信号产生电流

1、信号产生电流 在工业、农业以及生物医学等领域内，在工业、农业以及生物医学等领域内，如如高频感应加热高频感应加热、熔炼熔炼、淬火淬火，超声波焊超声波焊接接，超声诊断超声诊断，核磁共振成象核磁共振成象等，等，功率或大或小、频率或高或低的振荡器。功率或大或小、频率或高或低的振荡器。 正弦波振荡电路在各个科学技术部门正弦波振荡电路在各个科学技术部门的应用是广泛的。的应用是广泛的。 非正弦信号非正弦信号（方波、锯齿波方波、锯齿波）发生器在发生器在测测量设备量设备、数字系统数字系统及及自动控制系统自动控制系统中的应用也中的应用也日益广泛。日益广泛。 讨论正弦振荡电路后、非正弦波信号产讨论正弦振荡电路后、非

2、正弦波信号产生之前，还要研究一种重要单元电路生之前，还要研究一种重要单元电路-电电压比较器压比较器. . 电压比较器是波形产生电路中常用的基本单电压比较器是波形产生电路中常用的基本单元，也广泛应用于元，也广泛应用于测量电路测量电路、自动控制系统自动控制系统和和信信号处理号处理电路中。电路中。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结构：正弦振荡电路是一个结构：正弦振荡电路是一个没有输入没有输入信号的信号的 带选频网络带选频网络的的正反馈正反馈放大电路。放大电路。方框图：如图方框图：如图a a 所示，接成正反馈所示，接成正反馈，输入输入 ，0iXXoXfXa12xaAFxf(b)基本

3、放大电路 A 反馈网络FXfXiXf+Xa=+XoXa(a)Xi= 0图9.1.1 正弦波振荡电路的方框图(a) 正反馈放大电路的方框图( )Xi= 0(b) 正弦波振荡电路的方框图改画得图改画得图b b.afXXXoXfXa12xaAFxf(b) 正弦波振荡电路的方框图 经过基本放大电路和反馈网络经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后，所构成的环路传输后，fX 在反馈网络的输出端在反馈网络的输出端（2），得到反馈信号得到反馈信号 ，如果如果 aX可除去外接信号可除去外接信号将将1、2 两端连接在一起（虚线）而形成闭环系统两端连接在一起（虚线）而形成闭环系统. . 其输出端可能继续维持与

4、开环时一样的信号。其输出端可能继续维持与开环时一样的信号。 大小和相位一致大小和相位一致 在放大电路输入端在放大电路输入端（1）外接）外接一定频率、幅度的正弦信号一定频率、幅度的正弦信号 , ,aX由于由于 ，有有afXX1ofaoafXXXXXX或或设设fa ,FFAA1)(faAFFA得得XoXfXa12xaAFxf(b) 正弦波振荡电路的方框图)2 . 1 . 9( 1| AFFA)3 . 1 . 9( , 2 , 1 , 0 ,2fa nn) 1 . 1 . 9( 1FA 负反馈放大电路的自激条件：负反馈放大电路的自激条件： ; 1FA, 1FA正弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件：正

5、弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件：振幅平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件： 1| AFFA , 2 , 1 , 0 ,2fann但但振荡、自激（正、负反馈）的相位条件不一致振荡、自激（正、负反馈）的相位条件不一致. .)1,2, 0n ,180) 12(fan两者都是要求环路增益等于两者都是要求环路增益等于1. . 振荡电路的振荡条件：振荡电路的振荡条件：振荡条件振荡条件ch901ch901 可用可用 R、C 元件或元件或 L、C 元件组成。元件组成。 是由相位平衡条件决定的是由相位平衡条件决定的。0f0f振荡频率振荡频率 ： 一个正弦振荡电路只在一个频率下一个正弦振荡电路只

