模拟电路(下)华成英清华大学出版社.ppt

第9章 波形的发生和变换电路,9.1 正弦波振荡电路,9.1.1 概述,放大电路在无输入信号的情况下，就能输出一定频率和幅值的交流信号（又称振荡器）。输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。,信号发生器从波形上分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器（方波、锯齿波、三角波等）。,信号发生器：,振荡波形：,应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。,AF = a+ f= 2n,振荡条件,幅度平衡条件,仍有稳定的输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。,1、产生正弦波振荡的条件,相位平衡条件,n = 0,1,2,2） 幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，必须有足够的反馈 量(可以通过调整放大倍数A 或反馈系数F 达到) 。,3） 起振及稳幅振荡的过程, 起振过程中: 要求 |AF|1 ，, 稳定振荡时: 要求 |AF|=1 ，,从AF 1 到 AF = 1，就是自激振荡建立的过程。,可使输出电压的幅度不断增大。,使输出电压的幅度得以稳定。, 起始信号的产生：电源接通时，在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。,讨论：,1） 相位条件意味着振荡电路在频率f0下必须是正反馈；,正弦波振荡电路只在一个频率(f0)下满足相位平衡条件。所以正弦波振荡电路必须有一个选频网络。,选频网络可设在 中或 中。,选频网络由 RC元件或 LC元件组成。,2、正弦波振荡电路的组成及各部分的作用,（1）放大电路 没有放大，不可能产生振荡。 要保证电路具有放大功能,（2）反馈网络 形成正反馈，以满足相位平衡条件,（3）选频网络 以产生单一频率的正弦波(RC、LC),（4）稳幅电路 以保证输出端得到不失真的正弦波， 使振荡稳定,3、正弦波振荡电路的分类,石英晶体正弦波振荡电路：频率稳定度高。,根据选频网络所用元件来命名,4、判断电路是否为正弦波振荡电路的方法和步骤,a. 检查电路的组成部分,c. 将电路在放大器反馈端断开，利用瞬时极性法 判断电路是否满足相位平衡条件,b. 检查放大电路是否正常工作,9.1.2 RC正弦波振荡电路,电路的构成,RC 串并联网络是正反馈网络，Rf 和R1为负反馈网络。,RC串并联网络与Rf、R1负反馈支路正好构成一个桥路，称为桥式。,1、RC串并联网络的频率特性,反馈系数,=0=1/RC,或 f = f0 =1/2RC,FVmax=1/3,RC串并联网络的频率特性曲线,当 f=f0 时的反馈系数 FVmax=1/3。此时的相角 f =0。改变RC可调节谐振频率,稳定振荡条件AuF = 1 ，| F |= 1/ 3，则,起振条件AuF 1 ，因为 | F |=1/ 3，则,考虑到起振条件AuF 1, 一般应选取 RF 略大于2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重非线性失真。,2.振荡的建立与稳定,3. 振荡频率与振荡波形,因为 A = 0，而仅在 f 0处 F = 0 ，满足相位平衡条件，所以振荡频率 f 0= 1 2RC。,改变R、C可改变振荡频率,RC振荡电路的振荡频率一般在1MHz以下。,振荡频率由相位平衡条件决定。,振荡频率为单一频率 f 0，故振荡波形是正弦波,4. 稳幅措施,振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R1实现的。R1是正温度系数热敏电阻，当输出电压升高，R1上所加的电压升高，即温度升高，R1的阻值增加，负反馈增强，输出幅度下降。反之输出幅度增加。,若热敏电阻是负温度系数，应放置在Rf 的位置。,改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调； 改变电容C 的大小可实现频率的细调。,振荡频率,5.振荡频率的调整,例 1 ：,. 试分析D1、D2自动稳幅原理； . 估算输出电压V0m；(VD=0.6V) . 若R2短路时，试画出V0的波形； . 若R2开路时，试画出V0的波形；,解：,.稳幅原理,当v0幅值很小时， D1、D2接近开路，R3=2.7K。,当v0幅值较大时， D1或D2导通，R3减小，AV下降。,V0 幅值趋与稳定。,起振。,.估算输出电压V0m (设VD=0.6V),.若R2短路时,(4). 若R2开路时，输出电压V0的波形,AV3，电路停振， 输出电压V0的波形为,9.1.3 LC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似，包括有放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。,一. LC并联谐振电路,L 的等效损耗电阻,Z,1. 谐振频率 f0,2. 