清华杨素行第三版模电第10章课件

第一节 正弦波振荡电路的分析方法,正弦波振荡电路的组成,产生正弦波振荡的条件,正弦波振荡电路的分析步骤,下页,总目录,正弦波和非正弦波发生电路常常作为信号源被广泛应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。 电子技术实验中经常使用的低频信号发生器是一种正弦波振荡电路。 大功率振荡电路还可以直接为工业生产提供能源，例如高频加热炉的高频电源。 此外，如超声探伤、无线电和广播电视信号的发送和接收等，都离不开正弦波振荡电路。,下页,上页,首页,一 、 产生正弦波振荡的条件,所以产生正弦波振荡的条件是,下页,上页,放大电路产生自激振荡的条件可表示为,首页,= 1,相位平衡条件,幅度平衡条件,下页,上页,与产生正弦波振荡的条件差一个负号。 产生这个差别的根本原因在于两种情况下反馈的极性不同。,可分别用幅度平衡条件和相位平衡条件来表示：,首页,二、 正弦波振荡电路的组成,组成,放大电路：实现能量控制。 选频网络：确定电路的振荡频率。 正反馈网络：使输入信号等于反馈信号。 稳幅电路：使输出信号幅值稳定。,RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体正弦波振荡电路,下页,上页,首页,3.估算振荡频率和起振条件,1. 检查电路是否具备正弦波振荡的基本组成部分，并检查放大电路的静态工作点是否能保证电路工作在放大状态。,三、 正弦波振荡电路分析步骤,2. 分析电路是否满足自激振荡条件。,下页,上页,首页,第二节 RC正弦波振荡电路,RC串并联网络的选频特性,RC串并联网络振荡电路,RC移相式振荡电路,双T 选频网络振荡电路,下页,总目录,低,高,1/C1 R1,当 较低时,1/C2 R2,可忽略R1和1/C2,1/C1 R1,当 较高时,1/C2 R2,可忽略R2和1/C1,下页,上页,相位滞后于,相位超前于,一、 RC 串并联网络的选频特性,首页,Z1,Z2,取 R1 = R2 = R , C1 = C2 = C,下页,上页,首页,其幅频特性为,其相频特性为,下页,上页,首页,而,放大电路,二、 RC 串并联网络振荡电路,R1、C1 和 R2 、C2 及 RF 和 R 组成一四臂电桥, 因此电路又称为： 文氏电桥振荡电路。,下页,上页,1. 电路组成,首页,2. 振荡频率和起振条件,（2)起振条件,RF 2 R,（1)振荡频率,下页,上页,首页,仿真,3. 振荡电路中的负反馈,可在负反馈支路中采用热敏电阻自动稳幅。,负反馈的作用： 改善振荡波形， 减小放大电路对选频特性的影响， 提高振荡电路的带负载能力。,RF和R引入了一个电压串联负反馈。,负反馈系数:,下页,上页,首页,4. 振荡频率的调节,只要改变电阻 R 或电容 C 的值， 即可调节振荡频率。,采用这种方法可以很方便地在一个比较宽广的范围内对振荡频率进行连续调节。,下页,上页,首页,例9.2.1判断以下电路是否满足相位平衡条件？若满足， RF为多大才能保证电路起振？已知Re1 =4.7 k。,满足相位平衡条件。,1 +,RF,Re1,Auf =,RF 2 Re1= 9.4 k,=,RF + Re1,Re1,解：,下页,上页,首页,三 、 RC移相式振荡电路,一节RC电路的移相范围0 90o 两节RC电路的移相范围0 180o 三节RC电路的移相范围0 270o,f0,2700,1800,当f = f0时满足相位平衡条件, 常选C1=C2=C3 =C R1=R2=R3 =R,起振条件： RF 12R,振荡频率：,下页,上页,首页,放大电路的相位移,四、 双T选频网络振荡电路,R3 应略小于R /2,f0 ,5RC,1,特点： 选频特性好， 输出信号的频率稳定性较高， 应用较广泛。,因此满足振荡的相位平衡条件。,下页,上页,首页,当 f = f0 时，,而,结论:,RC 串并联网络振荡电路,调频方便, 便于加负反馈稳幅电路, 输出波形良好。