《模擬電子技術基礎》第八章

1、Home內容簡介本章小結8.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 8.2 電壓比較器電壓比較器8.3 非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路8.4* 利用集成運放實現的利用集成運放實現的信號轉換電路信號轉換電路8.5* 鎖相環(huán)及其在信號轉換鎖相環(huán)及其在信號轉換電路中的應用電路中的應用 本章本章主要講述正弦波振蕩電路、非正弦波發(fā)主要講述正弦波振蕩電路、非正弦波發(fā)生電路、波形轉換和信號轉換電路等。生電路、波形轉換和信號轉換電路等。重點掌握重點掌握正弦波振蕩的平衡條件，并能夠依據相位平衡條正弦波振蕩的平衡條件，并能夠依據相位平衡條件正確判斷電路是否可能產生振蕩；掌握單限、件正確判斷電路是否可能產生振蕩；掌握單

2、限、滯回比較器的工作原理和傳輸特性；滯回比較器的工作原理和傳輸特性；正確理解由正確理解由集成運放構成的矩形波、三角波和鋸齒波發(fā)生電集成運放構成的矩形波、三角波和鋸齒波發(fā)生電路的工作原理、波形和參數；了解信號轉換電路路的工作原理、波形和參數；了解信號轉換電路的工作原理。的工作原理。Home內容簡介HomeNext11. 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件 + + AFoXiXdXfX AFoXdXfXfidXXX若環(huán)路增益若環(huán)路增益1 FA則則， XXfd又又fafa AFFAFA去掉去掉， iXoX仍有穩(wěn)仍有穩(wěn)定的輸出。定的輸出。所以振蕩條件為：所以振蕩條件為：1 FA1)()(

3、 FA振幅平衡條件振幅平衡條件 n2)()(fa 相位平衡條件相位平衡條件即即1)()(FA起振條件起振條件BackHomeNext2電路器件內部噪聲。電路器件內部噪聲。 振蕩電路中的選頻網絡，只使噪聲中某一頻率振蕩電路中的選頻網絡，只使噪聲中某一頻率 0 滿足相滿足相位平衡條件，形成正反饋，成為振蕩電路的輸出信號；而其位平衡條件，形成正反饋，成為振蕩電路的輸出信號；而其它頻率的信號，則不滿足相位平衡條件，逐漸被抑制掉。它頻率的信號，則不滿足相位平衡條件，逐漸被抑制掉。1)()(FA 振蕩電路中的穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，將限制輸出信號幅度無限增長，振蕩電路中的穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，將限制輸出信號幅度無限增長，當輸出信號

4、達到一定值后，將使其穩(wěn)定。一是可以另加穩(wěn)幅當輸出信號達到一定值后，將使其穩(wěn)定。一是可以另加穩(wěn)幅電路；二是直接依靠放大電路中晶體管的非線性作用實現。電路；二是直接依靠放大電路中晶體管的非線性作用實現。BackHomeNext3 放大電路：能量控制，保證輸出信號的幅度；放大電路：能量控制，保證輸出信號的幅度； 選頻網絡：確定輸出信號為單一頻率的正弦信號；選頻網絡：確定輸出信號為單一頻率的正弦信號； 反饋網絡：引入正反饋；反饋網絡：引入正反饋； 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：使輸出信號幅值穩(wěn)定。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：使輸出信號幅值穩(wěn)定。 其中選頻網絡往往與反其中選頻網絡往往與反饋網絡合二為一；振蕩電路饋網絡合二為一；振蕩電路中的穩(wěn)

5、幅環(huán)節(jié)，在分立元件中的穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，在分立元件放大電路中常依靠放大電路放大電路中常依靠放大電路中晶體管的非線性作用實現，中晶體管的非線性作用實現，而不另加穩(wěn)幅電路。而不另加穩(wěn)幅電路。 oXdXfX放大電路 反饋與 選頻網絡 BackHomeNext42. RC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 R1 Rf C C R oUfUA - - + R C C R oUfUR ffffjRCRCjCjRCjRCjRUUFof00311311/11/200231ffffFffffF0031arctanBackHomeNext5200231ffffFffffF0031arctan 31F0ff o90F0ffo9

6、0o0031FoFff，時，當蕩。條件，電路能夠產生振和幅度平衡同時滿足相位平衡條件，此時，則若13FAA3A起振條件：即為振蕩頻率，RCfo21 原因：原因：要提高其振蕩頻率，必須減小要提高其振蕩頻率，必須減小 R 和和 C 的值，放大的值，放大器的輸出電阻和晶體管的極間電容將影響其選頻特性，輸出器的輸出電阻和晶體管的極間電容將影響其選頻特性，輸出頻率不穩(wěn)定。頻率不穩(wěn)定。BackHomeNext6何限制？的取值有和則電路中，根據起振條件：13RRAf R1 Rf C C R oUfUA - - + R 11231RRRRAff，和幅度？如何調節(jié)振蕩器的頻率仿真仿真RC正弦波振蕩電路一般用于產

