模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 波形發(fā)生電路

1、模 擬 電 子 技 術(shù)波形發(fā)生電路波形發(fā)生電路第第 7 章章7.1正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路7.2非正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路非正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路小結(jié)小結(jié)模 擬 電 子 技 術(shù)正弦波振蕩電路的工作原理正弦波振蕩電路的工作原理RC 正弦振蕩正弦振蕩LC 正弦振蕩正弦振蕩模 擬 電 子 技 術(shù)信號(hào)產(chǎn)生電路信號(hào)產(chǎn)生電路( (振蕩器振蕩器Oscillators) )分類：分類：正弦波振蕩正弦波振蕩:非正弦波振蕩：非正弦波振蕩：RC 振蕩器振蕩器( (1 kHz 數(shù)百數(shù)百 kHz) )LC 振蕩器振蕩器( (幾百幾百 kHz 以上以上) )石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器( (頻率穩(wěn)定度高頻率穩(wěn)定度高) )方波、

2、方波、三角波、三角波、 鋸齒波等鋸齒波等主要性主要性要求能：要求能：輸出信號(hào)的輸出信號(hào)的幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定輸出信號(hào)的輸出信號(hào)的頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定模 擬 電 子 技 術(shù)7.1.1 正弦波振蕩電路的工作原理正弦波振蕩電路的工作原理一、振蕩條件一、振蕩條件放大器放大器反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)UiAuFuUoUfRL微弱的電擾動(dòng)中，某一頻微弱的電擾動(dòng)中，某一頻率成分通過正反饋逐漸放率成分通過正反饋逐漸放大，則產(chǎn)生正弦振蕩。大，則產(chǎn)生正弦振蕩。;ioUUAu ;ofUUFu 1 uuFA 振幅平衡條件振幅平衡條件2 FAAFn 相位平衡條件相位平衡條件n = 0, 1, 2, 1 uuFA模 擬 電

3、 子 技 術(shù)二、起振條件起振條件起振條件起振條件 iouuAu ofuuFu 2AFn 放大器放大器Au反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FuUoUfUi 1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 3，穩(wěn)幅后，穩(wěn)幅后 Au = 3。正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù) )/1(1fuffRRART二極管穩(wěn)幅二極管穩(wěn)幅8R1R2oUV1V2R312.4 k R2 8.1 k 起振時(shí)信號(hào)小，起振時(shí)信號(hào)小，二極管電阻大二極管電阻大Au 1 + (R2+ R3)/R1 3R2 2R1 R3起振后二極管電阻逐漸減小，起振后二極管電阻逐漸減小，Au 1 + R2/R1 = 3為使失真?。簽槭?/p>

4、失真小： R2 2R1f0 = 1.94 kHzRCf 2108.2 k 6.2 k 22 k 4.3 k 0.01 F8.2 k 0.01 F模 擬 電 子 技 術(shù)二、二、RC 移相式振蕩電路移相式振蕩電路8CRRfRoUCRC一節(jié)一節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相 90 二節(jié)二節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相 180 三節(jié)三節(jié) RC 環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)移相移相 270 RCf6210 對(duì)于對(duì)于的信號(hào)的信號(hào)， 180F 180A 0 AF 滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：選頻特性差，輸出波形差選頻特性差，輸出波形差模 擬 電 子 技 術(shù)7.1.3 LC 振蕩電路振蕩電路類型

5、：類型：變壓器反饋式變壓器反饋式 、 電感三點(diǎn)式、電感三點(diǎn)式、 電容三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式一、變壓器反饋式一、變壓器反饋式 LC 振蕩電路振蕩電路LrCIs.L 的等的等效損耗效損耗電阻電阻)j(j1)j(j1LrCLrCZ )1( j1/CrrLrCL ( (一一) ) LC 并聯(lián)回路的特性并聯(lián)回路的特性Z模 擬 電 子 技 術(shù)1. 諧振頻率諧振頻率 f0 1 0，LC LCf210 2. 諧振阻抗諧振阻抗 Z0rCLZ 03. 回路品質(zhì)因數(shù)回路品質(zhì)因數(shù) Q CLrCrrLQ1100 CQLQZ00 0 0模 擬 電 子 技 術(shù)4. 頻率特性頻率特性)1( j1/rCrLrCLZ )/(j1000

