振荡电路；3、由石英晶体选频的，称为石英晶体振荡电路。RC正弦波振荡电路的振荡频率比较低，一般在1MHz以下；LC正弦波振荡电路的振荡频率，一般在1MHz以上；石英晶体振荡电路等效于LC振荡电路，与LC振荡电路相比，其突出的优点是振荡频率非常稳定。,16.1.3正弦波振荡电路识读方法和步骤,根据上述关于正弦波振荡电路组成和起振条件的讨论，可以看出，对一个具体的振荡电路进行识读，应包含以下几方面内容：,1、检查电路是否包含放大电路、反馈、选频网络和稳幅环节。2、检查放大电路的静态工作点设置，判断其能否正常工作。3、用瞬时极性判别法，检查能否形成正反馈。4、判断是否满足AF1的起振条件，估算振荡频率。,16.2RC正弦波振荡电路识读,RC振荡电路中应用最广的是串并联网络振荡电路，也称文氏桥振荡电路。,1、RC串并联网络振荡电路结构这种电路典型的结构如右图所示，其放大电路采用集成运算放大电路（也可以采用晶体管放大电路），反馈、选频网络由串联的R、C和并联的R、C组成，因此称为串并联网络振荡电路。,16.2RC正弦波振荡电路识读,1、RC串并联网络振荡电路结构另一方面，串联的R、C，并联的R、C，电阻R1和RF正好组成一个电桥的四个桥臂（见图(b)），电路输出端和“地”接电桥的两个顶点，放大电路的两个输入端接另外两个顶点，因此也称文氏桥振荡电路。,改画为,16.2RC正弦波振荡电路识读,2、放大电路图（1）中运算放大电路被接成同相输入放大电路，信号从同相端输入，放大倍数为：,3、反馈、选频网络特性RC串并联网络既是选频网络，同时又是正反馈网络。网络的输入信号为U0（振荡电路的输出电压），输出的反馈电压为UF，两者之间的关系如图（2）所示。,图1,图2,16.2RC正弦波振荡电路识读,选频网络的频率特性RC串并联网络既是选频网络，同时又是正反馈网络。首先研究这一网络的频率特性，即输入信号U0的频率从零逐渐变化到无穷大时，反馈系数F变化的情况。,频率特性包含两个方面：其一，频率从零逐渐变化到无穷大时，反馈系数F的数值随频率的变化，称为RC串并联网络的幅频特性；其二，频率从零逐渐变化到无穷大时，反馈电压UF与输入电压U0之间的位相差随频率的变化，称为RC串并联网络的相频特性。,图2,16.2RC正弦波振荡电路识读,f=f0时，反馈系数达到最大，最大值F=1/3。,图2,16.2RC正弦波振荡电路识读,幅频特性：因此幅频特性曲线呈图(1)所示的尖峰状形态。,图2,16.2RC正弦波振荡电路识读,相频特性：RC串并联网络相频特性如下图所示，输入信号频率趋于零时，UF的位相将比U0超前90，输入信号频率趋于无穷大时，UF的位相将比U0落后90，输入信号频率f=f0时，UF和U0之间没有位相差。,16.2RC正弦波振荡电路识读,相频特性：RC串并联网络相频特性如下图所示，输入信号频率趋于零时，UF的位相将比U0超前90，输入信号频率趋于无穷大时，UF的位相将比U0落后90，输入信号频率f=f0时，UF和U0之间没有位相差。,可见，RC串并联网络对于频率为f0的信号相位移动为零，用极性判别法可以证明能形成正反馈。根据反馈网络的相频特性，频率偏离f0的其他信号因相位移动不等于零而不能形成正反馈。,16.2RC正弦波振荡电路识读,4、起振条件和振荡频率起振条件为,今F=1/3，因此只要A3，就能满足起振的条件。将运算放大器组成的放大电路的放大倍数Av代入，可得起振条件为：,证：,16.2RC正弦波振荡电路识读,总结：1、串并联网络振荡电路（文氏桥振荡电路）的结构如图,2、起振条件为：,3、振荡频率为：,16.3LC正弦波振荡电路识读,由于通用运算放大电路适用的频率比较低，而LC正弦波振荡电路常用于产生较高频率的正弦波，因此常见的LC正弦波振荡电路都由分立元件组成，必要时还采用共基极电路。典型的LC正弦波振荡电路有三种：变压器反馈式振荡电路；电感反馈式振荡电路；电容反馈式振荡电路。,16.3LC正弦波振荡电路识读,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,1、电路结构典型的变压器反馈式振荡电路如图所示，图中B1为变压器，有三个绕组，绕组L接晶体管VT1的集电极，绕组L1用来产生反馈电压，第三个绕组L2输出正弦波电压，RL为负载。绕组中的两个黑点，表示它们是这两个绕组的同名端，即同为绕组饶制时的“头”或“尾”。