,移相式振荡电路,电路结构简单经济;选频较差,调频不方便,输出波形较差， 适用于频率固定,波形要求不高的轻便测试设备中。,双T选频网络振荡电路,选频特性好,输出波形的非线性失真较小,但调频困难， 适用于产生单一频率的振荡波形。,以上三种电路的振荡频率均与 RC 成反比， 一般用来产生几赫至几百千赫的低频信号。,下页,上页,首页,第三节 LC 正弦波振荡电路,变压器反馈式振荡电路,电容三点式振荡电路,LC并联电路的选频特性,电感三点式振荡电路,下页,总目录,一、 LC 并联电路的选频特性,当 Q 1 时,低频时并联阻抗为感性， 高频时并联阻抗为容性， 在某一中间频率时为纯阻性。,下页,上页,首页,LC并联电路谐振时,下页,上页,Z0= L / RC,首页,Q1,LC 并联电路具有选频特性， 在 f0 处，呈纯电阻性。 当 f f0 时，呈电容性。, Q 值愈大，选频特性愈好。 谐振时的阻抗值 Z0 也愈大。, f0 的数值与电路参数有关，,Z02,Z01,Q2,Q1Q2,结论：,Q1,Q2,-900,+900,当 Q 1 时，,当 Q 1 时，,下页,上页,首页,二、 变压器反馈式振荡电路,振荡频率：,起振条件：,下页,上页,首页,三、 电感三点式振荡电路,下页,上页,首页,起振条件：,振荡频率：,下页,上页,式中L为回路的总电感，即L= L1+ L2+ 2M,其中M为L1与L2之间的互感。,式中R为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。,首页,由于线圈之间耦合很紧，较易起振。 改变 L2/L1 的比值，可获满意的正弦波，且振幅较大。 据经验， L2 的圈数选为整个线圈的 1/8 到 1/4 。 具体的圈数比应通过实验调整来确定。 2. 调节频率方便。采用可变电容，频率调节范围宽。 3. 一般用于产生几十兆赫以下的频率。,特点：,下页,上页,首页,4. 由于反馈电压取自电感 L2 ， 而电感对高次谐波的阻抗较大， 不能将高次谐波短路掉。 因此输出波形中有较大的高次谐波，故波形较差。 5. 由于此电路的输出波形较差，且频率稳定度不高， 因此通常用于要求不高的设备中， 例如高频加热器、接收机的本机振荡等。,特点：,下页,上页,首页,四、 电容三点式振荡电路,下页,上页,首页,振荡频率：,起振条件：,下页,上页,式中R为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。,首页,1. 由于反馈电压取自电容 C2 ， 电容对于高次谐波阻抗很小， 于是反馈电压中的谐波分量很小， 所以输出波形较好。 2. 因为电容 C1、C2 的容量可以选得较小， 并将放大管的极间电容也计算到 C1、C2中去， 因此振荡频率较高， 一般可以达到 100 MHz 以上。,特点：,下页,上页,首页,3. 调节 C1 或 C2 可以改变振荡频率， 但同时会影响起振条件， 因此这种电路适于产生固定频率的振荡。 如果要改变频率，可在L两端并联一个可变电容. 由于固定电容 C1、C2 的影响，频率的调节范围比较窄。 另外 也可以采用可调电感来改变频率。 通常选择两个电容之比为C1/ C2 1， 可通过实验调整来最后确定电容的比值。,特点：,下页,上页,首页,五、 电容三点式改进电路,选择参数时， C1 、C2的容值较大以掩盖极间电容变化的影响， C容值较小， 即C3 C1 , C3 C2 , 则可忽略C1 、C2对振荡频率的影响。,振荡频率,上页,首页,第四节 石英晶体振荡器,石英晶体振荡电路,石英晶体的基本特性和等效电路,下页,总目录,在LC振荡电路中，Q值愈大， LC并联电路的选频特性愈好。 LC回路的Q值为,可见，为了提高LC回路的品质因数，应尽量减小回路的损耗电阻，并增大L/C值。但实际上LC回路的L/C值不能无限制地增大。 L/C值有一定限制。一般LC回路的Q值最高可达数百。 