6、在一个频率下满足相位平衡条件，该频率是满足相位平衡条件，该频率是 。0f在在 环路中包含一个具有选频特性环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。的网络，简称选频网络。FA选频网络：选频网络：选频网络的选频网络的设置设置：A(1). 在放大电路在放大电路 中中；F(2). 在反馈网络在反馈网络 中中。)3 . 1 . 9(, 2 , 1 , 0 ,2fa nn 用用L、C 元件组成元件组成选频网络选频网络的振荡电路称为的振荡电路称为 LC振荡电路，产生振荡电路，产生1MHz以上的高频信号。以上的高频信号。1| AFFA 振幅平衡条件振幅平衡条件 ，振荡电路能自行起振，必须满足振荡电路能自

7、行起振，必须满足 的条件的条件. .1|FARC 振荡电路：振荡电路：LC 振荡电路：振荡电路： 用用R、C 元件组成选频网络的振荡电路称为元件组成选频网络的振荡电路称为 RC 振荡电路，产生振荡电路，产生1Hz1MHz的低频信号。的低频信号。 是指振荡电路已进入稳态振荡而言的。是指振荡电路已进入稳态振荡而言的。（放大器件工作在线性区）（放大器件工作在线性区）（放大器件工作接近线性区）（放大器件工作接近线性区） （正弦振荡电路可以近似按线性电路来处理（正弦振荡电路可以近似按线性电路来处理. .）2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路. .桥式振荡电路；桥式振荡电路；. .双双T网络式；网络式；.

8、 .移相式振荡电路。移相式振荡电路。1. 电路原理图电路原理图 （RC 桥式振荡电路）桥式振荡电路）（1 1）放大电路）放大电路VARC 正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：选频网络放大电路ZZ12RfRRR1ACC图9.2.1 RC桥式振荡电路Vo.AV.FV.Vo.=Vf.组成组成：（2 2）选频网络）选频网络VF 由集成运放组成的由集成运放组成的 电压串联负反馈电路电压串联负反馈电路. .:VA 正反馈网络正反馈网络.:(21V）、ZZF 分析分析 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，根据根据正弦波振荡电路的振幅平衡、相位平衡条件选择正弦波振荡电路的振幅平衡、相位平衡条件

9、选择合适的放大电路指标，构成一完整的振荡电路。合适的放大电路指标，构成一完整的振荡电路。选频网络放大电路ZZ12RfRRR1ACC图9.2.1 RC桥式振荡电路Vo.AV.FV.Vo.=Vf.特点：输入阻抗高、特点：输入阻抗高、 输出阻抗低。输出阻抗低。 和和 正好形成一个四臂电桥，正好形成一个四臂电桥，形成桥式振荡电路。形成桥式振荡电路。21ZZ、f1RR、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 RC 串并联选频网络（图中用虚线所表示）串并联选频网络（图中用虚线所表示）有选频作用，它的频响特性曲线有明显的峰值。有选频作用，它的频响特性曲线有明显的峰值。sCRZ11sCRs

10、CRZ112选频网络放大电路ZZ12RfRRR1ACC图9.2.1 RC桥式振荡电路Vo.AV.FV.Vi.=Vf.sCsCR1sCRR1反馈网络的反馈系数为：反馈网络的反馈系数为：)()()(ofVsVsVsF2)(31sCRsCRsCR实际的频率用实际的频率用RCCRRCF3 j)1 (j222Vjs选频网络放大电路ZZ12RfRRR1ACC图9.2.1 RC桥式振荡电路Vo.AV.FV.Vi.=Vf.,11sCsCRZ.12sCRRZ212ZZZ令令RC1 0)2 . 2 . 9()(3100VjF RC串并联选频网络的幅频响应及相频响应串并联选频网络的幅频响应及相频响应)3 . 2 .

