模電-第8章 波形的產(chǎn)生與變換電路

第八章

波形的產(chǎn)生與變換電路8.1正弦波振蕩的基本原理8.2RC正弦波振蕩電路8.3LC正弦波振蕩電路8.4石英晶體振蕩電路8.5比較器8.6方波發(fā)生器8.7三角波及鋸齒波發(fā)生器8.1正弦波振蕩器的基本原理一.產(chǎn)生自激振蕩的條件fidXXX-=只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。+Xi–f基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FX+doXX改成正反饋+如果：,dfXX=則去掉,iX仍有信號輸出。即反饋信號代替了放大電路的輸入信號。Xi+f基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FX+doXXfidXXX+=AF=1Xd=Xf所以，自激振蕩條件也可以寫成：自激振蕩的條件：（1）振幅條件：（2）相位條件：pjjnFA2=+n是整數(shù)因為：..Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX二.起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件：結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩（略大于）1、被動：利用放大器的限幅特性2、主動：在電路中加入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的環(huán)路增益穩(wěn)幅過程：穩(wěn)幅措施：Xdof基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)FXX干擾、噪聲中選擇所需的頻率成分起振時，穩(wěn)定振蕩時，

1.基本放大電路A

三.正弦波振蕩器的組成2.正反饋網(wǎng)絡(luò)F3.選頻網(wǎng)絡(luò)4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)

使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，波形失真小RC，LC，晶體A與F首尾相連正弦波振蕩器命名RCLC低頻高頻晶體穩(wěn)頻四.振蕩電路的分析方法判斷能否產(chǎn)生振蕩的一般方法(1).檢查電路的基本組成(4).用相位平衡條件判定電路能否振蕩。將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時極性法判斷電路是否是正反饋(2).檢查放大電路是否正常工作(3).分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅值平衡條件。

一般|AF|應(yīng)略大于18.2RC正弦波振蕩電路8.2.1、RC橋式振蕩電路8.2.2、RC移相式振蕩電路8.2.1RC橋式振蕩電路RC橋式振蕩器結(jié)構(gòu)圖基本放大器A正反饋網(wǎng)絡(luò)F選頻網(wǎng)絡(luò)運放的限幅特性RC

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)一.RC

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性R1C1

串聯(lián)阻抗：R2C2

并聯(lián)阻抗：選頻特性(傳輸增益)212ofZZZUUF+==...1.定性分析：（1）當(dāng)信號的頻率很低時>>R1>>R2其低頻等效電路為：其頻率特性為：當(dāng)ω=0時，uf=0，│F│=0=+90°當(dāng)ω↑時，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF90°.ofUUF=..（2）當(dāng)信號的頻率很高時＜＜R1＜＜R2其高頻等效電路為：其頻率特性為：當(dāng)ω=∞時，uf=0，│F│=0=-90°當(dāng)ω↓時，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF-90°ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一個頻率ω0存在，當(dāng)ω=ω0時，│F│最大，且=0°0|F|0φF90°0|F|0φF-90°2.定量分析R1C1

串聯(lián)阻抗：R2C2

并聯(lián)阻抗：頻率特性：212ofZZZUUF+==...通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，則有：式中：可見：當(dāng)時，│F│最大，且=0°

│F│max=1/3++++Ru+-o-fu+RCCRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整的頻率特性曲線：當(dāng)時，│F│=│F│max=1/3φF+90°|F|二.RC橋式振蕩器的工作原理在f0處滿足相位條件：因為：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：A=3輸出正弦波頻率：振幅條件：引入負反饋：選：例題:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf為多大時才能起振？振蕩頻率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20k=1592Hz起振條件：能自動穩(wěn)幅的振蕩電路半導(dǎo)體熱敏電阻(負溫度系數(shù)）起振時Rt較大使A>3,易起振。當(dāng)uo幅度自激增長時，Rt減小，A減小。

當(dāng)uo幅度達某一值時，A→3。當(dāng)uo進一步增大時，Rt再減小,使A<3。因此uo幅度自動穩(wěn)定于某一幅值。能自動穩(wěn)幅的振蕩電路

起振時D1、D2不導(dǎo)通，Rf1+Rf2略大于2R1。隨著uo的增加，D1、D2逐漸導(dǎo)通，Rf2被短接，A自動下降，起到穩(wěn)幅作用。

將Rf分為Rf1

和Rf2，

Rf2并聯(lián)二極管RC橋式振蕩電路仿真仿真電路結(jié)果K：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細調(diào)振蕩頻率。振蕩頻率的調(diào)節(jié)：_++RfuoRCCR1KKR1R1R2R2R3R3振蕩頻率：三.RC移相式振蕩電路