,16.3LC正弦波振荡电路识读,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,2、放大电路右图所示的振荡电路所使用的放大电路是由晶体管VT1组成的共射极放大电路。该电路采用分压偏置方式，Rb1和Rb2为基极电阻，Re为发射极电阻，形成直流负反馈，用以稳定静态工作点。Ce为旁路电容，避免Re对交流信号形成负反馈。与普通共集电极放大电路不同，图中的放大电路以LC并联网络为集电极负载。,16.3LC正弦波振荡电路识读,3、反馈、选频网络特性电路选频、反馈网络由变压器初级绕组LC并联回路和次级绕组L1组成。,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,16.3LC正弦波振荡电路识读,3、反馈、选频网络特性分析选频网络特性前，首先复习LC并联回路的频率特性。当LC回路两端电压为U时，流过电路的电流电流为I，用表示电流和电压之间的位相差，Z表示LC回路的等效阻抗的大小。LC回路的幅频特性：由右图所示。输入信号频率等于谐振频率f0时，阻抗达到最大值，偏离这一频率时，阻抗下降，频率趋于零或无穷大，阻抗趋于零。谐振频率f0等于：,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,16.3LC正弦波振荡电路识读,LC回路的相频特性：由右下图所示。信号频率等于谐振频率f0时，电压与电流之间的位相差为零，频率趋向零时，位相差等于90，频率趋于无穷大时，位相差等于90。可见，以LC并联回路为集电极负载的放大电路具有选频特性。当信号频率等于LC回路的谐振频率时，回路有最大阻抗，因此该频率下放大电路有最大的放大倍数（共射极放大电路的放大倍数与集电极阻抗成正比），而且无附加相移。对于其他频率的信号，不但放大倍数的数值下降，而且会有附加相移。,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,16.3LC正弦波振荡电路识读,反馈电压极性分析：绕组L1给出反馈电压，经电容C1耦合至放大电路的基极。是否构成正反馈，决定于绕组的方向，可以判别，按照图中所示的绕组方向，所构成的为正反馈。用瞬时极性判别法，设放大电路输入端极性为“+”，因共射极放大电路的倒相作用，集电极的极性为“”，绕组L加黑点的一端极性为“+”，绕组L1中加黑点的极性和L中黑点端同极性，也应该为“+”极性，经电容C1耦合至输入端，和原假设的极性相同，因此构成正反馈。,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,16.3LC正弦波振荡电路识读,4、起振条件和振荡频率可以证明起振条件为：,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,式中为晶体管VT1的电流放大倍数；rbe为发射结电阻；R为折合到LC谐振回路的等效损耗电阻，包括电感L的直流电阻等；M为绕组L和L1之间的互感。由上式可以看出，选择高的晶体管，减小互感M等有助于满足起振条件。,16.3LC正弦波振荡电路识读,总结：,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,1、LC正弦波振荡电路结构如右图所示；2、起振条件为：,3、振荡频率等于LC回路的谐振频率，等于：,16.3LC正弦波振荡电路识读,总结：,16.2.1变压器反馈式正弦波振荡电路,变压器反馈式振荡电路的优缺点优点：容易满足起振条件；振荡频率较高；输出波形失真不大，因此应用范围广。缺点：使用变压器，体积和重量都比较大；输出电压和反馈电压靠磁路耦合，因耦合不紧密而损耗较大；变压器铁芯容易产生电磁干扰；振荡频率稳定性不高。,16.3LC正弦波振荡电路识读,1、电路结构,16.2.2电感反馈式正弦波振荡电路,电感反馈式振荡电路如图所示。与变压器反馈电路相比较，变压器初级加了一个抽头，次级只有一个绕组，用来向负载输出。变压器初级绕组三个端点分别接到晶体管的三个极，上方的端点经电容C1接VT1的基极；下方的端点接VT1的集电极；中间的端点经电源、电容Ce接VT1的发射极。由于结构上的这一特点，电感反馈式振荡电路也称电感三点式振荡电路。,16.3LC正弦波振荡电路识读,2、放大电路,16.2.2电感反馈式正弦波振荡电路,放大电路和变压器反馈振荡电路中的相同，也是共射极选频放大电路。