6、ffffQZ 0Z Z 0 Q 大大Q 小小 0 f90 90Q 增大增大幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性模 擬 電 子 技 術(shù)5. 并聯(lián)諧振的本質(zhì)并聯(lián)諧振的本質(zhì) 電流諧振電流諧振LuCr +iiLiC1) ) Z = Z0 呈純阻呈純阻2) )形成形成環(huán)流環(huán)流，大小是總電流的，大小是總電流的 Q 倍倍IQILLQIZZIILLC 000CLII ICILUI模 擬 電 子 技 術(shù)( (二二) )變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路LC+VCCVRERB1RB2CECB180 A 180 F 0 AF 滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件LCf 210模 擬 電 子 技 術(shù)1、電感三點(diǎn)式和電容

7、三點(diǎn)式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式LC正弦波發(fā)生器正弦波發(fā)生器把并聯(lián)把并聯(lián)LC回路中的回路中的C或或L分成兩個(gè)，則分成兩個(gè)，則LC回路就回路就有三個(gè)端點(diǎn)。把這三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)有三個(gè)端點(diǎn)。把這三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)極相連，就形成了極相連，就形成了LC三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路。三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路。它們又分為電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式兩類。它們又分為電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式兩類。LC三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路圖a）電感三點(diǎn)式b）電容三點(diǎn)式二、三點(diǎn)式二、三點(diǎn)式 LC 振蕩電路振蕩電路模 擬 電 子 技 術(shù)2、組成、組成LC三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路的規(guī)律三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路的規(guī)律LC三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路的一般結(jié)

8、構(gòu)如下圖所示。三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖 LC三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路的一般結(jié)構(gòu)a）反相放大b）同相放大若考慮到a中的負(fù)載阻抗運(yùn)放輸出電阻為0r，模 擬 電 子 技 術(shù)無(wú)反饋時(shí)的無(wú)反饋時(shí)的 LLuoUZrZAA 0/ 311/ZZZFu 31232121ZZZZZZrZZAFAououu 因此因此 32131221XXXjrXXXZZAouo 其中，其中，模 擬 電 子 技 術(shù)為了使電路振蕩，應(yīng)有1 uuFA，上式應(yīng)為實(shí)數(shù)，分母的需不應(yīng)為零，即：0321 XXX 213XXX 進(jìn)而可得 31131221XXXAXXXXXAFAuououu 21XXAuo 模 擬 電 子 技 術(shù)、

9、上式說(shuō)明，為了產(chǎn)生振蕩，1X2X的符號(hào)必須而3X必須與它們異號(hào)。由因?yàn)椋篖oLuouZrZAA 211ZZZFu 所以得： 211ZZZrZZAFALoLuouu 模 擬 電 子 技 術(shù) 32121331XXXjrXXXXXAouo 為了產(chǎn)生振蕩，由上式可得： 213XXX 和31XXAFAuouu 因此，3X必須與1X異號(hào)。由于31XIUXIUooof 所以必然有13XX 模 擬 電 子 技 術(shù)結(jié)論：在LC三點(diǎn)式正弦波發(fā)生電路中，為了 滿足產(chǎn)生振蕩的相位平衡條件，同性 質(zhì)電抗的中間點(diǎn)必須接集成運(yùn)放的同 相輸入端。模 擬 電 子 技 術(shù)3 3、 電感三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式 振蕩電路振蕩電路C+VCC

10、VRERB1RB2CECBL1L2C1M123oUiUfU模 擬 電 子 技 術(shù) )2(2121210CMLLLCf 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：易起振易起振( (L 間耦合緊間耦合緊) )；易調(diào)節(jié)易調(diào)節(jié)( (C 可調(diào)可調(diào)) )。輸出取自電感，對(duì)輸出取自電感，對(duì)高次諧波阻抗大高次諧波阻抗大，輸出波形差。輸出波形差。模 擬 電 子 技 術(shù)4 4、 電容三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路考畢茲振蕩器考畢茲振蕩器( (Colpitts) )LCCCCLCf212102121 +VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123LC3oUiUfU模 擬 電 子 技 術(shù)優(yōu)點(diǎn)：波形較好優(yōu)點(diǎn)：波形較好缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：2