基本放大器A正反饋網(wǎng)絡(luò)F移相式選頻網(wǎng)絡(luò)1RC超前移相電路

RC滯后移相電路

φF+90°+180°+270°0°φF-90°-180°-270°0°移相網(wǎng)絡(luò)的選頻特性：基本放大器A正反饋網(wǎng)絡(luò)FRC移相式振蕩電路的工作原理相位條件：在f0處滿足相位條件：幅值條件:很易滿足振蕩頻率：1判斷電路能否產(chǎn)生振蕩CRCCRT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCCCCT1T2Re1Re2Rc2Rc1Rb1VCC判斷電路能否產(chǎn)生振蕩CCT1T2Re1Re2Rc1Rb1VCCCRRReR1R2R4R3RRRCCCVCC-VEERC正弦波振蕩器共同點1.結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，經(jīng)濟可靠；2.振蕩頻率與RC的乘積成反比，如果需要振蕩頻率較高時，要求R，C值較小，實現(xiàn)困難。3.RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性較差。變壓器反饋式電感三點式電容三點式分類8.3LC

正弦波振蕩電路

由于LC振蕩電路的振蕩頻率很高，放大電路的帶寬會影響振蕩頻率。一般集成運放頻帶較窄，所以LC振蕩電路中的放大器一般采用高頻BJT分離元件組成，而且BJT放大器的組態(tài)多用共基極接法。結(jié)構(gòu)上：選頻網(wǎng)絡(luò)由L和C元件組成，一般作為放大器的負載，使放大環(huán)節(jié)具有選頻特性。

一.LC并聯(lián)諧振回路

R為電感和回路中的損耗電阻Z

感性容性

定義:無量綱，用于衡量諧振回路的性能。(阻性)幅頻特性

相頻特性Q值越高，則幅頻特性越尖銳，選頻特性越好。LC并聯(lián)諧振回路的特性曲線（最大值)品質(zhì)因數(shù)

諧振時LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個大電阻。

諧振時LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個電阻。諧振時回路電流比總電流大的多，外界對諧振回路的影響可以忽略！并聯(lián)諧振時

ZLC并聯(lián)回路的基本特性b.諧振時的等效阻抗Q:

回路品質(zhì)因數(shù),用來評價回路損耗的大小,

一般為幾十到幾百a.諧振頻率2.LC選頻放大器寬帶放大器選頻放大器f0

選頻放大器各級之間采用變壓器耦合C1234初級線圈次級線圈同名端1234+–+–

在LC振蕩器中，反饋信號通過互感線圈引出同名端：互感線圈的極性判別是指這樣的兩個端鈕，當(dāng)兩個線圈的電流同時流進或流出這兩個端鈕時，它們產(chǎn)生的電場是互相增強的。二.變壓器反饋式LC振蕩電路

工作原理：三極管共射選頻放大器。利用互感線圈的同名端：

滿足相位條件。振蕩頻率:判斷是否是滿足相位條件——相位平衡法：

斷開反饋到放大器的輸入端點，假設(shè)在輸入端加入一正極性的信號，用瞬時極性法判定反饋信號的極性。若反饋信號與輸入信號同相，則滿足相位條件；否則不滿足。(+)(-)(+)

調(diào)整反饋線圈的匝數(shù)可以改變反饋信號的強度，以使正反饋的幅度條件得以滿足。(+)(+)(+)(+)LC正弦波振蕩器舉例滿足相位平衡條件Vb221eLCeccCbb1RRRLC（+）（+）（–）（+）

LC正弦波振蕩器舉例振蕩頻率:（–）滿足相位平衡條件變壓器反饋式LC振蕩電路特點：2.易于產(chǎn)生振蕩，輸出電壓變形失真不大，應(yīng)用范圍廣泛；3.由于輸出電壓與反饋電壓靠磁路耦合，因而耦合不緊密，損耗較大；4.體積和重量較大，變壓器鐵心易產(chǎn)生電磁干擾；1.振蕩頻率:較高；5.振蕩頻率的穩(wěn)定性不高。仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。三.

