1、1第九章 波形產生電路9.1 正弦波振蕩電路的條件 正弦波振蕩器是一種無輸入信號，包含選頻網絡的正反饋放大電路。9.1.1產生正弦波的條件 vo vf基本放大器A反饋網絡FvidnFAFAVVFAFid211相位平衡條件振幅平衡條件：與負反饋放大器中所得到的自激條件相矛盾嗎？相位平衡條件決定振蕩頻率29.1.2 振蕩的建立和穩定 振蕩電路的初始信號是電路中存在的擾動與噪聲。選頻網絡從擾動和噪聲信號中，挑選出滿足相位平衡條件的頻率分量。為了能使振蕩從小到大建立起來，剛起振時，必須使反饋信號的幅度大于等效輸入信號的幅度。nFAFA21起振條件是：當幅度增大至一定值時，放大電路進入非線性區,增益A隨

2、輸出幅度增加而逐漸減小，最終使 達到幅度平衡，振幅穩定下來。1FA可以利用放大管的非線性限幅，也可以在放大電路中增加其他非線性元件，幅度增加時，應使增益下降。3Avo vf基本放大器反饋網絡Fvi反饋特性基本放大器幅度特性vi，vFvo振蕩的建立及穩定過程49.1.3 正弦波振蕩電路的組成和分析方法正弦波振蕩電路包括: 放大電路，起能量轉換和控制作用。 反饋網絡，保證是正反饋。 選頻網絡，保證建立單一頻率的振蕩。 穩幅環節，穩定輸出幅度，減少非線形失真。分析方法:檢查是否包括放大電路,反饋網絡和選頻網絡， 放大器是否有正常的交、直流通路。檢查電路是否滿足相位平衡條件,估算振蕩頻率, 電路的振蕩

3、頻率由相位平衡條件決定。 分析幅度起振條件。59.2 RC正弦波振蕩電路9.2.1 電路原理圖9.2.2 RC串并聯選頻網絡的頻率特性RCjRCRCjZZZFjRCjCRZjCRZ1)(31)1(31111/100021221voZ1Z2RC AR1vfRfRC63)()(31002002arctgFFFF相頻特性幅頻特性oFFRCffRC031211max007111RRAFAF起振條件1231RRAFAF9.2.3 振蕩條件振蕩平衡條件voZ1Z2RC AR1vfRfRC用C作頻段選擇，調節R作頻率微調。RCfFAFA210, 000振蕩頻率：相位平衡條件：1231311RRAAFAF，幅

4、度平衡條件： 對放大器的要求：同相放大器穩定振蕩時，增益等于3 起振時，增益大于3輸入阻抗高，輸出阻抗低89.2.4 穩幅措施1 用熱敏元件穩幅用溫度系數為負的熱敏元件代替Rf 。Vom,PRF ,T ,RF,AV =1+RF/R1 或溫度系數為正的熱敏元件代替R1 。2 場效應管穩幅輸出幅度增加時，應使放大器增益下降R5RP4 ARp3VC3voDR4CR3RRC場效應管工作在可變電阻區。Vom,VC,VGS RDS , AV =1+RF/(R1+RDS) 9例9.2.1:R1=5.1K R2=9.1K，R3=2.7K R=10K C=0.015Ftvo14v-14vR1R2R3vo ARR

5、CCD1D23 求當R2=0時輸出波形AV3vo增大，D1,D2導通，并聯等效電阻下降，AV減小。 2 設二極管正向壓降0.6V，估算Vom。穩幅時, AV=3，R3,+R2=2R1 ,R3,=1.1K0.6/ R3,=Vom/(R3,+R1+R2), Vom=8.35v 4 R2=時輸出波形AV=，理想情況下為方波，實際波形如右圖。109.3 LC正弦波振蕩電路LC振蕩器用L、C并聯諧振電路作選頻網絡，一般用來產生1兆Hz以上的高頻正弦波信號。v0CLRiSiCiL諧振頻率：呈電阻性發生諧振， ZLCCLjRCLCLjRjCjLRZ1)1()1(1)(09.3.1 LC選頻放大器1 并聯諧振

