《模擬電子線路》第10章-楊凌

1、楊楊 凌凌 模模 擬擬 電電 子子 線線 路路 第第1010章章第第10章章 信號的產(chǎn)生電路信號的產(chǎn)生電路10.0 引言引言 信號產(chǎn)生電路信號產(chǎn)生電路正弦波產(chǎn)生電路正弦波產(chǎn)生電路非正弦波產(chǎn)生電路非正弦波產(chǎn)生電路 正弦波振蕩電路的應(yīng)用十分廣泛正弦波振蕩電路的應(yīng)用十分廣泛.在通信、廣播、電視系在通信、廣播、電視系統(tǒng)中統(tǒng)中,都需要射頻都需要射頻(高頻高頻)發(fā)射發(fā)射,這就需要能產(chǎn)生高頻信號的振蕩這就需要能產(chǎn)生高頻信號的振蕩10.0 引言引言器器. 在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi), 如高頻感應(yīng)加熱、熔如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲波焊接、超聲診斷、核磁共振成像等煉、淬火、

2、超聲波焊接、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要都需要功率或大或小功率或大或小,頻率或高或低的振蕩器頻率或高或低的振蕩器. 非正弦信號非正弦信號(方波、鋸齒波等方波、鋸齒波等)發(fā)生器在測量設(shè)備、數(shù)字系發(fā)生器在測量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛統(tǒng)及自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也日益廣泛. 本章重點(diǎn)討論正弦波振蕩器的原理及基本電路本章重點(diǎn)討論正弦波振蕩器的原理及基本電路.同時同時,也給也給出了幾種常見的非正弦波產(chǎn)生電路出了幾種常見的非正弦波產(chǎn)生電路.10.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件圖圖 10.1(b) A Xf Xa Xo F21 Xf Xo Xf = = 1 Xa

3、Xa Xo AF =1 (10-1) 基本放大電路基本放大電路 A Xf Xa Xi Xo反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) F(a)10.1 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件 A = A a F = F f AF =AF a+f =1 AF =AF =1 a+f =2n（n = 0,1,2,）按選頻網(wǎng)絡(luò)分類按選頻網(wǎng)絡(luò)分類RC振蕩器振蕩器 (1Hz1MHz )LC振蕩器振蕩器 ( 1MHz )石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器( 頻率穩(wěn)定度高頻率穩(wěn)定度高 ) 分析方法分析方法:由于正弦波振蕩電路中的放大器件是工作在由于正弦波振蕩電路中的放大器件是工作在線性區(qū)或接近線性區(qū)線性區(qū)或接近線性區(qū),所以所以,可

4、近似按線性電路來處理可近似按線性電路來處理.振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件10.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路一、一、 電路原理圖電路原理圖放大電路放大電路A選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)Z1、Z2正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅電路穩(wěn)幅電路Rf、R1文氏橋振蕩器文氏橋振蕩器圖圖 10.2 Vo + Vi= Vf Z1RRfR1CRCZ2 Av Fv +A10.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路二、二、 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性 + Vf Z1RCRCZ2 + Vo Vf(s) Z2 sRCFv (s) = = = Vo(s) Z1+Z2 1+3sRC +(sRC)

5、2 1 0 = RC jRC 1Fv = = (10-2) (12R2C2 ) +j3RC 03+ j( ) 0 f = arctg 3 0( ) 0 1Fv = 032+( )2 0 10.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 1 1 =0 = or f = f0 = RC 2RC 1Fvmax= ，f = 0 3/00.1 1 100.40.30.20.1 0Fv 1 3圖圖 10.3/00.1 1 1090o60o30o0of30o60o90o10.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路三、振蕩的建立與穩(wěn)定三、振蕩的建立與穩(wěn)定 R f Av =1+ R1 1 =0 = RC 1Fv= 3

