模拟电路第9章波形产生电路.ppt

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。 9.1.1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，应使增益下降。,3,A,反馈特性,基本放大器 幅度特性,4,9.1.3 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,9.2.2 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： 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)/R13.33 vo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,=1.1K 0.6/ 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, 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,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=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fsfp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: 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 Vp=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,例:9.4.2,2.传输特性,3 输出波形,Vi=Vp=VoR2/(R1+R2) Vth+=R2VZ/(R1+R2)=5V Vth-=-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 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