模拟电路课件第8章(燕京理工学院)

1、1第第8 8章章 波形的波形的发生和发生和信号的转换信号的转换重点：重点：1 1. .正弦波振荡电路正弦波振荡电路 2 2. .电压比较器电压比较器28.1 正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。8.1.1 概述概述一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件 图示正弦波振荡电图示正弦波振荡电路的方框图，它由放大路的方框图，它由放大电路和正反馈网络（具电路和正反馈网络（具有有选选频作用）组成。频作用）组成。ii0XX，Xf 时时当当正弦波振荡电路正弦波振

2、荡电路F+fXiX AoX0i X31 1. . 起振与稳幅起振与稳幅 由于由于电电扰动（如扰动（如合合闸通电），电路产生一个幅值很闸通电），电路产生一个幅值很小的输出量，它含有丰富的频率，若电路只对频率为小的输出量，它含有丰富的频率，若电路只对频率为fo的正弦波产生正反馈过程，则的正弦波产生正反馈过程，则 由于晶体管的非线性特性，当由于晶体管的非线性特性，当X0的幅值增大到一的幅值增大到一定程度时，放大倍数的数值将减小。因此，定程度时，放大倍数的数值将减小。因此，Xo增大到一增大到一定数值时，电路达到动态平衡。定数值时，电路达到动态平衡。 OifO)(XXXX42 2. . 振荡条件振荡条件

3、正弦波振荡的平衡条件为正弦波振荡的平衡条件为幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件电路的起振条件为电路的起振条件为1FA1FA1FA或或(n(n为整数为整数) ) n2 FAiiofXXFAXFX 5二、正弦波二、正弦波振荡振荡电路的组成及分类电路的组成及分类1 1. . 组成组成（1 1）放大电路：保证电路能够从起振到动态平衡）放大电路：保证电路能够从起振到动态平衡的过程的过程，满足幅值条件。满足幅值条件。（2 2）选频电路：保证电路产生单一频率的正弦波振荡。）选频电路：保证电路产生单一频率的正弦波振荡。（3 3）正反馈网络：使）正反馈网络：使 ，满足相位条件。，满足相位条件。（4

4、 4）稳幅环节：即非线性环节，使输出信号幅值稳定。）稳幅环节：即非线性环节，使输出信号幅值稳定。实际中，常将选频网络与正反馈网络实际中，常将选频网络与正反馈网络“合二而一合二而一”。2 2. . 分类分类按按选频网络不同分类：选频网络不同分类：（1）RC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：f0低，一般在低，一般在1MHZ以下；以下；（2）LC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：f0高，多在高，多在1MHZ以上；以上；（3）石英晶体电路：振荡频率稳定，可等效）石英晶体电路：振荡频率稳定，可等效LC振荡电路振荡电路。fiUU注：注：6三、判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤三、判断电路是否可能产生正

5、弦波振荡的方法和步骤（1 1）检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分； 只有在相位条件满足的情况下，只有在相位条件满足的情况下，判断是否满足幅判断是否满足幅 值条件才有意义值条件才有意义。注：注：（2 2）判断放大电路是否能正常工作，既是否有合适的）判断放大电路是否能正常工作，既是否有合适的静态工作点及动态信号是否能够输入、输出和放大；静态工作点及动态信号是否能够输入、输出和放大；（3 3）用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相）用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位位条件；条件；1FAAF（4 4）判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，既是）判断

6、电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，既是否满足起振条件。方法是求否满足起振条件。方法是求 、 ，判断判断 否。否。78.1.2 RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路常见的常见的RC正弦波振荡电路有：正弦波振荡电路有：（1）RC桥桥式正弦波振荡电路；式正弦波振荡电路；（2）RC移相式振荡电路；移相式振荡电路；（3）双）双T选频网络振荡电路等选频网络振荡电路等。一、一、RCRC串并联选频网络串并联选频网络 RCRC串并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网串并联选频网络在正弦波振荡电路中既为选频网络，又为正反馈网络。络，又为正反馈网络。8Z1Z2)1j()1(1j11j1j112211221221122

7、2212fCRCRCCRRCRCRCRRUUF 取取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令令 RCf,RC 21100则：则： )j(31)j(310000ffffF 9得得 RC 串并联电路的幅串并联电路的幅频特性为：频特性为：2002)(31ffffF )(31arctan00Fffff 相频特性为：相频特性为：)(031)(31OfOf0同相同相与与即即最大最大时，时，当当UU|,U|U|,|F|ffF 可见，具有选频特性。可见，具有选频特性。f0f0 F0f Ff01/3+90-9010二、二、RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路(重点）重点）1. 电路组成电路

8、组成（1 1）放大电路：同）放大电路：同相相比例运比例运算放大电路算放大电路 ；（2 2）选频与正反馈网络）选频与正反馈网络 ： R、C 串并联串并联网路；网路；（3 3）稳幅环节）稳幅环节 ：RF 与与 R1 组成的电压串联负反馈电路。组成的电压串联负反馈电路。 R1、RF及及R、C串联、并联的串联、并联的R、C各为一臂构成桥路，各为一臂构成桥路，故此得名，如图。故此得名，如图。 RC串并联网络振荡电路也称串并联网络振荡电路也称RC桥式正弦波振荡电桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路路或称文氏振荡电路(Wien)。112. 振荡频率与起振条件振荡频率与起振条件（1） 振荡频率振荡频率RCf 2