7、生頻率低于正弦波振蕩電路一般用于產生頻率低于 1 MHz 的正弦波。的正弦波。BackHomeNext7 R1 RT C C R oUfUA - - + R 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施4熱敏元件：熱敏元件：RT4二極管二極管 R1 Rf C C R oUfUA - - + R TPUTRoTuRAUouodDodfuAUriURrRA11BackHomeNext83. LC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路(1) LC并聯(lián)諧振回路選頻特性并聯(lián)諧振回路選頻特性2222)()(j1jLRLCjLRRLRCYLCQLCLR11111112200諧振頻率諧振頻率:10RLQ品質因數品質因數:LC10CLRRCQ11

8、0BackHomeNext9)()1j(j1)j(1RLCLRCLLRCjLRCjZCLXQXQRQCLRZLC2220011時，當諧 振 時諧 振 時 ，阻抗最大，阻抗最大，且 為 純 阻且 為 純 阻性 ， 無 附性 ， 無 附加相移。加相移。BackHomeNext(2) 變壓器反饋式變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 雖然波形出現了失真，但由于雖然波形出現了失真，但由于LC諧振電路的諧振電路的Q值很高，選值很高，選頻特性好，所以仍能選出頻特性好，所以仍能選出 0的正弦波信號。的正弦波信號。(1) 相位平衡條件相位平衡條件(2) 幅值平衡條件幅值平衡條件(3) 穩(wěn)幅穩(wěn)幅(4)

9、選頻選頻 通過選擇高通過選擇高 值的值的BJT和和調整變壓器的匝數比，可以滿調整變壓器的匝數比，可以滿足足1 FA，電路可以起振。，電路可以起振。 BJT進入非線性區(qū)，波形進入非線性區(qū)，波形出現失真，從而幅值不再增加，達到穩(wěn)幅目的。出現失真，從而幅值不再增加，達到穩(wěn)幅目的。仿真仿真10 優(yōu)點：優(yōu)點：易于產生振蕩，輸出波形失真不大。易于產生振蕩，輸出波形失真不大。缺點：缺點：耦合耦合不緊密，損耗較大，振蕩頻率的穩(wěn)定性不高。不緊密，損耗較大，振蕩頻率的穩(wěn)定性不高。BackHomeNext11(3) 電感反饋式正弦波振蕩電路電感反饋式正弦波振蕩電路 優(yōu)點：優(yōu)點：耦合緊，振幅大；振蕩頻率高，調節(jié)范圍寬

10、。耦合緊，振幅大；振蕩頻率高，調節(jié)范圍寬。缺缺點：點：輸出波形不夠好，含有高次諧波。輸出波形不夠好，含有高次諧波。 L2 L1 C e c b 電感電感三點式三點式 優(yōu)點：優(yōu)點：輸出波形好；振蕩頻率高。輸出波形好；振蕩頻率高。缺點：缺點：頻率調節(jié)范圍頻率調節(jié)范圍窄。窄。BackHomeNext12(4) 電容反饋式正弦波振蕩電路電容反饋式正弦波振蕩電路 C2 C1 L e c b 電容電容三點式三點式C3仿真仿真BackHomeNext13 “三點式三點式”振蕩電路相位平衡條件的簡單判別方法振蕩電路相位平衡條件的簡單判別方法 C2 C1 L e c b L2 L1 C e c b X2 X1

11、X e c b X1、X2 為為同性質同性質的電抗元件，與的電抗元件，與X 為為不同性質不同性質的電抗元的電抗元件，則滿足振蕩的相位平衡條件。件，則滿足振蕩的相位平衡條件。 或：或：發(fā)射極發(fā)射極e 接兩個接兩個同性質同性質的電抗元件，基極的電抗元件，基極b 和集電極和集電極c 接兩個接兩個不同性質不同性質的電抗元件，則滿足振蕩的相位平衡條件。的電抗元件，則滿足振蕩的相位平衡條件。BackHomeNext14(5) 石英晶體正弦波振蕩電路石英晶體正弦波振蕩電路BackHomeNext15 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體的基本特性與等效電路極板間加電場極板間加電場極板間加機械力極板間加機械力

12、晶體機械變形晶體機械變形晶體產生電場晶體產生電場交變電壓交變電壓機械振動機械振動交變電壓交變電壓 機械振動的固有頻機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關，穩(wěn)率與晶片尺寸有關，穩(wěn)定性高。定性高。 當交變電壓頻率當交變電壓頻率 = 固有頻率時，振幅最大。固有頻率時，振幅最大。壓電諧振壓電諧振壓電效應壓電效應BackHomeNext16LC1s 串聯(lián)諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率：)(110000pCCfCCfCCCCLss 并聯(lián)諧振頻率：并聯(lián)諧振頻率： 因為因為 fs 和和 fp 越接近，石英晶體呈感性的區(qū)域（越接近，石英晶體呈感性的區(qū)域（ fs f UT 及及uiUT 的輸出電壓值。的輸出電壓值。Home44

