振荡电路分析及应用ppt课件

1、第三章 放大电路基础 第第7章章 波形发生电路波形发生电路第三章 放大电路基础 7.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 7.1.1 正弦波振荡电路的根底知识 1. 自激振荡景象 扩音系统在运用中有时会发出刺耳的啸叫声, 其构成的过程如图7.1所示。 扩音机扬声器话筒 图 7.1 自激振荡景象 第三章 放大电路基础 2. 自激振荡构成的条件 可以借助图.所示的方框图来分析正弦波振荡构成的条件。 A.F.放大电路2S1Uid.Ui.Uf.Uo.仅馈电路 图 7.2 振荡电路的方框图 第三章 放大电路基础 由此可见, 自激振荡构成的根本条件是反响信号与 输入信号大小相等、 相位一样, 即 , 而 可得

2、ifUUifUFAU1FA (7.1) 这包含着两层含义: 反响信号与输入信号大小相等, 表示 即 反响信号与输入信号相位一样, 表示输入信号经过放大电路产生的相移A和反响网络的相移F之和为0, 2, 4, , 2n, 即ifUU1FA7.2 第三章 放大电路基础 A+F=2n(n=0, 1, 2, 3, ) 7.3 称为相位平衡条件。 Uo.Obac起振稳幅t 图 7.3 自激振荡的起振波形 第三章 放大电路基础 . 正弦波振荡的构成过程正弦波振荡的构成过程 放大电路在接通电源的瞬间放大电路在接通电源的瞬间, 随着电源电压由零随着电源电压由零开场的忽然增大开场的忽然增大, 电路遭到扰动电路遭

3、到扰动, 在放大器的输入端产在放大器的输入端产生一个微弱的扰动电压生一个微弱的扰动电压ui, 经放大器放大、经放大器放大、 正反响正反响, 再再放大、放大、 再反响再反响, 如此反复循环如此反复循环, 输出信号的幅度很输出信号的幅度很快添加。快添加。 这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频这个扰动电压包括从低频到甚高频的各种频率的谐波成分。率的谐波成分。 为了能得到我们所需求频率的正弦波为了能得到我们所需求频率的正弦波信号信号, 必需添加选频网络必需添加选频网络, 只需在选频网络中心频率上只需在选频网络中心频率上的信号能经过的信号能经过, 其他频率的信号被抑制其他频率的信号被抑制, 在输出端就

4、会在输出端就会得到如图得到如图7.3的的ab段所示的起振波形。段所示的起振波形。 第三章 放大电路基础 那么, 振荡电路在起振以后, 振荡幅度会不会无休止地增长下去了呢？这就需求添加稳幅环节, 当振荡电路的输出到达一定幅度后, 稳幅环节就会使输出减小, 维持一个相对稳定的稳幅振荡, 如图7.3的bc段所示。 也就是说, 在振荡建立的初期, 必需使反响信号大于原输入信号, 反响信号一次比一次大, 才干使振荡幅度逐渐增大; 当振荡建立后, 还必需使反响信号等于原输入信号, 才干使建立的振荡得以维持下去。 第三章 放大电路基础 由上述分析可知, 起振条件应为 1FA1FA 稳幅后的幅度平衡条件为7.

5、4 . 振荡电路的组成振荡电路的组成要构成振荡要构成振荡, 电路中必需包含以下组成部分电路中必需包含以下组成部分: 放大器放大器; 正反响网络正反响网络; 选频网络选频网络; 稳幅环节。稳幅环节。第三章 放大电路基础 根据选频网络组成元件的不同, 正弦波振荡电路通常分为振荡电路, 振荡电路和石英晶体振荡电路。 7.1.2 RC正弦波振荡电路 RC正弦波振荡电路构造简单, 性能可靠, 用来产生几兆赫兹以下的低频信号, 常用的RC振荡电路有RC桥式振荡电路和移相式振荡电路。 1. RC桥式振荡电路 1 RC串并联网络的选频特性 RC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C1串联组成, 如图7.4所示

