楊凌《模擬電子線路》

第10章第10章信號(hào)的產(chǎn)生電路§10.0引言

信號(hào)產(chǎn)生電路正弦波產(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.在通信、廣播、電視系統(tǒng)中,都需要射頻(高頻)發(fā)射,這就需要能產(chǎn)生高頻信號(hào)的振蕩§10.0引言器.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、熔煉、淬火、超聲波焊接、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要功率或大或小,頻率或高或低的振蕩器.

非正弦信號(hào)(方波、鋸齒波等)發(fā)生器在測(cè)量設(shè)備、數(shù)字系統(tǒng)及自動(dòng)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.同時(shí),也給出了幾種常見(jiàn)的非正弦波產(chǎn)生電路.§10.1正弦波振蕩電路的振蕩條件圖10.1(b)·A·Xf·Xa·Xo·F21··

·Xf

Xo

Xf

—=—

·

—

=1···

Xa

Xa

Xo·

·AF=1

(10-1)

基本放大電路

·A·Xf·Xa·Xi·Xo反饋網(wǎng)絡(luò)

·F(a)§10.1正弦波振蕩電路的振蕩條件·

A=Aφa

·

F=Fφf(shuō)

·

·AF=AFφa+φf(shuō)

=1

·

·AF=AF=1

φa+φf(shuō)

=2nπ（n=0,1,2,…）按選頻網(wǎng)絡(luò)分類RC振蕩器(1Hz～1MHz)LC振蕩器(＞1MHz)石英晶體振蕩器(頻率穩(wěn)定度高)

分析方法: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),所以,可近似按線性電路來(lái)處理.振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件§10.2RC正弦波振蕩電路一、電路原理圖放大電路A選頻網(wǎng)絡(luò)Z1、Z2正反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅電路Rf、R1文氏橋振蕩器圖

10.2·Vo+··Vi=

Vf

－Z1RRfR1CRCZ2·Av

·Fv

+－A§10.2RC正弦波振蕩電路二、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性+·Vf

－Z1RCRCZ2+·Vo

－Vf(s)Z2sRCFv

(s)===Vo(s)Z1+Z21+3sRC+(sRC)2

1

ω0=—RC

jωRC1Fv==(10-2)

(1－ω2R2C2)+j3ωRC·ωω03+j(—－—)ω0ωφf(shuō)

=－arctg————3ωω0(—－—)ω0ω

1Fv

=

ωω032+(—－—)2

ω0ω·§10.2RC正弦波振蕩電路

1

1

ω=ω0=—or

f=f0=———RC2πRC1Fvmax=—，φf(shuō)

=03ω/ω00.11100.40.30.20.10Fv

1—3圖

10.3ω/ω00.111090o60o30o0oφf(shuō)－30o－60o－90o§10.2RC正弦波振蕩電路三、振蕩的建立與穩(wěn)定R

f

Av

=1+

R1·

1

ω=ω0=—RC1Fv=—3··

·AF

＞1

·

Av

＞3

Rf

＞2R1

(10-3)式(9-3)表明:為了確保振蕩的建立,必須滿足Rf

＞2R1的條件.四、振蕩頻率與振蕩波形

1

f0=———(10-4)

2πRC§10.2RC正弦波振蕩電路Av

略大于3時(shí),輸出波形為正弦波;當(dāng)Av＞＞3時(shí),波形將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真.五、穩(wěn)幅措施─非線性元件

1、熱敏電阻

Rf

····Vo

↑

→If↑→Rf

↓→Av

↓→Vo

↓

2、JFET

JFET工作在可變電阻區(qū)時(shí),其漏源電阻RDS受柵源電壓VGS的控制.通過(guò)改變VGS的大小,可以調(diào)整負(fù)反饋的強(qiáng)弱以穩(wěn)定輸出電壓.§10.2RC正弦波振蕩電路RW4R1RW1R3RW3圖

10.4vOVDR4C11·AV

C12C13C21C22C23RW2R2C3VTR5+－A§10.2RC正弦波振蕩電路【例10-1】RC文氏橋振蕩電路如圖10.5所示.已知A的最大輸出電壓為±14V.試完成下列各題:(1)分析電路的穩(wěn)幅原理;(2)估算Vom;(3)R2=0時(shí),vO的波形如何?(4)R2→∞,vO的波形如何?圖