谐振阻抗 Z0,3. 回路品质因数 Q,Z,4. 频率特性,Q 大,Q 小,Q 减小,幅频特性,相频特性,Z,5. 并联谐振的本质, 电流谐振,1) Z = Z0,呈纯阻,2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍, ,二 变压器反馈LC振荡器,LC并联谐振电路作为 三极管的负载，反馈线圈 L2与电感线圈相耦合, 将反馈信号送入三极管的 输入回路。若交换反馈线 圈的两个线头，可使反馈 极性发生变化。若调整反 馈线圈的匝数可以改变反 馈信号的强度，使正反馈 的幅度条件得以满足。,判断能否产生振荡的一般方法和步骤：,a. 检查电路的组成部分,c. 将电路在放大器输入端断开，利用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件,b. 检查放大电路是否正常工作,变压器反馈式LC正弦波振荡电路,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。,(1) 相位平衡条件,(2) 幅值平衡条件,(3) 稳幅,(4) 选频,优点：易于产生振荡，输出波形失真不大。缺点：耦合不紧密，损耗较大，振荡频率的稳定性不高。,+,_,+,三. 三点式 LC 振荡电路,1. 电感三点式振荡电路,放大电路,选频电路,反馈网络,反馈电压取自L2,电路构成：,选频电路： L1、 L2、 C产生谐振,1. 电感三点式振荡电路分析,正反馈,振荡频率：,通常改变电容 C 来调节振荡频率。,振荡频率一般在几十MHz以下。,相位条件的满足：,幅值条件的满足：,因AV较大，适当选择L1和L2即可,电感反馈式正弦波振荡电路,优点：耦合紧，振幅大；振荡频率高，调节范围宽。缺点：输出波形不够好，含有高次谐波。,电感 三点式,2. 电容三点式振荡电路,正反馈,放大电路,反馈网络,振荡频率,通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调节振荡频率。,反馈电压取自C2,振荡频率可达100MHz以上。,选频电路,优点：输出波形好；振荡频率高。缺点：频率调节范围窄。,电容反馈式正弦波振荡电路,电容 三点式,例：,试判断以下振荡电路是否满足相位平衡条件。,例：,试判断以下振荡电路是否满足相位平衡条件。,9.1.4 石英晶体正弦波振荡电路,1、正弦波振荡电路振荡频率的稳定,LC振荡器的振荡频率的稳定与L、C、R参数有关,即与品质因数Q有关， Q越大振荡频率越稳定。,2、石英晶体, 特性：,当电压变化频率等于晶体的固有频率时，产生压电谐振。,极板间加电场,极板间加机械力,交变电压, 符号及等效电路,等效电路,符号,石英晶体的品质因数很高,机械振动惯性： L,晶片弹性： C,品质因数,损耗： R 数百欧 小,静态电容 : C0, 石英晶体谐振频率（固有频率）,电抗-频率响应特性,等效电路,1.当R、L、C支路发生串联谐振时，串联谐振频率为：,2.当R、L、C支路与C0发生并联谐振时，并联谐振频率为：,石英晶体的振荡频率的微调,加入微调电容CS，微调串联谐振频率,3. 石英晶体振荡电路,满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,电容三点式,串联型石英晶体振荡电路,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。 加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的稳定性。,例：,分析下列振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？,9.2 非正弦波发生电路,9.2.1 矩形波发生电路,1. 方波发生电路,方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图所示。,(2)当vc=VNVP时，vo=-VZ， 所以： 电容C放电， vc 开始下降。,(3)当vc=VNVp时，vo=+VZ ，返回初态。,工作原理,方波周期用过渡过程公式可以方便地求出：,过渡过程公式：,输出波形,周期计算,为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。 占空比可调的矩形 波电路如图。,C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf； C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。,2. 矩形波发生电路,占空比为：,三角波发生器的电路如图所示。它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的输入电压VI。,9.2.2 三角波发生电路,(1)当vO1=+VZ时,则电容C充电, 同时vO按线性逐渐下降，当使A1的VP 略低于VN (0)时，vO1 从 +VZ跳变为-VZ。,(2) 在vO1=-VZ后，电容C开始放电，vO按线性上升，当使A1的VP略大于零时，vO1从-VZ跳变为+ VZ ，如此周而复始，产生振荡。