6、。 第三章 放大电路基础 Z2.U1R2C2.U2Z1R1C1 图 7.4 RC串并联网络 第三章 放大电路基础 设R1、 C1的串联阻抗用Z1表示, R2和C2的并联阻抗 用Z2表示, 那么 222211111RCjZZCjRZ输出电压 与输入电压 之比为RC串并联网络传输系数, 记为 , 那么1U2UF2221122221212111RCjRCjRRCjRZZZUUF第三章 放大电路基础 )1()1 (112211221CRCRjCCRR在实践电路中取C1=C2=C, R1=R2=R, 那么上式可简化为31arctan)1(31)1(3122RCRCRCRCFFRCRCjFF其模值 相角

7、第三章 放大电路基础 将f0 的表达式代入模值和相角的表达式, 并将角频 率变换为由频率f表示, 那么RCfRCf2112000 令 即 3arctan)(31002002ffffffffFF第三章 放大电路基础 根据上式可作出RC串并联网络频率特性如图7.5所示。 F310f0fFf0f09090 图 7.5 RC串并联网络的频率特性 第三章 放大电路基础 当 f=f0时, 电压传输系数最大, 其值为: F=1/3, 相角为零, 即F=0。 此时, 输出电压与输入电压同相位。 当ff0时, F3的要求。 其中, 1、 2和R2是实现自动稳幅的限幅电路。 11RRAfuRCf2107.5 2R

8、C移相式振荡电路移相式振荡电路 电路如图电路如图7.7所示所示, 图中反响网络由三节图中反响网络由三节RC移相电移相电路构成。路构成。 第三章 放大电路基础 RRCCCRRfUo. 图 7.7 RC超前型移相式振荡电路 第三章 放大电路基础 由于集成运算放大器的相移为180, 为满足振荡的相位平衡条件, 要求反响网络对某一频率的信号再移相180, 图7.7中RC构成超前相移网络。 正如所知, 一节RC电路的最大相移为90, 不能满足振荡的相位条件; 二节RC电路的最大相移可以到达180, 但当相移等于180时, 输出电压已接近于零, 故不能满足起振的幅度条件 。 为此, 在图7.7所示的电路中

9、, 采用三节RC超前相移网络, 三节相移网络对不同频率的信号所产生的相移是不同的, 但其中总有某一个频率的信号, 经过此相移网络产生的相移刚好为180, 满足相位平衡条件而产生振荡, 该频率即为振荡频率f0。 第三章 放大电路基础 RC移相式振荡电路具有构造简单、 经济方便等优点。 其缺陷是选频性能较差, 频率调理不方便, 由于输出幅度不够稳定, 输出波形较差, 普通只用于振荡频率固定、 稳定性要求不高的场所。 296210uARCf振幅起振条件为 7.6 7.7 第三章 放大电路基础 7.1.3 LC振荡电路 LC振荡电路分为变压器反响式LC振荡电路、 电感反响式LC振荡电路、 电容反响式L

10、C振荡电路, 用来产生几兆赫兹以上的高频信号。 1. 变压器反响式LC振荡电路 电路组成 变压器反响式LC振荡电路如图7.8所示。 第三章 放大电路基础 L1C：选频网络V、 Rb1、 Rb2、 Re、Ce、 C1组成共射放大电路L1()C()RLL3L2()()VCeReRb2()C1Rb1T UCCL2：反馈线圈引入正反馈 图 7.8 变压器反响式LC正弦波振荡电路第三章 放大电路基础 振荡条件 1 相位平衡条件。 为了满足相位平衡条件, 变压器初次级之间的同名端必需正确衔接。 电路振荡时, f=f0, LC回路的谐振阻抗是纯电阻性, 由图中L1及L2同名端可知, 反响信号与输出电压极性相

11、反, 即F=180。 于是A+F=360, 保证了电路的正反响, 满足振荡的相位平衡条件。 对频率ff0的信号, LC回路的阻抗不是纯阻抗, 而是感性或容性阻抗。 此时, LC回路对信号会产生附加第三章 放大电路基础 相移, 呵斥F180, 那A+F360, 不能满足相位平衡条件, 电路也不能够产生振荡。 由此可见, LC振荡电路只需在f=f0这个频率上, 才有能够振荡。 2 幅度条件。 为了满足幅度条件AF1, 对晶体管的值有一定要求。 普通只需值较大, 就能满足振幅平衡条件。 反响线圈匝数越多, 耦合越强, 电路越容易起振。 LCff2107.8第三章 放大电路基础 4 电路优缺陷 (1)

