正弦波信号产生电路.ppt

1 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,9.1 正弦波振荡器的振荡条件,9.2 RC正弦波振荡器,9.3 LC正弦波振荡器,9.4 非正弦波振荡器,基本要求: 1 掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅度平衡条件 2 理解RC串并联式正弦波振荡电路、LC振荡器的工作原理 3 掌握RC和LC振荡电路能否自激的判别及振荡频率的计算,9 正弦波信号产生电路,2 / 45,正弦波振荡电路 没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路 组成： 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅环节,9.1 正弦波振荡器的振荡条件,3 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1 振荡条件,正反馈框图如图示。（注意与负反馈方框图的差别）,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,更关键,4 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1 振荡条件,振幅平衡条件,相位平衡条件,思考？ 与自激振荡条件有何异同？,常据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断电路可否振荡。,振荡条件,自激振荡幅值条件,自激振荡条件,5 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,要使电路自行振荡，需满足起振条件,思考？ 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路的电磁波干扰,振幅平衡条件,相位平衡条件,是平衡条件，电路处于稳态振荡,2 起振条件,6 / 45,频率成分丰富的随机噪声信号中恰好有0=2f0，使起振条件得以满足（选频网络），产生增幅振荡，自激,在幅值不断增大的输出信号发生失真之前，要采取措施加以限制（限幅、稳幅），增幅振荡等幅振荡,起振,稳幅,3 起振与稳幅,7 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,(2)反馈网络（构成正反馈的）,(3)选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。）,(4)稳幅环节（电路易于起振并逐步稳幅振荡，使波形失真小）,(1)放大电路（包括负反馈放大电路）,4 正弦波振荡电路的基本组成,常用的选频网络有RC选频（1兆以下低频信号）和LC选频（1兆以上高频信号）,8 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,9.2 RC正弦波振荡器,1. 电路原理图,2. RC串并联选频网络的选频特性,3. 振荡的建立与稳定,4. 振荡频率与振荡波形,5. 稳幅措施,9 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,反馈网络兼做选频网络,为正反馈。,Z1、Z2、R1、Rf构成一个四臂电桥,放大电路Av为电压串联负反馈，具有Ri高，Ro低的特点,Av为同相比例运算电路,1. 电路原理图,10 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,2. RC串并联选频网络的选频特性,反馈系数,幅频响应,又,且令,则,相频响应,11 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,当,幅频响应有最大值,相频响应,12 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知，,则振荡电路满足振幅平衡条件,(+),(+),(+),(+),3. 振荡的建立与稳定,电路满足相位平衡条件,13 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,电路满足相位平衡条件,(+),(+),(+),(+),所以，振荡频率为,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,4. 振荡频率与振荡波形,若适当调整负反馈的强弱，使Av的值在起振时略大于3，达到稳幅时Av=3，,则，输出频率为,的正弦波。,14 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,5. 稳幅措施,采用非线性元件自动调 整反馈的强弱从而稳幅。,(1)热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,负温度系数热敏电阻的作用,思考？ 可否采用正温度系数的热敏电阻？应怎样连接？,15 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,采用非线性元件,(2)工作在可变电阻区的场效应管(JFET),稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,一般只要调节RP3、RP4,16 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,采用非线性元件,(3)正反并联二极管,输出电压的幅值：,当vo很小，D1、D2截止,起振,当vo较大，D1、D2之一导通，R3变小，且vo增大RD减小，直至Vom，Av趋于3,当Av3时,17 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,T2,例如文氏桥典型电路,+,+,-,+,18 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,例9-1：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡,+,-,+,-,不满足相位平衡条件，不能振荡,19 / 45,作业,P312 9.2.1 9.2.2 9.2.4 9.2.5,20 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,9.3 LC正弦波振荡器,9.3.1 LC选频放大电路,9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路,9.3.3 三点式LC振荡电路,21 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,等效损耗电阻,当 时，,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性，容抗等于感抗，,其中,为品质因数(几十几百),同时有,即,1. 并联谐振回路,9.3.1 LC选频放大电路,9.3 LC正弦波振荡器,22 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,当Z仅局限于0附近时，,近似有=0, -0=,偏离0的程度,Z0为谐振阻抗,感性,容性,23 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,3. 幅值平衡条件,4. 稳幅,5. 选频,通过选择高值/gm和R的BJT、FET和调整变压器的匝数比，可以满足,电路可以起振。,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。,即振荡频率为,9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路,24 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,(+),(-),(+),(+),(+),(+),(+),(+),反馈,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,反馈,25 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,1. 三点式LC并联电路,电容三点式,电感三点式,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B. 若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。,适当选取L2/L1可起振,对高次谐波阻抗大，输出谐波分量大，波形不理想,适当选取C2/C1可起振,对高次谐波阻抗小，输出波形好,9.3.3 LC三点式振荡电路,26 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,2. 电感三点式振荡电路,振荡频率:,中间点交流接地，首端与尾端相位相反,27 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3. 电容三点式振荡电路,谐振频率,28 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,例9-2：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡?若能，写出振荡频率表达式,谐振频率,+,-,+,+,29 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,+,+,+,30 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,例：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,31 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,（1）检查电路是否具备正弦波振荡器的基本组成部分，即基本放大器和反馈网络，并且有选频环节。 （2）检查放大器的偏置电路，看静态工作点是否能确保放大器正常工作。 （3）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和相位平衡条件(主要看是否满足相位平衡条件，即用瞬时极性法判别是否存在正反馈) 。,分析三种LC正弦波振荡电路能否正常工作的步骤可归纳如下：,32 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,例9-3： 根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡,不满足相位平衡条件,+,-,-,33 / 45,9.4 石英晶体振荡电路,34 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q =数百,石英晶体振荡电路 Q =10000 500000,35 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,结构：,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应：,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大,压电谐振,36 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,L机械振荡的惯性10102mH C晶片的弹性10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗 102,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,等效电路,A. 串联谐振,特性:2个谐振频率,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,当f高于fs，R、L、C支路呈感性，与Co并联谐振,R、L、C支路串联谐振,C0静态电容(两极板之间的电容，几PF几十PF),37 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率(标称频率)为,由于,由此看出,调整,38 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,3. 石英晶体振荡电路,(1)并联晶体振荡电路工作在并联谐振状态，晶振作为电容三点式LC选频网络中的一个元件（代替L）。,(2)串联晶体振荡电路工作在串联谐振状态，石英晶体作为一个正反馈通路元件。(呈阻性),39 / 45,电子技术基础精品课程模拟电子技术基础,串联型晶体振荡器,石英晶体接在T1、T2组成的两极放大器的正反馈网络中，起到选频和正反馈作用。当电路调谐到石英晶体的串联谐振频率s时，石英晶体阻抗最小(相当于短路)，电路的正反馈最强，且相移为零，满足振荡条件。而对其它频率的信号，晶体阻抗很大，正反馈很弱，电路不能起振。可见这种电路的振荡频率0是由石英晶体的串联谐振频率s所决定的，即： 0 = s而不取决于振荡回路。,由晶体电抗特性可知，当=s时，晶体相当于一个“短路”元件，串联型晶体振荡器正是利