,3、反馈、选频网络特性反馈电压从电感L1获得，可用瞬时极性判别法判断所构成的为正反馈。,4、振荡频率即为（L1+L2）和C组成的并联谐振电路的谐振频率f0，它等于：,16.3LC正弦波振荡电路识读,2、放大电路,16.2.2电感反馈式正弦波振荡电路,放大电路和变压器反馈振荡电路中的相同，也是共射极选频放大电路。,3、反馈、选频网络特性反馈电压从电感L1获得，可用瞬时极性判别法判断所构成的为正反馈。,4、振荡频率即为（L1+L2）和C组成的并联谐振电路的谐振频率f0，它等于：,16.3LC正弦波振荡电路识读,5、起振条件为：,16.2.2电感反馈式正弦波振荡电路,式中为晶体管VT的电流放大倍数，rbe为VT的发射结电阻，RL为（包括负载电阻RL等）折合到VT管集电极与发射极之间的等效并联总损耗电阻。,6、优缺点：电感反馈式电路的优点是：L1和L2之间的耦合紧密，输出信号振幅大；当C采用可变电容时，输出信号频率可调，且调节范围较大，最高频率可以达到几十兆赫。缺点是：输出电压中唱含有高次谐波，因此，常用于对波形要求不高的场合，例如高频加热器、接收机的本机振荡等。,16.3LC正弦波振荡电路识读,1、电路结构,16.2.3电容反馈式正弦波振荡电路,电容反馈式振荡电路如图所示，与电感反馈式电路相比较，图中LC谐振电路中两个电感L1和L2被换成电容C1和C2，电容C被换成电感L。这样改变的目的是为了改善输出电压的波形。谐振电路中两个电容C1、C2的三个端点分别接到晶体管VT的三个极，由于这种结构上的特点，电感反馈式振荡电路也称电容三点式振荡电路。,16.3LC正弦波振荡电路识读,16.2.3电容反馈式正弦波振荡电路,16.3LC正弦波振荡电路识读,3、反馈、选频网络特性,16.2.3电容反馈式正弦波振荡电路,反馈电压由电容C2经耦合电容C3耦合至晶体管VT的基极。设基极瞬时极性为“+”，因共发射极放大电路的倒相作用，集电极极性为“”，C1上方端极性为“”，下方端极性为“+”，C2上方端极性为“”，下方端极性为“+”，经电容C3耦合，加到基极的电压极性为“+”，与原极性相同，因此构成正反馈。,16.3LC正弦波振荡电路识读,4、振荡频率,16.2.3电容反馈式正弦波振荡电路,振荡频率f0即为（C1+C2）、L并联谐振电路的谐振频率，它等于：,5、起振条件为：,式中为晶体管VT的电流放大倍数，rbe为VT的发射结电阻，RL为集电极电阻RC等折合到VT管集电极与发射极之间的等效电阻。,16.3LC正弦波振荡电路识读,6、优缺点：电容反馈式电路的优点是输出电压波形好，缺点是输出信号频率调节不方便。如通过C1或C2电容量调节的办法调节频率，调节时会影响起振条件，因此常用于固定频率或频率调节范围不大的场合。,16.2.3电容反馈式正弦波振荡电路,16.4石英晶体振荡电路识读,1、石英晶体的结构石英晶体的全称是石英晶体谐振器，简称石英晶体。将二氧化硅晶体按照一定的方向切割成晶片，表面抛光并涂敷银层，封装，即为石英晶体，其结构示意图和电路符号如图所示。其中(a)为结构示意图，(b)电路符号。,16.4.1石英晶体的等效电路和频率特性,16.4石英晶体振荡电路识读,2、石英晶体的等效电路和频率特性石英晶体的复杂性石英晶体是绝缘体，因此不通直流电，但可以通过交流电。将交流电压加到石英晶体两端，一方面，晶片及两面涂银层构成一只电容，显然会起导电作用，其导电特性和普通电容器相同；另一方面，石英晶体有压电效应，施加交变电压后，会引起晶片的振动，这种振动反过来又会产生交变的电场，这种交变电场又影响晶体的导电，因此石英晶体的导电特性就变得十分复杂。为了说明石英晶体的导电特性，通常采用等效电路和频率特性曲线。,16.4.1石英晶体的等效电路和频率特性,16.4石英晶体振荡电路识读,2、石英晶体的等效电路和频率特性石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路如右图1所示。图中C0为石英晶体不振动时的平板电容器的电容，一般几个pF到几十pF大小；电感L等效于机械振动的惯性，大约几毫亨到几十毫亨；电容C等效于晶片的弹性，大约0.10.01pF；R为晶片振动时的等效摩檫损耗电阻，约100。,16.4.1石英晶体的等效电路和频率特性,16.4石英晶体振荡电路识读,石英晶体的频率特性频率特性如右图所示。其中纵坐标是晶体的电抗X，横坐标是频率f。上半平面X0，晶体表现为感性元件，下半平面X0，晶体表现为容性元件。