电子电路分析制作与调试-项目４　 波形发生与转换电路的设计与装调

４.１运算放大器的非线性应用４.１.１运放非线性应用的条件和特点通过前面的学习了解到运放在开环和正反馈条件下，运放的电压放大倍数为无穷大，运放工作在非线性区，同时理想运放工作在非线性区时只具备“虚断”特性。若＋ＵＯＭ、－ＵＯＭ分别为运放输出正、负最大值，则有：下一页返回４.１运算放大器的非线性应用４.１.２单值比较器的分析由以上公式可知，理想运放工作在非线性区时，可以构成电压比较器。电压比较器就是能够比较两个电压之间大小的电路。对被检测信号而言，重要的是找到报警状态和非报警状态的临界点，即以临界点为参考照（基准电压）进行电压比较。单值比较器的应用电路如图４－３（ａ）所示。图中的ＵＲＥＦ为基准参考电压，该电路没有引入反馈，运放工作在开环状态，因此它处于非线性区。根据运放非线性区的工作特点，分析单值比较器电路如图４－３（ａ）所示。上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用由此绘制的电压传输特性曲线如图４－３（ｂ）所示，其中使输出电压ｕｏ由高电平跳变为低电平所对应的输入电压ＵＲＥＦ称为阈值电压，通常用ＵＴＨ表示。阈值电压是指输出电压从一种电平跳变为另一种电平所对应的输入电压值。电压传输特性曲线并不等同于输出电压波形。在输入端送入缓慢变化的正弦波信号时，阈值电压是给输入电压定的基准，在输入波形的坐标中标出阈值电压的基准线，基准线与输入波形的交点即为输出波形发生状态翻转的临界点。当确定电路中的各区域输出电压的数值后可绘制出电压波形，如图４－４所示。上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用４.１.３滞回电压比较器当运放电路加入正反馈时，会使电路的非线性特性发生变化，但是基本的特性是不会变的，即输出电压仅有两种电压状态，且输入保持了“虚断”特征。如图４－５所示，Ｒｆ为反馈电阻，在电路中的反馈类型为电压串联正反馈，该电路运放工作在非线性区。从图４－５中看到，输出采用了两只稳压二极管反向串联的形式，且串联电压为９Ｖ，因此，运放的输出电压和输入电压之间的关系满足：当ｕ＋＞ｕ－时，ｕｏ＝ＵＯＭ＝９Ｖ；当ｕ＋＜ｕ－时，ｕｏ＝－ＵＯＭ＝－９Ｖ（稳压二极管导通时视为理想的二极管）。上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用该电路中出现了反馈信号，如何得到它的电压传输特性曲线呢？根据运放“虚断”特性知，ｉ＋＝ｉ－＝０，当输出电压不同时，ｕ＋端将出现不同的阈值电压，阈值电压的求解示意图如图４－６所示，可以得：上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用接下来就可以开始绘制电压传输特性曲线。先从输入电压远小于两阈值电压一侧，即图４－７中的①点开始，此时必须有ｕｉ＜ｕ＋，输出电压为高电平有效，ｕ＋＝ＵＴＨ１＝３Ｖ，因此，只有当ｕｉ＞３Ｖ时，运放才发生状态翻转，输出电压变为低电平有效，如图４－７中的②点所示。输出电压的变化直接影响到输入端的阈值电压，使ｕ＋＝ＵＴＨ２＝－３Ｖ，此时ｕｉ必须大于ＵＴＨ２输出电压保持低电平；当输入电压减小时，同样需满足ｕｉ＜ＵＴＨ２，才能让运放发生状态翻转，因此只有在ｕｉ＜－３Ｖ时，翻转才得以发生，如图４－７中③点所示，由此便可画出完整的电压传输特性曲线了。