模电课件第九章教学课件

1、 起振条件起振条件 2. 起振和稳幅起振和稳幅 电路器件内部噪声电路器件内部噪声 1)()( FA n2)()( fa 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增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。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噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0的噪声信号被的噪声信号被 放大，成为振荡电路的输出信号。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，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时， 使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到1 AF。 1 AF 4放大电路

2、（包括负反馈放大电路） 放大电路（包括负反馈放大电路） 3. 基本组成部分基本组成部分 4反馈网络（构成正反馈的） 反馈网络（构成正反馈的） 4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 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。）网络合二为一。） 4稳幅环节 稳幅环节 end 9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1. 电路组成电路组成 2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性 3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理 4. 稳幅措施稳幅措施 1. 电路组成电路组成 反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络 反馈系数反馈系数 2. RC

3、串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性 )( )( )( o f sV sV sFV 幅频响应幅频响应 又又 21 2 ZZ Z 2 )(31sCRsCR sCR j s且令且令 RC 1 0 则则 )( j3 1 0 0 V F 2 0 0 2 )(3 1 V F 相频响应相频响应 3 )( arctg 0 0 f 2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性 当当 2 0 0 2 )(3 1 V F 幅频响应有最大值幅频响应有最大值 3 )( arctg 0 0 f RC ff RC 2 1 1 00 或或 3 1 max V F 相频响应相频响应0 f 3. 振荡

4、电路工作原理振荡电路工作原理 此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电用瞬时极性法判断可知，电 路满足相位平衡条件路满足相位平衡条件 则振荡电路满足振幅平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件 0 f 当当 RC 1 0 时，时， n2 fa (+) (+) (+) (+) Av 31 1 f R R A V 1 3 1 3 VV FA 电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波 RC f 2 1 0 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波 采用非线性元件采用非线性元件 4. 稳幅措施稳

5、幅措施 4热敏元件 热敏元件 热敏电阻热敏电阻 起振时，起振时，31 1 f R R A V 即即1 VV FA 热敏电阻的作用热敏电阻的作用 o V o I 功耗功耗 f R 温度温度 f R 阻阻值值 f R 3 V A1 VV FA稳幅稳幅 V A 采用非线性元件采用非线性元件 4. 稳幅措施稳幅措施 4场效应管（ 场效应管（JFET） 31 DS3 p3 RR R A V 稳幅原理稳幅原理 o V )( GS 负负值值V DS R3 V A 1 VV FA稳幅稳幅 V A 34 CRD、整流滤波整流滤波 T 压控电阻压控电阻 vDS iD vGS=0V -1V -2V -3V 可变电阻

6、区，斜率可变电阻区，斜率 随随vGS不同而变化不同而变化 采用非线性元件采用非线性元件 4. 稳幅措施稳幅措施 4二极管 二极管 end 9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.3.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性 9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路 1. 等效阻抗等效阻抗 9.3.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性 LR C LR C Z j j 1 )j( j 1 等效损耗电阻等效损耗电阻 ) 1 j( C LR C L Z 一般有一般有LR

7、 则则 C Q LQ RC L Z 0 00 当当 时，时， LC 1 0 电路谐振。电路谐振。 LC 1 0 为谐振频率为谐振频率 谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性 其中其中 C L RRCR L Q 11 0 0 为品质因数为品质因数 同时有同时有IQII LL 即即III LL 2. 频率响应频率响应 9.3.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性 虽然波形出现了失真，但由于虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的谐振电路的Q值很高，选值很高，选 频特性好，所以仍能选出频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。 9.3.2 变压器反馈式变压器反馈

8、式LC振荡电路振荡电路 1. 电路结构电路结构 2. 相位平衡条件相位平衡条件 3. 幅值平衡条件幅值平衡条件 4. 稳幅稳幅 5. 选频选频 通过选择高通过选择高 值的值的BJT和和 调整变压器的匝数比，可以调整变压器的匝数比，可以 满足满足 1 FA ，电路可以起振。，电路可以起振。 BJT进入非线性区，波形进入非线性区，波形 出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。 （定性分析）（定性分析） VCC Rb1 Re Rb2 C1 Ce M LC c b e T vo (+) (-) (+) (+) VCC Rb1 Re Rb2C1 M L C c

9、 b e T (+) (+) (+) (+) 9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 反馈反馈 满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件 反馈反馈 仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络 A. 若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。相位相反。 9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 1. 三点式三点式LC并联电路并联电路 C1 C2 首端首端 尾端尾端 中间端中间端L 电容三点式电容三点式 C 首端首端 尾端尾端 中间端中间端 L1 L2 电感三点式电感三点式 中间端的瞬时电位一定在首、

10、尾端中间端的瞬时电位一定在首、尾端 电位之间。电位之间。 三点的相位关系三点的相位关系 B. 若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。 9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。 9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路 1. 频率稳定问题频率稳定问题 频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量 0 f f 频率偏移量。频率偏移量。f

11、0 f振荡频率。振荡频率。 LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 500000 9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路 2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路 结构结构 极板间加电场极板间加电场 极板间加机械力极板间加机械力 晶体机械变形晶体机械变形 晶体产生电场晶体产生电场 压电效应压电效应 交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高 当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。固有频率时，振幅最大。 压电谐振压

