西安交通大学 赵进全 模拟电子技术基础 第8-9章

1、8 信号发生器,发生器按产生的波形特点可分为,8.1 正弦波信号发生器,8.1.1 正弦波自激振荡的基本原理,正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的,信号发生器常称为振荡器,1产生正弦波自激振荡的平衡条件,自激振荡原理方框图,放大环节,A,正反馈网络,F,可在输出端继续维持原有的输出信号,正反馈,工作原理,及,知电路产生自激振荡的平衡条件为,放大环节,A,正反馈网络,F,(1) 幅度平衡条件,(2) 相位平衡条件,上式可分解为,一个振荡器，只在振荡频率f0时满足相位平衡条件。,平衡条件讨论,a. 相位平衡条件,在电路中应包含选频网络,若 ,则电路减幅振荡，最后停止振荡。,若 ，电路增幅振荡。

2、,b. 幅度平衡条件,AF=1是维持等幅振荡的唯一条件,2振荡的建立与稳定,振荡电路的起振条件：,放大电路中还应包含稳幅环节,A,反馈特性,幅度特性,F太小,自激振荡电路的建立过程（线性反馈）,幅度特性,B,幅度特性,非线性反馈,非线性反馈,起振,维持振荡,自激振荡电路的起振过程,3正弦波信号发生器组成,放大环节,正反馈网络,选频网络,稳幅环节,4. 正弦波信号发生器的分类,RC型振荡器,LC型振荡器,晶体振荡器,1文氏电桥振荡器,文氏电桥振荡电路,移相式振荡电路,双T网络式振荡电路,选频网络 反馈网络,放大电路,8.1.2 RC型正弦波信号发生器,2RC串并联网络的选频特性,图中,Z1,Z2

3、,反馈系数,Z1,Z2,令,幅频特性,当0时，F0,当时,F0,当=0时,F=Fmax=1/3,幅频特性分析,相频特性,当0时，F 90,当时, F 90,当=0时, F 0,相频特性曲线,幅频特性曲线,F =0，且反馈最强,可见，当=0时,相频特性分析,3工作原理,(1) 当f= 时,(3) 振荡频率,(2) 当 3 时，满足振荡条件。,A,4稳幅措施,(1) 利用二极管稳幅,Rt为负温度系数的热敏电阻,(2) 利用非线性热敏电阻稳幅,a. 用LC并联谐振回路作为选频网络,8.1.3 LC型正弦波信号发生器,b. 主要用来产生1 MHz以上的高频信号,主要特点,c. 频率稳定性较好,变压器反

4、馈式,电感三点式,电容三点式,LC型正弦波信号发生器类型,1LC并联谐振回路,f0,f0,Q大,Q小,Q大,Q小,阻抗频率特性,相频特性,(1) 谐振频率,(2) 谐振时的等值电阻R0,(3) 电路的品质因数,2选频放大电路,当f = f0（ LC并联谐振频率）时,(1) 输出电压幅值最大,(2) 输出与输入电压反相,工作原理,放大电路只对谐振频率f0的信号有放大作用,LC并联谐振电路,3变压器反馈式LC振荡电路,正反馈的判断,(1) 相位条件,判断的方法瞬时极性法,判断的步骤,b. 断开反馈回路,a. 假设谐振回路发生谐振,f.判断是否满足相位平衡条件,构成正反馈,满足相位平衡条件,(2)

5、起振条件,因为,合理地选择电路参数，及变压器的变比，可使AF1,满足起振条件。,(3) 振荡频率,(4) 电路的特点,a.调节N2方便，起振容易。,g.受变压器分布参数的限制，振荡频率不能很高。,b. 振荡频率高。,c. 电路的品质因数高。,e. 频率稳定性高。,d. 输出波形好。,f. 体积、重量大。,4电感三点式正弦振荡电路,振荡电路的交流通路,忽略RB1/RB2,简化的交流通路,线圈的三个端子分别与T的三个电极B、C、E相连接，故称之为电感三点式振荡电路。,(1) 相位平衡条件的判断,b. 断开反馈回路,a. 假设谐振回路发生谐振,相量图,相量图,(2) 幅度条件,由于反馈信号Uf取自电