6、AF 1 Av 3 Rf 2 R1 (10-3)式式(9-3)表明表明:為了確保振蕩的建立為了確保振蕩的建立,必須滿足必須滿足Rf 2 R1的條件的條件.四、振蕩頻率與振蕩波形四、振蕩頻率與振蕩波形 1 f0 = (10-4) 2RC10.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 Av 略大于略大于3時時,輸出波形為正弦波輸出波形為正弦波;當(dāng)當(dāng)Av3時時,波形將產(chǎn)波形將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真生嚴(yán)重的非線性失真.五、穩(wěn)幅措施五、穩(wěn)幅措施 非線性元件非線性元件 1、熱敏電阻、熱敏電阻 Rf Vo If Rf Av Vo 2、JFET JFET工作在可變電阻區(qū)時工作在可變電阻區(qū)時,其漏源電阻其漏源電阻RD

7、S受柵源電壓受柵源電壓VGS的控制的控制.通過改變通過改變VGS的大小的大小,可以調(diào)整負(fù)反饋的強(qiáng)弱以可以調(diào)整負(fù)反饋的強(qiáng)弱以穩(wěn)定輸出電壓穩(wěn)定輸出電壓.10.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路RW4R1RW1R3RW3圖圖 10.4vO VDR4C11 AV C12C13C21C22C23RW2R2C3VTR5 +A10.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路【例例10-1】RC文氏橋振蕩電路文氏橋振蕩電路 如圖如圖10.5所示所示. 已知已知A的最大的最大 輸出電壓為輸出電壓為14V.試完成下試完成下 列各題列各題: (1) 分析電路的穩(wěn)幅原理分析電路的穩(wěn)幅原理; (2) 估算估算Vom; (3

8、) R2=0時時,vO的波形如何的波形如何? (4) R2,vO的波形如何的波形如何?圖圖 10.5 C 0.015F R29.1k R15.1k vO R32.7kR10kD1 C0.015FD2+A R 10k 課堂練習(xí)課堂練習(xí)10.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路移相振蕩器移相振蕩器圖圖 10.6 1 f0 (10-5) 2 6 RCa=180of =180o滿足相位條件滿足相位條件適當(dāng)調(diào)節(jié)適當(dāng)調(diào)節(jié)Rf,使使Av適當(dāng)適當(dāng),即可滿即可滿足振幅條件足振幅條件.Rf vO RCRCCR+A10.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 LC振蕩電路主要用來產(chǎn)生高頻正弦信號振蕩電路主要用來產(chǎn)生高

9、頻正弦信號(f1MHz).它與它與RC振蕩電路產(chǎn)生正弦振蕩的原理基本相同振蕩電路產(chǎn)生正弦振蕩的原理基本相同,它們在電路組成方它們在電路組成方面的主要區(qū)別是面的主要區(qū)別是, RC振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由電阻和電容組成振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由電阻和電容組成.而而LC振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成.一、一、LC選頻放大電路的頻率特性選頻放大電路的頻率特性 LC并聯(lián)諧振回路如圖并聯(lián)諧振回路如圖10.7所示所示.其中其中,R表示回路的等效損表示回路的等效損耗電阻耗電阻,且通常有且通常有R1, 所以所以4、回路的頻響曲線如圖、回路的頻響曲線如圖10.8所示所示.10.3 LC

10、正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 2+ 0 O(a)Z / Z01 2 0Q 2+ 0 O(b)+90o 2 090oQ圖圖 10.8二、變壓器反饋式二、變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路10.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路圖圖 10.9RB2RERB1+VCCC1TCECL(a)M+VDDRGCGTCL(b)RMTCML2L110.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路三、三點(diǎn)式振蕩電路三、三點(diǎn)式振蕩電路 1、電感三點(diǎn)式振蕩電路、電感三點(diǎn)式振蕩電路 Hartley 振蕩電路振蕩電路圖圖 10.10R2RER1+VCCCBTCEvbC123Mb(+)(+)()vfN1L1N2L210.3 LC正

11、弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 圖圖10.10是帶有一個是帶有一個BJT的的Hartley 振蕩器及其交流等效振蕩器及其交流等效電路電路 (也可用也可用FET取代取代BJT) .LC并聯(lián)諧振電路產(chǎn)生振蕩頻率并聯(lián)諧振電路產(chǎn)生振蕩頻率,由電感由電感L1和和L2之間的分壓提供反饋之間的分壓提供反饋. 1 =0 = (10-11) (L1+L2+2M)C 1 或 f = f0 = (10-12) 2 (L1+L2+2M)C 2、電容三點(diǎn)式振蕩電路、電容三點(diǎn)式振蕩電路 Colpitts 振蕩電路振蕩電路 圖圖10.11是帶有一個是帶有一個BJT的的Colpitts 振蕩器及其交流等效電路振蕩器及其交流等效電