12、 易起振, 输出电压较大。 由于采用变压器耦合, 易满足阻抗匹配的要求。 (2) 调频方便。 普通在LC回路中采用接入可变电容器的方法来实现, 调频范围较宽, 任务频率通常在几兆赫左右。 (3) 输出波形不理想。 由于反响电压取自电感两端, 它对高次谐波的阻抗大, 反响也强, 因此在输出波形中含有较多高次谐波成分。 2. 电感反响式LC振荡电路 1) 如图7.9所示是电感反响式LC振荡电路, 又称 哈特莱振荡电路。 第三章 放大电路基础 ReCeV()()L2：反馈线圈C2Rc UCCRb1Rb2()C1()()()()CL2L1() 图 7.9 电感反响式LC振荡电路 第三章 放大电路基础

13、振荡条件分析 1相位条件。 设基极瞬时极性为正, 由于放大器的倒相作用, 集电极电位为负, 与基极相位相反, 那么电感的端为负, 2端为公共端, 端为正, 各瞬时极性如图7.9所示。 反响电压由1端引至三极管的基极, 故为正反响, 满足相位平衡条件。 2 幅度条件。 从图7.9可以看出反响电压是取自电感L2两端, 加到晶体管b、e间的。 所以改动线圈抽头的位置, 即改动L2的大小, 就可调理反响电压的大小。 当满足| |1的条件时, 电路便可起振。 FA第三章 放大电路基础 上式中, L1+L2+2M为LC回路的总电感, M为L1与L2 间的互感耦合系数。 4 电路优缺陷 (1) 由于L1和L

14、2之间耦合很紧, 故电路易起振, 输出幅度大。 (2) 调频方便, 电容C假设采用可变电容器, 就能获得较大的频率调理范围。 3 振荡频率 CMLLLCfo)2(2121217.9 第三章 放大电路基础 (3) 由于反响电压取自电感L2两端, 它对高次谐波的阻抗大, 反响也强, 因此在输出波形中含有较多高次谐波成分, 输出波形不理想。 3 电容反响式振荡电路 电容反响式LC振荡电路又称为考毕兹振荡电路，如图 7.10 所示。 第三章 放大电路基础 ReCeV()()C2：反馈电容Rc UCCRb1Rb2()Cb()()()()C2C1L 图 7.10 电容反响式振荡电路 第三章 放大电路基础

15、1 相位条件 与分析电感反响式振荡电路相位条件的方法一样, 该电路也满足相位平衡条件。 2 幅度条件 由图7.10的电路可看出, 反响电压取自电容C2两端, 所以适当地选择C1、 C2的数值, 并使放大器有足够的放大量, 电路便可起振。 3振荡频率 振荡频率为 LCfo217.10 第三章 放大电路基础 是谐振回路的总电容。 4 电路优缺陷 容易起振, 振荡频率高, 可达100 MHz以上。 输出波形较好, 这是由于C2对高次谐波的阻抗小, 反响电压中的谐波成分少, 故振荡波形较好。 但调理频率不方便。 由于C1、 C2的大小既与振荡频率有关, 也与反响量有关。 改动C1或C2时会影响反响系数

16、, 从而影响反响电压的大小, 呵斥电路任务性能不稳定。 2121CCCCC其中 第三章 放大电路基础 *. 串联改良型电容反响式LC振荡电路 串联改良型电容反响式LC振荡电路又称克拉泼振荡电路, 如图7.11所示。 321111121CCCCLCffo其中C表示回路总电容 7.11 7.12 当CC1, C3C2时, CC3。 第三章 放大电路基础 ReCeC3：用来决定振荡频率Rc UCCRb1Rb2Cb2C2C1L31C3 图 7.11 克拉泼振荡电路 第三章 放大电路基础 7.1.4 晶体振荡电路 1. 石英晶体的谐振特性与等效电路 石英晶体谐振器是晶振电路的中心元件, 其构造和外形如图

