[工学]电子技术第9章 信号产生电路运放非线性应用.ppt

9信号处理与信号产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 3高阶有源滤波电路 9 4开关电容滤波器 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 9 2一阶有源滤波电路 9 6RC正弦波振荡电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 8非正弦信号产生电路 1 基本概念 滤波器 是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置 有源滤波器 由有源器件构成的滤波器 滤波电路传递函数定义 其中 模 幅频响应 相位角 相频响应 群时延响应 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 1滤波电路的基本概念与分类 2 分类 低通 LPF 高通 HPF 带通 BPF 带阻 BEF 全通 APF H 上限截止频率 L 下限截止频率 o 中心频率 只让低于 H的信号通过 只让高于 H的信号通过 1 一阶低通滤波电路 传递函数 9 2一阶有源滤波电路 电路结构 RC低通电路 同相比例放大电路 故 幅频相应为 其中 同相比例放大系数 特征角频率 9 2一阶有源滤波电路 2 高通滤波电路 一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢 20dB 十倍频程 与理想情况相差较远 一般用在对滤波要求不高的场合 end 低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路 正反馈放大电路框图 注意与负反馈方框图的差别 1 振荡条件 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 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 起振条件 振荡电路是单口网络 无需输入信号就能起振 起振的信号源来自何处 电路器件内部噪声以及电源接通扰动 当输出信号幅值增加到一定程度时 就要限制它继续增加 否则波形将出现失真 噪声中 满足相位平衡条件的某一频率 0的噪声信号被放大 成为振荡电路的输出信号 稳幅的作用就是 当输出信号幅值增加到一定程度时 使振幅平衡条件从回到 2 起振和稳幅 放大电路 包括负反馈放大电路 反馈网络 构成正反馈的 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 稳幅环节 3 振荡电路基本组成部分 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 AuF 1到 AuF 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 由RC元件或LC元件组成 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 1 电路组成 2 RC串并联选频网络的选频特性 3 振荡电路工作原理 4 稳幅措施 9 6RC正弦波振荡电路 反馈网络 由RC串并联电路构成 反馈网络兼做选频网络 RC桥式正弦波振荡电路 1 电路组成 基本放大电路 由运放组成的同相比例放大电路构成 关于选频的概念 2 RC串并联选频网络的选频特性 RC串并联选频网络的频率特性 0 1 RC RC串并联网络的频率特性曲线 改变RC可调节谐振频率 0 此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知 电路满足相位平衡条件 则振荡电路满足振幅平衡条件 电路可以输出频率为的正弦波 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波 3 振荡电路工作原理 采用非线性元件 热敏元件 热敏电阻 起振时 热敏电阻的作用 4 稳幅措施 问题 Rf应选具有正的温度系数 还是负的 采用非线性元件 4 稳幅措施 场效应管 JFET 稳幅原理 整流滤波 T压控电阻 采用非线性元件 二极管 稳幅原理 起振时 4 稳幅措施 例1 试分析D1 D2自动稳幅原理 估算输出电压V0m VD 0 6V 试画出若R2短路时 输出电压V0的波形 试画出若R2开路时 输出电压V0的波形 解 稳幅原理 当v0幅值很小时 D1 D2接近开路 R 3 2 7K 当v0幅值较大时 D1或D2导通 R 3减小 AV下降 v0幅值趋与稳定 估算输出电压V0m VD 0 6V 若R2短路时 4 若R2开路时 输出电压V0的波形 当R2短路 则AV 3 电路停振 所以输出电压V0为0 9 7 2变压器反馈式LC振荡电路 9 7 3三点式LC振荡电路 9 7 4石英晶体振荡电路 9 7 1LC选频放大电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 7 1LC选频放大电路 等效损耗电阻 当时 电路谐振 谐振时 Q为品质因数 愈大选频性能愈好 1 并联谐振回路 阻抗最大 且为纯阻性 9 7 1LC选频放大电路 阻抗频率响应 a 幅频响应 b 相频响应 由图可看出 Q愈大 选频性能愈好 9 7 1LC选频放大电路 2 选频放大电路 基本放大电路 反馈选频网络 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 