三點式LC振蕩電路原理：電感三點式：電容三點式：uf與uo反相uf與uo同相uf與uo反相uf與uo同相特點：LC并聯(lián)回路的三個斷點分別接到BJT管子的三個電極。振蕩頻率：1.電感三點式LC振蕩電路頻率調(diào)節(jié)方便（調(diào)C）2.輸出信號中有較多的高次諧波成分2.電容三點式LC振蕩電路振蕩頻率：1.頻率調(diào)節(jié)不方便，常用在固定振蕩頻率的場合。2.輸出信號中高次諧波成分較少。例：試判斷下圖所示三點式振蕩電路是否滿足相位平衡條件。8.4

石英晶體振蕩電路一.頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量——頻率偏移量?！袷庮l率。影響頻率穩(wěn)定的主要因素：溫度變化時，LC參數(shù)變化、三極管參數(shù)變化。負載對諧振回路的影響。穩(wěn)頻措施：選擇溫度穩(wěn)定性好的LC及三極管負載與振蕩器之間加緩沖器（射隨）提高LC諧振回路的品質(zhì)因數(shù)QQ值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。LC諧振回路Q——數(shù)百石英晶體諧振回路Q——1000050000ff90o-90of0LC諧振回路的相頻特性Q值增大f0’△f0△f0’品質(zhì)因數(shù)

△f二.

石英晶體2.基本特性1.結(jié)構(gòu)：極板間加電場極板間加機械力晶體機械變形晶體產(chǎn)生電荷交變電壓機械振動交變電壓振動的固有頻率與晶片尺寸及切型有關(guān)，穩(wěn)定性高。當(dāng)外加交變電壓頻率=石英晶體固有頻率時，振幅最大

符號壓電諧振正壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：SiO23.石英晶體的等效電路與頻率特性等效電路：C0：靜態(tài)電容,幾－幾十

pFL:等效電感，模擬晶片機械振動的慣性,10－3－102HC:等效電容，模擬晶片的彈性，10－4－10－1pFR：等效電阻，模擬晶片的損耗,102歐姆典型值：L=100mH

C=0.015pf

R=100Ω等效電路：串聯(lián)諧振頻率特性：

晶體等效純阻且阻值≈0并聯(lián)諧振等效電抗

晶體等效阻抗為純阻且最大X感性0容性通常所以晶體在振蕩電路中通常作為電感使用。電抗頻率響應(yīng)曲線實際使用時外接一小電容Cs串聯(lián)諧振:調(diào)整并聯(lián)諧振：X感性0容性等效電抗

二.石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點，構(gòu)成LC振蕩電路。1.并聯(lián)型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs與fp之間，相當(dāng)一個大電感，與C1、C2組成電容三點式振蕩器。由于石英晶體的Q值很高，可達到幾千以上，所以電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。X感性0容性2.串聯(lián)型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs處，呈電阻性，而且阻抗最小，正反饋最強，相移為零,滿足振蕩的相位平衡條件。對于fs以外的頻率，石英晶體阻抗增大,且相移不為零，不滿足振蕩條件，電路不振蕩。

X感性0容性例1：分析下圖的振蕩電路能否產(chǎn)生振蕩，若產(chǎn)生振蕩,石英晶體處于何種狀態(tài)？(＋)(－)(＋)111RG2R12G1Cov反相器組成的串聯(lián)式石英晶體振蕩器例2：R1、R2是偏置電阻，使反相器G1、G2工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，構(gòu)成線性放大器。uoui111RGuiuoCMOS反相器uo=ui反相放大串聯(lián)式振蕩器

滿足相位振蕩條件。且幅值條件最易滿足。振蕩頻率f0=fS

由于石英晶體Q值極高，所以這種電路振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。111RG2R12G1CovX感性0容性基本放大器A正反饋網(wǎng)絡(luò)F選頻網(wǎng)絡(luò)(＋)(-)(＋)(＋)輸出正弦波，若加反相器整形，得脈沖波。

石英晶體工作在串聯(lián)諧振頻率fS時，呈阻性，且阻抗最小。并聯(lián)式石英晶體振蕩器

晶體工作頻率處于fS與fP之間，等效一電感，與C1、C2共同構(gòu)成電容三點式振蕩電路。例3：反相器G1工作在轉(zhuǎn)折區(qū)，構(gòu)成反相放大器。X感性0容性(＋)反相器G2起整形緩沖作用，同時G2還可以隔離負載對振蕩電路工作的影響。電路的振蕩頻率為LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率(－)(＋)8.5比較器

將一個模擬電壓信號與一參考電壓相比較，比較結(jié)果以輸出一定的高低電平表示。功能：構(gòu)成：用集成運放和電阻、二極管等構(gòu)成。運放的工作特點：(1)工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)

(2)

大多數(shù)情況下工作在非線性區(qū)域,輸出與輸入不成線性關(guān)系,只有在臨界情況下才能使用虛短,虛斷概念。(3)

輸出高電平或者低電平,呈現(xiàn)為開關(guān)狀態(tài)若U+＞U-

則UO=+UOM；為高電平若U+＜U-

則UO=-UOM；為低電平1.運放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法2.運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；為高電平若U+＜U-

