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1、1,第九章 波形产生电路,9.1 正弦波振荡电路的条件 正弦波振荡器是一种无输入信号，包含选频网络的正反馈放大电路。产生正弦波的条件,相位平衡条件决定振荡频率,2,9.1.2 振荡的建立和稳定 振荡电路的初始信号是电路中存在的扰动与噪声。选频网络从扰动和噪声信号中，挑选出满足相位平衡条件的频率分量。为了能使振荡从小到大建立起来，刚起振时，必须使反馈信号的幅度大于等效输入信号的幅度。,起振条件是：,当幅度增大至一定值时，放大电路进入非线性区,增益A随输出幅度增加而逐渐减小，最终使 达到幅度平衡，振幅稳定下来。,可以利用放大管的非线性限幅，也可以在放大电路中增加其他非线性元件，幅度增加时，应使增益
2、下降。,3,A,反馈特性,基本放大器幅度特性,4,正弦波振荡电路的组成和分析方法,正弦波振荡电路包括:放大电路，起能量转换和控制作用。反馈网络，保证是正反馈。选频网络，保证建立单一频率的振荡。稳幅环节，稳定输出幅度，减少非线形失真。分析方法:检查是否包括放大电路,反馈网络和选频网络，放大器是否有正常的交、直流通路。检查电路是否满足相位平衡条件,估算振荡频率,电路的振荡频率由相位平衡条件决定。分析幅度起振条件。,5,9.2 RC正弦波振荡电路9.2.1 电路原理图,RC串并联选频网络的频率特性,6,7,起振条件,9.2.3 振荡条件振荡平衡条件,用C作频段选择，调节R作频率微调。,对放大器的要求
3、：同相放大器稳定振荡时，增益等于3 起振时，增益大于3输入阻抗高，输出阻抗低,8,9.2.4 稳幅措施,1 用热敏元件稳幅用温度系数为负的热敏元件代替Rf。Vom,PRF,T,RF,AV=1+RF/R1 或温度系数为正的热敏元件代替R1。,2 场效应管稳幅,输出幅度增加时，应使放大器增益下降,场效应管工作在可变电阻区。Vom,VC,VGS RDS,AV=1+RF/(R1+RDS),9,例9.2.1:R1=5.1K R2=9.1K，R3=2.7K R=10K C=0.015F,3 求当R2=0时输出波形AV3，电路停振，vo=0,1.稳幅原理解：vo很小时，D1、D2开路，AV=1+(R3+R2
4、)/R13.33vo增大，D1,D2导通，并联等效电阻下降，AV减小。,2 设二极管正向压降0.6V，估算Vom。稳幅时,AV=3，R3,+R2=2R1,R3,=1.1K0.6/R3,=Vom/(R3,+R1+R2),Vom=8.35v,4 R2=时输出波形AV=，理想情况下为方波，实际波形如右图。,10,9.3 LC正弦波振荡电路,LC振荡器用L、C并联谐振电路作选频网络，一般用来产生1兆Hz以上的高频正弦波信号。,9.3.1 LC选频放大器1 并联谐振回路特性谐振频率,11,谐振时，等效阻抗为纯电阻，达Z的最大值。Z0=L/RC谐振回路的品质因素 Q=0L/R=1/(RC0)Z0=Q2R谐
5、振时端口电压,输入电流与支路电流的关系,ILIC=QIS,12,阻抗Z的频率特性,Z的幅频特性和相频特性具有带通特性。f=f0时，电路为纯电阻，达最大值。ff0时，电路呈电容性。Q值越大，幅频特性越尖锐，选频特性越好。相频特性越陡峭，振荡频率越稳定。,13,9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路,Cg、Rg用来产生自生栅偏压,(+),(-),(-),(+),(-),(+),1,电路的组成及起振条件,=gmrds,14,15,刚接通电源时，Cg未充电，VGS=0，管子的跨导最大，满足起振条件。起振后，栅源间PN结整流，当时间常数g=RgCg振荡周期时，电容Cg充电到栅极电压的峰值，为栅极和源极提供