9、10（2） 起振条件起振条件1FAf = f0 时时，31F由振荡条件知：由振荡条件知：所以起振条件为：所以起振条件为：3 A同相比例运放的电压放大倍数为同相比例运放的电压放大倍数为311Ff RRAu1F2RR OU 123. 稳幅措施稳幅措施为了稳定输出电压的幅值，一般应在电路中加入非线性环节。为了稳定输出电压的幅值，一般应在电路中加入非线性环节。（1）可选用）可选用R1为正温度系数的热敏电阻。为正温度系数的热敏电阻。当当UORF、R1上电流上电流R1的温度的温度TCR1AuUO（2）可选用）可选用RF为为负温度系数的热敏电阻。负温度系数的热敏电阻。（3 3）在）在 R Rf f 回路串联

10、两个回路串联两个并联的二极管，如图。并联的二极管，如图。IDrd ,IDrd加入非线性环节，从而稳加入非线性环节，从而稳定输出电压。定输出电压。1df1RrRAu13三、振荡频率可调的三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容，用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率作为振荡频率f0的粗调；的粗调；用同轴电位器实现用同轴电位器实现f0的的微调。微调。RCRC串、并联网络中，如何串、并联网络中，如何调节频率？调节频率？问题：如何提高频率？问题：如何提高频率？RCf 21014电子琴的振荡电路电子琴的振荡电路_+ + RF1uoR1CCRfD1D2RF2R28

11、R27R26R25R24R23R22R21R212345176功率放功率放大器大器使使R2R1AF 1可调可调A 221021RRCf 2121RRF21F21fF2F1RRRA15四、其他形式的四、其他形式的 RC 振荡电路振荡电路1. 移相式振荡电路移相式振荡电路集成运放产生集成运放产生的相位移的相位移 A = 180，如果反馈网络再相移如果反馈网络再相移 180，即可满足产生正弦波振，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。荡的相位平衡条件。振荡频率为：振荡频率为：RCf 32100ff0 27018090当当 f = f0 时，相移时，相移 180，满足正弦波振荡的相位条件。满足正弦波振

12、荡的相位条件。起振条件：起振条件：RF 12 R162. 双双 T 选频网络振荡电路选频网络振荡电路振荡频率约为：振荡频率约为：RCf510 当当 f = f0 时，双时，双 T 网络的相移为网络的相移为 F = 180；反相比反相比例运放的相移例运放的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的相因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。衡条件，即可产生正弦波振荡。起振条件起振条件1 23 FARR，17* *三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称名称RC

13、串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网络选频振荡电路电路电路形式形式振荡振荡频率频率起振起振条件条件电路电路特点特点及应及应用场用场合合RCf 2103 ARCf 3210RCf510 1 23 FARR，RR12F 可方便地连续调节振可方便地连续调节振荡频率，便于加负反荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。到良好的振荡波形。电路简单，经济电路简单，经济方便，适用于波方便，适用于波形要求不高的轻形要求不高的轻便测试设备中。便测试设备中。选频特性好，适选频特性好，适用于产生单一频用于产生单一频率的振荡波形。率

14、的振荡波形。188.1.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 一、一、LC 谐振回路的频率特性谐振回路的频率特性由于振荡频率较高，由于振荡频率较高， 放大电路多采用分立元件电路，放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。必要时还应采用共基电路。并联电路的导纳：并联电路的导纳：当当电路发生电路发生并联谐振并联谐振。 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY 0)(20200 LRLC 19并联谐振角频率并联谐振角频率LCQLCLR 22001111)(11 式中：式中：LCRRLQ10 谐振回路的品质因数谐振回路的品质因数当当 Q 1 时时LC10 LCf 210谐振频率：谐振频

15、率：20时，电抗时，电抗当当0ff RCLYZ00121Z 0 图示不同图示不同 Q 值时，值时，LC 回路的幅频特性和相频特性。回路的幅频特性和相频特性。Z01Z02Q1 Q2Q1Q2 0 F+90-90Q1Q2Q1 Q2感性感性纯阻纯阻容性容性结论：结论：（1）当）当 f = f0 时，电路为纯电时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当阻性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为时，电路为容性。所以容性。所以 LC 并联电路具有选频并联电路具有选频特性。特性。 （2）电路的品质因数）电路的品质因数Q愈大，愈大，选频特性愈好。选频特性愈好。22若以若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载并联

16、网络作为共射放大电路的集电极负载berZAu 当当 f = f0 时，电压放时，电压放大倍数的数值最大，且大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路无附加相移。因而电路称为称为选频放大电路选频放大电路。 若引入若引入正反馈正反馈，并用，并用反馈电压取代输入电压，反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡则电路就成为正弦波振荡电路。电路。LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式变压器反馈式电感反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式23二、变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路1. 工作原理（要求会判断）工作原理（要求会判断）判断电路产生正弦波振荡的判断电路产生正弦波振荡的可能性：可能性

