西安交通大学 赵进全 模拟电子技术基础 第8-9章ppt课件

8信号发生器,发生器按产生的波形特点可分为,8.1正弦波信号发生器,8.1.1正弦波自激振荡的基本原理,正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的,信号发生器常称为振荡器,1产生正弦波自激振荡的平衡条件,自激振荡原理方框图,放大环节,A,正反馈网络,F,可在输出端继续维持原有的输出信号,正反馈,工作原理,及,知电路产生自激振荡的平衡条件为,放大环节,A,正反馈网络,F,(1)幅度平衡条件,(2)相位平衡条件,上式可分解为,一个振荡器，只在振荡频率f0时满足相位平衡条件。,平衡条件讨论,a.相位平衡条件,在电路中应包含选频网络,若,则电路减幅振荡，最后停止振荡。,若，电路增幅振荡。,b.幅度平衡条件,AF=1是维持等幅振荡的唯一条件,2振荡的建立与稳定,振荡电路的起振条件：,放大电路中还应包含稳幅环节,A,反馈特性,幅度特性,F太小,自激振荡电路的建立过程（线性反馈）,幅度特性,B,幅度特性,非线性反馈,非线性反馈,起振,维持振荡,自激振荡电路的起振过程,3正弦波信号发生器组成,放大环节,正反馈网络,选频网络,稳幅环节,4.正弦波信号发生器的分类,RC型振荡器,LC型振荡器,晶体振荡器,1文氏电桥振荡器,文氏电桥振荡电路,移相式振荡电路,双T网络式振荡电路,选频网络反馈网络,放大电路,8.1.2RC型正弦波信号发生器,2RC串并联网络的选频特性,图中,Z1,Z2,反馈系数,Z1,Z2,令,幅频特性,当0时，F0,当时,F0,当=0时,F=Fmax=1/3,幅频特性分析,相频特性,当0时，F90,当时,F90,当=0时,F0,相频特性曲线,幅频特性曲线,F=0，且反馈最强,可见，当=0时,相频特性分析,3工作原理,(1)当f=时,(3)振荡频率,(2)当3时，满足振荡条件。,A,4稳幅措施,(1)利用二极管稳幅,Rt为负温度系数的热敏电阻,(2)利用非线性热敏电阻稳幅,a.用LC并联谐振回路作为选频网络,8.1.3LC型正弦波信号发生器,b.主要用来产生1MHz以上的高频信号,主要特点,c.频率稳定性较好,变压器反馈式,电感三点式,电容三点式,LC型正弦波信号发生器类型,1LC并联谐振回路,f0,f0,Q大,Q小,Q大,Q小,阻抗频率特性,相频特性,(1)谐振频率,(2)谐振时的等值电阻R0,(3)电路的品质因数,2选频放大电路,当f=f0（LC并联谐振频率）时,(1)输出电压幅值最大,(2)输出与输入电压反相,工作原理,放大电路只对谐振频率f0的信号有放大作用,LC并联谐振电路,3变压器反馈式LC振荡电路,正反馈的判断,(1)相位条件,判断的方法瞬时极性法,判断的步骤,b.断开反馈回路,a.假设谐振回路发生谐振,f.判断是否满足相位平衡条件,构成正反馈,满足相位平衡条件,(2)起振条件,因为,合理地选择电路参数，及变压器的变比，可使AF1,满足起振条件。,(3)振荡频率,(4)电路的特点,a.调节N2方便，起振容易。,g.受变压器分布参数的限制，振荡频率不能很高。,b.振荡频率高。,c.电路的品质因数高。,e.频率稳定性高。,d.输出波形好。,f.体积、重量大。,4电感三点式正弦振荡电路,振荡电路的交流通路,忽略RB1/RB2,简化的交流通路,线圈的三个端子分别与T的三个电极B、C、E相连接，故称之为电感三点式振荡电路。,(1)相位平衡条件的判断,b.断开反馈回路,a.假设谐振回路发生谐振,相量图,相量图,(2)幅度条件,由于反馈信号Uf取自电感L2，改变电感中间抽头位置，调整反馈强弱，容易满足幅度条件。,M为线圈L1与L2之间的互感,(3)谐振频率,式中,(4)电路特点,a.电感L1与L2之间耦合很紧，容易起振。,b.输出波形中含有高次谐波，波形较差。,5.电容三点式正弦波振荡电路,电容器的三个端子分别与T的三个电极相连接，故称之为电容三点式振荡电路。,交流通路,简化的交流通路,b.断开反馈回路,a.假设谐振回路发生谐振,(1)相位平衡条件的判断,相量图,相量图,+,_,(2)幅度条件,反馈电压取自C2，改变C1/C2，调整反馈强弱和电路的放大倍数，容易满足幅度条件。,(3)谐振频率,(4)电路特点,a.容易起振。,c.输出波形中高次谐波少，波形好。,c.改变电容时，容易停振。,b.振荡频率高。,改进的电容三点式振荡电路,谐振频率,1.