图中fS是等效电路中R、L、C串联支路的谐振频率：,16.4.1石英晶体的等效电路和频率特性,fP是C0和L、C、R支路组成的并联电路的谐振频率，等于：,2、石英晶体的等效电路和频率特性,由于C0时A1输出高电平，A10时输出低电平。,16.5非正弦波发生电路,（3）三角波u0的形成设t=0时刻A1处于高电平u01=UZ，见图2，该电压经积分，输出电压u0开始线性下降，形成三角波的下降支（图3），u0的下降同时使A1同相输入端电压u+下降，当u+降为零时，A1转换为低电平输出状态，u01=UZ，相当于图中的t=t1时刻。进入u01=UZ状态后，该电压输入积分电路，积分的结果输出电压u0开始线性上升，形成三角波的上升支（图3）。u0的上升引起u+升高，u+大于零时，又使A1回到高电平状态。,图1,16.5非正弦波发生电路,16.5.3锯齿波发生电路,1、电路组成使三角波的上升支所占的时间明显长于下降支，三角波即演变为锯齿波，如右图所示，其中T1为下降支所占的时间，T2为上升支所占的时间，T2T1时，三角波即演变为锯齿波。因此，锯齿波电路也可由三角波电路而来。,16.5非正弦波发生电路,16.5.3锯齿波发生电路,1、电路组成下图所示的锯齿波发生电路就是从三角波电路图演变而来。比较这两个电路图，可以看出，与三角波电路相比较，锯齿波电路增加了二只二极管VD1、VD2和电位器RP1组成的电路。,2、工作原理正电压UZ作正向积分时积分电流沿图中实线箭头所示的路径；加负电压UZ作反向积分时积分电流沿图中虚线箭头所示的路径。如果电位器活动端不在中心位置，则正、反向积分的时间常数不相等，如果将电位器活动端向上转到底，则正向积分时间常数为R4C1，而反向积分时间常数等于(R4+RP1)C1，反向积分时间常数将大于正向积分时间常数，因此，T1将小于T2，选择恰当的电位器阻值，可以获得理想的锯齿波。,16.6集成函数发生器ICL8038,1、ICL8038的封装和引脚功能ICL8038是14脚单片集成电路，有PDIP和CERDIP两种封装，PDIP是塑料双列直插封装的简称，CERDIP是玻璃密封陶瓷双列直插封装的简称。引脚功能如图所示。,函数发生器是一种能同时输出方波、三角波和正弦波的单片集成电路，下面以ICL8038为例介绍集成函数发生器电路的特性和使用方法。,16.6集成函数发生器ICL8038,2、主要性能指标电源电压：使用单电源时，电压范围为10V30V；使用双电源时，电压范围为5V15V；振荡频率调节范围：0.001Hz300kHz；振荡频率温度漂移：ICL8038AC、ICL8038BC及ICL8038CC，在070范围内，振荡频率温漂为120ppm/；ICL8038AM、ICL8038BM，在55125范围内，振荡频率温漂为250ppm/输出波形特性：正弦波：振幅为0.22电源电压、谐波失真1.5%；三角波：振幅为0.33电源电压、线性0.05%；方波：上升时间180Ns、下降时间40nS、占空比可调范围2%98%。,16.6集成函数发生器ICL8038,3、典型应用电路典型的应用电路如图所示，各外接元件的作用和数值计算公式如下：,（1）电阻RL矩形波输出端为集电极开路形式，使用时必须外接集电极电阻，图中RL即为外接的集电极电阻。,（2）电容C为外接定时电容，和电阻RA、RB一起决定振荡频率。,16.6集成函数发生器ICL8038,3、典型应用电路（3）电阻RA、RB为外接定时电阻，RA用来控制正弦波、三角波的波形上升部分以及矩形波的高电平部分的时间T1，它等于：,RB用来控制正弦波、三角波的波形下降部分以及矩形波的低电平部分的时间T2，T2等于：,RA不等于RB时，上升时间不等于下降时间，2脚输出的不再是正弦波；3脚输出的为锯齿波；9脚输出的是矩形波。只有RA=RB时，2脚、3脚和9脚输出的才是正弦波、三角波和方波。,16.6集成函数发生器ICL8038,RA不等于RB时，上升时间不等于下降时间，2脚输出的不再是正弦波，如图2；3脚输出的为锯齿波；9脚输出的是矩形波。只有RA=RB时，2脚、3脚和9脚输出的才是正弦波、三角波和方波，见图1。,16.6集成函数发生器ICL8038,（4）调节12脚和负电源之间接入的100k的电位器，可使正弦波失真度达到1%。,为了得到占空比在50%左右小范围内可调的矩形波，可使用右图所示的电路，调节1k的电位器，9脚输出矩形波的占空比就可以随之变化。,第16章讲授到此结束谢谢大家！,