LC振荡电路的频率稳定度较低，在要求高频率稳定度的场合，往往采用高Q值的石英晶体谐振器代替一般的LC回路。,下页,上页,首页,一、石英晶体的基本特性和等效电路,下页,上页,1. 石英晶体的基本特性,在石英晶片的两极加上一个交变电压，晶片将会产生机械变形振动。 相反，若使晶片发生机械振动，则在晶片的相应方向上将产生一定的交变电场。 在一般情况下，晶片机械振动的振幅都非常小，只有当外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅才会突然增大，这种现象称为压电谐振。 上述特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率。 石英晶体又称为石英谐振器。,首页,下页,上页,2. 石英晶体的等效电路,当晶体不振动时，可以看成是一个平板电容器C0 ，称为静电电容。 C0与晶片的几何尺寸和电极面积有关， 一般约为几个皮法到几十皮法。,当晶体振动时，有一个机械振动的惯性，用电感 L来等效，一般L值为10-3102H。 晶片的弹性一般以电容C来等效， C值为10-210-1pF。 晶片振动时，因摩擦而造成的损耗用电阻R来等效，它的阻值约为102的数量级。,首页,下页,上页,由于晶体的等效电感L很大，而等效电容C很小，电阻R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达104106， 再加上晶片本身的固有频率很稳定，而且可做得很精确。因此，利用石英谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定性。,石英谐振器有两个谐振频率，当L 、C 、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小（等于R ），串联谐振频率为,并联谐振频率为,首页,二、石英晶体振荡电路,下页,上页,1. 并联型石英晶体振荡电路,并联型石英晶体振荡电路利用石英晶体作为一个电感来组成选频网络，晶体工作在fs和fp之间。,电路的振荡频率,首页,上页,2. 串联型石英晶体振荡电路,调节电阻Rw的大小可以改变正反馈的强弱，以便获得良好的正弦波输出。,串联型石英晶体振荡电路利用石英晶体串联谐振时阻抗最小的特性组成振荡电路，晶体工作在 fs 处。,首页,第五节 非正弦波发生电路,三角波发生电路,矩形波发生电路,锯齿波发生电路,下页,总目录,一、 矩形波发生电路,滞回比较器的两种不同输出使RC电路进行充电或放电， 电容上的电压将升高或降低， 电容上的电压又作为滞回比较器的输入电压， 从而使RC电路由充电过程变为放电过程或相反， 如此反复，在滞回比较器的输出端即可得到矩形波。,下页,上页,首页,-UZ,+UZ,t1,t2,uO= +UZ 时,u+=,电容C 开始充电,充电到,u-=,uO转换为-UZ,u+=,电容C 开始放电。,放电到,u-=,uO转换为+UZ ，,电容C 又开始充电。,下页,上页,首页,仿真,用三要素法计算周期,分别代入可得周期,下页,上页,o,首页,占空比可调的矩形波发生电路,下页,上页,首页,R 、 VD1 和 组成放电回路。,改变电路中电位器滑动端的位置即可调节占空比， 而总的振荡周期不受影响。,下页,上页,首页,二、三角波发生电路 1.电路组成,A1组成滞回比较器，A2组成积分电路， 在A2的输出端得到三角波。,下页,上页,首页,2. 工作原理,-UZ,+UZ,-Uom,u+随uO减小到u+ = u- = 0时， uO1将跳变为uO1 = -UZ， 同时u+将跳变为一个负值，,假设t =0时， uO1 = +UZ ， 电容C上初始电压为零，,则uO随时间负方向线性增长，,下页,上页,首页,-UZ,+Uom,2. 工作原理,重复以上过程， 即可得到如图所示波形。,此后uO随时间正向线性增长，,u+随uO增大至u+ = u- = 0时， uO跳