电路结构 2 相位平衡条件 3 幅值平衡条件 4 稳幅 5 选频 利用BJT进入非线性区 波形虽出现失真 但幅值不再增加 达到稳幅目的 定性分析 9 7 2变压器反馈式LC振荡电路 基本放大电路为共源放大电路 反馈选频由LC并联电路组成 利用瞬时极性法 仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 1 三点式LC并联电路 中间端的瞬时电位一定在首 尾端电位之间 9 7 3三点式LC振荡电路 三点的相位关系 若中间点交流接地 则首端与尾端相位相反 若首端或尾端交流接地 则其他两端相位相同 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 相位条件的判断 幅值条件的满足 因AV较大 适当选择L1和L2即可 三点式LC振荡电路 三点式LC振荡器 图中基本放大电路是共基极电路 根据瞬时极性法判断出 使发射结的净输入减小 集电极电流减小 符合正反馈的相位条件 2 电容三点式振荡电路 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 与前面分析相同 C1和C2的电压反相 正反馈 9 7 3三点式LC振荡电路 电容三点式振荡电路 例 试判断三点式振荡电路是否满足相位平衡条件 两个电路都满足相位平衡条件 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 9 7 4石英晶体振荡电路 9 7 4石英晶体振荡电路 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 等效电路 A 串联谐振 特性 晶体等效阻抗为纯阻性 B 并联谐振 通常 所以 9 7 4石英晶体振荡电路 2 石英晶体的基本特性与等效电路 a 代表符号 b 电路模型 c 电抗 频率响应特性 9 7 4石英晶体振荡电路 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 则新的谐振频率为 由于 由此看出 调整 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 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 选讲 9 8 2方波产生电路 9 8 3锯齿波产生电路 9 8 1电压比较器 单门限电压比较器 迟滞比较器 集成电压比较器 9 8非正弦信号产生电路 特点 1 单门限电压比较器 1 过零比较器 开环 虚短不成立 增益A0大于105 忽略了放大器输出级的饱和压降 可以认为 vI 0时 vOmax VCC vI 0时 vOmax VCC 过零比较器 运算放大器工作在非线性状态下 VCC vO VCC 9 8 1电压比较器 9 8 1电压比较器 特点 1 单门限电压比较器 开环 虚短不成立 增益A0大于105 当输入为正负对称的正弦波时 输出为方波 电压传输特性 VCC vO VCC 1 过零比较器 9 8 1电压比较器 1 单门限电压比较器 电压传输特性 门限电压为VREF 2 门限电压不为零的比较器 9 8 1电压比较器 1 单门限电压比较器 2 门限电压不为零的比较器 门限电压为VREF a VREF 0时 b VREF 2V时 c VREF 4V时 vI为峰值6V的三角波 设 VCC 12V 运放为理想器件 9 8 1电压比较器 1 电路组成 2 门限电压 门限电压 上门限电压 下门限电压 回差电压 2 迟滞比较器 自学 9 8 1电压比较器 2 迟滞比较器 3 传输特性 解 1 门限电压 3 输出电压波形 电路如图所示 试求门限电压 画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形 2 传输特性 例 通过上述几种电压比较器的分析 可得出如下结论 1 用于电压比较器的运放 通常工作在开环或正反馈状态和非线性区 其输出电压只有高电平VOH和低电平VOL两种情况 2 一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系 3 电压传输特性的关键要素输出电压的高电平VOH和低电平VOL门限电压输出电压的跳变方向 令vP vN所求出的vI就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式 9 8 1电压比较器 3 集成电压比较器 集成电压比较器与集成运算放大器比较 开环增益低 失调电压大 共模抑制比小 灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高 但集成电压比较器中无频率补偿电容 因此转换速率高 改变输出状态的典型响应时间是30 200ns 相同条件下741集成运算放大器的响应时间为30 s左右 9 8 2方波产生电路 1 电路组成 多谐振荡电路 稳压管双向限幅 9 8 2方波产生电路 2 工作原理 由于迟滞比较器中正反馈的作用 电源接通后瞬间 输出便进入饱和状态 假设为正向饱和状态 3 占空比可变的方波产生电路 9 8 2方波产生电路 9 8 3锯齿波产生电路 end 同相输入迟滞比较器 积分电路 充放电时间常数不同 本章习题 9 1 1 9 1 2 9 2 1 9 8 1 做在本上 9 6 1 9 6 2 9 6 3 9 6 4 9 6 6 9 7 1 9 7 2 9 7 5 9 7 6 课堂讲解 电