6、感L2，改变电感中间抽头位置，调整反馈强弱，容易满足幅度条件。,M为线圈L1与L2之间的互感,(3) 谐振频率,式中,(4) 电路特点,a. 电感L1与L2之间耦合很紧，容易起振。,b. 输出波形中含有高次谐波，波形较差。,5. 电容三点式正弦波振荡电路,电容器的三个端子分别与T的三个电极相连接，故称之为电容三点式振荡电路。,交流通路,简化的交流通路,b. 断开反馈回路,a. 假设谐振回路发生谐振,(1) 相位平衡条件的判断,相量图,相量图,+,_,(2) 幅度条件,反馈电压取自C2， 改变C1/ C2，调整反馈强弱和电路的放大倍数，容易满足幅度条件。,(3) 谐振频率,(4) 电路特点,a.

7、 容易起振。,c. 输出波形中高次谐波少，波形好。,c. 改变电容时，容易停振。,b. 振荡频率高。,改进的电容三点式振荡电路,谐振频率,1. 石英晶体的基本特性与等效电路,(a) 各向异性,(b) 具有压电效应,8.1.4 晶体振荡器,(1) 压电效应,a. 石英晶体的基本特性,当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。,当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会产生机械变形振动。,压电谐振,压电效应,在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。,在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。,b. 石英晶体谐振器的结构,适当地切片,加装上外壳,电路符号,(2)

8、等效电路和谐振频率,R 等效晶片振动时内部的摩擦损耗,等效电路,C0 两金属电极间形成的静电电容,L 等效晶片振动时的惯性,C 等效晶片振动时的弹性,电路特点,a. L很大，C和R很小。,b . Q很高，达104106。,c. 频率稳定度（f /f0）很高。,三种振荡电路的频率稳定度,RC振荡器 102,LC振荡 103 104,石英晶体振荡 1091011,当忽略R时，电抗,串联谐振频率,当ffs时，X0，电路呈容性。,当ffs时，X0，电路呈感性。,a. 当 12LC =0 时，X=0,电路发生串联谐振,讨论,并联谐振频率,X=,b. 当j (C0+C2LCC0 ) = 0时,电路发生并联

9、谐振,由于CC0,故,电抗 频率特性,画出石英晶体振荡器的电抗 频率特性,可见,a. 当 fsffp 时，电路呈感性。,b.当 ffp 时，电路呈容性。,2石英晶体振荡电路,(1) 并联型晶体振荡器,晶体呈感性,谐振频率,交流等效电路,谐振频率,式中,由于,故,(2) 串联型晶体振荡器,谐振频率,思 考 题,1. 在正弦波发生器中，如果没有选频网络或没有稳幅环节，那么电路将分别会出现什么情况？,2. 电容三点式与电感三点式正弦波振荡电路相比，哪个电路输出的波形更好，为什么？,8.2 非正弦波信号发生器,主要组成部分,(1) 具有开关特性的器件（如电压比较器、BJT等）,(2) 反馈网络,主要作

10、用 产生高、低电平。,主要作用 将输出电压适当地反馈给开关器件 使之改变输出状态。,(3) 延时环节,主要作用 实现延时，以获得所需要的振荡频率。,主要特点,振荡条件比较简单，只要反馈信号能使比较电路状态发生变化，即能产生周期性的振荡。,8.2.1 方波发生器,1. 电路组成,延迟环节,迟滞比较器,2 工作原理,设t=0时,uC(0)=0,uO= +UZ,则,=+FUZ,uC按指数规律上升,a. 当t0时,电容C充电,iC,uO、uC波形图,uO=+UZ,b. 当uCFUZ 时,uR= FUZ,uO= UZ,- FUZ,+ FUZ,iC,c. 当uO= UZ时,uR= FUZ,uC按指数规律下