13、. 滯回比較器滯回比較器):():(ZZZZZZUUuUuUuU-U-UuUuUuUuoiioiioTTTT -UT +UT +UZ -UZ uo ui O ui R Uz A - - + uo R2 R1 Z211TURRRU 滯回比較器和單限比較器哪個靈敏度高？哪個抗噪能力強？滯回比較器和單限比較器哪個靈敏度高？哪個抗噪能力強？ 在滯回比較器中引入的是正反饋還是負反饋？有何好處？在滯回比較器中引入的是正反饋還是負反饋？有何好處？ 若要求滯回比較器的兩個門限電壓均大于若要求滯回比較器的兩個門限電壓均大于0，電路如何改進？，電路如何改進？ UTH1 UTH2 +UZ -UZ uo ui O B

14、ackNextHome 例：例：某溫度控制電路如圖所示。設某溫度控制電路如圖所示。設R1 = R3 = 10k ， R = 100 ，UR1=6V，RT 為熱敏電阻，常溫下（為熱敏電阻，常溫下（27 oC）的阻的阻值為值為10k ，溫度系數為，溫度系數為+200 /oC。若要求溫度在。若要求溫度在100 oC以以上時，電路輸出上時，電路輸出-3V；溫度在；溫度在90 oC以下時，電路輸出以下時，電路輸出+3V，試確定試確定UZ 、R1 和和UR1 的值。的值。5 UT1 UT2 +UZ -UZ uo ui O BackNext UREF ui R Uz A - - + uo R2 R1 仿真仿

15、真Z211REF212T1URRRURRRUZ211REF212T2URRRURRRU UR1 ui RT R1 R Uz A - - + uo R2 R3 UR2 Home6Back)(164620)2790(101020)2790(1011311V.URRRURTTT已知：已知： R1= R3= 10k ，UR1=6V，RT = 10k +（T-27 oC） 200 /oC， T1=90 oC， T2=100 oC，uo= 3V解：解：16. 4101010222221122121ZRZRTURURRURRRURRRU)(274620)27100(101020)27100(1012322V

16、.URRRURTTT27. 4101010222221122122ZRZRTURURRURRRURRRU UR1 ui RT R1 R Uz A - - + uo R2 R3 UR2 )( 3 . 4)(535322VUkRVURZHome uC ，當，當 uC = -UT 時，時， uO = +UZ ，則，則u+ = +UT ，uO 通過通過R3向向C充電充電 。 uC ，當，當 uC = +UT 時，時， uO = - UZ ，則，則u+ = -UT ，uO 通過通過R3向向C反向充電反向充電（放電）（放電） 。HomeNext1 C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R

17、1 工作原理：工作原理： 設初態(tài)設初態(tài) uC = u- = 0，uO = +UZ ，則，則u+ = +UT ，uO 通過通過R3向向C充電充電 。 電路中電路中C 的正反向充電時的正反向充電時間常數是否相等？正反向充電間常數是否相等？正反向充電時間是否相等？為何？時間是否相等？為何？仿真仿真1. 矩形波發(fā)生器矩形波發(fā)生器 因為電容因為電容C 的正、反的正、反反向充電時間相等，所反向充電時間相等，所以其占空比為以其占空比為50%，即，即輸出方波信號輸出方波信號。2波形分析及主要參數：波形分析及主要參數： uC(0) = -UT ， uC( ) = +UZ ， =R3C ，則：，則： t O +U

18、T -UT uC t O +UZ -UZ uO Tw T TCRtTZCtCCCUeUUueuutu31) 0 (1) 0 ()()(ZTURRRU211TCUTu) 2/(TfRRCRT121ln2213BackNextHome3 Rw1 Rw2 D1 D2 Rw C R3 uC R4 Uz A - - + uo R2 R1 改變電路中改變電路中C 的正反向充的正反向充電時間常數，從而改變占空比。電時間常數，從而改變占空比。仿真仿真BackNext占空比可調電路：占空比可調電路：CRRw311CRRw322211121lnRRT212221lnRRT2132121ln)2(RRCRRTTTw

19、HomeBackNext R R C uo A2 - - + C1 R3 uC R4 Uz A1 - - + uo1 R2 R1 t O +UZ -UZ uO1 t O uo 積分電路可將方波變積分電路可將方波變?yōu)槿遣?，所以三角波電為三角波，所以三角波電路?= 方波電路方波電路 + 積分電路。積分電路。4Home2. 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器 + + R C uo A2 - - R3 R4 Uz A1 - - uo1 R2 R1 實用電路實用電路中，一般采中，一般采用三角波用三角波-方方波發(fā)生電路，波發(fā)生電路，可以同時獲可以同時獲得三角波和得三角波和方波信號。方波信號。5工作原理：工作原理： 滯回比較器的滯回比較器的RC 充、放電回路用積分電路取代，積分充、放電回路用積分電路取代，積分電路和滯回比較器的輸出互為另一個電路的輸入，當電路電路和滯回比較器的輸