11、 9()(312002VF)4 . 2 . 9(3)( tgarc00fRCCRRCF3 j)1 (j222VRCCRFj)1 (31222V)1j(31VRCRCFa. 幅频响应的幅值最大幅频响应的幅值最大)6 . 2 . 9( 31VmaxFb. 相频响应的相位角为零相频响应的相位角为零)7 . 2 . 9( 0f 21 1 00时时或或当当RCffRC输出输出Vf 是输入是输入VO的的1/3，且输出且输出Vf 和输入和输入VO同相位同相位。时时，当当 )(1 0RC2002V)(31F3)( tgarc00f输出输出Vf 的幅值最大。的幅值最大。（当输入电压的幅值一定，而频率可调时当输入

12、电压的幅值一定，而频率可调时）， 串并联选频网络的幅频响应及相频响应如图所示串并联选频网络的幅频响应及相频响应如图所示RCR Cv2v1FV=13 j( )00FV0.40.30.20.11301100.190603001-30-60-90(b)(a)100.10 /0 /图9.2.2 RC串并联选频网络的频率响应0RC=1(a) 幅频响应（b)相频响应f 2002V)(31F3)( tgarc00f3. 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定由图可知，由图可知，, )(1 0时时在在RC20 fafofnVV和和同相，即同相，即与与 放大电路和由放大电路和由 组成反馈网络刚好形成组成反馈网络刚好形

13、成正反馈系统，满足相位平衡条件，有可能振荡。正反馈系统，满足相位平衡条件，有可能振荡。21ZZ、选频网络放大电路ZZ12RfRRR1ACC图9.2.1 RC桥式振荡电路Vo.AV.FV.Vi.=Vf. 建立振荡：使电路自激，而产生持续的振荡，由建立振荡：使电路自激，而产生持续的振荡，由直流电变为交流电信号。直流电变为交流电信号。 对于对于RC 振荡电路，直流电源就是能源。振荡电路，直流电源就是能源。 微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使微弱的信号经过放大，通过正反馈的选频网络，使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使振幅自动稳

14、定下来。使振幅自动稳定下来。 自激的因素：电路中存在噪声，频谱分布很广，自激的因素：电路中存在噪声，频谱分布很广，其中包括其中包括 这一成分这一成分。)(10RC 稳定平衡时稳定平衡时 开始时开始时)/1( 0RC，3VA3/1VF1f1RRAV略大于略大于 34. 振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形,31VmaxF. 0f 10RC 由相位平衡条件决定由相位平衡条件决定. .0f选频网络放大电路ZZ12RfRRR1ACC图9.2.1 RC桥式振荡电路Vo.AV.FV.Vi.=Vf. 0 , 0 , 1af0RC只有只有 时时，才满足相位平衡条件，所以振荡频率才满足相位平衡条件，所以振荡频率

15、 . .RCf210)2(fan 210RCff 21 0RCf （因振幅的增长，使放大器件工作到非线性区域因振幅的增长，使放大器件工作到非线性区域）使使 的值略大于的值略大于 3 3 时，其输出波形为正弦波。时，其输出波形为正弦波。VA 当适当调整负反馈的强弱，当适当调整负反馈的强弱，如如 的值远大于的值远大于 3 3 时，输出波形将严重失真。时，输出波形将严重失真。VA选频网络放大电路ZZ12RfRRR1ACC图9.2.1 RC桥式振荡电路Vo.AV.FV.Vi.=Vf.（严重非线性失真严重非线性失真）1fNOiO1RRVVVVAV1f1RRAV5. 稳幅措施稳幅措施 为进一步改善输出电压

16、幅度的稳定问题，可以在为进一步改善输出电压幅度的稳定问题，可以在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压恒定。反馈的强弱以维持输出电压恒定。 可用一温度系数为可用一温度系数为 负的热敏电阻代替。负的热敏电阻代替。选频网络放大电路ZZ12RfRRR1ACC图9.2.1 RC桥式振荡电路Vo.AV.FV.Vi.=Vf.:fR 可用一温度系数为可用一温度系数为 正的热敏电阻代替。正的热敏电阻代替。:1R1f1RRAV 非线性电阻稳定输出电压的另一种方案是非线性电阻稳定输出电压的另一种方案是利用利用JFET工作在可变电阻区。工

