《模拟电子线路》第10章-杨凌

1、杨杨 凌凌 模模 拟拟 电电 子子 线线 路路 第第1010章章第第10章章 信号的产生电路信号的产生电路10.0 引言引言 信号产生电路信号产生电路正弦波产生电路正弦波产生电路非正弦波产生电路非正弦波产生电路 正弦波振荡电路的应用十分广泛正弦波振荡电路的应用十分广泛.在通信、广播、电视系在通信、广播、电视系统中统中,都需要射频都需要射频(高频高频)发射发射,这就需要能产生高频信号的振荡这就需要能产生高频信号的振荡10.0 引言引言器器. 在工业、农业、生物医学等领域内在工业、农业、生物医学等领域内, 如高频感应加热、熔如高频感应加热、熔炼、淬火、超声波焊接、超声诊断、核磁共振成像等炼、淬火、

2、超声波焊接、超声诊断、核磁共振成像等,都需要都需要功率或大或小功率或大或小,频率或高或低的振荡器频率或高或低的振荡器. 非正弦信号非正弦信号(方波、锯齿波等方波、锯齿波等)发生器在测量设备、数字系发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛统及自动控制系统中的应用也日益广泛. 本章重点讨论正弦波振荡器的原理及基本电路本章重点讨论正弦波振荡器的原理及基本电路.同时同时,也给也给出了几种常见的非正弦波产生电路出了几种常见的非正弦波产生电路.10.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件图图 10.1(b) A Xf Xa Xo F21 Xf Xo Xf = = 1 Xa

3、Xa Xo AF =1 (10-1) 基本放大电路基本放大电路 A Xf Xa Xi Xo反馈网络反馈网络 F(a)10.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 A = A a F = F f AF =AF a+f =1 AF =AF =1 a+f =2n（n = 0,1,2,）按选频网络分类按选频网络分类RC振荡器振荡器 (1Hz1MHz )LC振荡器振荡器 ( 1MHz )石英晶体振荡器石英晶体振荡器( 频率稳定度高频率稳定度高 ) 分析方法分析方法:由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在由于正弦波振荡电路中的放大器件是工作在线性区或接近线性区线性区或接近线性区,所以所以,可

4、近似按线性电路来处理可近似按线性电路来处理.振荡的起振、平衡、稳定条件振荡的起振、平衡、稳定条件10.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一、一、 电路原理图电路原理图放大电路放大电路A选频网络选频网络Z1、Z2正反馈网络正反馈网络稳幅电路稳幅电路Rf、R1文氏桥振荡器文氏桥振荡器图图 10.2 Vo + Vi= Vf Z1RRfR1CRCZ2 Av Fv +A10.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路二、二、 RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 + Vf Z1RCRCZ2 + Vo Vf(s) Z2 sRCFv (s) = = = Vo(s) Z1+Z2 1+3sRC +(sRC)

5、2 1 0 = RC jRC 1Fv = = (10-2) (12R2C2 ) +j3RC 03+ j( ) 0 f = arctg 3 0( ) 0 1Fv = 032+( )2 0 10.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1 1 =0 = or f = f0 = RC 2RC 1Fvmax= ，f = 0 3/00.1 1 100.40.30.20.1 0Fv 1 3图图 10.3/00.1 1 1090o60o30o0of30o60o90o10.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路三、振荡的建立与稳定三、振荡的建立与稳定 R f Av =1+ R1 1 =0 = RC 1Fv= 3

6、AF 1 Av 3 Rf 2 R1 (10-3)式式(9-3)表明表明:为了确保振荡的建立为了确保振荡的建立,必须满足必须满足Rf 2 R1的条件的条件.四、振荡频率与振荡波形四、振荡频率与振荡波形 1 f0 = (10-4) 2RC10.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 Av 略大于略大于3时时,输出波形为正弦波输出波形为正弦波;当当Av3时时,波形将产波形将产生严重的非线性失真生严重的非线性失真.五、稳幅措施五、稳幅措施 非线性元件非线性元件 1、热敏电阻、热敏电阻 Rf Vo If Rf Av Vo 2、JFET JFET工作在可变电阻区时工作在可变电阻区时,其漏源电阻其漏源电阻RD

7、S受栅源电压受栅源电压VGS的控制的控制.通过改变通过改变VGS的大小的大小,可以调整负反馈的强弱以可以调整负反馈的强弱以稳定输出电压稳定输出电压.10.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路RW4R1RW1R3RW3图图 10.4vO VDR4C11 AV C12C13C21C22C23RW2R2C3VTR5 +A10.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路【例例10-1】RC文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路 如图如图10.5所示所示. 已知已知A的最大的最大 输出电压为输出电压为14V.试完成下试完成下 列各题列各题: (1) 分析电路的稳幅原理分析电路的稳幅原理; (2) 估算估算Vom; (3