17、：（1）振荡电路含有：放大电路，）振荡电路含有：放大电路，选频网络，正反馈网络及晶体管的选频网络，正反馈网络及晶体管的非线性实现的稳幅环节四个部分。非线性实现的稳幅环节四个部分。（2）用瞬时极性法，可知满足正弦）用瞬时极性法，可知满足正弦波振荡的相位条件波振荡的相位条件。 - - （3）图示电路中的放大电路是典型的工）图示电路中的放大电路是典型的工作点稳定电路，可设置合适的静态工作作点稳定电路，可设置合适的静态工作点点;从交流通路可见，电路可正常放大。从交流通路可见，电路可正常放大。24（4）本电路的输入电阻是放大电）本电路的输入电阻是放大电路负载的一部分，路负载的一部分， 相互关相互关联。只

18、要合理选择变压器的匝比联。只要合理选择变压器的匝比及其它电路参数及其它电路参数 ，电路容易满足，电路容易满足幅值条件幅值条件。FA与与2. 振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件(推导略推导略) 图示变压器反馈式振荡电路的交流等效电路。图示变压器反馈式振荡电路的交流等效电路。R是是LC谐振谐振回路、负载等的总损耗，回路、负载等的总损耗，L1为考虑到为考虑到N3回路参数折合到原边回路参数折合到原边的等效电感，的等效电感，L2为副边电感，为副边电感，M为为N1和和N2间的等效互感间的等效互感;Ri为为放大电路的输入电阻，放大电路的输入电阻，Ri=Rb1/Rb2/rbe 。25211)(IMjILjR

19、UO 212LjRIMjIi 整理得整理得110)(ILjRU 式中式中iiRLRMRR222222 222222211LLRMLLi CLf1021 当当Q1时，振荡频率时，振荡频率在谐振频率下，在谐振频率下，beib1r|U|Q|I|Q|I|Q|I|C ioioRLjRIMjRIRIU21i2iff (b)图为（图为（a）图从）图从A、B向右看进去向右看进去的等效电路。可见，带负载后，电的等效电路。可见，带负载后，电感量减小，损耗变大，感量减小，损耗变大，CLRQ11 因而因而Q，选频特性变差。其品质，选频特性变差。其品质因数因数26，则则通通常常iRL 20 be1fMr|U|MQ|I|

20、U|ioo 电路的起振条件电路的起振条件即即MQrbe0 可见，可见，Q值愈大，要求值愈大，要求的的值愈低。值愈低。MCRr be CLfCLRQ101211 和和将将3. 优缺点优缺点代入上式得代入上式得起振条件为起振条件为 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路 易于产生振荡，输出波形失真易于产生振荡，输出波形失真不大，应用范围广泛。但是耦不大，应用范围广泛。但是耦合不紧密，损耗大合不紧密，损耗大;且振荡频且振荡频率的稳定性不高。率的稳定性不高。1if UU27三、电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路1. 电路组成电路组成为了克服变压器反为了克服变压器反馈振荡电路中变压器馈振荡电路中

21、变压器原、副边耦合不紧的原、副边耦合不紧的缺点，缺点，N1和和N2合并为合并为一个线圈。一个线圈。 为了加强谐振效为了加强谐振效果，将电容果，将电容C跨接在跨接在整个线圈两端，如图整个线圈两端，如图所示。所示。- - - -282. 工作原理工作原理 判断电路能否产生正弦波判断电路能否产生正弦波振荡：振荡：(1)电路中包含放大电路、选频回电路中包含放大电路、选频回路、反馈网络和非线性元件（晶路、反馈网络和非线性元件（晶体管）四个部分体管）四个部分;(2)放大电路能够正常工作放大电路能够正常工作;(3)由瞬时极性法判断满足正弦波由瞬时极性法判断满足正弦波振荡的相位条件振荡的相位条件;(4)只要电

22、路参数选择得当，电路只要电路参数选择得当，电路就可满足幅值条件。就可满足幅值条件。 由图可见，原边线圈的三由图可见，原边线圈的三个端分别接在晶体管的三个电个端分别接在晶体管的三个电极，故称电感反馈振荡电路为极，故称电感反馈振荡电路为电感三点式电路电感三点式电路。293. 振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件(推导略推导略)CMLLLCf)2(2121210 断开反馈且空载情况下的交流等效电路如图示。断开反馈且空载情况下的交流等效电路如图示。设设Q1,则振荡频率。则振荡频率。反馈系数的数值反馈系数的数值MLMLMjLjMjLjUUF 12120f 30iLLR/RR 集集电电极极总总负负载载两两

23、点点间间的的等等效效负负载载。、折折合合到到为为BARRLL 大倍数大倍数因此放大电路的电压放因此放大电路的电压放所取电流可忽略不计，所取电流可忽略不计，阻非常大，阻非常大，回路产生谐振，等效电回路产生谐振，等效电时，时，且且当当LCQff10 Lbe21RrMLML beLrRAu 起振条件为起振条件为和上式，可得和上式，可得利用利用根据根据MLMLFFA 12|, 1|从从A、B两端向右看进去的等效电阻为两端向右看进去的等效电阻为2ii|F|RR 31可见，可见， ）（12L/L |F| LR易起振易起振 |A|u不易起振不易起振故故为为易易。）)4171(/(12 NN4. 优缺点优缺点