由此可以看到，滞回电压比较器存在不同的阈值电压ＵＴＨ１和ＵＴＨ２，在输入信号增加和减小过程中使输出电压发生翻转的阈值电压完全不同，因此在分析输出波形时需要关注信号变化趋势与阈值电压之间的关系。上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用从输入端送入ｕｉ＝４ｓｉｎωｔ的正弦波信号，如图４－８上部所示，在输入波形图中标注两阈值电压＋３Ｖ和－３Ｖ的基准线，以基准线与输入波形的交点时间轴绘垂直线，即得到了输出电压翻转的时间点。值得注意的是，在一个完整的周期里，基准线与输入波形的交点不止一个，要准确地判断正确的交点，还应该从电压传输特性中获得信息。当输入电压从远小于两阈值电压处增大时，变化的基准点是＋３Ｖ，而当输入电压从远大于两阈值电压处减小时，变化的基准点是－３Ｖ，因此，在正弦波的上升沿以＋３Ｖ的基准线为准，在正弦波的下降沿应以－３Ｖ的基准线为准，由此画出的输出电压波形如图４－８所示。上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用４.１.４方波发生器电压比较器可用作模拟电路和数字电路的接口，也可以用作波形产生和变换电路等。图４－９（ａ）所示为方波发生器电路，该电路由滞回比较器和具有延时作用的ＲＣ反馈网络组成，滞回比较器为正反馈，Ｒｆ为电容提供了充放电的通路。由该图可以清楚地看到，电容端电压充放电达到电阻Ｒ１、Ｒ２的分压值时运放即产生状态翻转，因此输出电压ｕｏ＝±ＵＺ。上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用为什么电路能自动产生脉冲波？当电源接通，整个电路处于正反馈状态，在ｔ＝０时，ｕｃ＝０，电源瞬间对运放输入端产生的冲击足以在运放无穷大的放大倍数作用下使输出达到饱和，设ｕｏ＝＋ＵＺ，则输出电压通过Ｒｆ对电容Ｃ充电，ｕｃ按指数规律上升；当ｕｃ超过ＵＴＨ１时，电路状态发生翻转，输出电压ｕｏ＝－ＵＺ，因电容电压大于输出电压，所以电容通过Ｒｆ往输出端放电，ｕｃ按指数规律下降，放电完毕后电容反向充电；当ｕｃ＝ＵＴＨ２时，电路状态已发生翻转，ｕｏ＝＋ＵＺ，此电压使电容端电荷反向释放。如此反复，在输出端即产生方波波形，如图４－９（ｂ）所示。经分析，电路的振荡周期和频率分别为上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用４.１.５三角波发生器图４－１１所示为三角波发生器电路，若ＶＤ与Ｒ串联后与Ｒ４并联（如图中虚线部分），则构成锯齿波电路。电路由滞回比较器Ａ１和积分器Ａ２组成，设Ａ１的输出为ｕｏ１，则ｕ１＋由ｕｏ１和ｕｏ共同作用决定，即上一页下一页返回４.１运算放大器的非线性应用

当ｕ１＋＝ｕ１－＝０时，比较器Ａ１的输出翻转，将其代入上述公式，可得滞回比较器的阈值电压为其电压传输特性曲线如图４－１２所示。上一页返回４.２振荡电路的设计４.２.１正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路是一种基本的模拟电路。它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。正弦波振荡电路的组成框图如图４－１５所示，·Ａ是放大电路，·Ｆ是反馈网络，当放大器维持输出信号Ｘ·ｏ经反馈网络获得的反馈信号Ｘ·ｆ足以满足放大电路的需要，即Ｘ·ｆ＝Ｘ·ｉｄ时，Ｘ·ｉ＝０电路也能维持稳定的输出信号。因此，正弦波振荡电路又称自激振荡电路。下一页返回４.