武汉理工大学模电课件10波形电信

1、电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012 10.1 正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 10.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 10.4 石英晶体正弦波振荡器石英晶体正弦波振荡器基本要求基本要求: 1 掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅度平衡条件；掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅度平衡条件； 2 理解理解RC串并联式正弦波振荡电路的工作原理；串并联式正弦波振荡电路的工作原理； 3 掌握掌握RC振荡器能否自激的判别及振荡频率的计算；振荡器能否自激的判别及振荡频率的计算； 4 了解了解LC振荡器的工作原理及自激判断。振荡器的工作原理及自激判断。

2、作业作业P283: 2(9.2.1)、3(2.2)、5(2.4)、6(2.5), 7(2.6), 11(a)(9.3.4(a)10 正弦波信号产生电路正弦波信号产生电路(P264)电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012 正反馈框图如图示。正反馈框图如图示。（注意与负反馈方框（注意与负反馈方框图的差别）图的差别）fiaXXX 若环路增益若环路增益1 FA则则， faXX 去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出仍有稳定的输出又又)( fafa FAFAFA所以所以振荡条件振荡条件为为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件 n2)()(fa 相位平衡条件相位平衡条件思考？思考？ 与自激振荡条件有

3、何异同？与自激振荡条件有何异同？更关键更关键常据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断电路可否振荡。常据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断电路可否振荡。 10.1 正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012要使电路自行振荡，需满足要使电路自行振荡，需满足起振条件起振条件思考？思考？ 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？的信号源来自何处？电路器件内部噪声电路器件内部噪声1)()( FA n2)()(fa 首先，电路满足起振条件，噪声中，满足相位平衡条件的首先，电路满足起振条件，噪声中，

4、满足相位平衡条件的某一频率某一频率 0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件 n2)()(fa 相位平衡条件相位平衡条件是平衡条件，电路处于稳态振荡是平衡条件，电路处于稳态振荡波形产生过程：波形产生过程： 然后，当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继然后，当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加续增加(稳幅稳幅)，否则波形将出现失真。，否则波形将出现失真。 10.1 正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012 所以，振荡电路中存在一个所以，振荡电路

5、中存在一个振荡频率振荡频率f0正弦波振荡器只正弦波振荡器只在一个频率下满足相位平衡条件，在一个频率下满足相位平衡条件，即即f0。(2)反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）(3)选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率（由（由RC、LC晶振等器件构成），晶振等器件构成），经常与反馈网络合二为一。经常与反馈网络合二为一。）(4)稳幅环节稳幅环节(1)放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路） 稳幅稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从幅平衡条件从 回到回到

6、1 AF。 1 AF4正弦波振荡电路的基本组成：正弦波振荡电路的基本组成： 10.1 正弦波振荡器的基本概念正弦波振荡器的基本概念电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器(P267)1. 电路原理图电路原理图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. 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定4. 振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形5. 稳幅措施稳幅措施电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络,为正为正反馈。反馈。Z1、Z2、R1、Rf构成一个四臂电桥构成一个四臂电桥放大电路放大电路Av为电压串

7、联负反为电压串联负反馈，具有馈，具有Ri高，高，Ro低的特点低的特点Av为同相比例运算电路为同相比例运算电路1RR1Afv 1. RCRC文氏桥振荡器文氏桥振荡器 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础20122. 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反馈系数反馈系数)()()(ofsVsVsFV 幅频响应幅频响应又又212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 则则)( j3100 VF2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctg00f )Cj/1(RZ111 222222CRj1R )Cj/1/(RZ 10

8、.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012当当2002)(31 VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值3)(arctg00f RCffRC 21 100 或或31max VF相频响应相频响应0f 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012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，用瞬时极性法判断可知，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 0f 当当RC10 时，时， n2fa (+)(+)(+)(+)Av311f RRAV1313 VVFA3. 振荡的建立与稳定振荡的建立与

9、稳定 0a 电路满足相位平衡条件电路满足相位平衡条件 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012电路满足相位平衡条件电路满足相位平衡条件 0,0fa 因因RC10 时，时， n2fa (+)(+)(+)(+)Av 所以，振荡频率为所以，振荡频率为 RCf 210 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4. 振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形 若适当调整负反馈的强弱，使若适当调整负反馈的强弱，使Av的值在起振时略大于的值在起振时略大于3，达到稳幅时达到稳幅时Av=3，则，输出频率为则，输出频

