模拟电子技术第6章课件

1、第6章 波形发生与信号转换电路,小结,信号产生电路,(振荡器Oscillators),分类：,正弦波振荡:,非正弦波振荡：,RC 振荡器(1 kHz 数百 kHz),LC 振荡器(几百 kHz 以上),石英晶体振荡器(频率稳定度高),方波、,三角波、,锯齿波等,主要性 要求能：,输出信号的幅度准确稳定,输出信号的频率准确稳定,6.1概 述,6.2正弦波振荡电路,6.2.1 正弦波振荡电路的基本原理,6.2.2 RC 正弦波振荡电路,6.2.3 LC 正弦波振荡电路,6.2.4 石英晶体正弦波振荡电路,6.2.1 正弦波振荡电路的基本概论,一、振荡条件,微弱的电扰动中，某一频率成分通过正反馈逐渐

2、放大，则产生正弦振荡。, 幅值平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,二、起振条件,起振条件,1/Fu,Au = 1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅, ,三、电路的组成和起振的判断,1. 放大电路 Au,2. 正反馈网络 Fu,3. 选频率网络实现单一频率的振荡,4. 稳幅环节使振荡稳定、波形好,满足振荡条件,组成:,判断:,1. 检查电路组成,2.“Q”是否合适,3. 是否满足起振条件,6.2.2 RC 正弦波振荡电路,一、RC 桥式振荡电

3、路,1. RC 串并联选频网络,式中: 0 = 1/RC,当 = 0 时, = 0,2. RC 桥氏振荡电路,A = 2n,F = 0,2) 电路：,同相 放大器,1) 组成：,4)振荡频率,Rf 不能太大，否则正弦波将变成方波,应使：,3)振荡条件,相位条件：,5)稳幅措施,为使电 Au 为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后 Au = 3。,C,R1,Rf,R,C,R,正温度系数,负温度系数,热敏电阻稳幅,R1,R2,V1,V2,R3,Au 1 + R2/R1 = 3,为使失真小：,R2 2R1,R2 2R1 - R3,Au 1 + (R2+ R3)/R1 3,起振时信号小， 二极管电阻

4、大,12.4 k R2 8.1 k,f0 = 1.94 kHz,二极管稳幅,8.2 k,6.2 k,22 k,4.3 k,0.01 F,8.2 k,0.01 F,二、RC 移相式振荡电路（补充）,C,R,Rf,R,C,R,C,一节 RC 环节,移相 90,二节 RC 环节,移相 180,三节 RC 环节,移相 270, 满足相位平衡条件,优点：,结构简单,缺点：,选频特性差，输出波形差,例8.1,D1D2作为稳幅元件的稳幅原理？,R2短路时UO的波形？,R2开路时UO的波形？,UO越大，二极管的电阻越小，负反馈越强，放大电路放大倍数越小，使AF1AF=1,R2短路时，负反馈太强，A太小，使AF

5、1，电路停振。UO输出恒值。,R2开路时，运放开环运行，A，运放为正或负饱和输出状态，UO输出方波。,例8.2,振荡的总相位条件？,振荡频率f0？,已知Re1，应如何选择RF才能使电路起振？,A+ F=360O+0O=360O,f0=1/(2RC),例8.2,若满足了振荡的两个条件后电路仍不能起振，试分析是什么原因？应采取什么措施？,若在RF支路中串入热敏电阻Rt，用以稳定电路的输出幅值，试说明应选择何种温度系数的热敏电阻？若Rt串入T1的发射极支路，它的温度系数又如何选择？,说明RC串并联网络对基本放大电路有影响，应加一级射极跟随器作隔离级。,若在RF支路中串入热敏电阻Rt，应选择具有负温度

6、系数的热敏电阻。 若Rt串入T1的发射极支路，应选择具有正温度系数的热敏电阻。,6.2.3 LC 正弦波振荡电路,类型：变压器反馈式 、 电感三点式、 电容三点式,一、变压器反馈式 LC 振荡电路,L 的等效损耗电阻,(一) LC 并联回路的特性,Z,1. 谐振频率 f0,3. 谐振阻抗 Z0,2. 回路品质因数 Q,4. 频率特性,幅频特性,相频特性,5. 并联谐振的本质, 电流谐振,1) Z = Z0,呈纯阻,2)形成环流，大小是总电流的 Q 倍, ,(二)变压器反馈式振荡电路,满足相位平衡条件,同名端同极性,电压并联正反馈,只要为正反馈就满足相位条件,基本组成？,放大电路,选频网络,正反