24、优点：由于优点：由于N2与与N1耦合紧密，幅值大耦合紧密，幅值大; 当当C可调，可可调，可获得大范围的振荡频率。获得大范围的振荡频率。缺点：由于缺点：由于Uf 取自电感，对高次谐波有较大的电抗，取自电感，对高次谐波有较大的电抗，输出电压含有高次谐波，波形较差。适用于对波形要输出电压含有高次谐波，波形较差。适用于对波形要求不高的设备中。求不高的设备中。，32四、电容反馈式振荡电路四、电容反馈式振荡电路1. 电路组成电路组成将电感反馈式振将电感反馈式振荡电路中的电容换成荡电路中的电容换成电感，电感换成电容，电感，电感换成电容，且增加且增加RC，就是电容，就是电容反馈式振荡电路，如反馈式振荡电路，如

25、图示。图示。 因为两个电容的三个端分别接晶体管的三个极，故又因为两个电容的三个端分别接晶体管的三个极，故又称为称为电容三点式电路电容三点式电路。RL333. 振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件振荡频率振荡频率212102121CCCCLLCf 2. 工作原理工作原理判断：（判断：（1）电路包含放大电路，选频网络，反馈网络和）电路包含放大电路，选频网络，反馈网络和 非线性元件（晶体管）四个部分非线性元件（晶体管）四个部分; （2）放大电路能够正常工作）放大电路能够正常工作; （3）用瞬时极性法可知满足相位条件）用瞬时极性法可知满足相位条件; （4）只要电路参数选择得当，电路就可满足幅）只要电路

26、参数选择得当，电路就可满足幅 值条件，而产生正弦波振荡。值条件，而产生正弦波振荡。RL34反馈系数反馈系数2111C2C2Of|/|/|CCCjICjIUUF 电压放大倍数电压放大倍数beLiOu|rRUUA 式中集电极等效负载式中集电极等效负载2iCL|/FRRR 35根据根据 , ,1 |FA|由式由式beLu21|rRACCF 和和可得可得起振条件为起振条件为Lbe12RrCC 注注：（1） ）（21/CC |LR |A|u不利电路起振不利电路起振 |F|利于电路起振利于电路起振21C/C要适当，要适当，（2）输出波形好，但用改变电容调节）输出波形好，但用改变电容调节fo。则会影响电路的

27、起振条件则会影响电路的起振条件;而用改变电感调而用改变电感调节节fo 比较困难。所以常用在固定振荡频率比较困难。所以常用在固定振荡频率的场合。在振荡频率可调范围不大时，可的场合。在振荡频率可调范围不大时，可采用图示选频网络。采用图示选频网络。根据实验确定。根据实验确定。364. 稳定振荡频率的措施稳定振荡频率的措施 若要提高电容反馈式振荡电若要提高电容反馈式振荡电路的频率，势必要减小路的频率，势必要减小C1、C2和和L。在。在C1和和C2较小时，晶体管的较小时，晶体管的极间电容和电路的杂散电容将极间电容和电路的杂散电容将影响振荡频率。影响振荡频率。 为了稳定振荡频率，在设为了稳定振荡频率，在设

28、计电路时，必须使计电路时，必须使Ci和和CO对选对选频特性的影响忽略不计。若频特性的影响忽略不计。若C1和和C2远大于极间电容和杂散电容远大于极间电容和杂散电容, 振荡频率几乎不受振荡频率几乎不受Ci和和CO影响，影响，振荡频率稳定。振荡频率稳定。 具体办法是在电感支路串联具体办法是在电感支路串联一个小电容一个小电容C，且，且CC1 ， CC2 ，则则 CCCC111121 37振荡频率振荡频率LCf 210 可见，可见，fo 几乎与几乎与C1和和C2无关，也与无关，也与极间电容和杂散电容无关。极间电容和杂散电容无关。注：注： 若要求电容反馈式振荡电若要求电容反馈式振荡电路的振荡频率高达路的振

29、荡频率高达100MHz以以上，则应采用共基极放大电路，上，则应采用共基极放大电路，如图示。如图示。38例例1 电路如图所示，图中电路如图所示，图中Cb为旁为旁路电容，路电容，C1为耦合电容，对交流为耦合电容，对交流信号均可视为短路。为使电路可信号均可视为短路。为使电路可能产生正弦波振荡，试说明变压能产生正弦波振荡，试说明变压器原边线圈和副带边线圈的同名器原边线圈和副带边线圈的同名端端。 由瞬时极性法得，变压器原边线圈下端由瞬时极性法得，变压器原边线圈下端 和副边线圈的上端为同名端。和副边线圈的上端为同名端。解：解：39 L接在晶体管的基极和集电接在晶体管的基极和集电极，极，L使两个电极近似短路