10、率为 RCf 210 的正弦波。的正弦波。 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础20125. 稳幅措施稳幅措施 采用采用非线性元件非线性元件自动调自动调整反馈的强弱从而稳幅。整反馈的强弱从而稳幅。4热敏元件热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，311f RRAV即即1 VVFA负温度系数热敏电阻的作用负温度系数热敏电阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA思考？思考？ 可否采用正温度系数的热敏电阻？应怎样连接？可否采用正温度系数的热敏电阻？应怎样连接？ 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电

11、子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012采用非线性元件采用非线性元件4工作在可变电阻区的工作在可变电阻区的场效应管场效应管(JFET)31DS3p3 RRRAV稳幅原理稳幅原理 oV )(GS负负值值V DSR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA34 CRD、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V一般只要调节一般只要调节RP3、RP4 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012采用非线性元件采用非线性元件4正反并联二极管正反并联二极管输出电压的幅值：输出电压的幅值：3VRRRVVO112DonO 2O1O1Don1O

12、RVRVRV3RV3 211DonORR2RV3V 0 D/V0 .20 .4 0 .60 .8 1 0 2 0 3 0 4 051 01 52 0 1 0 2 0 3 0 4 0iD/ AiD/m A死死 区区VthVB R当当vo很小很小，D1、D2截止截止33 . 3RRR1A132V 起振起振当当v vo o较大较大，D1D1、D2D2之一导通，之一导通，R R3 3变小，且变小，且v vo o增大增大R RD D减小，直至减小，直至VomVom，AvAv趋于趋于3 3当当Av3时时 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012T2T2例如文氏桥典

13、型电路例如文氏桥典型电路+-+ 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012【例【例10.2.1】图为简化的音频信号发生器。图为简化的音频信号发生器。1）R1大致调到多大大致调到多大才能起振？才能起振？2）Rp为双联电位器为双联电位器014.4K，试求振荡频率的调试求振荡频率的调节范围。节范围。 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器- A+R1.6KR1.6K Rp14.4KRp14.4KRm 1KR13.3KC0.1uFC0.1uFRm 2KDD+Vo-3RR1A1mV 解：解：1）Rm 2R1，R11.5K2）Rp最小最小fo最大最大，Rp最最大大f

14、o最小。最小。RCf 210 fo为为1KHz100KHz电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012R2R1voCCCRRR【例【例10.2.2】图为移相式图为移相式RC正弦波信号发生电路，设运放为理正弦波信号发生电路，设运放为理想的。想的。1）分析工作原理；）分析工作原理；2）试求振荡频率和产生振荡的条件。）试求振荡频率和产生振荡的条件。+-+Xoa180 o180f ofa360 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012+VccCeCRe1RC2Rb1T1RC1Re2RT2RC例例：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振：根据相位平衡

15、条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡荡+-+-不满足相位平衡条件，不能振荡不满足相位平衡条件，不能振荡oa180 of0 ofa180 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012LRCLRCZ jj1)j(j1 等效损耗电等效损耗电阻阻)C1Lj(RCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。LC10 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，容抗等于感抗，阻抗最大，且为纯阻性，容抗等于感抗，其中其中CLR1RC1RLQ00 为为品质因数品质因数(几十几百几十几百)同时有同时有SLCI

16、QII 即即SLCIII 同同相相与与OSVI10.3.1 LC并联谐振回路并联谐振回路的频率特性的频率特性 10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012200220)(RLj1RCL)1(RLj1RCL)C1Lj(RCLZ 当当Z仅局限于仅局限于 0附近时，附近时，近似有近似有 = 0, - 0=002Qj1ZZ 2002Q11Z|Z| 02arctgQ 相对失谐量相对失谐量 偏离偏离 0的程度的程度Z0为谐为谐振阻抗振阻抗感性感性容性容性 10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础20121. 电路结构电路结构2

17、. 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 值值/gm和和R的的BJT、FET和调整变压器的匝数比，可和调整变压器的匝数比，可以满足以满足1 FA，电路可以起振。，电路可以起振。 BJT/FET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。 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。LC1即振荡频率为即振荡频率为LC21f0

18、 10.3.2 变压器变压器耦合耦合LC振荡电路振荡电路VDDdsTggCgR电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)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oa180 of180 ofa036 oa0 of0 ofa0 10.3.2 变压器变压器耦合耦合LC振荡电路振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012 10.3.3 LC三点式三点式振荡电路振荡电路仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路