則UO=-UOM；為低電平虛斷（運放輸入端電流=0）

注意：此時不能用虛短！uoui0+UOM-UOMuoui0+UOM-UOM1.過零比較器:（門限電平=0）uoui0+UOM-UOM一.單門限電壓比較器tuituo+Uom-Uom例題：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?.單門限比較器（與參考電壓比較）uoui0+Uom-UomUREFUREF為參考電壓當(dāng)ui>UREF時,uo=+Uom當(dāng)ui<UREF時,uo=-Uom

運放處于開環(huán)狀態(tài)uoui0+Uom-UomUREF當(dāng)ui<UREF時,uo=+Uom當(dāng)ui>UREF時,uo=-Uom

若ui從反相端輸入uoui0+UZ-UZ（1）用雙向穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓忽略了UD3.輸出限幅電路——使輸出電壓為一穩(wěn)定的確定值當(dāng)ui>0時,uo=+UZ當(dāng)ui<0時,uo=-UZ

注意限流電阻的使用。（2）穩(wěn)幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負反饋回路中uoui0+UZ-UZ當(dāng)ui>0時,uo=-UZ當(dāng)ui<0時,uo=+UZ

電路中存在非線性負反饋元件，加速運放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，運放工作在線性狀態(tài)比較器的分析方法(1)求出閾值:輸出從一個電平跳變到另一個電平時（這時運放的兩個輸入端之間可視為虛短虛斷）所對應(yīng)的輸入電壓值，即門限電平。(2)分析輸入與輸出的關(guān)系,畫出傳輸特性

單限比較器的其它形式-+AvovI+-R3D1D2R1//R2VREFR1R2i1i2分析方法：1）令v-=v+求出的輸入電壓vI

即門限電平。2）分別分析vI大于門限、小于門限時的輸出vO電平。令得門限電平即v+<v-若則vO=VOL=-UZ

即v+>v-若則vO=VOH=+UZ比較特性vIvoVOHVOLVREFR2R1-

單限比較器優(yōu)、缺點：優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單。缺點：電路抗干擾能力差。

例如：過零比較器，當(dāng)門限電平附近出現(xiàn)干擾信號時，輸出會出現(xiàn)誤操作。tvO0vIt0二.遲滯(滯回)比較器1.工作原理——兩個門限電壓。特點:電路中使用正反饋——運放工作在非線性區(qū)。（1）當(dāng)uo=+UZ時，（2）當(dāng)uo=-UZ時，UT+稱上門限電壓UT-稱下門限電壓UT+-UT-稱為回差電壓遲滯比較器的電壓傳輸特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-設(shè)ui

,當(dāng)ui=<UT-時,

uo從-UZ+UZ這時,uo=-UZ,u+=UT-設(shè)初始值:

uo=+UZ,

u+=UT+設(shè)ui,當(dāng)ui=>UT+時,

uo從+UZ-UZ主要特點：抗干擾能力強。UT+UT-例題：Rf=10k，R2=10k

，UZ=6V，UREF=10V。當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。上下門限電壓：uoui08V2V傳輸特性+6V-6V2V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V2V傳輸特性+6V-6V臨界狀態(tài)下有:

同相輸入遲滯比較器vI-+AR2vOR1R3±VZVREF回差電壓：遲滯比較器輸入輸出波形VTHVTLvI-+AR2vOR1R3±VZVR比較器總結(jié)運放工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平VOH和低電平VOL兩種情況。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。電壓傳輸特性的關(guān)鍵要素輸出電壓的高電平VOH和低電平VOL門限電壓令v+＝v-所求出的vI就是門限電壓輸出電壓的跳變方向vI等于門限電壓時輸出電壓發(fā)生跳變跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式8.6方波發(fā)生器1.電路結(jié)構(gòu):由滯回比較電路和RC定時電路構(gòu)成上下門限電壓:遲滯比較器，其開關(guān)作用起延遲和反饋作用2.工作原理：(1)電源剛接通，uc=0,

uo

=

+UZ,

此時，uo給C充電,uc

，u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦uc>UT+

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ變成－UZ在uc<UT+

時，u-

<u+,

設(shè)uC初始值uC(0+)=0方波發(fā)生器uo保持+UZ不變+UZUT+此時，C向uO放電,,uc下降(2)當(dāng)uo

=

-UZ時，u+=UT-uc達到UT-時，uo上跳。UT+uctUT-當(dāng)uo

重新回到＋UZ

后，電路又進入另一個周期性的變化。-UZ0tuo+UZ-UZUT-0UT+uctUT-+UZuo0t-UZT完整的波形：計算振蕩周期T。周期與頻率的計算：0UT+uctUT-+UZ-UZT1T2TT=T1+T2=2T2

uc(t)=UC()+UC(0+)-UC(