8、) R2=0时时,vO的波形如何的波形如何? (4) R2,vO的波形如何的波形如何?图图 10.5 C 0.015F R29.1k R15.1k vO R32.7kR10kD1 C0.015FD2+A R 10k 课堂练习课堂练习10.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路移相振荡器移相振荡器图图 10.6 1 f0 (10-5) 2 6 RCa=180of =180o满足相位条件满足相位条件适当调节适当调节Rf,使使Av适当适当,即可满即可满足振幅条件足振幅条件.Rf vO RCRCCR+A10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC振荡电路主要用来产生高频正弦信号振荡电路主要用来产生高

9、频正弦信号(f1MHz).它与它与RC振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同,它们在电路组成方它们在电路组成方面的主要区别是面的主要区别是, RC振荡电路的选频网络由电阻和电容组成振荡电路的选频网络由电阻和电容组成.而而LC振荡电路的选频网络由电感和电容组成振荡电路的选频网络由电感和电容组成.一、一、LC选频放大电路的频率特性选频放大电路的频率特性 LC并联谐振回路如图并联谐振回路如图10.7所示所示.其中其中,R表示回路的等效损表示回路的等效损耗电阻耗电阻,且通常有且通常有R1, 所以所以4、回路的频响曲线如图、回路的频响曲线如图10.8所示所示.10.3 LC

10、正弦波振荡电路正弦波振荡电路 2+ 0 O(a)Z / Z01 2 0Q 2+ 0 O(b)+90o 2 090oQ图图 10.8二、变压器反馈式二、变压器反馈式LC振荡电路振荡电路10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路图图 10.9RB2RERB1+VCCC1TCECL(a)M+VDDRGCGTCL(b)RMTCML2L110.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路三、三点式振荡电路三、三点式振荡电路 1、电感三点式振荡电路、电感三点式振荡电路 Hartley 振荡电路振荡电路图图 10.10R2RER1+VCCCBTCEvbC123Mb(+)(+)()vfN1L1N2L210.3 LC正

11、弦波振荡电路正弦波振荡电路 图图10.10是带有一个是带有一个BJT的的Hartley 振荡器及其交流等效振荡器及其交流等效电路电路 (也可用也可用FET取代取代BJT) .LC并联谐振电路产生振荡频率并联谐振电路产生振荡频率,由电感由电感L1和和L2之间的分压提供反馈之间的分压提供反馈. 1 =0 = (10-11) (L1+L2+2M)C 1 或 f = f0 = (10-12) 2 (L1+L2+2M)C 2、电容三点式振荡电路、电容三点式振荡电路 Colpitts 振荡电路振荡电路 图图10.11是带有一个是带有一个BJT的的Colpitts 振荡器及其交流等效电路振荡器及其交流等效电

12、路.10.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1RER1+VCCCBTR2CEvbC123b(+)(+)()vfC2Lvo图图 10.11 1 1=0 或 f = f0 (10-13) C1C2 L C1+C2 C1C2 2 L C1+C2 TC2C1L10.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路一、正弦波振荡电路的频率稳定问题一、正弦波振荡电路的频率稳定问题 频率稳定度频率稳定度:f /f0 . f0为振荡频率为振荡频率, f 为频率偏移为频率偏移.对对LC振荡电路振荡电路:Q f /f0 .一般的一般的LC振荡电路振荡电路,其其Q值只可值只可达数百达数百.在要求频率稳定度高的场合在要求频率稳

13、定度高的场合,往往采用石英晶体振荡往往采用石英晶体振荡电路电路,其频率稳定度可高达其频率稳定度可高达109甚至甚至1011.二、石英晶体的基本特性与等效电路二、石英晶体的基本特性与等效电路 石英晶体具有石英晶体具有压电效应压电效应.给晶体两端施加电压时给晶体两端施加电压时,晶体会晶体会表现出电子机械谐振特性表现出电子机械谐振特性.振荡相对与时间和温度是非常稳定振荡相对与时间和温度是非常稳定的的.振荡频率由晶体的尺寸和切割方向决定振荡频率由晶体的尺寸和切割方向决定.这意味着晶体振这意味着晶体振10.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路荡器是具有固定频率的设备荡器是具有固定频率的设备.图图10.1

14、2示出了石英晶体的一种结示出了石英晶体的一种结构构.图图10.13示出了石英晶体的电路符号、等效电路和电抗特性示出了石英晶体的电路符号、等效电路和电抗特性.图图 10.1210.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路图图 10.13(a)(b)(c)CRC0LXp Os感性感性容性容性C0 切片与金属板构成的静电电容切片与金属板构成的静电电容; L晶体的质量晶体的质量(惯性惯性);C 晶体的弹性晶体的弹性; R晶片振动时晶片振动时,因摩擦而造成的损耗因摩擦而造成的损耗.10.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 由图由图10.13可知可知:石英晶体有两个谐振频率石英晶体有两个谐振频率,且非常接近

