模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第章信號(hào)產(chǎn)生電路的課件第一頁，共57頁。（優(yōu)選）模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第章信號(hào)產(chǎn)生電路的課件第二頁，共57頁。第11章信號(hào)產(chǎn)生電路圖(a)正弦波(b)矩形波圖1在沒有輸入信號(hào)的情況下產(chǎn)生周期性振蕩輸出信號(hào)的電子電路稱為信號(hào)產(chǎn)生電路，簡(jiǎn)稱為振蕩器。根據(jù)所產(chǎn)生的波形可以分為正弦波振蕩器和非正弦波（矩形脈沖、三角波、鋸齒波等）振蕩器。振蕩器既可由分立元件、集成運(yùn)放組成，也可由集成信號(hào)發(fā)生器組件實(shí)現(xiàn)。第三頁，共57頁。

應(yīng)用

正弦波振蕩器能產(chǎn)生頻率范圍寬（1Hz-1GHz）、輸出功率大(幾mW-幾十kW)的正弦波信號(hào)，廣泛應(yīng)用于通信、遙控遙感、航空航天、無線電廣播、檢測(cè)技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)、熱處理、電加工等領(lǐng)域。

無線電發(fā)射機(jī)---產(chǎn)生載荷信息的載波信號(hào)。

超外差接收機(jī)---產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)。

各種電子測(cè)量設(shè)備和計(jì)時(shí)儀表---產(chǎn)生頻率（或時(shí)間）基準(zhǔn)信號(hào)。

工業(yè)生產(chǎn)部門廣泛應(yīng)用的高頻電加熱設(shè)備等。第四頁，共57頁。電警棍超聲波振蕩器電腦無線發(fā)射器

應(yīng)用微波爐無線發(fā)射機(jī)第五頁，共57頁。11.1正弦波振蕩器正弦波振蕩電路原理正弦波振蕩電路諧振回路的特性和選頻放大器正弦波振蕩器石英晶體振蕩器第六頁，共57頁。已知，在負(fù)反饋放大電路中，當(dāng)附加相移達(dá)到1800、環(huán)路增益大于等于1時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。正弦波振蕩器正是利用自激振蕩原理產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波輸出信號(hào)。為了有利于自激振蕩，在基本放大電路的增益最大的頻段引入正反饋。因?yàn)椋瑘D(a)簡(jiǎn)化為圖(b)

。在沒有外加輸入信號(hào)的情況下，反饋信號(hào)維持了穩(wěn)定的輸出信號(hào)。正弦波振蕩電路原理1．平衡振蕩條件第七頁，共57頁。1．平衡振蕩條件如果環(huán)路增益等于1，即此即正弦波振蕩器的平衡振蕩條件，可分解為相位平衡條件和幅度平衡條件：相位平衡條件表示正反饋。通常，電路結(jié)構(gòu)影響相位平衡條件，電路參數(shù)影響幅度平衡條件。為了產(chǎn)生單一頻率的正弦波，基本放大電路或者反饋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有選頻功能，使電路在特定頻率滿足平衡振蕩條件。否則，輸出信號(hào)的諧波成分嚴(yán)重。第八頁，共57頁。起振條件2.

起振和穩(wěn)幅#振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號(hào)就能起振，起振的信號(hào)源來自何處？電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動(dòng)。

當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。

噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率

0的噪聲信號(hào)被放大，成為振蕩電路的輸出信號(hào)。

穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從回到第九頁，共57頁。起振條件2.

起振和穩(wěn)幅振蕩電路產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號(hào)必須經(jīng)歷起振和穩(wěn)幅兩個(gè)過程。

穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從回到第十頁，共57頁。放大電路（包括負(fù)反饋放大電路）振蕩電路基本組成部分反饋網(wǎng)絡(luò)（構(gòu)成正反饋）選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率。通常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)第十一頁，共57頁。判斷電路能否產(chǎn)生正弦振蕩的一般方法是：（1）電路是否具有放大、反饋、選頻和穩(wěn)幅功能。（2）是否滿足相位平衡條件。一般用瞬時(shí)極性法判斷，若是正反饋則滿足相位平衡條件。（3）是否滿足幅度平衡條件。3．分析方法第十二頁，共57頁。

RC振蕩器有RC串并聯(lián)型，RC移相型和RC雙T型等電路。它們的共同特點(diǎn)是反饋網(wǎng)絡(luò)兼作選頻網(wǎng)絡(luò)（合二為一）。正弦波振蕩器1．RC串并聯(lián)電路的選頻特性低頻高頻第十三頁，共57頁。1．RC串并聯(lián)電路的選頻特性令分母的虛部為零，得第十四頁，共57頁。當(dāng)R1=R2=R、C1=C2=C時(shí)，