10.5C0.015μFR29.1kΩR15.1kΩ

vOR32.7kΩR10kΩD1C0.015μFD2－+AR10kΩ課堂練習(xí)§10.2RC正弦波振蕩電路移相振蕩器圖

10.6

1

f0≈————(10-5)

2π6RCφa=180oφf(shuō)

=180o滿足相位條件適當(dāng)調(diào)節(jié)Rf,使Av適當(dāng),即可滿足振幅條件.Rf

vORCRCCR－+A§10.3LC正弦波振蕩電路LC振蕩電路主要用來(lái)產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)(f＞1MHz).它與RC振蕩電路產(chǎn)生正弦振蕩的原理基本相同,它們?cè)陔娐方M成方面的主要區(qū)別是,RC振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由電阻和電容組成.而LC振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成.一、LC選頻放大電路的頻率特性

LC并聯(lián)諧振回路如圖10.7所示.其中,R表示回路的等效損耗電阻,且通常有R<<ωL.所以,可得到LC并聯(lián)諧振回路的等效阻抗如下:§10.3LC正弦波振蕩電路·IS·ICCL·ILRZ+·VO

—圖

10.7(R+jωL)Z=———————1——jωC1——+R+jωL

jωC

·jωL≈———————1－

j——ωC1R+j(ωL－——)ωC

L/C≈———————1R+j(ωL－——)ωC(10-6)

由式(10-6)可得該電路的如下特點(diǎn):§10.3LC正弦波振蕩電路1、回路的諧振頻率為:2、諧振時(shí),回路的等效阻抗為純電阻性質(zhì),其值最大,即

LQZ0

=——=Qω0L=——(10-8)

RC

ω0C

ω0L11LQ=——=———=——(10-9)

R

ω0RC

RC其中:品質(zhì)因數(shù)─用來(lái)評(píng)價(jià)回路損耗的大小.

1

1

ω0=——或f0=———(10-7)LC2πLC§10.3LC正弦波振蕩電路諧振時(shí),Is與Vo同相.3、諧振時(shí),│Is│與│IL│或│Ic│的關(guān)系········Vo=

IsZ0

=IsQ/ω0C

···Ic≈ω0C

Vo=QIs(10-10)···Ic≈

IL＞＞

Is而

Q>>1,所以4、回路的頻響曲線如圖10.8所示.§10.3LC正弦波振蕩電路2△ω+———ω0

O(a)Z/Z012△ω－———ω0Q↑2△ω+———ω0

O(b)φ+90o2△ω－———ω0－90oQ↑圖

10.8二、變壓器反饋式LC振蕩電路§10.3LC正弦波振蕩電路圖

10.9RB2RERB1+VCCC1TCECL(a)M+VDDRGCGTCL(b)RMTCML2L1§10.3LC正弦波振蕩電路三、三點(diǎn)式振蕩電路

1、電感三點(diǎn)式振蕩電路─Hartley振蕩電路圖

10.10R2RER1+VCCCBTCEvbC123Mb(+)(+)(－)vfN1L1N2L2§10.3LC正弦波振蕩電路

圖10.10是帶有一個(gè)BJT的Hartley振蕩器及其交流等效電路(也可用FET取代BJT).LC并聯(lián)諧振電路產(chǎn)生振蕩頻率,由電感L1和L2之間的分壓提供反饋.

1

ω=ω0=——————(10-11)

(L1+L2+2M)C

1

或f

=f0=————————(10-12)

2π(L1+L2+2M)C2、電容三點(diǎn)式振蕩電路─Colpitts振蕩電路圖10.11是帶有一個(gè)BJT的Colpitts振蕩器及其交流等效電路.§10.3LC正弦波振蕩電路1RER1+VCCCBTR2CEvbC123b(+)(+)(－)vfC2Lvo圖

10.11

1

1ω=ω0≈—————或

f=f0≈——————(10-13)

C1C2

L———C1+C2

C1C2

2πL———C1+C2

TC2C1L§10.4石英晶體振蕩電路一、正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問(wèn)題