17、作在可变电阻区。 由由ch4讨论可知，当讨论可知，当JFET的漏源电压较小时，的漏源电压较小时，它的漏源电阻可通过栅源电压来改变。它的漏源电阻可通过栅源电压来改变。 因此可用因此可用JFET 进行稳幅。进行稳幅。e.g. e.g. 用用JFET 进行稳幅进行稳幅的振荡电路的振荡电路。振荡电路如下图所示振荡电路如下图所示组成。组成。、由由 DS3p3RRR负反馈网络：负反馈网络：TCS1461462 2CP1111R41k6.8Rp3vOAk2.4RR3k1k100Rp4k10k1Dk2.4R2Rp2k27C1121C12C13FCC22C23R5F0.3F0.00327kRp110C3图9.2

18、.3 JFET稳幅音频信号产生电路滤波后，滤波后，、整流和整流和经经 D 34oCR可自动稳幅。可自动稳幅。正常工作时，正常工作时， JFET p45栅极提供控制电压。栅极提供控制电压。为为、通过通过RR加大以加强负反馈，加大以加强负反馈，将自动将自动变负，变负，DSGSR当幅值增大时，当幅值增大时，反反之之亦亦然然。 电路调整时，电路调整时，调整调整 or p4p3RR使失真最小，使失真最小， 20KH H20ZZ .1V OTCS1461462 2CP1111R41k6.8Rp3vOAk2.4RR3k1k100Rp4k10k1Dk2.4R2Rp2k27C1121C12C13FCC22C23

19、R5F0.3F0.00327kRp110C3图9.2.3 JFET稳幅音频信号产生电路 例例 下图所示为移相式正弦波振荡电路，试简述图所示为移相式正弦波振荡电路，试简述其工作原理。其工作原理。由由RC 高通电路的高通电路的幅频响应和相频响应知幅频响应和相频响应知， 当相位移接近当相位移接近 90时，其频率必须很低，时，其频率必须很低，RCCCRRRvOAf图9.2.6 移相式正弦波振荡电路90每节每节RC ：相位超前电路，：相位超前电路， 相位移小于相位移小于 。R 两端输出电压与输入电压的幅值比接近于零。两端输出电压与输入电压的幅值比接近于零。)(11LVLffA)( tgarcLLff 2

20、节节RC 组成的反馈网络不能满足振荡相位条件。组成的反馈网络不能满足振荡相位条件。 3节节RC 移相网络的最大相移：移相网络的最大相移：270放大电路的相移放大电路的相移：180a360fa可同时满足相位和振幅条件，产生正弦振荡。可同时满足相位和振幅条件，产生正弦振荡。RCCCRRRvOAf图9.2.6 移相式正弦波振荡电路振荡频率振荡频率)62(10RCf 180f0f在频率在频率 可移相可移相0 或或fRVA只要调节只要调节 ，使使 适当适当，9.3 LC 振荡电路振荡电路 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频正弦信号，一般在一般在1MHz 以上。以上。 LC

21、和和RC 振荡电路产生正弦振荡的原理基本振荡电路产生正弦振荡的原理基本相同，主要区别是相同，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， 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。 组成组成LC 正弦振荡电路的基础正弦振荡电路的基础 LC 选频放大电路。选频放大电路。3.1 LC 选频放大电路选频放大电路1. 1. 并联谐振回路并联谐振回路LC 并联谐振回路如图并联谐振回路如图示示LC 并联谐振回路等效阻抗并联谐振回路等效阻抗: :) 1 . 3 . 9(jj1)j(j1LRcLRcZRILLVZocsIIC图9

22、.3.1 LC并联谐振回路 :R 回路的等效损耗电阻回路的等效损耗电阻通常有通常有LR)1(1cLjRLjcjZLC 并联回路的特点并联回路的特点：（1 1）回路的谐振频率为回路的谐振频率为 1 0LCRILLVZocsIIC图9.3.1 LC并联谐振回路LRcLRcZjj1)j(j1)2 . 3 . 9( )1(/cLjRCL)3 . 3 . 9( 21or 0LCf （2 2）谐振时，回路的等效阻抗为纯阻性，值最大谐振时，回路的等效阻抗为纯阻性，值最大, ,即：即：谐振阻抗成纯阻性质，信号源电流谐振阻抗成纯阻性质，信号源电流 与与 同相。同相。SIOV品质因数品质因数RLQ0Q 值一般在几