（）

1．RC串并聯(lián)電路的選頻特性當(dāng)f=fo時(shí)，相移φf＝0，幅值達(dá)到最大值F=1/3。當(dāng)f→0時(shí)，φf＝90°,F=0；當(dāng)f→∞時(shí)，φf＝-90°,F=0。第十五頁，共57頁。反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)振蕩電路D1D2R2R3

RC串并聯(lián)電路作選頻和正反饋；R2、R3、D1和D2組成非線性電阻Rf，是穩(wěn)幅電路；Rf、R1和運(yùn)放A組成同相比例放大電路。由于RC串并聯(lián)電路、Rf和R1正好形成一個(gè)四臂電橋，稱為文氏電橋，故又稱為文氏電橋振蕩器。2．RC串并聯(lián)振蕩電路第十六頁，共57頁。RC串并聯(lián)振蕩電路D1D2R2R3（2）相位平衡條件當(dāng)f=fo時(shí)，RC串并聯(lián)電路的φf＝0，F(xiàn)=1/3，滿足相位平衡條件：φa+φf＝0。其它頻率則不滿足。

2．RC串并聯(lián)振蕩電路（1）放大電路增益同相比例放大電路的增益為第十七頁，共57頁。（3）起振起振時(shí)，輸出信號(hào)小，D1和D2截止。則AF>1，滿足起振條件。選擇R2=2R1，則AF=1，滿足幅度平衡條件。

2．RC串并聯(lián)振蕩電路（4）幅度平衡條件當(dāng)輸出信號(hào)足夠大時(shí)，D1和D2導(dǎo)通。忽略二極管的導(dǎo)通電阻，同相放大電路的增益為：如果增益RC串并聯(lián)振蕩電路D1D2R2R3第十八頁，共57頁。（5）振蕩頻率和幅度電路的輸出電壓幅度為式中，Von是二極管的導(dǎo)通壓降。RC串并聯(lián)振蕩電路D1D2R2R32．RC串并聯(lián)振蕩電路電路的振蕩頻率為非線性元件穩(wěn)幅使輸出電壓諧波大。在每個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，輸出電壓在負(fù)峰值與正峰值之間變化。當(dāng)輸出電壓絕對(duì)值小時(shí)二極管截止，放大電路的增益大；電壓絕對(duì)值大時(shí)二極管導(dǎo)通，放大電路的增益小，導(dǎo)致輸出諧波大。第十九頁，共57頁。穩(wěn)幅電路可以采用非線性元件、熱敏線性電阻和壓控線性電阻實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)節(jié)。3．穩(wěn)幅電路正溫度系數(shù)的熱敏電阻穩(wěn)幅toC

R1是具有正溫度系數(shù)的熱敏線性電阻。起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅第二十頁，共57頁。采用非線性元件場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅整流濾波T壓控電阻可變電阻區(qū)，斜率隨vGS不同而變化3．穩(wěn)幅電路頻段開關(guān)S穩(wěn)幅電路頻率調(diào)節(jié)電路第二十一頁，共57頁。補(bǔ)充：RC移相式振蕩電路

1.RC移相電路

（1）RC超前移相電路

（2）RC滯后移相電路

φF+90°+180°+270°0°選擇單級(jí)移相60o,φF-90°-180°-270°0°第二十二頁，共57頁。2.RC移相式振蕩電路

在f0處滿足相位條件：第二十三頁，共57頁。等效損耗電阻一般有則當(dāng)時(shí)，電路諧振。為諧振頻率諧振時(shí)阻抗最大，且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)同時(shí)有即1．LC并聯(lián)回路的選頻特性諧振回路的特性和選頻放大器第二十四頁，共57頁。（3）諧振時(shí)，電容的電流為所以

即諧振時(shí)，電感電流和電容電流形成回路電流，稱為槽路電流，槽路電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LC并聯(lián)電路的外部電流。說明:當(dāng)電感釋放能量（磁場(chǎng)能）時(shí)電容吸收能量，而電容釋放能量（電場(chǎng)能）時(shí)電感吸收能量。諧振時(shí)，電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的相互轉(zhuǎn)換正是諧振的實(shí)質(zhì)。