6、回路特性諧振頻率LCf21011諧振時，等效阻抗為純電阻，達Z的最大值。 Z0=L/RC諧振回路的品質因素 Q=0L/R=1/(RC0) Z0=Q2R諧振時端口電壓同相，達最大值與SSsIRCLIZIV00輸入電流與支路電流的關系 arctgQIQarctgQLRIRCLjLRVIIjQjCRCLIjCVISSLSSC2020000000)(ILIC=QISSILICI12阻抗Z的頻率特性Z的幅頻特性和相頻特性具有帶通特性。 f=f0時，電路為純電阻，達最大值。ff0時，電路呈電容性。Q值越大，幅頻特性越尖銳，選頻特性越好。相頻特性越陡峭，振蕩頻率越穩定。)(1)/1(/000RjLRCLCL

7、jRCLZ0021jQZZ)(0139.3.2 變壓器反饋式LC振蕩電路Cg、Rg用來產生自生柵偏壓 LRVDDCMCgRg(+)(-)(-)(+)(-)(+)1,電路的組成及起振條件rdsgsVZrZrZVVAdsdsgsdV1rdsgsmVgMLRCdVgsVgsd=gmrdsjLRMjVjLRVMjVVFdsdsdsgsjLRjRCLCjLRjCZ)1 (112)()1 ()(2dsdsVRCrLjLCrRjLRA141)()1 (12dsdsVRCrLjLCrRMjFA振蕩的平衡條件：LCfLCrRLCLCrRdsds211110)1 (2相位平衡條件：LMRCggrRCrLMFAmm

8、dsdsV1幅度平衡條件：LMRCgm起振條件：15剛接通電源時，Cg未充電，VGS=0，管子的跨導最大，滿足起振條件。起振后，柵源間PN結整流，當時間常數g=RgCg振蕩周期時，電容Cg充電到柵極電壓的峰值，為柵極和源極提供負偏壓Vgs 。（自生柵偏壓）隨著振幅的增長，柵源電壓越負，工作點下移，gm減小，直到|AF|=1時，達到穩定，輸出一定頻率的等幅的正弦波。iDiDvGSvGStt利用自生柵偏壓和跨導的非線性穩幅。LRVDDCMCgRg2 振蕩的建立和穩定16 一般原理組成：三個電抗元件組成，三個端點分別與晶體管的三個極相連，或運放的兩個輸入及輸出端相連。9.3.3 三點式LC振蕩電路o

9、FooIjXVIjXV21X1，X2，X3為何種性質，才可產生振蕩？由相位條件A+F=2n 在諧振頻率處A= 所以必須F=（vf與vo反相）要使vf與vo反相，X1、X2必為同種性質的電抗，又由于要形成諧振，X3的電抗性質必與X1、X2相反。與發射極相連的兩個電抗性質必須相同，另一個則相反。同理，與運放同相輸入端相連的兩個電抗性質必須相同。idVX3X1X2fVoVoI171電感三點式振蕩電路(哈特萊振蕩器) 振蕩頻率MVCCR1R2Ce CL1L2CbRe012021321CMLLXXXL1vivf vcL2CM 起振的幅度條件只要AV足夠大，適當調節L2/L1的值，可實現起振。(+)(-)

10、(+)(-)(+)(-)CMLLfCMLL)2(21)2(12121電路特點調節頻率方便，用于產生幾百千Hz至幾十兆Hz的頻率。 輸出波形中含有較大的高次諧波，波形較差。182 電容三點式振蕩電路（考畢茲）振蕩頻率起振的幅度條件 只要值較大，適當調節C2/C1的大小就可起振。011021321CCLXXXReVCCR1R2CeLC1C2LCCbC1C2LiVfVoV(+)(-)(+)(-)(+)(-)(21)(121212121CCCCLfCCCCL電路特點反饋電壓取自電容，電容對高次諧波阻抗很小, 反饋電壓中諧波分量較小，輸出波形較好。振蕩頻率很高，可達100MHz以上。調頻不方便，用于固定