11、降,电容C放电,iC,d. 当uC FUZ 时,UR=FUZ,uO=UZ,iC,e. 当uO=+UZ时,UR=FUZ,uC又按指数规律上升,电容C又充电,iC,uO、uC波形图,uO为方波,iC,根据三要素法,3. 主要参数计算,如果选定时间起点为t2，那么,振荡频率,由此得电路的振荡周期,当 t=T/2 时,即,振荡频率,例1 对图示电路如何改进，可改变信号占空比？,答 如果将方波信号发生器中的电容C的充电和放电回路分开,使充电 和放电的时间常数 不相等，即可改变 信号的占空比。,改进电路,例2 在图示电路中，如果电阻R+ R，输出波形的占空比是大于还是小于50%？,答 如果电阻R+ R，那

12、么，电容C的充电时间将大于放电时间，输出波形的占空比大于50%。,8.2.2 三角波和锯齿波发生器,1电路组成,迟滞比较器,积分器,图中,2工作原理,(1) 当 时,输出电压,电容 C充电,uO随时间线性下降,设uC(0)=0,波形图,(2) 当 时,令,UZ,得uO1翻转时的输出电压,波形图,(3) 当 uB0时,电容器放电,输出电压,uO随时间线性上升,UZ,波形图,令,(4) 当 uB0时,t,uO , uO1,O,uO,uO1,UZ,UZ,波形图,得uO1翻转时的输出电压,波形图,uO1 方波,uO 三角波,输出波形,(1) 输出电压幅值,3. 主要参数计算,(a) 三角波幅值,(b)

13、 方波幅值,(2) 振荡频率,三角波从零上升到Uom的时间是T/4,由图可知,由于,故电路的振荡周期,振荡频率,(a),(b),答 输出波形上升和下降的斜率不等。,例3 如果用图(a)示电路替代图(b)示电路的电阻R，那么输出电压uO的波形如何变化？,替代R,例4 在上图示电路中，如果电阻R+ R，画出输出电压的波形。,解 输出信号的波形如右图示。,8.2.3 压控振荡器,1. 原理图,图中模拟开关S受控于uO,a. 当uO=+UZ时，开关S接通+U。,b. 当uO= UZ时，开关S接通U。,(1) 工作原理,图中,(a) 当 时,U通过R向 C充电,S 接电源 +U,uO1随时间线性下降,设

14、uC(0)=0,+,uC,(b) 当 uB0 时,电容反向充电,开关S 接 U,uO1随时间线性上升,uO1,R,C,A2,A1,R1,R2,R3,uO,DZ,B,+,+,U,+U,S,(c) 当 uB 0 时,电容 又正向充电,S又接U,C,uO1又随时间线性下降,+,uC,uO,C,+,uC,uO1 三角波,uO 输出方波,输出波形,(2) 振荡波形图,(3) 振荡频率,而,由波形图知,故,由,得,f0U，实现了电压控制振荡频率的目的。,一种压控振荡电路,电子模拟开关,例1 电路如图所示，图中运放A和二极管D1、D2都是理想器件，稳压管DZ的稳压值为UZ。试证明调节电位器RW改变矩形波占空

15、比时，周期T将保持不变。,练 习 题,解 由题意，画出uO和uC的波形如下图示。,其中,波形图,当uO=UZ时，uO通过D1对电容充电,当uO= UZ时，电容通过D2 放电,可见，在改变RW滑动端位置时，T保持不变。,振荡周期,为常数,例2 在图示矩形波发生电路中，理想运放的最大输出电压Uomax=12 V，最小的输出电压Uomin=0 V 。,(a) 画出输出电压uO和电容电压uC的波形；,(b)求出uC的最大值和最小值;,(c) 当UR的大小超出什么范围时，电路将不再产生矩形波？,解 (a) 方波发生器的输出电压只有高、低两种电平，电容C随输出电压的极性进行充电或放电。当uC大于运放同相端