２振荡电路的设计正弦波振荡电路一般由放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路组成，其中放大电路是振荡电路的基础，用于维持振荡；正反馈网络是产生振荡的条件；选频网络是能够正常输出所需频率信号的保，通常正反馈网络与选频网络合二为一；而稳幅电路的作用是使产生的信号幅值保持稳定且避免波形失真。正弦波振荡电路的前提是反馈信号与输入信号的大小相等、相位相同，如何获得合适的反馈信号即如何起振？上一页下一页返回４.２振荡电路的设计一个正弦波振荡器在接通电源的瞬间，电路中微弱的噪声或扰动是放大器的初始输入信号，它被放大后又经正反馈网络反馈至输入端，且幅度比前一时刻要大，如此周而复始，振荡就产生了。经过选频网络的选择，只有其中的某一频率的信号可以得到反复地放大，且幅度越来越大，而其余成分却逐渐衰减至零。由此可见，要建立振荡，则反馈电压必须大于产生此反馈电压的净输入电压，因此，振荡电路的起振条件如下。（１）振幅起振条件，即上一页下一页返回４.２振荡电路的设计（２）相位起振条件，即起振后，若幅度一味增大，势必会造成波形的失真，甚至使放大电路不能正常工作，这时稳幅电路就起作用了。由于放大器工作在非线性状态，所以起振后随着幅值的迅速增大，放大器很快进入到非线性区，以至放大倍数下降，从而使得·Ａ·Ｆ＝１，电路进入稳定状态；若出现·Ａ·Ｆ＜１的情况，则放大器就又重新进入线性工作状态，电路的输出电压幅度又重新再次增大，最终使电路又处于稳定状态。因此，利用放大器本身工作的非线性，振荡电路可以达到限幅的目的，但是输出波形会存在失真，实际电路一般还需要有稳幅措施，通常采用串联二极管或负温度系数的热敏电阻等方法。上一页下一页返回４.２振荡电路的设计４.２.２文氏电桥正弦波振荡电路图４－１６所示是文氏桥正弦波振荡电路，其中ＲＣ串并联网络如图４－１７所示。ＲＣ串并联网络作为正反馈和选频网络，在ｆ＝ｆｏ＝１２πＲＣ时，·Ｕｆ最大，相移φ＝０°，此时·Ｆ＝·Ｕｆ

·Ｕｏ＝１３。频率ｆｏ叫作ＲＣ串并联网络的谐振频率，该网络的频率特性如图４－１８所示。此电路中利用二极管ＶＤ１和ＶＤ２的非线性自动完成稳幅。在负反馈电路中，二极管ＶＤ１和ＶＤ２与Ｒ１并联，只要有信号输出总有一个二极管导通。振荡电路刚起振时，输出电压较小，二极管的正向偏置电压较小，正向交流电阻较大，负反馈较弱，使·Ａ＞３，满足起振条件。当输出电压增大时，通过二极管的电流相应增大，导致二极管的动态电阻ｒｄ减小，负反馈增强，使·Ａ减小，从而达到自动稳定输出幅度的目的。上一页返回４.３发光二极管驱动电路在模拟电路中，要想半导体器件稳定工作，需要对限流元器件等保护元器件的参数进行计算，因此，需要关注电路中其他元器件的工作情况，如运放在不同电源电压情况下会产生不同的饱和电压（输出端电压），从而影响后级元器件的工作参数。图４－１９所示是常见的发光二极管驱动电路。图４－１９（ａ）中限流电阻的估算方法前面已经介绍过，图４－１９（ｂ）所示为发光二极管的正向工作电流ＩＦ受三极管控制。当三极管饱和导通时，流过ＶＬ的正向电流ＩＦ经电源电压ＵＣＣ和集电极电阻Ｒ使ＶＬ发光。当三极管截止时，流过三极管集电极的电流是微小的漏电流，不足以使ＶＬ发光，因此ＶＬ熄灭。通过驱动三极管的导通、截止，可使ＶＬ的工作处于可控状态。下一页返回４.３发光二极管驱动电路限流电阻Ｒ由下式估算，即式中：ＵＣＥ（ｓａｔ）为三极管的饱和压降；ＵＦ为ＶＬ的正向电压；ＩＦ为正向工作电流。上一页返回图４－３单值电压比较器返回图４－４单