11、) ) V 極間電容影響極間電容影響 f01) ) 調(diào)頻時(shí)易停振調(diào)頻時(shí)易停振3211111CCCC 212130LCLCf C 3的改進(jìn)的改進(jìn)模 擬 電 子 技 術(shù)三、石英晶體三、石英晶體( (Crystal) )振蕩電路振蕩電路( (一一) )石英晶體諧振器的阻抗特性石英晶體諧振器的阻抗特性1. 結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)構(gòu)和符號(hào)化學(xué)成分化學(xué)成分 SiO2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)晶片晶片涂銀層涂銀層焊點(diǎn)焊點(diǎn)符號(hào)符號(hào)模 擬 電 子 技 術(shù)2. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)形變形變形變形變機(jī)械振動(dòng)機(jī)械振動(dòng)壓電諧振壓電諧振外加交變外加交變電壓的頻率等電壓的頻率等于晶體固有頻于晶體固有頻率時(shí)，機(jī)械振率時(shí)，機(jī)械振動(dòng)幅度急劇加動(dòng)幅度急劇加大的現(xiàn)

12、象。大的現(xiàn)象。模 擬 電 子 技 術(shù)3. 等效電路等效電路rqC0CqLqLq 晶體的動(dòng)態(tài)電感晶體的動(dòng)態(tài)電感 ( (10 3 102 H) )( (大大) )Cq 晶體的動(dòng)態(tài)電容晶體的動(dòng)態(tài)電容 ( ( 0.1 pF) )( (小小) )rq 等效摩擦損耗電阻等效摩擦損耗電阻( (小小) ) 1qqqCLrQ Co 晶片靜態(tài)電容晶片靜態(tài)電容 ( (幾幾 幾十幾十 pF) )模 擬 電 子 技 術(shù) 1qqqCLrQ 4. 頻率特性和諧振頻率頻率特性和諧振頻率fXfPfS容性容性感性 21 qqSCLf 21 q0q0qPCCCCLf 1 0qSCCf 模 擬 電 子 技 術(shù)5. 使用注意使用注意2

13、) )要有合適的激勵(lì)電平。過大會(huì)影響要有合適的激勵(lì)電平。過大會(huì)影響 頻率穩(wěn)定度、振壞晶片；過小會(huì)使頻率穩(wěn)定度、振壞晶片；過小會(huì)使 噪聲影響大，還能停振。噪聲影響大，還能停振。1) )要要接接一定的負(fù)載電容一定的負(fù)載電容 CL( (微調(diào)微調(diào)) )， 以以達(dá)標(biāo)稱頻率。達(dá)標(biāo)稱頻率。模 擬 電 子 技 術(shù)( (二二) )石英晶體諧振電路石英晶體諧振電路1. 串聯(lián)型串聯(lián)型 f = fs，晶體，晶體呈純阻呈純阻+VCCVRERB1RB2CBLC2. 并聯(lián)型并聯(lián)型fs f fp，晶體，晶體呈感性呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC模 擬 電 子 技 術(shù)7.2非非正弦波信號(hào)正弦波信號(hào) 產(chǎn)生電路

14、產(chǎn)生電路7.2.1 電壓比較器電壓比較器7.2.2 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路7.2.3 壓控方波產(chǎn)生電路壓控方波產(chǎn)生電路7.2.4 三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路模 擬 電 子 技 術(shù)7.2.1 電壓比較電壓比較器器( (Comparer) )一、單限電壓比較器一、單限電壓比較器功能：功能：類型類型基本比較器基本比較器簡(jiǎn)單比較器簡(jiǎn)單比較器( (單門限單門限) )窗口比較器窗口比較器( (雙門限雙門限) )遲滯比較器遲滯比較器( (施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器) )比較電壓信號(hào)比較電壓信號(hào)( (被測(cè)試信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)被測(cè)試信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)) )大小大小8uIuOOuIuO1. 過零電壓比較器過零電壓比較器

15、uI 0UOmax UOmaxUOHUOL模 擬 電 子 技 術(shù)OuIuO2. 同相輸入單門限比較器同相輸入單門限比較器8uIUREF UZUZUREFuI UREF門限門限電壓電壓 UT特點(diǎn)特點(diǎn):1) )工作在非線性區(qū)工作在非線性區(qū)2) )不存在虛短不存在虛短 ( (除了除了uI = UREF 時(shí)時(shí)) ) 3) )存在虛斷存在虛斷門限電壓門限電壓 UT = UREF模 擬 電 子 技 術(shù)二、窗口比較器二、窗口比較器uO88U1U2uIV1V2uO1uO2模 擬 電 子 技 術(shù)設(shè)設(shè) U1 U2 ，比較器采用單電源，比較器采用單電源uIuO1 uO2 V1 V2uO U1U2 uI U1UOma