15、且非常接近.串联谐振频率串联谐振频率: 1 fs = (10-14) 2 LC并联谐振频率并联谐振频率: 1 C fp = 1+ = 2 LC C0 C fs 1+ (10-15) C0CC0 fsfpf=fs时时,晶体呈纯阻性晶体呈纯阻性,且其阻值很小且其阻值很小; fs ffp时时,晶体呈感性晶体呈感性.10.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路三、石英晶体振荡器三、石英晶体振荡器 1、串联石英晶体振荡器、串联石英晶体振荡器T2T1RE1RB1+VCCC1RB2C2(+)(+)RvoRC1(+)图图 10.14f=fs时时,晶体呈纯阻性晶体呈纯阻性,且相移为零且相移为零.10.4 石英晶体

16、振荡电路石英晶体振荡电路2、并联石英晶体振荡器、并联石英晶体振荡器图图 10.15fs ffp时时,晶体呈感性晶体呈感性Colpitts 振荡电路振荡电路LeqCsQ f /f0 C1C2voCS+A 10.5 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路 很多系统很多系统,特别是数字电子系统特别是数字电子系统,都采用非正弦方波振荡器都采用非正弦方波振荡器来产生系统的时钟信号来产生系统的时钟信号.用特定高度和宽度的脉冲启动一系列用特定高度和宽度的脉冲启动一系列指定的功能指定的功能.本节简要讨论几种常见的非正弦波产生电路本节简要讨论几种常见的非正弦波产生电路.一、方波产生电路一、方波产生电路 方波产生电

17、路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路弦信号发生电路.由于方波或矩形波包含极丰富的谐波由于方波或矩形波包含极丰富的谐波, 因此因此,这种电路又称为多谐振荡电路这种电路又称为多谐振荡电路. 图图10.16(a)是用施密特触发器组成的方波发生器是用施密特触发器组成的方波发生器.通过在施通过在施密特触发器负反馈环路中增加密特触发器负反馈环路中增加RC网络来实现这个功能网络来实现这个功能.由于该由于该 10.5 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路电路没有稳定状态电路没有稳定状态,因此因此,称为无稳态多谐振荡器称为无稳态多谐振荡器.vC =

18、 vItVOLVIH(b)vOtVOH0VIL图图 10.16RRfDZ1R1DZ2+vO R2CvC(a)+A 10.5 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路 2R2T=2RfC ln(1+ ) (10-16) R1二、锯齿波产生电路二、锯齿波产生电路图图 10.17VZ R2DZR1R3R4vP1vN1vOR7R6vO1R5DC+A2 +A1 10.5 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路 R2 R1vP1= vO+ vO1 R1+R2 R1+R2vO1=VZ vN1vP1=0 R1VTH= VZ R2 R1VTL= VZ R2 R1VT= 2 VZ R2 (10-17)(10-18)(1

19、0-19) 2R1R6C 2R1(R5R6)C 2R1R6C(R6+2R5) T= T1+T2= + = (10-20) R2 R2 R2(R5+R6) D 三角波三角波 4R1R6C T = (10-21) R2 10.5 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路vOtVZVTHvO1tVZOO VTL图图 10.18章末总结与习题讨论章末总结与习题讨论一、本章小结一、本章小结 1、掌握产生正弦波振荡的条件、掌握产生正弦波振荡的条件,熟悉正弦波振荡电路的分析熟悉正弦波振荡电路的分析方法方法; 2、掌握文氏桥振荡电路的组成、工作原理及振荡频率、掌握文氏桥振荡电路的组成、工作原理及振荡频率; 3、熟

20、悉、熟悉LC选频网络的选频特性及变压器反馈式振荡电路、选频网络的选频特性及变压器反馈式振荡电路、电感三点式振荡器、电容三点式振荡器的电路组成、振荡频率电感三点式振荡器、电容三点式振荡器的电路组成、振荡频率; 4、熟悉石英晶体的电抗、熟悉石英晶体的电抗-频率特性及石英晶体振荡器的特点频率特性及石英晶体振荡器的特点; 5 、了解几种常见的非正弦信号产生电路的组成及原理、了解几种常见的非正弦信号产生电路的组成及原理.二、例题讨论二、例题讨论章末总结与习题讨论章末总结与习题讨论【例例10-2】 图图10.19所示为一波形发生器电路所示为一波形发生器电路,试说明试说明,它是由哪它是由哪 些单元电路组成的些单元电路组成的,并定性画出并定性画出vA, vB, vC的输出波形的输出波形. R112k R4 1M R310k R210k图图 10.19 vO1 R10k Rf20k C0.1FC vA vO2 vB vO3 vC C=0.1FDZR+A2+A3+A6+A5+A4+A