23、十值一般在几十几百范围内。几百范围内。 )1(/cLjRCLZRCLZ 0CR01CLR/)/1 ( 1 0LC)4 . 3 . 9( 00CQLQ（用来评价回路损耗大小的指标）（用来评价回路损耗大小的指标）RL22O（3 3）输入电流输入电流 和回路电流和回路电流 的关系的关系|SI|or |CLII)5 . 3 . 9(SO0CIQVCI 谐振时，谐振时，LC并联电路的回路电流比输入电流并联电路的回路电流比输入电流大得多，既输入电流的影响可以忽略。大得多，既输入电流的影响可以忽略。由图可知由图可知CQLQRCLZ000CQIZIV0S0SORILLVZocsIIC图9.3.1 LC并联谐振

24、回路通常通常 ，1QSLCIII所以所以4 4）回路的频率响应简要介绍如下：）回路的频率响应简要介绍如下：根据式根据式（9.3.2）有有)6 . 3 . 9( )(1)1 (1200220RLjRCLRLjRCLZ 若讨论的并联等效阻抗只局限于若讨论的并联等效阻抗只局限于 附近，则附近，则0,0,QRL,200,0则式则式（9.3.6）改为改为)7 . 3 . 9(2100jQZZ )1(/cLjRCLZ 1 0LC阻抗的模为阻抗的模为)a8 . 3 . 9()2(1|200QZZ)b8 . 3 . 9(211|00jQZZ相角（阻抗角）为相角（阻抗角）为)9 . 3 . 9( 2 tgQar

25、c0 |0时的回路等效阻抗；时的回路等效阻抗；为为Z 0为谐振阻抗；为谐振阻抗；Z 20为为相相对对失失谐谐量量。0021jQZZLC并联谐振回路的频率响应曲线如下图所示并联谐振回路的频率响应曲线如下图所示00211|jQZZ 2 tgQarc0QQQQZO2020-90+90大小Z012020O(a)(b)图9.3.2 LC并联谐振回路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应大小 （1 1）幅频响应：当）幅频响应：当 时，时，并联谐振，并联谐振，回路等效阻抗达最大值回路等效阻抗达最大值 。0RCLZ 0 当当 偏离偏离 时时，|Z|Z|减小减小，而而0.Z结论：结论：QQQQZO2020-90

26、+90大小Z012020O(a)(b)图9.3.2 LC并联谐振回路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应大小（2 2）相频响应：当）相频响应：当 时时，相对失谐为正，相对失谐为正，0当当 时时，等效阻抗为感性等效阻抗为感性， 为正为正， 超前超前0OVSIQQQQZO2020-90+90大小Z012020O(a)(b)图9.3.2 LC并联谐振回路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应大小 等效阻抗为容性，因此等效阻抗为容性，因此Z的相角为负值的相角为负值， 回路输出电压滞后于输入电流。回路输出电压滞后于输入电流。 （3 3）谐振曲线的形状与回路谐振曲线的形状与回路Q 值有密切关系值有密切关

27、系，QQQQZO2020-90+90大小Z012020O(a)(b)图9.3.2 LC并联谐振回路的频率响应（a）幅频响应（b）相频响应大小Q 值愈大，谐振曲线愈尖锐，相角变化愈快值愈大，谐振曲线愈尖锐，相角变化愈快，0在在 附近附近|Z|Z|值和值和 值变化更为急剧值变化更为急剧。LC 组成并联谐振回路组成并联谐振回路 由于调谐回路的选频作用，它不仅可工作在由于调谐回路的选频作用，它不仅可工作在甲类，而且还可工作在乙类或丙类。甲类，而且还可工作在乙类或丙类。2. 选频放大电路选频放大电路 一个由一个由BJT组成的单回路小信号选频放大电路组成的单回路小信号选频放大电路如图所示。如图所示。TRC