17、7.12所示。 石英晶体谐振 器是从一块石英晶体上按确定的方位角切下的薄片, 这种晶片可以是正方形、矩形或圆形、 音叉形的, 然后将晶片的两个对应外表上涂敷银层, 并装上一对金属板, 接出引线, 封装于金属壳内。 第三章 放大电路基础 为什么石英晶体能作为一个谐振回路, 而且具有极高的频率稳定度呢？这要从石英晶体的固有特性来进展分析。 物理学的研讨阐明, 当石英晶体遭到交变电场作用时, 即在两极板上加以交流电压, 石英晶体便会产活力械振动。 反过来, 假设对石英晶体施加周期性机械力, 使其发生振动, 那么又会在晶体外表出现相应的交变电场和电荷, 即在极板上有交变电压。当外加电场的频率等于晶体的

18、固有频率时, 便会产生“机电共振, 振幅明显加大, 这种景象称为压电谐振。 它与LC回路的谐振景象非常类似。 第三章 放大电路基础 底座绝缘体管脚晶片引线(a)金属壳(b) 图 7.12石英晶体谐振器(a) 石英晶体振荡器； (b) 外形图 第三章 放大电路基础 压电谐振的固有频率与石英晶体的外形尺寸及切割方式有关。 从电路上分析, 石英晶体可以等效为一个LC电路, 把它接到振荡器上便可作为选频环节运用。 图7.13为石英晶体在电路中的符号和等效电路。 (a)C0LCR(b) 图 7.13石英晶体的符号和 等效电路 (a) 符号； (b) 等效电路 第三章 放大电路基础 图7.14为石英晶体谐

19、振器的电抗-频率特性。 由图7.14可知, 它具有两个谐振频率, 一个是L、 C、 R支路发生串联谐振时的串联谐振频率fs, 另一个是L、 C、 R支路与C0支路发生并联谐振时的并联谐振频率fp, 由图 7.13 等效电路得002121CCCCLfLCfps7.13 7.14 第三章 放大电路基础 X0fsfpf容性容性感性 图7.14 石英晶体的电抗频率特性 第三章 放大电路基础 2 石英晶体振荡电路 石英晶体振荡器可以归结为两类, 一类称为并联型, 另一类称为串联型。 前者的振荡频率接近于fp, 后者的振荡频率接近于fs, 分别引见如下。 图7.15所示为并联型石英晶体振荡器。 当f0在

20、fs fp的窄小的频率范围内时, 晶体在电路中起一个电感作用, 它与C1、 C2组成电容反响式振荡电路。 第三章 放大电路基础 ReC2 晶体：在电路 中起电感作用， 工作频率在 fs 和 fp之间Rc UCCRb1Rb2CbC1V 图 7.15 并联型石英晶体振荡电路 第三章 放大电路基础 可见, 电路的谐振频率f0应略高于fs, C1 、 C2对f0的影响很小, 电路的振荡频率由石英晶体决议, 改动C1、 C2的值可以在很小的范围内微调f0。 图7.16所示为串联型石英晶体振荡电路。 第三章 放大电路基础 Re1 晶体：反馈元件，工作于串联谐振频率时，引入正反馈Rc1 UCCRb1Rb2C

21、bV1()()Re2()C2V2RP 图 7.16 串联型石英晶体振荡电路 第三章 放大电路基础 7.2 7.2 非正弦信号发生器非正弦信号发生器 7.2.1矩形波发生器矩形波发生器 图图7.17(a)是一种能产生矩形波的根本电路是一种能产生矩形波的根本电路, 也称也称为方波振荡器。为方波振荡器。 由图可见由图可见, 它是在滞回比较器的根底上它是在滞回比较器的根底上, 添加一条添加一条RC充、充、 放电负反响支路构成的。放电负反响支路构成的。 1. 任务原理任务原理 在图在图7.17a中中, 电容上的电压加在集成运电容上的电压加在集成运放的反相端放的反相端, 集成运放任务在非线性区集成运放任务