1．LC并聯(lián)回路的選頻特性諧振回路的特性和選頻放大器第二十五頁，共57頁。（a）幅頻特性（b）相頻特性諧振回路的特性和選頻放大器（4）阻抗頻率特性：分解為：幅頻特性相頻特性第二十六頁，共57頁。2.選頻放大電路以LC并聯(lián)諧振回路作為共射電路的集電極負(fù)載，則可組成具有選頻和放大功能的選頻放大電路?！?”表示變壓器的同名端，表明按圖示的參考方向，原邊電壓和付邊電壓相位相同。諧振回路的特性和選頻放大器第二十七頁，共57頁。諧振頻率：2.選頻放大電路諧振回路的特性和選頻放大器放大電路的增益為：幅頻響應(yīng)忽略LC諧振回路的電阻（Z0→∞），則在諧振頻率處，最大增益為第二十八頁，共57頁。如果對(duì)選頻放大器引入正反饋，并用反饋信號(hào)取代輸入信號(hào)，則可組成LC正弦波振蕩器。

LC振蕩器常用于產(chǎn)生1MHz以上頻率的正弦波。由于普通運(yùn)放頻帶較窄，一般由分立元件放大器或高頻集成放大電路組成LC振蕩器，分為變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式振蕩器。它們的共同點(diǎn)是用LC并聯(lián)諧振回路作選頻電路。正弦波振蕩器第二十九頁，共57頁。

雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的Q值很高，選頻特性好，所以仍能選出

0的正弦波信號(hào)。1.電路結(jié)構(gòu)2.相位平衡條件3.幅值平衡條件4.穩(wěn)幅5.選頻

通過選擇高增益的場(chǎng)效應(yīng)管和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足使電路可以起振。BJT進(jìn)入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。（定性分析）正弦波振蕩器第三十頁，共57頁。1．變壓器反饋式正弦波振蕩器放大器的輸入電阻既是付邊的負(fù)載電阻RL。在諧振頻率，放大電路的增益為：輸入電阻：反饋系數(shù)：第三十一頁，共57頁。電路的振蕩頻率是LC回路的諧振頻率，即1．變壓器反饋式正弦波振蕩器特點(diǎn)：變壓器反饋式正弦波振蕩電路易于產(chǎn)生振蕩（調(diào)整變比），波形較好。但是，磁耦合反饋的損耗較大，振蕩頻率的穩(wěn)定度不夠高。起振條件是：第三十二頁，共57頁。2．電感反饋式正弦波振蕩器正弦波振蕩器LC諧振回路中的總電感為L＝L1+L2+2M，M為互感諧振角頻率為：諧振頻率對(duì)應(yīng)的反饋系數(shù)：輸入電阻：第三十三頁，共57頁。2．電感反饋式正弦波振蕩器正弦波振蕩器諧振時(shí)，Ri等效到電感線圈的2端和3端的電阻： 忽略LC諧振回路的損耗，諧振時(shí)放大電路的增益：

可見，唯有在諧振頻率處，滿足相位平衡條件：φa+φf＝1800+1800=3600。采用瞬時(shí)極性法定性分析相位平衡條件，如圖示。第三十四頁，共57頁。正弦波振蕩器起振條件：電路的振蕩頻率是LC回路的諧振頻率，即：特點(diǎn)：由于反饋電壓取自電感，感抗隨頻率升高而增大，增強(qiáng)反饋電壓中的高次諧波，使輸出波形不理想。在要求輸出更純的正弦波時(shí)，可采電容反饋式振蕩電路。

用可變電容替換固定電容C可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍較寬。通常振蕩頻率在幾百kHz到幾十MHz之間。第三十五頁，共57頁。3．電容反饋式正弦波振蕩器正弦波振蕩器電容C1和C2串聯(lián)，與電感L組成LC諧振回路。諧振角頻率：諧振頻率對(duì)應(yīng)的反饋系數(shù)：

晶體管T構(gòu)成共射極放大電路，輸入電阻為：第三十六頁，共57頁。3．電容反饋式正弦波振蕩器正弦波振蕩器諧振時(shí)，Ri等效到諧振回路的2端和3端的電阻為： 忽略LC諧振回路的損耗，諧振時(shí)放大電路的增益為唯有在諧振頻率處，滿足相位平衡條件：φa+φf＝1800+1800=3600。采用瞬時(shí)極性法定性分析相位平衡條件，如圖示。

第三十七頁，共57頁。起振條件：電路的振蕩頻率是LC回路的諧振頻率，即：由于反饋電壓取自電容，容抗隨頻率升高而減小，抑制反饋電壓中的高次諧波，因而輸出波形是較純的正弦波。適當(dāng)選擇C1/C2或選擇合適的晶體管β，可滿足上述起振條件。3．電容反饋式正弦波振蕩器正弦波振蕩器注意：C1和C2必須同步調(diào)整，以保證起振條件，故頻率調(diào)整不方便。第三十八頁，共57頁。3．電容反饋式正弦波振蕩器正弦波振蕩器振蕩頻率：輸入電容Ci：主要是晶體管的發(fā)射結(jié)電容寄生電容：輸出電容Co：主要是晶體管的集電結(jié)電容晶體管極間電容是溫度的函數(shù)，C1和C2必須遠(yuǎn)大于Ci和Co，振蕩頻率才不受Ci和Co的影響，提高振蕩頻率穩(wěn)定性。第三十九頁，共57頁。3．電容反饋式正弦波振蕩器正弦波振蕩器選擇C1和C2遠(yuǎn)大于Ci、Co和C3，消除了Ci和Co對(duì)振蕩頻率的影響。振蕩頻率：