6、负偏压Vgs。（自生栅偏压）随着振幅的增长，栅源电压越负，工作点下移，gm减小，直到|AF|=1时，达到稳定，输出一定频率的等幅的正弦波。,利用自生栅偏压和跨导的非线性稳幅。,2 振荡的建立和稳定,16,一般原理组成：三个电抗元件组成，三个端点分别与晶体管的三个极相连，或运放的两个输入及输出端相连。,9.3.3 三点式LC振荡电路,X1，X2，X3为何种性质，才可产生振荡？,由相位条件A+F=2n 在谐振频率处A=所以必须F=（vf与vo反相）,要使vf与vo反相，X1、X2必为同种性质的电抗，又由于要形成谐振，X3的电抗性质必与X1、X2相反。,与发射极相连的两个电抗性质必须相同，另一个则相
7、反。同理，与运放同相输入端相连的两个电抗性质必须相同。,三点式振荡器的振荡频率可以用下式估算 X1+X2+X3=0,17,1电感三点式振荡电路(哈特莱振荡器),振荡频率,起振的幅度条件只要AV足够大，适当调节L2/L1的值，可实现起振。,(+),(-),(+),(-),(+),(-),电路特点调节频率方便，用于产生几百千Hz至几十兆Hz的频率。输出波形中含有较大的高次谐波，波形较差。,18,2 电容三点式振荡电路（考毕兹）,振荡频率,起振的幅度条件 只要值较大，适当调节C2/C1的大小就可起振。,(+),(-),(+),(-),(+),(-),电路特点反馈电压取自电容，电容对高次谐波阻抗很小,
8、反馈电压中谐波分量较小，输出波形较好。振荡频率很高，可达100MHz以上。调频不方便，用于固定频率振荡。,19,3 电容三点式改进型振荡电路(克拉泼振荡器),选取：C3C1,C3C2,调节频率时反馈系数可保持恒定，提高振荡频率的稳定性。,20,9.3.4 石英晶体振荡器,1 正弦波频率稳定问题 频率稳定度：在一定时间间隔内频率的相对变化量f/f0引起频率不稳的因素有：L、C的变化（机械变形，环境影响）回路电阻的变化（负载的变化）有源器件参数的变化谐振回路品质因素Q是决定频率稳定度的重要因素。提高频率稳定度的措施：减少可产生参数变化的原因，提高回路Q值。,21,2 石英晶体的基本特性与等效电路,
9、晶片的压电效应在石英晶片的两个面间加一电场，晶片会产生机械形变。反之，在晶片两个面间上施加机械力，则在相应方向产生电场。这种机电相互转换的现象称为压电效应。加交变电压机械变形振动产生交变电压。,石英晶体的基本特性压电效应石英的化学成分为 sio2，晶体呈六角锥型，具有各向异性的特性。按一定方位切下的一个薄片称晶片。,压电谐振：当外加交变电压的频率与晶片固有频率相等时，振幅最大。,22,石英晶体等效电路,C0：静态电容L：模拟机械振动的惯性C：模拟晶片的弹性R：模拟晶片振动时的 磨擦损耗,石英晶体的电抗-频率特性（忽略R),23,石英晶体在并联谐振时,电抗为并联谐振频率：,fsfp：呈容性。f=
10、fS：呈电阻性。,石英晶体在串联谐振时，电抗为0，等效为小电阻。,串联谐振频率：,24,串联谐振频率的调整,频率相对变化量：,晶振产品的标称频率是外结电容后校正的频率。,25,3 石英晶体振荡器,串联型晶体振荡电路晶体工作在串联谐振频率fs处，利用其阻抗为纯电阻且为最小的特性来构成振荡电路。并联型晶体振荡电路晶体工作在fs和fp之间，利用晶体为高Q电感，与外接电容组成并联谐振回路来产生振荡。,26,串联型晶体振荡电路,频率为串联谐振频率fs时，晶体为纯电阻，满足相位条件，振荡频率为fs。适当调节R5的大小就可以改变反馈的深度，以便获得良好的波形输出。,27,并联型晶体振荡器,当工作频率在fsf