16、电位u+时，输出为低电平；反之，输出为高电平。,输出电压uO和电容电压uC的波形图,(b) 由图可知，运放同相端电位的最大值和最小值，即为uC的最大值和最小值。,对于同相端，由KCL得,(3) 如果UcmaxU+min，电路不能产生方波。,Ucmax=Uomax/2=6 V,Ucmin=Uomin/2=0 V,由图可知,当UR3U+maxUOmax=6 V,或 UR3U+minUOmin=0 V时,电路不能产生方波,例3 图示电路为一压控振荡器。设输入电压0UI6V，运放A1、A2为理想器件；二极管D的正向压降为0.6V，稳压管DZ的稳定电压为6V，它们的其它性能理想。,(a) 运算放大器A1

17、、A2各组成什么电路？ (b) 画出uO1 和uO 波形； (c) 写出振荡频率f0 与输入电压UI的函数关系式。,解 (a) A1构成反相输入积分电路，A2构成同相输入比较电压比较器。,(b) 当uO6V时，二极管D截止，电容C充电，uO1随时间负向线性增大。,当运放A2的同相端电位u2+过零时，比较器翻转，uO= 6V。,当uO= 6 V时，D导通，uO被强制为0.6 V。C迅速放电，uO1快速正向增大。,当u2+再次过零时，比较器翻转，uO=6 V，二极管截止，电容C充电，uO1随时间线性下降。,周而复始，形成周期性振荡。,由图可知，运放A2同相端电位,令u2+=0得,当uO6 V时，u

18、O1 5 V，比较器状态翻转。,当uO0.6 V时，uO1 0.5 V，比较器状态翻转。,uO1和uO的波形,(c) 由于二极管的导通电阻很小，电容放电时间极短，所以，TT1。,由于,当 时，电容充电结束，此时,故电路的振荡频率,9.1 功率放大电路的特点及分类,1特点,(1) 要有尽可能大的输出功率,(2) 效率要高,(3) 非线性失真要小,(4) 要加装散热和保护装置,(5) 要用图解法分析,9 功率放大电路,2工作状态分类,(1) 甲类放大电路,根据晶体管的静态工作点的位置不同分,b. 能量转换效率低,特点,c. 放大管的导通角 =2,静态工作点位置,集电极电流波形,(2) 乙类放大电路

19、,b. 能量转换效率高,c. 输出失真大,特点,d. 放大管的导通角 =,集电极电流波形,静态工作点位置,(3) 甲乙类放大电路,a. 静态功耗较小,b. 能量转换效率较高,c. 输出失真较大,特点,d. 放大管的导通角 2,t,集电极电流波形,静态工作点位置,思 考 题,1. 功率放大器的作用是什么？对它有那些要求？它与电压放大电路有哪些区别？,2. 试说明甲类、乙类和甲乙类功率放大器各自的主要特点。,9.2 互补推挽功率放大电路,电路特点,(1) 晶体管T1、T2特性对称,(2) 电源对称,(3) T1、T2射极输出,9.2.1 乙类互补推挽功率放大电路,1. 工作原理,a. 当ui =0

20、 时,设ui=Uimsin t,T1、T2截止,UA =0,uo=0,静态功耗为零,b. ui 0 时,T1导通,T2截止,输入信号ui,输出信号uo,电流io方向,uoui,+,c. ui 0 时,T2导通,T1截止,输入信号ui,输出信号uo,电流io方向,uoui,乙类互补推挽电路工作情况,T1通,T2通,Uopp=2(VCC UCES),O,2. 主要指标计算,(1) 输出功率,设,当忽略三极管的饱和压降UCES时,当Uom达到最大值(VCC UCES)时,(2) 电源供给的功率,平均集电极电流IC(AV)为,两个电源供给的总电源功率,(3) 能量转换效率,(4) 晶体管的耗散功率,令