30、，放使两个电极近似短路，放大电路的静态工作点不合适，故大电路的静态工作点不合适，故应在选频网络与放大电路输入端应在选频网络与放大电路输入端之间加耦合电容。之间加耦合电容。 改正图所示电路中的错误，使改正图所示电路中的错误，使之有可能产生正弦波振荡。要求不之有可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法能改变放大电路的基本接法。例例2 Ce容量远大于容量远大于C1和和C2，故为，故为旁路电容，对交流可视为短路。旁路电容，对交流可视为短路。C1、C2和和L构成构成LC并联谐振网络，并联谐振网络，C2上上电压为输出电压，电压为输出电压，C1上电压为反馈上电压为反馈电压，因而为电容反馈式振荡电路

31、。电压，因而为电容反馈式振荡电路。解：解： 晶体管的集电极直接接电源，交流输出晶体管的集电极直接接电源，交流输出电压等于零，所以必须在集电极加电阻电压等于零，所以必须在集电极加电阻RC。40名称名称变压器反馈式变压器反馈式电感反馈式电感反馈式电容反馈式电容反馈式电容反馈式改进型电容反馈式改进型电电路路形形式式振荡频率振荡频率起振条件起振条件频率调节方频率调节方法及范围法及范围振荡波形振荡波形频率稳定度频率稳定度适用频率适用频率各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较LCf 210CMLLf)2(21210 2121021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrMLM

32、L eb21 RrCC eb12 频率可调，频率可调，范围较宽。范围较宽。一般一般可达可达 10-4几千赫几千赫 几十几十兆赫兆赫同左同左较差较差同左同左同左同左频率可调，频率可调，范围较小。范围较小。好好可达可达 10-4 10-5几兆赫几兆赫 一百一百兆赫兆赫同左同左同左同左好好可达可达 10-5同左同左418.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体谐振器，简称石英晶体谐振器，简称石英晶体石英晶体，具有非常稳定，具有非常稳定的固有频率。的固有频率。 将二氧化硅（将二氧化硅（SiO2）结晶体按一定的方向切割结晶体按一定的方向切割成很薄的晶片，再将晶片成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面

33、抛光和涂两个对应的表面抛光和涂敷银层，并作为两个极引敷银层，并作为两个极引出管脚，加以封装，就构出管脚，加以封装，就构成石英晶体振荡器，其结成石英晶体振荡器，其结构示意图和符号如图示。构示意图和符号如图示。一、石英晶体的特点一、石英晶体的特点结构示意图结构示意图符号符号42压电效应压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。产生一定的电场。压电谐振压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频

34、率时，振幅突然增加。时，振幅突然增加。1. 压电效应和压电振荡压电效应和压电振荡这一特定的频率就是石英晶体的固有频率，也称这一特定的频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率谐振频率。432.石英晶体的等效电路和谐振频率石英晶体的等效电路和谐振频率符号符号串联谐振频率串联谐振频率LCf 21s并联谐振频率并联谐振频率电抗频率特性电抗频率特性OfXfsfp容性容性容性容性感性感性0s00p121CCfCCCCLf 由于由于CC0 , 所以所以 fpfs。其。其Q值高，值高，稳定度稳定度 f / f0。等效电路等效电路44二、石英晶体正弦波振荡电路二、石英晶体正弦波振荡电路1. 并联型石英晶体正弦波

35、振荡电路并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路交流等效电路振荡频率振荡频率CCCCCCLf 000)(212121CCCCC 由于由于CCC 0p021fLCf 452. 串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路当振荡频率等于当振荡频率等于 fS 时，时，晶体阻抗最小，且为纯电晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振移为零，电路满足自激振荡条件。荡条件。振荡频率振荡频率s0ff 调节调节 的阻值，可使电路满足振荡的幅值平衡条件。的阻值，可使电路满足振荡的幅值平衡条件。fR46 电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，电压比较器是对输入信

36、号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。 电压比较器电压比较器一、一、 电压比较器的电压传输特性电压比较器的电压传输特性1. 的关系曲线，称为电压传输特性。的关系曲线，称为电压传输特性。uo可能可能两种状态，即两种状态，即UOH或或UOL 。)(IOufu 2. 阈值电压阈值电压UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。的输入电压。3. 电压传输特性的三要素电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平输出电压的高电平UOH和低电平和低电平UOL的数值。的数值。(2

37、)当当uI变化且经过变化且经过UT时，时， uO跃变的方向。跃变的方向。(3)阈值电压的数值阈值电压的数值UT。8.2.1概述概述8.247二、集成运放的非线工作区二、集成运放的非线工作区+UOMuOuP uN NO UOM 在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是引入了正反馈。态，就是引入了正反馈。Aod=，uo与与uI 不是线性不是线性关系，如图示传输特性。关系，如图示传输特性。uo=UOM，ip = iN = 0 48三、电压比较器的种类三、电压比较器的种类1 1. .单限比较器单限比较器电路只有一个阈值电压，图电路只有一个阈值电压，图示单