在LC振蕩回路中，C1、C2和C3串聯(lián)，回路總電容： 頻率穩(wěn)定度定義：各種因素引起的振蕩頻率變化量Δf0與振蕩頻率f0之比（Δf0/f0）。改進(jìn)的電容反饋式正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定度Δf0/f0可小于0.01％，頻率穩(wěn)定度較高。第四十頁，共57頁。石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定問題如果對(duì)振蕩頻率的穩(wěn)定性要求更高，可在振蕩電路中用石英晶體諧振器取代LC選頻電路，構(gòu)成石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度高達(dá)10-9~10-11。第四十一頁，共57頁。結(jié)構(gòu)極板間加電場(chǎng)極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大。壓電諧振石英晶體振蕩器1．石英晶體諧振器的電特性第四十二頁，共57頁。等效電路:(1)串聯(lián)諧振電特性:

晶體等效阻抗為純阻性。(2)并聯(lián)諧振通常所以（a）符號(hào)（b）電路模型（c）電抗-頻率響應(yīng)特性石英晶體振蕩器1．石英晶體諧振器的電特性第四十三頁，共57頁。石英晶體振蕩器1．石英晶體諧振器的電特性（3）電抗頻率特性忽略電阻R，回路的等效阻抗:

Z近似為純電抗X。當(dāng)f<fs時(shí)，X<0，呈容性；當(dāng)fs<f<fp時(shí)，X>0，呈感性；當(dāng)f>fp時(shí)，X<0，呈容性。第四十四頁，共57頁。實(shí)際使用時(shí)外接一小電容Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整1．石英晶體諧振器的電特性（4）石英晶體并聯(lián)諧振電路第四十五頁，共57頁。(a)串聯(lián)型f0=fs

（b）并聯(lián)型fs<f0<fp2.石英晶體振蕩電路

按照石英晶體諧振器是以串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振形式的不同，分串聯(lián)型和并聯(lián)型石英晶體振蕩器。在電容反饋式LC振蕩器中，用石英晶體諧振器代替電感L，即構(gòu)成并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩器。第四十六頁，共57頁。

石英晶體的阻抗頻率特性曲線如圖。

石英晶體的電抗曲線具有一個(gè)串聯(lián)諧振頻率fs,一個(gè)并聯(lián)諧振頻率

fp，二者十分接近。

對(duì)于圖(a)的電路與電感反饋式振蕩電路相似。要使反饋信號(hào)能傳遞到發(fā)射極，為此石英晶體應(yīng)處于串聯(lián)諧振點(diǎn)，此時(shí)晶體的阻抗接近為零。

對(duì)于圖(b)的電路，滿足正反饋的條件，為此，石英晶體必須呈電感性才能形成LC并聯(lián)諧振回路，產(chǎn)生振蕩。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。第四十七頁，共57頁。第11章信號(hào)產(chǎn)生電路11.2非正弦波振蕩器矩形波振蕩器三角波振蕩器鋸齒波振蕩器第四十八頁，共57頁。矩形波振蕩器11.2非正弦波振蕩器反相遲滯比較器(a)電路AvOvI(b)反相遲滯比較器的傳輸特性oVT-VT+VOH=VZVOL=-VZ1.基本結(jié)構(gòu)：由反相遲滯過零比較器和RC電路組成。上限閾值電壓：

（）

下限閾值電壓：第四十九頁，共57頁。A2.工作原理：(1)設(shè)vo

=

+VZ,

此時(shí)，vO給C充電,vc

，則：v+=VT+0tuo+VZ-VZucVT+0t一旦vc>VT+

,就有v->v+,vo

立即由＋VZ變成－VZ

。在vc<VT+

時(shí)，v-

<v+,

設(shè)uC初始值uC(0+)=0vo保持+VZ不變+VZ矩形波振蕩器第五十頁，共57頁。A此時(shí)，C向vO放電,再反向充電(2)當(dāng)vo

=

-VZ時(shí)，v+=VT-vc達(dá)到VT-時(shí)，vo上跳。VT+vctVT-當(dāng)vo

重新回到＋VZ

后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。-VZ第五十一頁，共57頁。