12、路.10.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1RER1+VCCCBTR2CEvbC123b(+)(+)()vfC2Lvo圖圖 10.11 1 1=0 或 f = f0 (10-13) C1C2 L C1+C2 C1C2 2 L C1+C2 TC2C1L10.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路一、正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題一、正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度:f /f0 . f0為振蕩頻率為振蕩頻率, f 為頻率偏移為頻率偏移.對對LC振蕩電路振蕩電路:Q f /f0 .一般的一般的LC振蕩電路振蕩電路,其其Q值只可值只可達(dá)數(shù)百達(dá)數(shù)百.在要求頻率穩(wěn)定度高的場合在要求頻率穩(wěn)

13、定度高的場合,往往采用石英晶體振蕩往往采用石英晶體振蕩電路電路,其頻率穩(wěn)定度可高達(dá)其頻率穩(wěn)定度可高達(dá)109甚至甚至1011.二、石英晶體的基本特性與等效電路二、石英晶體的基本特性與等效電路 石英晶體具有石英晶體具有壓電效應(yīng)壓電效應(yīng).給晶體兩端施加電壓時給晶體兩端施加電壓時,晶體會晶體會表現(xiàn)出電子機(jī)械諧振特性表現(xiàn)出電子機(jī)械諧振特性.振蕩相對與時間和溫度是非常穩(wěn)定振蕩相對與時間和溫度是非常穩(wěn)定的的.振蕩頻率由晶體的尺寸和切割方向決定振蕩頻率由晶體的尺寸和切割方向決定.這意味著晶體振這意味著晶體振10.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路蕩器是具有固定頻率的設(shè)備蕩器是具有固定頻率的設(shè)備.圖圖10.1

14、2示出了石英晶體的一種結(jié)示出了石英晶體的一種結(jié)構(gòu)構(gòu).圖圖10.13示出了石英晶體的電路符號、等效電路和電抗特性示出了石英晶體的電路符號、等效電路和電抗特性.圖圖 10.1210.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路圖圖 10.13(a)(b)(c)CRC0LXp Os感性感性容性容性C0 切片與金屬板構(gòu)成的靜電電容切片與金屬板構(gòu)成的靜電電容; L晶體的質(zhì)量晶體的質(zhì)量(慣性慣性);C 晶體的彈性晶體的彈性; R晶片振動時晶片振動時,因摩擦而造成的損耗因摩擦而造成的損耗.10.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 由圖由圖10.13可知可知:石英晶體有兩個諧振頻率石英晶體有兩個諧振頻率,且非常接近

15、且非常接近.串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率: 1 fs = (10-14) 2 LC并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率: 1 C fp = 1+ = 2 LC C0 C fs 1+ (10-15) C0CC0 fsfpf=fs時時,晶體呈純阻性晶體呈純阻性,且其阻值很小且其阻值很小; fs ffp時時,晶體呈感性晶體呈感性.10.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路三、石英晶體振蕩器三、石英晶體振蕩器 1、串聯(lián)石英晶體振蕩器、串聯(lián)石英晶體振蕩器T2T1RE1RB1+VCCC1RB2C2(+)(+)RvoRC1(+)圖圖 10.14f=fs時時,晶體呈純阻性晶體呈純阻性,且相移為零且相移為零.10.4 石英晶體

16、振蕩電路石英晶體振蕩電路2、并聯(lián)石英晶體振蕩器、并聯(lián)石英晶體振蕩器圖圖 10.15fs ffp時時,晶體呈感性晶體呈感性Colpitts 振蕩電路振蕩電路LeqCsQ f /f0 C1C2voCS+A 10.5 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路 很多系統(tǒng)很多系統(tǒng),特別是數(shù)字電子系統(tǒng)特別是數(shù)字電子系統(tǒng),都采用非正弦方波振蕩器都采用非正弦方波振蕩器來產(chǎn)生系統(tǒng)的時鐘信號來產(chǎn)生系統(tǒng)的時鐘信號.用特定高度和寬度的脈沖啟動一系列用特定高度和寬度的脈沖啟動一系列指定的功能指定的功能.本節(jié)簡要討論幾種常見的非正弦波產(chǎn)生電路本節(jié)簡要討論幾種常見的非正弦波產(chǎn)生電路.一、方波產(chǎn)生電路一、方波產(chǎn)生電路 方波產(chǎn)生電