7、馈网络,稳幅环节,1.电感三点式和电容三点式LC正弦波发生器,把并联LC回路中的C或L分成两个，则LC回路就 有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个 极相连，就形成了LC三点式正弦波发生电路。 它们又分为电感三点式和电容三点式两类。,二、三点式 LC 振荡电路,输入信号？,反馈信号？,为正反馈？,2. 组成LC三点式正弦波发生电路的规律,LC三点式正弦波发生电路的一般结构如下图所示。,图 LC三点式正弦波发生电路的一般结构,a）反相放大,b）同相放大,图a）为中点接地，图b）为一端接地,结论：在LC三点式正弦波发生电路中，为了 判断相位平衡条件，有：,注意瞬时极性是相对于参考点而言,3.

8、电感三点式 振荡电路（哈特来振荡电路）,M,优点：,缺点：,易起振(L 间耦合紧)；,易调节(C 可调)。,输出取自电感，对 高次谐波阻抗大，意味着对高次谐波放大倍数大，故 输出波形差。,4. 电容三点式振荡电路,考毕兹振荡器(Colpitts),C3,优点：波形较好,缺点：,2) T 极间电容影响 f0,1) 调频时易停振,C 3的改进,5. 改进型电容三点式振荡电路,C3,若要提高f0 ，则 要减小C1 、C2，由于受极间电容的影响，当C1 、C2减小到一定时，效果不再明显，为此，加一电容C3,当C3 C1 、 C3 C2时，,例8.3 下列电路是否能振荡？若不能，试修改。,+VCC,T,

9、（a),问题1： 基极电位为0。,改进： 加耦合电容,问题2： 为负反馈。,改进： 改变同名端。,放大电路? 选频网络？正反馈网络？稳幅环节？,例8.3 下列电路是否能振荡？若不能，试修改。,+VCC,（b),问题1： 发射极交流短路。,改进： 去掉发射极电容,放大电路? 选频网络？正反馈网络？稳幅环节？,例8.3 下列电路是否能振荡？若不能，试修改。,+VCC,T,（c),问题1： 发射极极电位为VCC,改进： 加耦合电容,放大电路? 选频网络？正反馈网络？稳幅环节？,例8.4 下列电路是否能振荡？若能振荡，其频率是多少？,（a),放大电路? 选频网络？正反馈网络？稳幅环节？,正反馈选频网络

10、,振荡频率：,负反馈选频网络,振荡频率：,6.2.4 石英晶体(Crystal)振荡电路,(一)石英晶体谐振器的阻抗特性,1. 结构和符号,化学成分 SiO2,结构,晶片,符号,2. 压电效应,形变,形变,机械振动,外力,压电谐振 外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。,3. 等效电路,L 晶体的动态电感 (10-3 102 H)(大),C 晶体的动态电容 ( 0.1 pF)(小),r 等效摩擦损耗电阻(小),Co 晶片静态电容 (几 几十 pF),Q值很高，谐振频率很稳定。,4. 频率特性和谐振频率,容性,容性,感性,（C0C）,fS 串联谐振频率,fP 并联谐振

11、频率,5. 使用注意,2)要有合适的激励电平。过大会影响 频率稳定度、振坏晶片；过小会使 噪声影响大，还能停振。,1)要接一定的负载电容 CL(微调)， 以达标称频率。,(二)石英晶体谐振电路,1. 串联型,f = fs，晶体呈纯阻,2. 并联型,fs f fp，晶体呈感性,输入信号？,反馈信号？,为正反馈？,输入信号？,反馈信号？,为正反馈？,串联型石英晶体振荡电路,f = fs，晶体呈纯阻,6.3电压比较器,6.3.1 简单比较器,6.3.2 窗口比较器,6.3.3 滞回比较器,电压比较器(Comparer)的分类,6.3.1 简单比较器,功能：,类型,基本比较器,简单比较器(单门限),窗