11、頻率振蕩。193 電容三點式改進型振蕩電路(克拉潑振蕩器)選取：C3C1,C3C2321LCfo調節頻率時反饋系數可保持恒定，提高振蕩頻率的穩定性。ReVCCR1R2CeLC1C2LCCbC3C3C1C2LiVfVoV209.3.4 石英晶體振蕩器1 正弦波頻率穩定問題 頻率穩定度：在一定時間間隔內頻率的相對變化量f/f0引起頻率不穩的因素有：L、C的變化（機械變形，環境影響）回路電阻的變化（負載的變化）有源器件參數的變化諧振回路品質因素Q是決定頻率穩定度的重要因素。提高頻率穩定度的措施：減少可產生參數變化的原因，提高回路Q值。21 2 石英晶體的基本特性與等效電路晶片的壓電效應在石英晶片的兩

12、個面間加一電場，晶片會產生機械形變。反之，在晶片兩個面間上施加機械力，則在相應方向產生電場。這種機電相互轉換的現象稱為壓電效應。加交變電壓機械變形振動產生交變電壓。石英晶體的基本特性壓電效應石英的化學成分為 sio2 ，晶體呈六角錐型，具有各向異性的特性。按一定方位切下的一個薄片稱晶片。壓電諧振：當外加交變電壓的頻率與晶片固有頻率相等時，振幅最大。22石英晶體等效電路CRL C0符號C0：靜態電容L：模擬機械振動的慣性C：模擬晶片的彈性R：模擬晶片振動時的 磨擦損耗石英晶體的電抗-頻率特性（忽略R) 1() 1(111232LCCCLCCjLCjCjCjCjLjCjXoooo)() 1(22o

13、oLCCCCLCX23石英晶體在并聯諧振時,電抗為并聯諧振頻率： )() 1(22ooLCCCCLCXfsffp：呈感性，且等效Q值很高。ffp：呈容性。f=fS：呈電阻性。ooopCCLCCCCCLf12121LCfs21石英晶體在串聯諧振時，電抗為0 ，等效為小電阻。串聯諧振頻率：Xf0fsfp容性容性感性電阻性ospCCff1)spoffCC24串聯諧振頻率的調整CS)()(122oSoSSoSoSLCCCCCCCLCCCCCXXpSSSosfffCCCLCf121)211(CCCSo)(21 (SoSSCCCff)(2SoSSSCCCfff頻率相對變化量：晶振產品的標稱頻率是外結電容后

14、校正的頻率。25 3 石英晶體振蕩器串聯型晶體振蕩電路晶體工作在串聯諧振頻率fs處，利用其阻抗為純電阻且為最小的特性來構成振蕩電路。并聯型晶體振蕩電路晶體工作在fs和fp之間，利用晶體為高Q電感，與外接電容組成并聯諧振回路來產生振蕩。26串聯型晶體振蕩電路R3R6VCCvoR1R2R4R5CeCb頻率為串聯諧振頻率fs時，晶體為純電阻，滿足相位條件，振蕩頻率為fs 。適當調節R5的大小就可以改變反饋的深度，以便獲得良好的波形輸出。27并聯型晶體振蕩器當工作頻率在fsfp之間時，晶體呈感性。構成電容三點式振蕩電路。振蕩頻率基本由晶體的固有頻率決定。R1VCCReR2CeC1C2RC石英晶體的等效