石英晶体的基本特性与等效电路,(a)各向异性,(b)具有压电效应,8.1.4晶体振荡器,(1)压电效应,a.石英晶体的基本特性,当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。,当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会产生机械变形振动。,压电谐振,压电效应,在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。,在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。,b.石英晶体谐振器的结构,适当地切片,加装上外壳,电路符号,(2)等效电路和谐振频率,R等效晶片振动时内部的摩擦损耗,等效电路,C0两金属电极间形成的静电电容,L等效晶片振动时的惯性,C等效晶片振动时的弹性,电路特点,a.L很大，C和R很小。,b.Q很高，达104106。,c.频率稳定度（f/f0）很高。,三种振荡电路的频率稳定度,RC振荡器102,LC振荡103104,石英晶体振荡1091011,当忽略R时，电抗,串联谐振频率,当f0，电路呈感性。,a.当12LC=0时，X=0,电路发生串联谐振,讨论,并联谐振频率,X=,b.当j(C0+C2LCC0)=0时,电路发生并联谐振,由于CC0,故,电抗频率特性,画出石英晶体振荡器的电抗频率特性,可见,a.当fsFUZ时,uR=FUZ,uO=UZ,-FUZ,+FUZ,iC,c.当uO=UZ时,uR=FUZ,uC按指数规律下降,电容C放电,iC,d.当uCR，输出波形的占空比是大于还是小于50%？,答如果电阻R+R，那么，电容C的充电时间将大于放电时间，输出波形的占空比大于50%。,8.2.2三角波和锯齿波发生器,1电路组成,迟滞比较器,积分器,图中,2工作原理,(1)当时,输出电压,电容C充电,uO随时间线性下降,设uC(0)=0,波形图,(2)当时,令,UZ,得uO1翻转时的输出电压,波形图,(3)当uB0时,t,uO,uO1,O,uO,uO1,UZ,UZ,波形图,得uO1翻转时的输出电压,波形图,uO1方波,uO三角波,输出波形,(1)输出电压幅值,3.主要参数计算,(a)三角波幅值,(b)方波幅值,(2)振荡频率,三角波从零上升到Uom的时间是T/4,由图可知,由于,故电路的振荡周期,振荡频率,(a),(b),答输出波形上升和下降的斜率不等。,例3如果用图(a)示电路替代图(b)示电路的电阻R，那么输出电压uO的波形如何变化？,替代R,例4在上图示电路中，如果电阻R+R，画出输出电压的波形。,解输出信号的波形如右图示。,8.2.3压控振荡器,1.原理图,图中模拟开关S受控于uO,a.当uO=+UZ时，开关S接通+U。,b.当uO=UZ时，开关S接通U。,(1)工作原理,图中,(a)当时,U通过R向C充电,S接电源+U,uO1随时间线性下降,设uC(0)=0,+,uC,(b)当uB0时,电容又正向充电,S又接U,C,uO1又随时间线性下降,+,uC,uO,C,+,uC,uO1三角波,uO输出方波,输出波形,(2)振荡波形图,(3)振荡频率,而,由波形图知,故,由,得,f0U，实现了电压控制振荡频率的目的。,一种压控振荡电路,电子模拟开关,例1电路如图所示，图中运放A和二极管D1、D2都是理想器件，稳压管DZ的稳压值为UZ。试证明调节电位器RW改变矩形波占空比时，周期T将保持不变。,练习题,解由题意，画出uO和uC的波形如下图示。,其中,波形图,当uO=UZ时，uO通过D1对电容充电,当uO=UZ时，电容通过D2放电,可见，在改变RW滑动端位置时，T保持不变。,振荡周期,为常数,例2在图示矩形波发生电路中，理想运放的最大输出电压Uomax=12V，最小的输出电压Uomin=0V。,(a)画出输出电压uO和电容电压uC的波形；,(b)求出uC的最大值和最小值;,(c)当UR的大小超出什么范围时，电路将不再产生矩形波？,解(a)方波发生器的输出电压只有高、低两种电平，电容C随输出电压的极性进行充电或放电。当uC大于运放同相端电位u+时，输出为低电平；反之，输出为高电平。,输出电压uO和电容电压uC的波形图,(b)由图可知，运放同相端电位的最大值和最小值，即为uC的最大值和最小值。,对于同相端，由KCL得,(3)如果UcmaxU+min，电路不能产生方波。