vO的上升时间和下降时间相等，斜率绝对值也相等，故vO为三角波。,工作原理,输出波形峰值:,方波跳变时：VP=VN=0，VO1= VZ Vo1m=VZ,振荡周期：,为了获得锯齿波，应改变积分器的充放电时间常数。锯齿波发生器的电路如图所示。图中的二极管D和R将使充电时间常数减为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。,9.2.3 锯齿波发生电路,锯齿波周期可以根据时间常数和锯齿波的幅值求得。锯齿波的幅值为：,vo1m= Vz,vom= Vz R1/R2,于是有：,输出波形,9.2.4 压控振荡器,T,电路的组成：由锯齿波发生电路演变而来。,若T2决定于外加电压，则电路的振荡频率就几乎仅仅受控于外加电压，实现了uf 的转换。,R1R5,单位时间内脉冲个数表示电压的数值，故实现A/D转换,若uI0，则电路作何改动？,9.2.4 压控振荡器,9.3 波形变换电路,9.3.1 三角波-锯齿波变换电路,三角波上升的半个周期中,方波为负,使T夹断,这时 vo=vi,三角波下降的半个周期中,方波为正,使T工作在可变电阻区,与其他电阻相比其阻值可忽略。这时 vo=-vi,9.3.2 三角波-正弦波变换电路,为什么一般的整流电路不能作为精密的信号处理电路？,若uImaxUon ，则uO仅在大于Uon近似为uI，失真。,精密整流电路是信号处理电路，不是电源中AC-DC的能量转换电路；实现微小信号的整流。,9.3.3 精密整流电路,设RRf,对于将二极管和晶体管作电子开关的集成运放应用电路，在分析电路时，首先应判断管子相当于开关闭合还是断开，它们的状态往往决定于输入信号或输出信号的极性。,精密整流电路的组成,半波整流，若加uI的负半周，则实现全波整流,全波精密整流电路,二倍频三角波,绝对值运算电路,改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。,7.3 锯齿波发生器,|ui | UZ,把锯齿波发生器积分电路的充电电压由uo1变为ui ，则锯齿波发生器转变为压频转换电路。即输出uo的频率由输入电压ui的大小决定。,7.4 压频转换,设 uo1=+UZ ，则D2截止，D1导通， ui 给电容C充电， uo下降，当uo下降到U+L时uo1翻转到-UZ ，这时， D1截止，D2导通，电容C快速放电，uo上升，当uo上升到U+H时uo1翻转到+UZ 。如此周期变化。 uo为锯齿波。,工作原理：,uc,由电路的工作情况可知：,改变电压ui,uo的频率变化,充电电压变化,因此，称该电路为压频转换电路。,充电时间变化,由工作原理可知，uo在U+L 、 U+H之间变化：,第10章 直流电源,10.1 直流稳压电源的组成及各部分的作用,改变电压值通常为降压,交流变脉动的直流,减小脉动,1) 负载变化输出电压基本不变； 2) 电网电压变化输出电压基本不变。,直流电源是能量转换电路，将220V（或380V）50Hz的交流电转换为直流电。,半波整流,全波整流,在分析电源电路时要特别注意的两个问题：允许电网电压波动10，且负载有一定的变化范围。,10.2 单相整流电路,利用二极管的单相导电性可组成各种整流电路。 对整流电路从以下几方面进行研究： 1. 电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析 2. 输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压 3. 整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压,为分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为0。,整流二极管的伏安特性：,实际特性,理想化特性,正向导通电压为0，正向电阻为0。,10.2.1 半波整流电路,1、工作原理,u2的正半周，D导通， ADRLB，uO= u2 。,u2的负半周，D截止，承受反向电压，为u2； uO=0。,已知变压器副边电压有效值为U2,考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：,2、输出电压及输出电流的平均值,3、整流二极管的选择,10.2.2 桥式整流电路,1、工作原理,u2的正半周 AD1RLD3B，uO= u2,u2的负半周 B D2RLD4 A，uO= -u2,四只管子如何接？,集成的桥式整流电路称为整流堆。,若接反了呢？,2、输出电压及输出电流的平均值,3、二极管的选择,考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：,例1 有一单相桥式整流电路，电网电压220V，负载RL=50，U0=100V，试求变压器的变比，并选择整流二极管。,解：,根据,选择 2CZ12D（3A，300V）二极管四只,或 选择 2CZ12E（3A，400V）二极管四只,据此选择二极管,10.3 滤波电路,10.3.1 电容滤波电路,1、工作原理： 理想情况,按指数规律下降,滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。