15、Q值很高，振蕩頻率很穩定。頻率穩定度可高達10-9 10-11 。289.4 非正弦信號產生電路一般情況集成運放開環運用或加正反饋運用。運放工作在非線性區特點:輸出電壓只有兩種可能。當V VP PV VN N 時: 運放輸出達最大V VOHOH當V VP PV VN N 時: 運放輸出達最小V VOLOL輸入電流為零。 I IP P=I=IN N=0=0虛短路不成立 V VP PVVN N9.4.1 比較器比較器用于將輸入信號與參考電壓進行比較，兩者相等時，輸出端產生電壓的突變。VOVP-VNVOH-VOLVP-VNVOH-VOLVO29 AVREFVidViVo門限電壓Vth :使輸出電壓從

16、一個電平跳變到另一個電平時所對應的輸入電壓。求門限電壓的方法是: 令VN=VP如果VREF=0，為過零比較器。輸入電壓加于同相端，為同相比較器。ViVREF: Vo=VOHViVREF: Vo=VOLVth=VREF voviVOHVOLVREF1 單門限比較器傳輸特性30反相單門限比較器 voviVOHVOLVREF將Vi,VREF交換位置，則為反相比較器。ViVo AVREF31例:下圖電路中，輸入波形為正弦波，試畫出輸出電壓的波形。VoHVoLt優點:電路簡單,靈敏度高缺點:抗干擾能力差 AVidViVoRL RVo,VL32vi單門限比較器抗干擾能力差VthvoviVthvo輸入無干擾

17、時輸入有干擾時33具有遲滯回環傳輸特性的比較器。 AVREFVidViVoR2R1R1,R2構成正反饋網絡，使門限電壓受到輸出電壓的影響。2 遲滯比較器 組成門限寬度或回差電壓Vth=Vth+-Vth-=R2(VOH-VOL)/(R1+R2)212211RRRVRRRVVoREFP門限電壓計算212211RRRVRRRVVVVVoREFthini212211RRRVRRRVVVVOHREFthOHo時當212211RRRVRRRVVVVOLREFthOLo時當34設Vo=VOH 此時 Vp=Vth+ 輸入由小變大 當ViVth+時 Vo=VOL 傳輸特性設Vo=VOL 此時 Vp=Vth- 輸

18、入由大變小 當ViVth-時 Vo=VOL不變 當Vi=Vth- 輸出產生上跳變 當ViVth-時 Vo=VOH Vth-VOHVOLViVoVth+輸入信號加于反相端為反相遲滯比較器 AVREFVidViVoR2R135同相遲滯比較器 AVREFViVoR2R1REFoipVRRRVRRRVV212211Vth-VOHVOLViVoVth+12121RRVRRRVVVoREFthi12121RRVRRRVVVVOHREFthOHo12121RRVRRRVVVVOLREFthOLo36ViVo-5V5V10V-10V 0 1.求門限電壓 例:9.4.2R2 20k AViVoR1 20kR3

19、10kR4 1kVZ10V2.傳輸特性3 輸出波形ViVott5v-5v10v-10vVi=Vp=VoR2/(R1+R2)Vth+=R2VZ/(R1+R2)=5VVth-=-R2VZ/(R1+R2)=-5V 379-4-2 方波產生電路(多諧振蕩器)1 矩形波產生原理H具有延遲作用的反饋網絡vovfL開關器件 基本組成部分具有開關特性的器件具有延遲作用的反饋網絡延遲時間決定振蕩頻率。 振蕩條件無論輸出電壓為高電平或低電平，經過一定的延遲時間后，反饋電路通過開關器件使輸出改變狀態，那么就能產生周期性的振蕩。tvo382 方波產生電路電路的構成 Rf、C電路起反饋和延遲作用，反相滯回比較器起開關作用。 反相滯回比較器的門限電壓：Vth+= R2VZ/(R1+R2)Vth-= -R2VZ/(R1+R2)RfVoR2R1 AC AR2CR1RfRVZVo39振蕩周期振蕩周期設t=0時 Vc=0 Vo=VZCRTttVVVVtVVRRRVtVeVtVVtVfZCththCZthCttCCCC2)()()()()()()(12221211212)21ln(212RRCRTf1)()()()(1ttCCCCeVtVVtVRC電路三要素公式