12、电谐振 9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路 2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路 等效电路等效电路 LC f 2 1 s A. 串联谐振串联谐振 特性特性 晶 体 等 效 阻晶 体 等 效 阻 抗为纯阻性抗为纯阻性 0 p 1 2 1 C C LC f B. 并联谐振并联谐振 通常通常 0 CC 0 s 1 C C f 所以所以很很接接近近与与 ps ff 9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路 2. 石英晶体的基本特性与等效电路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实际使用时外接一小电容Cs 则新的谐振频率为则新的谐振频率为 s0 s

13、1 2 1 CC C LC f 由于由于 s0 CCC s0 s 1 CC C f 由此看出由此看出 )(2 1 s0 ss CC C ff ；时时， 0 pss ffC sss ffC 时时， 调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psss fffC 9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路 3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 end *9.4 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路 9.4.1 比较器比较器 9.4.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路 9.4.2 方波产生电路方波产生电路 单门限电压比较器单门限电压比较器 迟滞比较器迟滞比较器 ，由于，由于|vO |不可能超过不可能超过

14、VM ， 9.4.1 比较器比较器 vI vO - - + A +VCC -VEE特点：特点： 时时， 0 M I A V v 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （1）过零比较器）过零比较器 开环，开环，虚短虚短和和虚断虚断不成立不成立 增益增益A0大于大于105 CCOEE VvV MI0O VvAv （忽略了放大器输出级的饱和压降）（忽略了放大器输出级的饱和压降） MOmax Vv 所以所以 当当 |+VCC | = |-VEE | =VM = 15V，A0=105 时，时，0mV15. 0 10 15 5 0 M A V 可以认为可以认为 vI 0 时，时， vOmax = +VC

15、C vI 0 时，时， vOmax = -VEE （过零比较器）（过零比较器） 运算放大器工作在非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下 MCCEE VVV 假设假设 9.4.1 比较器比较器 vI vO - - + A +VCC -VEE特点：特点： 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （1）过零比较器）过零比较器 开环，开环，虚短虚短和和虚断虚断不成立不成立 增益增益A0大于大于105 CCOEE VvV vI O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL 输入为正负对称的正弦波输入为正负对称的正弦波 时，输出为方波。时，输出为方波。 电压传输特性电压传输特性vO VOH VO

16、L vIO 思考思考 1. 若过零比较器如图所示，则它若过零比较器如图所示，则它 的电压传输特性将是怎样的？的电压传输特性将是怎样的？ 2. 输入为正负对称的正弦波时，输入为正负对称的正弦波时， 输出波形是怎样的？输出波形是怎样的？ vI vO + + - - A +VCC -VEE vO VOH VOL vIO vI O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL 9.4.1 比较器比较器 vI vO - - + A +VCC -VEEVREF 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （2）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器 电压传输特性电压传输特性 vO VOH VOL v

17、IO VREF 输入为正负对称的正弦波输入为正负对称的正弦波 时，输出波形如图所示。时，输出波形如图所示。 vI O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL VREF （门限电压为（门限电压为VREF） 解：解：（ （1）A 构成过零比较器构成过零比较器 （2）RC 为微分电路，为微分电路， RCT 例例 (a) vO vI + A C R RL D v O + vID vL 电路如图电路如图9.4.2a所示，当输入信号如图所示，当输入信号如图c所示的正弦波时，所示的正弦波时， 定性画出定性画出的的波波形形。及及、 LOO vvv vI (c) O T 2 3 4 t t vO VO

18、H O VOL (d) t v O O (e) vL O (f) t （3）D 削波（限幅、检波）削波（限幅、检波） 单门限比较器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力 vI t Vth =VREF O vO VOH O t VOL 应为高电平应为高电平 错误电平错误电平 9.4.1 比较器比较器 2. 迟滞比较器迟滞比较器 （1）电路组成电路组成 vI vN vP + A vO R1 10k R2 100 VREF =1V （2）门限电压门限电压为门限电压，为门限电压， P v 门限电压门限电压 的的两两个个的的两两个个电电压压值值可可得得有有关关，对对应应于于与与而而 POOP vvvv )

19、( OLOPI 低电平低电平时，时，Vvvv )( OHOPI 高高电电平平时时，Vvvv 21 OH2 21 REF1 T RR VR RR VR V 21 OL2 21 REF1 T RR VR RR VR V 上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压 回差电压回差电压 21 OLOH2 TTT )( RR VVR VVV vO/V VOH 0 (a) VT+ vI/V VOL 9.4.1 比较器比较器 2. 迟滞比较器（施密特触发器）迟滞比较器（施密特触发器） （3）传输特性传输特性 vI vN vP + A vO R1 10k R2 100 VREF =1V vO/V 0 (b) V

20、T vI/V VOH VOL vO/V 0 (c) VT vI/V VT+ VOH VOL (VOH)(VOL) (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V 解：解：（ （1）门限电压）门限电压 （3）输出电压波形输出电压波形 例例 电路如图电路如图9.4.6a所示，试求门限电压，画出传输特性和图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所所 示输入信号下的输出电压波形。示输入信号下的输出电压波形。 （2）传输特性）传输特性 (a) vI R3 10k vN + A R4 1k vO DZ VZ= 10V R1 20k R2 20k V5 21 OH2 21 REF1 T RR VR RR VR V V5 21 OL2 21 REF1 T RR VR RR VR V 0 REF V0V 1 O V (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V (b) vO/ V 10 5 10 5 0 VT VT+ vI/ V t1 t3 t t2 vO +10V O 10V (d) vI VT+= +5V O VT= 5V (c) t1 t3 t 9.4.2 方波产生电路方波产生电路 1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路） 迟滞比迟滞比 较器较器 RC充放充放 电支路电支路 Rf vC C + A vO R1