,C 越大， RL越大， 放电将越大，曲线越平滑，脉动越小。,内阻使,1、工作原理：考虑变压器和整流电路的内阻,导通角,无滤波电容时。 有滤波电容时 ，且二极管平均电流增大，故其峰值很大！,小到一定程度，难于选择二极管！,2、二极管的导通角,简单易行，UO（AV）高，C 足够大时交流分量较小；不适于大电流负载。,若负载开路 UO（AV）？,3、电容的选择,4、优缺点,当回路电流减小时，感生电动势的方向阻止电流的减小，从而增大二极管的导通角，甚至可使二极管导通角近于180。 电感对直流分量的电抗为线圈电阻，对交流分量的感抗为L。,适于大电流负载！,10.3.2 电感滤波电路,为获得更好的滤波效果，可采用复式滤波电路。,电感应与负载串联，电容应与负载并联。,10.3.3 复式滤波电路,10.4 稳压管稳压电路,稳压管的伏安特性和主要参数,稳定电压 UZ：稳压管的击穿电压 稳定电流 IZ：使稳压管工作在稳压状态的最小电流 最大耗散功率 PZM：允许的最大功率， PZM= IZM UZ 动态电阻 rz：工作在稳压状态时，rzU / I,10.4.1 稳压原理,10.4.2 主要性能指标,（1）稳压系数,（2）内阻,简单易行，稳压性能好。适用于输出电压固定、输出电流变化范围较小的场合。,10.4.3 特点,10.4.4 稳压管稳压电路的设计,（1）UI的选择 UI（23）UZ （2）稳压管的选择 UZUO IZMIZ ILmax ILmin （3）限流电阻的选择 保证稳压管既稳压又不损坏。,电网电压最低且负载电流最大时，稳压管的电流最小。,电网电压最高且负载电流最小时，稳压管的电流最大。,10.5 线性稳压电路,10.5.1 串联型稳压电路的工作原理,1、基本调整管稳压电路,为了使稳压管稳压电路输出大电流，需要加晶体管放大。,稳压原理：电路引入电压负反馈，稳定输出电压。,调整管的作用及如何提高稳压性能,不管什么原因引起UO变化，都将通过UCE的调节使UO稳定，故称晶体管为调整管。,若要提高电路的稳压性能，则应加深电路的负反馈，即将输出电压的变化量通过放大电路放大后再影响UCE的变化，则输出电压很小的变化量就能得到很强的调节，提高输出电压的稳定性。,2、带有放大环节的串联型稳压电路,（1）串联型稳压电路的基本组成及其作用,调整管,取样电阻,调整管：是电路的核心，UCE随UI和负载产生变化以稳定UO。,比较放大,基准电压,基准电压：是UO的参考电压。,取样电阻： 对UO 的取样，与基准电压共同决定UO 。,比较放大：将UO 的取样电压与基准电压比较后放大，决定电路的稳压性能。,（2）稳压原理：若由于某种原因使UO增大,（3）输出电压的调节范围,同相比例 运算电路,则 UO UN UB UO,（4）串联型稳压电源中调整管的选择,IEmaxIR1ILmax ILmax ICM UCEmaxUImax UOmin U(BR)CEO PTmax IEmax UCEmax PCM,根据极限参数ICM、 U(BR)CEO、PCM 选择调整管！,应考虑电网电压的波动和负载电流的变化！,输出电压：5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V 输出电流：1.5A（W7800）、0.5A （W78M00）、0.1A（W78L00）,1. W7800系列 （1）简介,10.5.2 集成线性稳压电路（三端稳压器）,（2）基本应用,消除高频噪声,使Co不通过稳压器放电,抵销长线电感效应，消除自激振荡,将输入端接整流滤波电路的输出，将输出端接负载电阻，构成串联型稳压电路。,（3）正、负电压同时输出的电路,（4）输出电流扩展电路,为使负载电流大于三端稳压器的输出电流，可采用射极输出器进行电流放大。,很小,三端稳压器的输出电压,若UBE= UD，则,二极管的作用：消除UBE对UO的影响。,（5）输出电压扩展电路,IW为几mA，UO与三端稳压器参数有关。,隔离作用,基准电压,电路复杂,2. 可调式三端稳压器W117,输出电压UREF1.25V，调整端电流只有几微安。,减小纹波电压,10.6 开关型稳压电路,线性稳压电源：结构简单，调节方便，输出电压稳定性强，纹波电压小。缺点是调整管工作在甲类状态，因而功耗大，效率低（2049）；需加散热器，因而设备体积大，笨重，成本高。 若调整管工作在开关状态，则势必大大减小功耗，提高效率，开关型稳压电源的效率可达7095。体积小，重量轻。适于固定的大负载电流、输出电压小范围调节的场合。,开关型稳压电源的特点,构成开关型稳压电源的基本思路,将交流电经变压器、整流滤波 得到直流电压 控制调整管按一定频率开关，得到矩形波 滤波，得到直流电压,引入负反馈，控制占空比，使输出电压稳定。,（1）基本电路 电路组成及工作原理,T截止， D导通， uE UD ；L 释放能量，C 放电。,T、D 均工作在开关状态。,T饱和导通， D截止，uE UI；L 储能，C 充电。,uBUH时,uBUL时,10.6.1 串联开关型稳压电路, 波形分析及输出电压平均值,关键技术：大功率高频管，高质量磁性材料 稳压原理：若某种原因使输出电压升高，则应减小占空比。, 稳压