12、口比较器(双门限),滞回比较器(施密特触发器),比较电压信号(被测试信号与标准信号)大小,1. 过零电压比较器,uI 0,uI 0,UOmax,-UOmax,UOH,UOL,2. 同相输入单门限比较器,UZ,uI UREF,-UZ,uI UREF,门限 电压 UT,特点:,1)工作在非线性区,2)不存在虚短 (除了uI = UREF 时),3)存在虚断,门限电压 UT = UREF,阈值电压（门限电压、门槛电压 ） UT ,使uo发生跳变时的uI。当uP = uN时的uI即为UT,3. 输入输出限幅,例8.5 画出,的波形。,例8.6,由uN = uP = 0得,画出电压传输特性？,画出uO的

13、波形？,设 U1 U2 ，比较器采用单电源,UOmax,截止 导通,UZ,0,UOmax,0,导通 截止,UZ,0,0,截止 截止,0,6.3.2 窗口比较器,例8.9 已知运放的工作电压为,1) 求阈值电压；,2) 画电压传输特性；,例8.9 已知运放的工作电压为,应用举例, 三极管 值分选电路,50 100，LED 不亮。,分析电路是否满足要求： 100，LED 亮，,解,IB = (15 - 0.7 ) /1430,= 0.01 mA,当 50 时，UC 2.5 V, V2 导通，LED 亮,当 100 时，UC 5 V, V1 导通，LED 亮,当 50 100 时，2.5 V UC

14、5 V，LED 不亮,1)电路和门限电压,6.3.3 滞回比较器,1. 反相型滞回比较器,正反馈,当 uI uP 时， uO = -UZ,当 uI uP 时， uO = +UZ,当 uI = uP 时， 状态翻转,uP = uN时的uI即为UT,uO = +UZ时，对应阈值电压为UT+ ; uO = -UZ时，对应阈值电压为UT-,例：R1 = 30 k，R2 =15 k, UZ = 6 V, UREF = 0, 求 UT。,特点：,2)传输特性,uO,UT+,UT-,UZ,-UZ,当 uI 逐渐增大时,只要 uI UT+ ，则 uO = UZ,一旦 uI UT+ ，则 uO = -UZ,当

15、uI 逐渐减小时,只要 uI U T- ，则 uO = -UZ,一旦 uI UT- ，则 uO = UZ,上门限,下门限,U = UT+ - UT-,回差 电压,uI 上升时与上门限比,uI 下降时与下门限比。,uO = +UZ时，对应阈值电压为UT+ ; uO = -UZ时，对应阈值电压为UT-,例8.7,这是什么电路？,当DZ不稳压（相当于断开）时，为反相滞回比较器。,由uN=uP得阈值电压：,例8.7,uo=？,当DZ起稳压作用时，引入负反馈，可用虚短和虚断的概念。,电压传输特性？,阈值电压：,2. 同相型滞回比较器,由uP = uN得,uO = +UZ时，对应阈值电压为UT- ; uO

16、 = -UZ时，对应阈值电压为UT+,传输特性,单门限比较器,抗干扰能力差,滞回比较,抗干扰能力强,整形,滞回比较,整形,滞回比较,6.4非正弦波发生电路,6.4.2 方波及矩形波发生电路,6.4.3 三角波及锯齿波发生电路,6.4.1 非正弦波的产生机理,6.4.1 非正弦波的产生机理,延时反馈环节的反馈信号使uo发生翻转,6.4.2 方波及矩形波发生电路,1. 电路组成和输出波形,反向输入滞回比较器阈值电压,uO = +UZ时，C正向充电： uC uC UT+ uO= -UZ 充电时间常数,uO = -UZ时，C反向充电： uC Uc UT- uO= +UZ 充电时间常数,2. 振荡频率,

17、占空比 = 50%,3.占空比可调的矩形波电路 为了改变输出方波的占空比，应改变电容器C的充电和放电时间常数。占空比可调的矩形波电路如下图。,1. 获得三角波的基本方法,方波,积分电路,三角波,2. 锯齿波发生电路,在三角波发生电路中，如果电容的充电、放电时间 常数不相等，则可使积分电路的输出为锯齿波。,6.4.3 三角波及锯齿波发生电路,三角波发生器的电路由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。积分器的输出反馈给滞回比较器，作为滞回比较器的UREF。,当t=t1t2时，uO1= - UZ,当t=t2时，uO=(R1/R2)UZ,其中uO（t1）= - (R1/R2)UZ,可解出:,锯齿波发生电路