21、,最大管耗为,即当输出电压幅值为,晶体管的管耗最大,每只管子的最大管耗为,例 电路如图所示，已知电源电压VCC=15V，RL=8W。输入信号是正弦波。问：,(a) 假设 UCES=0 V时，负载可能得到的最大输出功率和能量转换效率最大值分别是多少？,(b) 当输入信号ui=10sinw t V时，求此时负载得到的功率和能量转换效率。,解 (a),(b) 对每半个周期来说，电路可等效为共集电极电路，所以,Au1,uo=ui=10sinw t,Uom=10 V,故,当ui小于晶体管的死区电压时，T1、T2都截止。,3. 电路存在的主要缺陷,a. 产生失真的原因,晶体管存在死区电压,b. 失真的现象

22、,输出电流出现一段“死区”,存在交越失真,交越失真,在两个管子交替工作区域出现的失真称为交越失真,输入信号,输出信号,交越失真的产生,4. 克服交越失真的常用方法,给功率管（T1和T2）一定的直流偏置，使其工作于微导通状态，即甲乙类工作状态。,9.2.2 甲乙类互补推挽电路,1. 利用二极管提供偏压,二极管提供偏压，使T1、T2呈微导通状态,2. 利用扩大电路实现偏置,图中,(1) 当ui=0 时,2. 工作原理,uA=VCC/2,uC=VCC/2,输出电压uo=0,1. 电路组成,9.2.3 单电源功率放大电路,(2) 当ui为负半周时,T1导通， T2截止,电容C同时充电,uB1信号为正半

23、周,uB1,uB2,输出信号为正半周,T1截止， T2导通,电容C放电,uB2信号为负半周,uB1,uB2,(3) 当ui为正半周时,输出信号为负半周,注意：,电容C起负电源VCC的作用,每只管子的工作电压变成了VCC/2，在计算各项指标时，电源电压要用VCC/2。,1. 电路组成,9.2.4 前置级为运放的功率放大电路,电路引入了电压并联负反馈，提高了电路的稳定性。,2. 电路的闭环电压增益,思 考 题,1. 乙类互补推挽功率放大器产生交越失真的原因是什么？怎样克服交越失真？,2. 前置级为运放的功率放大电路交越失真很小，为什么？,9.3.1 双极型功率晶体管（BJT）,1. 功率管的选择,

24、(1) PCM0.2Pom,(2) |U(BR)CEO|2VCC,(3) ICMVCC/RC,9.3 功率器件与散热,在互补推挽功率放大电路中,功率管的极限参数应满足以下关系,2二次击穿的影响,二次击穿,一次击穿,S/B曲线,二次击穿现象,二次击穿临界曲线,1. V型NMOS管的结构,结构剖面图,9.3.2 功率MOSFET,2. V型NMOS管的主要特点,(1) 开关速度高,(2) 驱动电流小,(3) 过载能力强,(4) 易于并联,9.3.3 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的主要特点：,(1) 输入阻抗高,(2) 工作速度快,(3) 通态电阻低,(4) 阻断电阻高,(5) 承受电流大,兼顾了MOSFET和BJT的优点，成为当前功率半导体器件发展的重要方向。,9.3.4 功率器件的散热,晶体管的散热示意图,功率器件的散热分析方法,导电回路和散热回路参数对照表,电热模拟法,即用电路来模拟功率器件的散热回路。,Tj集电结的结温,Tc 功率管的壳温,Ts 散热器温度,Ta 环境温度,Rjc 集电结到管壳的热阻,Rcs 管壳至散热片的热阻,Rsa 散热片至环境的热阻,散热等效热路,散热回路的总热阻为,最大允许功耗,练 习 题,例1 乙类互补推挽功放电路如图所示。已知ui为正弦电压，RL