28、CRRRbbCbeLVCCTr11234512eLTr2图9.3.3 单回路选频放大电路 选频放大电路是构成选频放大电路是构成LC正弦波振荡器的基础。正弦波振荡器的基础。 通过通过L 的抽头与电的抽头与电源正端相连，有利于实源正端相连，有利于实现阻抗匹配。现阻抗匹配。3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC 振荡电路振荡电路1. 1. 电路的组成及起振条件电路的组成及起振条件RMLCCRVDDgggsdT放放电电MLrVgdgsVgVdRC图9.3.4 采用JFET的变压器反馈式LC振荡电路（a）电路图（b）交流等效电路(a)(b)采用采用JFET的变压器反馈式的变压器反馈式LC振荡电路如图振荡电

29、路如图a所示。所示。LC并联谐振回路作为管子的漏极负载，并联谐振回路作为管子的漏极负载， 是用来产生栅偏压的是用来产生栅偏压的，ggCR 、在在 时时，LC回路呈纯阻性，值最大回路呈纯阻性，值最大。LC10RMLCCRVDDgggsdT放放电电MLrVgdgsVgVdRC图9.3.4 采用JFET的变压器反馈式LC振荡电路（a）电路图（b）交流等效电路(a)(b)R 表示回路的等效损耗，表示回路的等效损耗，反馈信号：反馈信号：180a 整个闭合环路的相位移为整个闭合环路的相位移为 ，满满足了相位平衡条件。足了相位平衡条件。 360fa 这只说明有可能产生自激振荡，为了确保电路能振荡这只说明有可

30、能产生自激振荡，为了确保电路能振荡，还必须满足振幅条件。，还必须满足振幅条件。180fRMLCCRVDDgggsdT放放电电MLrVgdgsVgVdRC图9.3.4 采用JFET的变压器反馈式LC振荡电路（a）电路图（b）交流等效电路(a)(b)交流等效电路交流等效电路如图如图b b所示，所示，ZrrZZAddV1并联谐振回路的导纳并联谐振回路的导纳LjRCRjLCZ)(112RMLCCRVDDgggsdT放放电电MLrVgdgsVgVdRC图9.3.4 采用JFET的变压器反馈式LC振荡电路（a）电路图（b）交流等效电路(a)(b)放大电路的电压增益放大电路的电压增益dgdVVVAgddVr

31、ZZV)10. 3 . 9( )()(1 )(1d2ddVCRrLjLCrRLjRZrAdgVVVF而而LjRVMjVdg 为并联回路中通过电感的电流。为并联回路中通过电感的电流。)(dLjRV反馈系数反馈系数,1dVZrA.)(112LjRCRjLCZ所以所以)11. 3 . 9(VLjRMjF由式（由式（9.3.109.3.10）及（）及（9.3.119.3.11）得）得)12. 3 . 9()()1 (d2dVVCRrLjLCrRMjFA 振荡平衡条件振荡平衡条件 ，得，得1VVFA)13. 3 . 9(mLMRCg此时的振荡频率为此时的振荡频率为)14. 3 . 9()1 (1drRL

32、C当当 时时, ,drR LC10 由式由式（9.3.13）振幅平衡条件振幅平衡条件，为使电路能够为使电路能够起振，必须使起振，必须使 。)(mLMRCg 上述条件是假设上述条件是假设FETFET工作在线性放大区，用低频时工作在线性放大区，用低频时的小信号模型来分析的。的小信号模型来分析的。 实际上，管子的工作点可能设置较低，而实际上，管子的工作点可能设置较低，而LC振荡振荡电路的振荡频率较高，管子的极间电容影响往往不能忽电路的振荡频率较高，管子的极间电容影响往往不能忽略。略。LMRCgm2. 振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定 在建立振荡的过程中，它们的栅源极间起整流元件作用，栅极为正，源极为负。 图9.3.4所示电路的栅偏压是由 、 所产生的。gRgCgRgCgC 、 为整流电路的负载，