16、x截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通UZ0UOmax0導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止UZ00截止截止 截止截止0UZOuIuOU1U2模 擬 電 子 技 術(shù)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 三極管三極管 值分選電路值分選電路885 V2.5 VV1V2V+15 V10 k 20 k 20 k 430 k 1 M 5 k 1.5 k 3CG50 100，LED 不亮。不亮。分析電路是否滿足要求：分析電路是否滿足要求： 100，LED 亮，亮，模 擬 電 子 技 術(shù) 解解 IB = (15 0.7 ) /1430= 0.01 mA當(dāng)當(dāng) 50 時(shí)，時(shí)，IC 0.5 mA，UC 100 時(shí)，時(shí)，IC 1 mA，UC 5 V V1 導(dǎo)通，導(dǎo)通，L

17、ED 亮亮當(dāng)當(dāng) 50 100 時(shí)，時(shí)，2.5 V UC uP 時(shí)，時(shí)， uO = UZ當(dāng)當(dāng) uI uP 時(shí)，時(shí)， uO = +UZ當(dāng)當(dāng) uI = uP 時(shí)，時(shí)， 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)212Z1REFTRRRURUU 212Z1REFTRRRURUU 模 擬 電 子 技 術(shù)例：例：R1 = 30 k ，R2 =15 k , UZ = 6 V, UREF = 0, 求求 UT。)(V 23015156 V)( 23015156-TT UU，模 擬 電 子 技 術(shù)特點(diǎn)：特點(diǎn)：2) )傳輸特性傳輸特性RR18uIUREFR2R3 UZuOOuIuOUT+UT UZ UZ當(dāng)當(dāng) uI 逐漸增大時(shí)逐漸增大時(shí) 只

18、要只要 uI UT+ ，則，則 uO = UZ當(dāng)當(dāng) uI 逐漸減小時(shí)逐漸減小時(shí)只要只要 uI U T ，則，則 uO = UZ一旦一旦 uI I01電子開關(guān) 1. 原理原理88+VCCRRRRSCI01I02uC VEE或地或地QQ反相器反相器電壓跟隨器電壓跟隨器正弦波變換器正弦波變換器模 擬 電 子 技 術(shù)當(dāng)當(dāng) Q = 0，S 斷開，斷開，C 充電充電 (I01) 至至 2/3VCCQ = 1當(dāng)當(dāng) Q = 1，S 閉合，閉合，C 放電放電 (I02 I01) 至至 1/3VCCQ = 0當(dāng)當(dāng) I02 = 2I01， 引腳引腳 9 輸出方波，引腳輸出方波，引腳 3 輸出三角波；輸出三角波；當(dāng)當(dāng)

19、 I02 2I01， 引腳引腳 9 輸出矩形波，引腳輸出矩形波，引腳 3 輸出鋸齒波。輸出鋸齒波。模 擬 電 子 技 術(shù)2. 應(yīng)用應(yīng)用12345678ICL8038141312111091314正弦波正弦波失真度調(diào)整失真度調(diào)整正弦波失正弦波失真度調(diào)整真度調(diào)整正弦波輸出正弦波輸出三角波輸出三角波輸出矩形波輸出矩形波輸出調(diào)頻偏置調(diào)頻偏置電壓輸入電壓輸入調(diào)頻偏置調(diào)頻偏置電壓輸出電壓輸出接電阻接電阻 RA接電阻接電阻 RB接電容接電容 C+VCC VEE (或地或地)模 擬 電 子 技 術(shù)調(diào)占空比和正弦波失真調(diào)頻率調(diào)占空比和正弦波失真RP2RP4 RP1+VCC VEERRAICL8038451310