18、 为了获得锯齿波，应改变积分器的充、放电时间常数。图中的二极管D和R将使充电时间常数减小为(RR)C，而放电时间常数仍为RC。锯齿波电路的波形图如下。,例1：指出能够实现下列波形的各个电路的名称,答案：设RW1、RW2在未调整前滑动端均处于中点，则应填入，；，；，；。,已知频率与阈值电压绝对值成反比， 输出幅值与阈值电压绝对值成正比,例2：设振荡周期为T，在一个周期内uO1UZ的时间为T1，则占空比为T1 / T；在电路某一参数变化时，其余参数不变。选择增大、不变或减小填入空内：,当R1增大时，uO1的占空比将 ，振荡频率将 ，uO2的幅值将 ；若RW1的滑动端向上移动，则uO1 的占空比将

19、，振荡频率将 ， uO2 的幅值将 ；若RW2的滑动端向上移动，则uO1 的占空比将 ，振荡频率将 ， uO2 的幅值将 。,（略）,例3：已知ui为正弦波，画出uo波形,（a）为全波整流,（a）,（略）,例3：已知ui为正弦波，画出uo波形,（b）为全波整流 uO=RL/ R1* |uI |,（b）,（略）,补充： 压控方波产生电路,一、积分 - 施密特触发器型压控振荡器,压控 恒流源,压控 恒流源,积分器,积分器,镜象 电流源,镜象 电流源,uO = UOL,V3 截止，,uO = UOH,C 充电至 UT+,V3 导通，,C 放电至 UT-,uO = UOL,占空比 50%,（略）,二、

20、8038 集成函数发生器, I01,1. 原理,11,+VCC,R,R,R,R,S,C,I01,I02,6,9,3,2,-VEE,或地,10,反相器,电压跟随器,正弦波变换器,（略）,当 Q = 0，S 断开，,C 充电 (I01) 至 2/3VCC,Q = 1,当 Q = 1，S 闭合，,C 放电 (I02 -I01) 至 1/3VCC,Q = 0,当 I02 = 2I01， 引脚 9 输出方波，引脚 3 输出三角波；,当 I02 2I01， 引脚 9 输出矩形波，引脚 3 输出锯齿波。,（略）,2. 应用,（略）,调占空比和正弦波失真,（略）,6.5利用集成运放实现信号的转换,6.5.1

21、电压-电流转换电路,6.5.2 电流-电压转换电路,8.5.3 精密整流电路,6.5.1 电压-电流转换电路,电压电流转换电路,电流串联负反馈,io与RL无关,实用电压电流转换电路,P1点的结点电流方程：,io与RL无关！,电压并联负反馈,uo与RL无关！,6.5.2 电流-电压转换电路,电压频率转换电路（略）,uO=uOL时，使S断开，C正向充电；,uO=uOH时，使S闭合，C反向充电。,T1,T,振荡周期 TT1|1/uI|,振荡频率 fuI,电荷平衡式电路（略）,uO=-UZ时，D截止，C正向充电；,uO=UZ时，D导通，C反向充电。,振荡周期 TT1|1/uI|,振荡频率 fuI,T1

22、,T,6.5.3 精密整流电源,半波整流,全波整流,精密整流？对微小信号进行整流,精密半波整流,精密全波整流,uI0时，uO1=-2uI，（D1止，D2通）,uI0时，uO1=0，（D1通，D2止）,绝对值电路！,例8.11,已知运放最大输出为10V。uO2=0.1uIuO1。,uO1、uO2的波形？,该电路的功能？,uO1过零比较功能； uO2绝对值运算功能， 即精密全波整流功能。,一、信号产生电路的分类：,正弦波振荡:,非正弦波振荡：,RC 振荡器 (低频),LC 振荡器 (高频),石英晶体振荡器(振荡频率精确),方波、,三角波、,锯齿波等。,小 结,二、正弦波振荡条件、电路结构和选频电路,1. 振荡条件, 振幅平衡条件, 相位平衡条件,n = 0, 1, 2, ,判断电路是否起振采用瞬时极性法，即断开反馈 网络，加一信号，如果信号极性逐级变化后， 返回后与原信号同极性，则满足相位平衡条件。,2. 振荡电路的两种结构,3. 选频电路及其特性,1) RC 串并联式,幅 频 特 性,相 频 特 性,当 = 0 = 1/RC 时, = 0,电 路,2) LC并联谐振