38、限比较器的电压传输特性示单限比较器的电压传输特性。2. 滞回比较器滞回比较器 电路有两个阈值电压，当输入电路有两个阈值电压，当输入电压单方向变化时，电压单方向变化时，uO只跃变一只跃变一次，但次，但uI从小到大方向和从大到从小到大方向和从大到小的方向的阈值电压不同。图示小的方向的阈值电压不同。图示滞回比较器的电压传输特性。滞回比较器的电压传输特性。3. 窗口比较器窗口比较器 电路有两个阈值电压，输入电压单电路有两个阈值电压，输入电压单一方向变化过程中，输出电压跃变两次。一方向变化过程中，输出电压跃变两次。图示电压传输特性，中间如开了窗口，图示电压传输特性，中间如开了窗口，称窗口比较器。称窗口比

39、较器。498.2.2单限比较器单限比较器一、过零比较器一、过零比较器1. 过零比较器及其电压传输特性过零比较器及其电压传输特性图示过零比较器及其电压传输特性。图示过零比较器及其电压传输特性。可见，可见，当当 uI 0 时，时，uO = - - UOM 。uIuO+UOM- -UOMOOMOMOT 0UUu;U 或或为为注：注：要获得与（要获得与（b）图相反的电压传输特）图相反的电压传输特性，将（性，将（a）图输入与地对调。）图输入与地对调。（a）(b)502. 电压比较器输入级的保护电路电压比较器输入级的保护电路为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，为了限制集成运放的差模输入电压，保护

40、其输入级，可加二极管限幅电路。可加二极管限幅电路。3. 电压比较器的输出限幅电路电压比较器的输出限幅电路常根据需要，在集成运放的输出端加稳压管限幅电路。常根据需要，在集成运放的输出端加稳压管限幅电路。图中图中R为限流电阻，稳压管的稳压值应小于为限流电阻，稳压管的稳压值应小于UOM 。(a)图中，图中，。时时，时时，)(,0);(,0DZ2OLoOMoIDZ1OHoOMoIUUUuUuuUUUuUuu 51（1）若要求）若要求UZ1=UZ2可采用两只特性相同而又制可采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管如图（作在一起的稳压管如图（b）。稳定电压为）。稳定电压为。时时，当当时时，当当 00ZOLO

41、IZOHOIUUuu;UUuu (2)限幅电路的稳压管跨接在限幅电路的稳压管跨接在集成运放的输出端和反相输集成运放的输出端和反相输入端之间，如图示。入端之间，如图示。DZ构成构成负反馈通路，集成运放工作负反馈通路，集成运放工作在线性区，在线性区， 。ZRNiiu 虚虚地地，注：注：。ZU 52电路的优点：电路的优点：（1）集成）集成运放的净输入电压与净输入电流均为运放的净输入电压与净输入电流均为近似零，从而保护了输入级近似零，从而保护了输入级; ;（2）集成）集成运放没有工作在非线性区，因而在运放没有工作在非线性区，因而在输入电压过零时，其内部的晶体管不需从截止输入电压过零时，其内部的晶体管不

42、需从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，所以提高了输出电压的变化速度。区，所以提高了输出电压的变化速度。53vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL传输特性传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ将正弦波变为矩形波将正弦波变为矩形波问题：问题：过零比较器如图所示，过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？出波形是怎样的？54R1R2二、一般单限比较器二、一般单限比较器uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZREF12URR 图示单限比较器，图示单限比较器，REFU为外加参

43、数电压。为外加参数电压。REF212I211NURRRuRRRu REF12TPN, 0URRUuu 则阈值电压则阈值电压令令（1）可见，改变）可见，改变UREF的大小和极性，以及的大小和极性，以及 R1和和R2的大小，就可改变的大小，就可改变UT的大小和极性。的大小和极性。（2）若要改变）若要改变uI过过UT时时uO的跃变方向，应的跃变方向，应将集成运放的同相输入端与反相输入端将集成运放的同相输入端与反相输入端 外外接电路互换。接电路互换。（3）过零比较器是）过零比较器是UT=0的单限比较器。的单限比较器。55存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单限比较器的单限

44、比较器的作用作用：检测输入的模拟信号是否达到：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。某一给定电平。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法： 采用具有采用具有滞回滞回 传输特性的比较器。传输特性的比较器。56结论结论：分析电压传输特性三要素法分析电压传输特性三要素法（1）通过集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比）通过集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的较器的UOH和和UOL。（2）写出集成运放）写出集成运放uP和和uN的表达式，令的表达式，令uP=uN，解得输入，解得输入电压就是阈值电压电压就是阈值电压UT。（3）uO在在uI过过UT时的跃变方向决定于时的跃变方

45、向决定于uI作用于集成运放的哪作用于集成运放的哪个输入端。当个输入端。当uI从反相输入端输入（或通过电阻接反相输入从反相输入端输入（或通过电阻接反相输入端）时，端）时，。OLOTIOHOTI,;,UuUuUuUu 当当uI从同相输入端（或通过电阻接同相输入端）时，从同相输入端（或通过电阻接同相输入端）时，。， ;OHOTIOLOTIUu,UuUuUu 57解解:图图8.2.6 为过零比较器为过零比较器图图8.2.7 为一般单限比较器为一般单限比较器V2REF21T URRUR1R2 在图在图8.2.6所示电路中，所示电路中，UZ=6V ，在图在图8.2.7所示电路中，所示电路中， R1= R2