11、p之间时，晶体呈感性。构成电容三点式振荡电路。振荡频率基本由晶体的固有频率决定。,石英晶体的等效Q值很高，振荡频率很稳定。频率稳定度可高达10-9 10-11。,28,9.4 非正弦信号产生电路,一般情况集成运放开环运用或加正反馈运用。运放工作在非线性区特点:,输出电压只有两种可能。当VPVN 时:运放输出达最大VOH当VPVN 时:运放输出达最小VOL输入电流为零。IP=IN=0虚短路不成立 VPVN,9.4.1 比较器,比较器用于将输入信号与参考电压进行比较，两者相等时，输出端产生电压的突变。,29,门限电压Vth:使输出电压从一个电平跳变到另一个电平时所对应的输入电压。求门限电压的方法是
12、:令VN=VP,如果VREF=0，为过零比较器。,输入电压加于同相端，为同相比较器。,ViVREF:Vo=VOH,ViVREF:Vo=VOL,Vth=VREF,1 单门限比较器,传输特性,30,反相单门限比较器,将Vi,VREF交换位置，则为反相比较器。,31,例:下图电路中，输入波形为正弦波，试画出输出电压的波形。,优点:电路简单,灵敏度高缺点:抗干扰能力差,32,vi,单门限比较器抗干扰能力差,Vth,vi,Vth,输入无干扰时,输入有干扰时,33,具有迟滞回环传输特性的比较器。,R1,R2构成正反馈网络，使门限电压受到输出电压的影响。,2 迟滞比较器,组成,34,设Vo=VOH 此时 V
13、p=Vth+输入由小变大 当ViVth+时 Vo=VOL,传输特性,设Vo=VOL 此时 Vp=Vth-输入由大变小 当ViVth-时 Vo=VOL不变 当Vi=Vth-输出产生上跳变 当ViVth-时 Vo=VOH,输入信号加于反相端为反相迟滞比较器,35,同相迟滞比较器,36,1.求门限电压,2.传输特性,3 输出波形,Vi=Vp=VoR2/(R1+R2)Vth+=R2VZ/(R1+R2)=5VVth-=-R2VZ/(R1+R2)=-5V,37,9-4-2 方波产生电路(多谐振荡器),1 矩形波产生原理,基本组成部分,具有开关特性的器件具有延迟作用的反馈网络延迟时间决定振荡频率。,振荡条件
14、无论输出电压为高电平或低电平，经过一定的延迟时间后，反馈电路通过开关器件使输出改变状态，那么就能产生周期性的振荡。,38,2 方波产生电路,电路的构成 Rf、C电路起反馈和延迟作用，反相滞回比较器起开关作用。,反相滞回比较器的门限电压：Vth+=R2VZ/(R1+R2)Vth-=-R2VZ/(R1+R2),39,振荡周期,设t=0时 Vc=0 Vo=VZ,40,3 占空比可调的矩形波发生电路,占空比：脉冲波高电平时间与周期时间之比。要改变占空比只需改变电容的充放电时间常数。,41,A1同相输入迟滞比较器A2积分器,9.4.3三角波形发生器,门限电压：Vp1=Vo1R1/(R1+R2)+VoR2/(R1+R2)=0得：Vo=-R1Vo1/R2当Vo1=-VZ时：上门限Vth+=R1VZ/R2当Vo1=VZ时：下门限Vth-=-R1VZ/R2,42,振荡周期和频率,方波的幅度：VZ锯齿波幅度：Vth=R1VZ/R2,43,电容的正向充电电阻为 R4/R输出下降时间,使电容的充电电阻与放电电阻不等，就得到锯齿波。,锯齿波信号发生器,电容的反向充电电阻为 R输出上升时间,