17、路是一種能夠直接產(chǎn)生方波或矩形波的非正方波產(chǎn)生電路是一種能夠直接產(chǎn)生方波或矩形波的非正弦信號發(fā)生電路弦信號發(fā)生電路.由于方波或矩形波包含極豐富的諧波由于方波或矩形波包含極豐富的諧波, 因此因此,這種電路又稱為多諧振蕩電路這種電路又稱為多諧振蕩電路. 圖圖10.16(a)是用施密特觸發(fā)器組成的方波發(fā)生器是用施密特觸發(fā)器組成的方波發(fā)生器.通過在施通過在施密特觸發(fā)器負(fù)反饋環(huán)路中增加密特觸發(fā)器負(fù)反饋環(huán)路中增加RC網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)這個功能網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)這個功能.由于該由于該 10.5 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路電路沒有穩(wěn)定狀態(tài)電路沒有穩(wěn)定狀態(tài),因此因此,稱為無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器稱為無穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器.vC =

18、 vItVOLVIH(b)vOtVOH0VIL圖圖 10.16RRfDZ1R1DZ2+vO R2CvC(a)+A 10.5 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路 2R2T=2RfC ln(1+ ) (10-16) R1二、鋸齒波產(chǎn)生電路二、鋸齒波產(chǎn)生電路圖圖 10.17VZ R2DZR1R3R4vP1vN1vOR7R6vO1R5DC+A2 +A1 10.5 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路 R2 R1vP1= vO+ vO1 R1+R2 R1+R2vO1=VZ vN1vP1=0 R1VTH= VZ R2 R1VTL= VZ R2 R1VT= 2 VZ R2 (10-17)(10-18)(1

19、0-19) 2R1R6C 2R1(R5R6)C 2R1R6C(R6+2R5) T= T1+T2= + = (10-20) R2 R2 R2(R5+R6) D 三角波三角波 4R1R6C T = (10-21) R2 10.5 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路vOtVZVTHvO1tVZOO VTL圖圖 10.18章末總結(jié)與習(xí)題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論一、本章小結(jié)一、本章小結(jié) 1、掌握產(chǎn)生正弦波振蕩的條件、掌握產(chǎn)生正弦波振蕩的條件,熟悉正弦波振蕩電路的分析熟悉正弦波振蕩電路的分析方法方法; 2、掌握文氏橋振蕩電路的組成、工作原理及振蕩頻率、掌握文氏橋振蕩電路的組成、工作原理及振蕩頻率; 3、熟

20、悉、熟悉LC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性及變壓器反饋式振蕩電路、選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性及變壓器反饋式振蕩電路、電感三點(diǎn)式振蕩器、電容三點(diǎn)式振蕩器的電路組成、振蕩頻率電感三點(diǎn)式振蕩器、電容三點(diǎn)式振蕩器的電路組成、振蕩頻率; 4、熟悉石英晶體的電抗、熟悉石英晶體的電抗-頻率特性及石英晶體振蕩器的特點(diǎn)頻率特性及石英晶體振蕩器的特點(diǎn); 5 、了解幾種常見的非正弦信號產(chǎn)生電路的組成及原理、了解幾種常見的非正弦信號產(chǎn)生電路的組成及原理.二、例題討論二、例題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論【例例10-2】 圖圖10.19所示為一波形發(fā)生器電路所示為一波形發(fā)生器電路,試說明試說明,它是由哪它是由哪 些單元電路組成的些單元電路組成的,并定性畫出并定性畫出vA, vB, vC的輸出波形的輸出波形. R112k R4 1M R310k R210k圖圖 10.19 vO1 R10k Rf20k C0.1FC vA vO2 vB vO3 vC C=0.1FDZR+A2+A3+A6+A5+A4+A