22、在非线性区, 输出只需两个输出只需两个值值: +Uz和和-Uz。 设在刚接通电源时设在刚接通电源时, 电容上的电电容上的电压为零压为零, 输出为正饱和电压输出为正饱和电压+Uz, 同相端的电压为同相端的电压为第三章 放大电路基础 电容C在输出电压+Uz的作用下开场充电, 充电电流 i经过电阻Rf, 如图7.17a的实线所示。 当充电电压uC升至2212URRR2212URRR 值时, 由于运放输入端uu, 于是电路翻转, 输出电压由+Uz值翻至Uz, 同相端电压变为2212URRR第三章 放大电路基础 R3R1R2R5R4RfVCuCiCiCuo(a)第三章 放大电路基础 uC0R2R1 R2

23、Uz R2R1 R2UzuoUz0 Uztt(b) 图 7.17 矩形波发生电路及其波形 第三章 放大电路基础 电容C开场放电, uC开场下降, 放电电流iC如图a中虚线所示。 当电容电压uC降至2212URRR值时, 由于u0时, uo1z; 当uI1, 因此外接电容C放电, uC随时间线性下降。 第三章 放大电路基础 当uC下降到uCUCC+UEE/3时, 比较器输出发生跳变, 使触发器输出端又由高电平变为低电平, I2再次断开, I1再次向C充电, uC又随时间线性上升。 如此周而复始, 产生振荡。 外接电容C交替地从一个电流源充电后向另一个电流源放电, 就会在电容C的两端产生三角波并输

24、出到脚3。 该三角波经电压跟随器缓冲后, 一路经正弦波变换器变成正弦波后由脚2 输出, 另一路经过比较器和触发器, 并经过反向器缓冲, 由脚 9 输出方波。 图 7.22 为 8038的外部引脚陈列图。 第三章 放大电路基础 1234567141312111098ICL 8038正弦波失真度调整正弦波输出三角波输出接电阻RA接电阻RB UCC调频偏置电压输出正弦波失真度调整 UEE(或接地)接电容C矩形波输出调频偏置电压输入图 7.22 8038的外部引脚陈列图 第三章 放大电路基础 . 8038 的典型运用 利用8038构成的函数发生器如图7.23所示, 其振荡频率由电位器RP1滑动触点的位

25、置、 C的容量、 RA和RB的阻值决议, 图中C1为高频旁路电容, 用以消除 8 脚的寄生交流电压, RP2为方波占空比和正弦波失真度调理电位器, 当RP2位于中间时, 可输出方波。 第三章 放大电路基础 RA4.7 kRB4.7 k1 kRP2R10 k45693210111218C10.1 FRP110 k20 kRP3100 kRP4100 k10 kC UCC10 V UEE10VICL 803810 k图7.23 8038 的典型运用 第三章 放大电路基础 *7.4 压控振荡器压控振荡器 1. 电路组成 压控振荡器如图7.24所示, 该电路的输入控制电压为直流电压。 A1为差动积分电

26、路, 积分电压由控制电压UI提供, 积分方向由场效应管V来改动; A2为滞回比较器, 它的输出控制着场效应管的导通和截止。 第三章 放大电路基础 R3200 kR1100 kR2100 kUIV2SK68AC200 pFA1uo1R4100 k5.1 k5 kR510 kR6100 kV23.3 kV1uoR8R7A2 图 7.24 压控振荡器 第三章 放大电路基础 2. 任务原理 设滞回比较器A2的输出电压为负饱和电压Uom, 此值一方面使比较器的同相端电压为下门限电压, 即 另一方面经过隔离二极管V2将比较大的负电压加在了场效应管的栅极, 使场效应管进入夹断区而截止, 此时, 积分电路可等

27、效为图7.25(a)。 omTHURRRU6552第三章 放大电路基础 UIIi2RR2UiRICA1C(a)UIIi2RR2UiRICA1CI2R(b)uouo 图7.25积分电流的流向 (a) FET截止； (b) FET导通 第三章 放大电路基础 由图可以看出, u+=UI/2, 根据“虚短的概念, u-=u+=UI/2, 再根据 “虚断的概念, 电容器上的充电电流为 由于输入电压UI为直流电压, 因此电容器C为恒流充电, 电容器C上的电压直线上升, 而A1的输出电压uo1直线下降, 当uo1降至 RURUUIIC42211117.17 omURRR655第三章 放大电路基础 时, 比较器A2翻转为+Uom。 比较器A2的输出电压+Uom, 一方面使比较器的同相端电压为上门限电压, 即 另一