46、 =5k ，基准电压基准电压UREF=2V ，稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压UZ=5V ；它们的输入电压均为图它们的输入电压均为图8.2.8（a）所示的三角波。所示的三角波。试画出图试画出图8.2.6所示电路的输出电压所示电路的输出电压u01和图和图8.2.7所示电路的输所示电路的输出电压出电压u02 。例例158Z211TPNZ211PINZO,URRRUuuURRRuuuUu 则得阈值电压则得阈值电压令令，8.2.3滞回比较器滞回比较器电压传输特性如图（电压传输特性如图（b）。uIuOOUT- -UZUT+UZ（b） 单限比较器虽然灵敏，但是抗干扰能力差。滞回比较器单限比较器虽然灵敏，但

47、是抗干扰能力差。滞回比较器具有滞回特性，因而具有一定的抗干扰能力。具有滞回特性，因而具有一定的抗干扰能力。59uo从从+UZ跃变到跃变到-UZ的的阈值电压为阈值电压为+UTuo从从-UZ跃变到跃变到+UZ的的阈值电压为阈值电压为-UTuI在在-UT与与+UT之间增加或减小之间增加或减小, uO不不发生变化发生变化可见，曲线具有方向性可见，曲线具有方向性。引入正反馈是为了加快引入正反馈是为了加快uO的转换速度，得到理的转换速度，得到理想的电压传输特性。想的电压传输特性。注：注：uIuOO-UT -UZ+UT+UZ60Z211REF212PURRRURRRu Z211REF2121TURRRURR

48、RU Z211REF2122TURRRURRRU 二、加了参考电压的滞回比较器二、加了参考电压的滞回比较器令令uN=uP，得与阈值电压，得与阈值电压当当UREF0时，电压传输特性如图示。时，电压传输特性如图示。（1 1）改变参考电压）改变参考电压UREF的大小和极性，可改变的大小和极性，可改变曲线水平移动的方向；（曲线水平移动的方向；（2）改变稳压）改变稳压管的管的UZ，可使曲线产生垂直方向移动。可使曲线产生垂直方向移动。注：注：R1R2R61已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。 UZ 9VV3URRRUZ211T例例262，V3V62

49、TT1ZO UUUu 设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图（设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图（a）所示。）所示。除稳压管的限流电阻外，要求所有电阻阻值在除稳压管的限流电阻外，要求所有电阻阻值在20100k之间。之间。 根据电压传输特性可知，输入电压作用于同相输入端，根据电压传输特性可知，输入电压作用于同相输入端， 而且而且电路没有外加基准电压，故电路如同（电路没有外加基准电压，故电路如同（b）所示。求解阈）所示。求解阈值电压的表达式：值电压的表达式：(a)例例3(b)解：解：630NO2111212P uuRRRuRRRu3VV621Z21T RRURRU解得解得 R2=2R1。若

50、取若取R1为为25k，则，则R2应取为应取为50k，若取若取R1为为50k，则，则R2应取为应取为100k。选取稳压管的稳定电压。选取稳压管的稳定电压 UZ为为 6V，限，限流电阻为流电阻为800。648.2.4 窗口比较器窗口比较器当当 uI URH ，必大于必大于URL, A1的的 输出输出uo1=+UOM，A2 的输出的输出uo2= - UOM。使。使D1 导通、导通、D2 截止，截止，DZ工作在稳压状态，工作在稳压状态，uO=+UZ ； 前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。跃

51、变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。 (a)图这一种双限比较器，外加参考电压图这一种双限比较器，外加参考电压 URH URL , R1、R2、DZ构成限幅电路。构成限幅电路。当当 uI URL ，必小于必小于URH, A1的的 输出输出uo1= - UOM，A2 的输出的输出uo2= +UOM。因此。因此D2导通、导通、D1 截止，截止，DZ工作在稳压状态，工作在稳压状态，uO=+UZ 。65当当 URL uIURH时时 ，uO1=uO2=-UOM ,所以所以D1 、D2 均截止，均截止，稳压管截止稳压管截止 ，uO=0。URH和和URL分别为比较器的两个阈值电分别为比较器的两个

52、阈值电压，设压，设URL、URH均大于零，则（均大于零，则（a）图的电压传输特性曲线）图的电压传输特性曲线如（如（b）图所示）图所示。（1）在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出）在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。电压只有高电平和低电平两种可能的情况。（2）通常用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函）通常用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。数关系。（3）电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，）电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高、低电平阈值电压和输出电压的跃变

53、方向。输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令决定于限幅电路；令uP=uN所求出的所求出的uI就是阈值电压；就是阈值电压； uI等等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端同相输入端还是反相输入端。结论：结论：668.2.5集成电压比较器集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类一、集成电压比较器的主要特点和分类1 1. . 特点特点（1）集成电压比较器比集成运放的开环增益低，失调电压）集成电压比较器比集成运放的开环增益低，失调电压大，共模抑制比小；大，共模抑制比小； （2）集成电压比较器响应速度快，传输延