,Ucmax=Uomax/2=6V,Ucmin=Uomin/2=0V,由图可知,当UR3U+maxUOmax=6V,或UR3U+minUOmin=0V时,电路不能产生方波,例3图示电路为一压控振荡器。设输入电压0UI6V，运放A1、A2为理想器件；二极管D的正向压降为0.6V，稳压管DZ的稳定电压为6V，它们的其它性能理想。,(a)运算放大器A1、A2各组成什么电路？(b)画出uO1和uO波形；(c)写出振荡频率f0与输入电压UI的函数关系式。,解(a)A1构成反相输入积分电路，A2构成同相输入比较电压比较器。,(b)当uO6V时，二极管D截止，电容C充电，uO1随时间负向线性增大。,当运放A2的同相端电位u2+过零时，比较器翻转，uO=6V。,当uO=6V时，D导通，uO被强制为0.6V。C迅速放电，uO1快速正向增大。,当u2+再次过零时，比较器翻转，uO=6V，二极管截止，电容C充电，uO1随时间线性下降。,周而复始，形成周期性振荡。,由图可知，运放A2同相端电位,令u2+=0得,当uO6V时，uO15V，比较器状态翻转。,当uO0.6V时，uO10.5V，比较器状态翻转。,uO1和uO的波形,(c)由于二极管的导通电阻很小，电容放电时间极短，所以，TT1。,由于,当时，电容充电结束，此时,故电路的振荡频率,9.1功率放大电路的特点及分类,1特点,(1)要有尽可能大的输出功率,(2)效率要高,(3)非线性失真要小,(4)要加装散热和保护装置,(5)要用图解法分析,9功率放大电路,2工作状态分类,(1)甲类放大电路,根据晶体管的静态工作点的位置不同分,b.能量转换效率低,特点,c.放大管的导通角=2,静态工作点位置,集电极电流波形,(2)乙类放大电路,b.能量转换效率高,c.输出失真大,特点,d.放大管的导通角=,集电极电流波形,静态工作点位置,(3)甲乙类放大电路,a.静态功耗较小,b.能量转换效率较高,c.输出失真较大,特点,d.放大管的导通角0时,T1导通,T2截止,输入信号ui,输出信号uo,电流io方向,uoui,+,c.ui2VCC,(3)ICMVCC/RC,9.3功率器件与散热,在互补推挽功率放大电路中,功率管的极限参数应满足以下关系,2二次击穿的影响,二次击穿,一次击穿,S/B曲线,二次击穿现象,二次击穿临界曲线,1.V型NMOS管的结构,结构剖面图,9.3.2功率MOSFET,2.V型NMOS管的主要特点,(1)开关速度高,(2)驱动电流小,(3)过载能力强,(4)易于并联,9.3.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的主要特点：,(1)输入阻抗高,(2)工作速度快,(3)通态电阻低,(4)阻断电阻高,(5)承受电流大,兼顾了MOSFET和BJT的优点，成为当前功率半导体器件发展的重要方向。,9.3.4功率器件的散热,晶体管的散热示意图,功率器件的散热分析方法,导电回路和散热回路参数对照表,电热模拟法,即用电路来模拟功率器件的散热回路。,Tj集电结的结温,Tc功率管的壳温,Ts散热器温度,Ta环境温度,Rjc集电结到管壳的热阻,Rcs管壳至散热片的热阻,Rsa散热片至环境的热阻,散热等效热路,散热回路的总热阻为,最大允许功耗,练习题,例1乙类互补推挽功放电路如图所示。已知ui为正弦电压，RL=8W，要求最大输出功率为16W。假设功率管T1和T2特性对称，管子的饱和压降UCES=0。试求：,(1)正、负电源VCC的最小值；(2)当输出功率最大时，电源供给的功率；(3)当输出功率最大时的输入电压的有效值。,解(1)由于电路的最大输出功率,所以电源电压,(2)当输出功率最大时，电源供给的功率,VCC,(3)因为输出功率最大时，输出电压的幅值为,所以输入电压的有效值为,例2在图示电路中，已知运放性能理想，其最大的输出电流、电压分别为15mA和15V。设晶体管T1和T2的性能完全相同，=60，|UBE|=0.7V。试问:,(1)该电路采用什么方法来减小交越失真?,(2)如负载RL分别为20W、10W时，其最大不失真输出功率分别为多大?,(3)为了使不失真输出功率达到最大，其电路的最佳负载RLopt及此时的最大输出功率Pom；,(4)功放管T1和T2的极限参数PCM、ICM和|U(BR)CEO|应选多大?,解(1)在电路即将导通瞬间，电路中各支路中的电流为零。这时,故,在晶体管即将导通的瞬间，uO1等于其死区电压UBE(th)。,故电路的死区电压Ui(th)为,T1和T2均未导通,