19、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。1. 三点式三点式LC并联电路并联电路电容三点式电容三点式C1C2首端首端尾端尾端中间端中间端LC首端首端尾端尾端中间端中间端L1L2电感三点式电感三点式 中间端的瞬时电位一定在首、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。适当选取适当选取L2/L1可起振可起振对高次谐波阻抗大，输对高次谐波阻抗大，输出谐波分量大，波形不出谐波分量大，波形不理想理想适当选取适当选取C

20、2/C1可起振可起振对高次谐波阻抗小，输对高次谐波阻抗小，输出波形好出波形好电子技术基础精品课程模拟电子技术基础20122. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路振荡频率振荡频率: :CMLf)2(L21210 LC 21 中间点交流接地，首中间点交流接地，首端与尾端相位相反端与尾端相位相反oa180 of180 ofa036 10.3.3 LC三点式三点式振荡电路振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础20123. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路LCCCCCL1121210 谐振频率谐振频率oa180 of180 ofa036 10.3.3 LC三点式三点式振荡电路振荡电路电子技术

21、基础精品课程模拟电子技术基础2012例例9-2：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡荡?若能，写出振荡频率表达式若能，写出振荡频率表达式谐振频率谐振频率LCf 210 oa180 of180 ofa360 +-+ 10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012210LLL LC21f ， 满足相位平衡条件满足相位平衡条件oa0 of0 ofa0 oa180 of180 ofa360 满足相位平衡条件满足相位平衡条件210LLL LC21f ， + + + + 10.3 LC正弦波振荡电路正

22、弦波振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012例：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡例：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡oa180 of180 ofa360 满足相位平衡条件满足相位平衡条件210LLL LC21f ， oa180 of180 ofa360 满足相位平衡条件满足相位平衡条件LCCCCCL1121210 电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012 分析三种分析三种LC正弦波振荡电路能否正常工作的步正弦波振荡电路能否正常工作的步骤可归纳如下：骤可归纳如下：（1）检查电路是否具备正弦波振荡器的基本组成）检查电路是否具备正弦波振荡器的基

23、本组成部分，即基本放大器和反馈网络，并且有选频部分，即基本放大器和反馈网络，并且有选频环节。环节。（2）检查放大器的偏置电路，看静态工作点是否）检查放大器的偏置电路，看静态工作点是否能确保放大器正常工作。能确保放大器正常工作。（3）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和相位平）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和相位平衡条件衡条件(主要看是否满足相位平衡条件，即用瞬主要看是否满足相位平衡条件，即用瞬时极性法判别是否存在正反馈时极性法判别是否存在正反馈) 。 10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012+VCCC2C1ReRb2Rb1CeCbLT例例9-3：根据相

24、位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡oa180 of0 ofa018 不满足相位平衡条件不满足相位平衡条件+ +- - - 10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012例：例：改正所示各电路图中的错误，使电路可能产生正弦波振荡。改正所示各电路图中的错误，使电路可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法（共射、共基、共集）。要求不能改变放大电路的基本接法（共射、共基、共集）。 10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路电子技术基础精品课程模拟电子技术基础201210.4 石英晶体石英晶

25、体正弦波正弦波振荡振荡器器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。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0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f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电子技术基础精品课程模拟电子技术基础20122. 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

26、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，稳定性高当当交变电压频率交变电压频率 = 固有频率固有频率时，振幅最大时，振幅最大压电谐振压电谐振10.4 石英晶体石英晶体正弦波正弦波振荡振荡器器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2012L机械振荡的惯性机械振荡的惯性10-3102H C晶片的弹性晶片的弹性10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成晶片振动时因摩擦而造成的损耗的损耗 102 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LCf 21sA. 串联谐振串联谐振特性特性:2个谐振频率个谐振频率 晶体等效阻

27、抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性0pCC1LC21f B. 并联谐振并联谐振通常通常0CC 0sCC1f 所以所以很很接接近近与与 psff当当f高于高于fs，R、L、C支路呈感性，与支路呈感性，与Co并联谐振并联谐振R、L、C支路串联谐振支路串联谐振C0静态电容静态电容(两极板之间两极板之间的电容，几的电容，几PF几十几十PF)10.4 石英晶体石英晶体正弦波正弦波振荡振荡器器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础20122. 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则新的谐振频率则新的谐振频率(标称频率标称频率)为为s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；时时， 0 pssffC sss ffC 时时，调整调整之之间间变变化化，和和在在可可使使 psssfffC 一般一般CsC10.4 石英晶体石英晶体正弦波正弦波振荡振荡器器电子技术基础精品课程模拟电子技术基础20123.