頻率穩(wěn)定度:△f/f0

.f0為振蕩頻率,△f

為頻率偏移.對(duì)LC振蕩電路:Q↑→△f/f0

↑.一般的LC振蕩電路,其Q值只可達(dá)數(shù)百.在要求頻率穩(wěn)定度高的場(chǎng)合,往往采用石英晶體振蕩電路,其頻率穩(wěn)定度可高達(dá)10－9甚至10－11.二、石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體具有壓電效應(yīng).給晶體兩端施加電壓時(shí),晶體會(huì)表現(xiàn)出電子機(jī)械諧振特性.振蕩相對(duì)與時(shí)間和溫度是非常穩(wěn)定的.振蕩頻率由晶體的尺寸和切割方向決定.這意味著晶體振§10.4石英晶體振蕩電路蕩器是具有固定頻率的設(shè)備.圖10.12示出了石英晶體的一種結(jié)構(gòu).圖10.13示出了石英晶體的電路符號(hào)、等效電路和電抗特性.圖

10.12§10.4石英晶體振蕩電路圖

10.13(a)(b)(c)CRC0LXωp

Oωsω感性容性C0─切片與金屬板構(gòu)成的靜電電容;L─晶體的質(zhì)量(慣性);C─晶體的彈性;R─晶片振動(dòng)時(shí),因摩擦而造成的損耗.§10.4石英晶體振蕩電路

由圖10.13可知:石英晶體有兩個(gè)諧振頻率,且非常接近.串聯(lián)諧振頻率:

1

fs=———(10-14)

2πLC并聯(lián)諧振頻率:

1C

fp=———1+—=

2πLCC0C

fs1+—(10-15)

C0C＜＜C0fs≈fpf=fs時(shí),晶體呈純阻性,且其阻值很小;fs＜f＜fp時(shí),晶體呈感性.§10.4石英晶體振蕩電路三、石英晶體振蕩器

1、串聯(lián)石英晶體振蕩器T2T1RE1RB1+VCCC1RB2C2(+)(+)RvoRC1(+)圖

10.14f=fs時(shí),晶體呈純阻性,且相移為零.§10.4石英晶體振蕩電路2、并聯(lián)石英晶體振蕩器圖

10.15fs＜f＜fp時(shí),晶體呈感性Colpitts振蕩電路Leq↑Cs↓Q↑→△f/f0

↑C1C2voCS－+A§10.5非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路

很多系統(tǒng),特別是數(shù)字電子系統(tǒng),都采用非正弦方波振蕩器來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào).用特定高度和寬度的脈沖啟動(dòng)一系列指定的功能.本節(jié)簡(jiǎn)要討論幾種常見(jiàn)的非正弦波產(chǎn)生電路.一、方波產(chǎn)生電路方波產(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(hào)發(fā)生電路.由于方波或矩形波包含極豐富的諧波,因此,這種電路又稱為多諧振蕩電路.

圖10.16(a)是用施密特觸發(fā)器組成的方波發(fā)生器.通過(guò)在施密特觸發(fā)器負(fù)反饋環(huán)路中增加RC網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能.由于該§10.5非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路電路沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài),因此,稱為無(wú)穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器.vC=

vItVOLVIH(b)vOtVOH0VIL圖

10.16RRfDZ1R1DZ2+vO－R2CvC(a)－+A§10.5非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路

2R2T=2RfC

ln(1+)

(10-16)R1二、鋸齒波產(chǎn)生電路圖

10.17±VZR2DZR1R3R4vP1vN1vOR7R6vO1R5DC－+A2+－A1§10.5非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路R2R1vP1=

vO+vO1R1+R2R1+R2vO1=±VZvN1≈vP1=0

R1VTH=

VZ

R2R1VTL=－

VZ

R2R1△VT=2

VZ

R2(10-17)(10-18)(10-19)

2R1R6C2R1(R5∥R6)C

2R1R6C(R6+2R5)

T=T1+T2=———+——————=———————

(10-20)

R2R2R2(R5+R6)

D×→三角波

4R1R6C

T=———

(10-21)

R2§10.5非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路vOt－VZVTHvO1tVZOOVTL圖

10.18章末總結(jié)與習(xí)題討論一、本章小結(jié)

1、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方法;2、掌握文氏橋振蕩電路的組成、工作原理及振蕩頻率;3、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、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-頻率特性及石英晶體振蕩器的特點(diǎn);5、了解幾種常見(jiàn)的非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路的組成及原理.二、例題討論章末總結(jié)與習(xí)題討論【例10-2】圖10.19所示為一波形發(fā)生器電路,試說(shuō)明,它是由哪些單元電路組成的,并定性畫(huà)出vA,vB,vC的輸出波形.R112kΩR41MΩR310kΩR