20、 11128RBRP3CC1692模 擬 電 子 技 術(shù)1. 獲得三角獲得三角波波的基本方法的基本方法方波方波三角三角波波2. 鋸齒波發(fā)生電路鋸齒波發(fā)生電路在三角波發(fā)生電路中，如果電容的充電、放電時(shí)間常數(shù)不相等，則可使積分電路的輸出為鋸齒波。7.2.4 三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路模 擬 電 子 技 術(shù)小小 結(jié)結(jié)第第 7 章章模 擬 電 子 技 術(shù)一、信號(hào)產(chǎn)生電路的分類：一、信號(hào)產(chǎn)生電路的分類：正弦波振蕩正弦波振蕩:非正弦波振蕩：非正弦波振蕩：RC 振蕩器振蕩器 ( (低頻低頻) )LC 振蕩器振蕩器 ( (高頻高頻) )石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器( (振蕩頻率精確振蕩頻率精確) )方波、方

21、波、三角波、三角波、鋸齒波等。鋸齒波等。模 擬 電 子 技 術(shù)二、二、正弦波振蕩正弦波振蕩條件、電路結(jié)構(gòu)和選頻電路條件、電路結(jié)構(gòu)和選頻電路1. 振蕩條件振蕩條件 振幅平衡條件振幅平衡條件2 FAAFn 相位平衡條件相位平衡條件n = 0, 1, 2, 1 uuFA判斷電路是否起振采用判斷電路是否起振采用瞬時(shí)極性法，瞬時(shí)極性法，即斷開反饋即斷開反饋網(wǎng)絡(luò)，加一信號(hào)，如果信號(hào)極性逐級(jí)變化后，網(wǎng)絡(luò)，加一信號(hào)，如果信號(hào)極性逐級(jí)變化后，返回后與原信號(hào)同極性，則滿足相位平衡條件。返回后與原信號(hào)同極性，則滿足相位平衡條件。模 擬 電 子 技 術(shù)2. 振蕩電路的兩種結(jié)構(gòu)振蕩電路的兩種結(jié)構(gòu)放大器放大器選頻正選頻正

22、反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)UoUfUi選頻選頻放大器放大器正反饋正反饋網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)UoUfUi3. 選頻電路及其特性選頻電路及其特性模 擬 電 子 技 術(shù)1) ) RC 串并聯(lián)式串并聯(lián)式幅幅頻頻特特性性 0 Fu .31相相頻頻特特性性 0 f90 90當(dāng)當(dāng) = 0 = 1/RC 時(shí)時(shí) Fu = 1/3. = 0電電路路模 擬 電 子 技 術(shù)2) ) LC并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路LuCr +iiLiC阻抗幅頻特性阻抗幅頻特性電路電路 0Z Z 0 阻抗相頻特性阻抗相頻特性 0 f90 90諧振頻率諧振頻率LCf 210諧振阻抗諧振阻抗rCLZ 0回路品質(zhì)因數(shù)回路品質(zhì)因數(shù)CLrCrrLQ1100 模 擬 電

23、子 技 術(shù)三、三、正弦波振蕩正弦波振蕩電路電路1. RC 橋氏振蕩電路橋氏振蕩電路8CR1RfRiUoUCRfU振蕩頻率振蕩頻率RCf210 振蕩條件振蕩條件3 uA即即1f2RR 自動(dòng)穩(wěn)幅措施：自動(dòng)穩(wěn)幅措施：使電使電 Au 成為非線性成為非線性Rf 串接二極管串接二極管( (圖略圖略) )Rf 串接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻串接負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻R1 采用正溫度系數(shù)熱敏電阻采用正溫度系數(shù)熱敏電阻模 擬 電 子 技 術(shù)3. LC 振蕩電路振蕩電路變壓器反饋式變壓器反饋式LC+VCCVRERB1RB2CECBLCf 210電感三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1模 擬 電 子

24、 技 術(shù) )2(2121210CMLLLCf 電容三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式+VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123oUfUiULCCCCLCf212102121 模 擬 電 子 技 術(shù)四、四、石英晶體振蕩石英晶體振蕩電路電路1. 等效電路和頻率特性等效電路和頻率特性符號(hào)符號(hào)等效電路等效電路rqC0CqLq頻率特性頻率特性fXfPfS串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率2. 石英晶體諧振電路石英晶體諧振電路串聯(lián)型串聯(lián)型 f = fs，晶體，晶體呈純阻呈純阻并聯(lián)型并聯(lián)型fs f fp，晶體，晶體呈感性呈感性模 擬 電 子 技 術(shù)五、五、比較器比較器OuIuOUZUREFUZ1. 單限電壓比較器單限電壓比較器 傳傳輸輸特特性性模 擬 電 子 技 術(shù)OuIu