54、迟时间短；）集成电压比较器响应速度快，传输延迟时间短；（3）一般不需要外加限幅电路就可直接驱动）一般不需要外加限幅电路就可直接驱动TTL、CMOS和和ECL 等集成数字电路等集成数字电路; （4）有些芯片带负载能力强，可直接驱动继电器和指示灯。）有些芯片带负载能力强，可直接驱动继电器和指示灯。672. 分类分类（1）按一个器件上所含有电压比较器的个数分：单、双和四）按一个器件上所含有电压比较器的个数分：单、双和四电压比较器电压比较器;（2）按功能分：通用性、高速型、低功耗型、低电压型和高）按功能分：通用性、高速型、低功耗型、低电压型和高 精度型电压比较器精度型电压比较器;（3）按输出方式分普通

55、、集电极（漏极）开路输出或互补输）按输出方式分普通、集电极（漏极）开路输出或互补输出三种出三种。 有的集成电压比较器带有选通端，用来控制电路是处有的集成电压比较器带有选通端，用来控制电路是处于工作状态，还是禁止状态（高阻状态）。于工作状态，还是禁止状态（高阻状态）。 注：注：68二、集成电压比较器的基本接法二、集成电压比较器的基本接法1. 通用型集成电压比较器通用型集成电压比较器AD790引脚图引脚图+12V单电单电源供电，源供电，逻辑电源逻辑电源为为5V。5V双电源双电源供电，逻辑电供电，逻辑电源为源为5V。15V双电源双电源供电，逻辑电供电，逻辑电源为源为5V。692. 集电极开路集成电压

56、比较器集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图金属封装的管脚图电路为双限比较器，电路为双限比较器，能实现线与功能。能实现线与功能。由由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性构成的双限比较器及其电压传输特性注意注意：一般输出方式的集成电：一般输出方式的集成电压比较器或集成运放，两个电压比较器或集成运放，两个电路的输出端不得并联使用。路的输出端不得并联使用。708.3非正弦波非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等几种常见的非正弦波几种常见的非正弦波非正弦波发生电路非正弦波发生电路718.3.1矩形波发生电路矩形波发生电路矩形波发生电路是其它非正弦

57、波发生电路的基础。矩形波发生电路是其它非正弦波发生电路的基础。一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理1.电路的组成电路的组成 （1）电压比较器：因矩形）电压比较器：因矩形波电压只有高、低电平两个状波电压只有高、低电平两个状态（反相输入滞回比较器）。态（反相输入滞回比较器）。 （2）反馈电路：因产生振荡，）反馈电路：因产生振荡，就要求输出的两种状态自动的相就要求输出的两种状态自动的相互转换（互转换（R、C充放电电路）。充放电电路）。 （3）RC延时电路：因输出状态要按一定时间间隔交替变延时电路：因输出状态要按一定时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延时环节来确定每化，即产生周

58、期性变化，所以电路中要有延时环节来确定每一种状态维持的时间（一种状态维持的时间（R、C充放电电路）。充放电电路）。72Z211TURRRU 2. 工作原理工作原理uO = UZ，阈值电压阈值电压电压传输特性如（电压传输特性如（b）图所示）图所示 (b)u+u-ttt1t2OuCTUTUuOt3OZU ZU 1T2T3R设某一时刻，输出电压设某一时刻，输出电压uO=+UZ，则，则uP=+ UT。uO通过通过R3对对C正向充电。正向充电。uN随时间随时间t 增长而逐渐升高增长而逐渐升高, 当当 ，uN 趋于趋于+UZ； t4R73 一旦一旦 ，再稍减小，再稍减小，uO从从-UZ跃变为跃变为+UZ，

59、同时，同时，uP从从-UT跃变为跃变为+UT，C又充电。重复上述过程，又充电。重复上述过程，电路产生自激振荡。电路产生自激振荡。TNUu 一旦一旦 ，再稍增大，再稍增大，uO就从就从+UZ跃变为跃变为-UZ，同，同时，时，uP 从从UT跃变为跃变为-UT。uO又通过又通过R3对对C反向充电（即放反向充电（即放电）。电）。uN随时间随时间t 增长而逐渐降低增长而逐渐降低,;ZNUut 时，时，当当TNUu ttt1t2OuCTUTUuOt3OZU ZU 1T2T74二、波形分析及主要参数二、波形分析及主要参数电容的充放电规律：电容的充放电规律：)(e)() 0 ()(CtCCCuuutu对于放电

60、，对于放电，Z211) 0(URRRuC T)(UuCCR3解得：解得：)21ln(2213RRCRT振荡频率振荡频率f=1/T 可见，改变可见，改变R1、R2和和UZ可改变产可改变产uC的幅值，调整的幅值，调整R1、R2、R3和和C的数值可改变电路的振荡频率。的数值可改变电路的振荡频率。75CRRW)(311 三、占空比可调电路三、占空比可调电路 矩形波的宽度与周期之比矩形波的宽度与周期之比称为称为占空比占空比。使电容的充、放电时间常数使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。器的占空比可调。当当uO=+UZ时，时，uO 通过通过RW1、