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模电课件第九章信号产生电路

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    • 1、第9章 信号产生电路,9.1 正弦波振荡电路的振荡条件,9.2 RC正弦波振荡电路,9.3 LC正弦波振荡电路,* 9.4 非正弦波产生电路,以上说明:电路原为负反馈,但由于放大器或反馈网络的移相作用,并且移相为角度,使原来的负反馈变成了正反馈,反馈信号 不是去减弱放大器的净输入量,而变成了增加净输入量,使 放大反馈净输入量放大使输出量越来越大,整个过程使负反馈电路产生了“自激振荡”。 在正弦波振荡电路中,反馈支路不是负反馈,而是正反馈,这样即使没有输入信号 ,电路经放大正反馈放大,很容易使电路产生“振荡”。 以上就是“自激振荡”和“振荡”电路的区别。,9.1 正弦波电路的振荡条件,一、什么叫振荡?(P.394) 在负反馈电路中曾涉及到“自激振荡”:在负反馈电路中,不加入外界输入信号 ,如果从输出端的相位反馈到放大电路的输入端产生了或(2n1)的相移,则电路的输出端仍将有信号输出。,二、正弦波振荡条件和电路构成,正弦波振荡电路构成: 1、为了满足振幅平衡条件,必须要有放大电路,且放大倍数A1; 2、为了满足相位平衡条件,必须要有正反馈网络;(采用瞬时极性法分析) 3、为了获得所需要的频

      2、率,必须要有选频网络; 选频网络的元件一般由RLC组成,如RC串并联、RLC串并联、晶体振荡器等。选频网络又往往不是单独存在,而是与反馈网络或放大电路组合在一起,形成选频正反馈网络或选频放大器。 4、为了使振荡输出信号稳定,必须具有稳幅环节。但稳幅环节又往往不单独形成电路,而是利用放大器中的BJT的非线性特性、运放的非线性工作区来完成的,如Vo太大,信号将进入BJT的饱和区,使Vo,或者进入截止区,使Vo。从而使输出信号Vo稳定,达到稳幅效果。,9.2 RC正弦波振荡电路,一、桥式RC正弦波振荡电路(又称文氏振荡电路)结构,二、分析选频网络的选频特性,9.2 RC正弦波电路,为满足振荡条件,须使上式虚部为零.,使:,三、振荡条件和振荡频率,(1)当,电路(RC串并联网络)发生谐振,阻抗呈电阻性, 所以Uf=U0同相(不产生相移) 即f=0, 因A =0(同相端输入) 所以A+f=0 满足相位平衡条件,(2)当,满足幅值平衡条件,为了保证电路容易起振,往往使:,RC串并联网络完整的频率特性曲线:,当 时, F= Fmax=1/3,例题:R=1k,C=0.1F,R1=10k。Rf为多大时才

      3、能起振?振荡频率f0=?,AF=1,,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592 Hz,起振条件:,能自动稳幅的振荡电路,起振时Rt较大 使A3,易起振。 当uo幅度自激增长时, Rt减小,A减小。 当uo幅度达某一值时, A3。 当uo进一步增大时, RT再减小 ,使A3。 因此uo幅度自动稳定于某一幅值。,能自动稳幅的振荡电路,起振时D1、D2不导通,Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加, D1、D2逐渐导通,Rf2被短接,A自动下降,起到稳幅作用。,将Rf分为Rf1 和Rf2 , Rf2并联二极管,K:双联波段开关, 切换R,用于 粗调振荡频率。,C:双联可调电容,改变C,用于细调振荡频率。,振荡频率的调节:,三. RC移相式振荡电路,1. RC移相电路,(1 )RC超前移相电路,(2)RC滞后移相电路,2. RC移相式振荡电路,在 f0 处,满足相位条件:,例1判断电路能否产生振荡?P.430T9.2.1、T9.2.3,9.2.1 电路如图题9.2.1所示,试用相位平衡条件判断哪个电路可能振荡,哪个不能,并简述理由。,答:图(a)不能产生振荡。其环路相移为a180(

      4、即负反馈);而两节RC移相f180,整个电路(af )360,不能满足产生振荡的相位平衡条件。 图(b)能产生振荡,在01/(RC)时,经RC选频网络传输到运放同相端的电压Vf与Vo同相,即有f0和af2 n。这样,放大电路和由RC组成的串、并联反馈网络刚好形成正反馈系统,满足相位平衡条件。,例2:用相位条件判断下图电路能否产生自激振荡, 说明理由.,负反馈,不能产生自激振荡.,例3 9.2.3 一节RC高通或低通电路的最大相移绝对值小于90,试从相位平衡条件出发,判断图题9.2.3所示电路哪个可能振荡,哪个不能,并简述理由。,答:图(a)可能产生振荡,因它由三节RC低通电路组成,每节RC移相最大可达90,如果每节相移60,三节共180,电路本身为负反馈,倒相180,加上三节相 移180,共为360,符合振荡的相位平衡条件;图(b)不能产生振荡,因它只有二节RC高通,最大相移绝对值小于180,加上负反馈倒相180,不能等于af2n,不满足振荡的相位平衡条件。,例4 利用相位平衡条件,判断下图所示各电路是否有可能产生正弦波振荡,并简述理由。设耦合电容和射极旁路电容很大,可视为交流短路。,

      5、图(a)a= 0o;而选频网络采用的是RC串并联电路,f = 0o,所以, =a+f = 0o ,满足相位平衡条件,可能振荡。,图(b)第一级共基极放大电路,输出与输入同相;第二级共射极放大电路,输出与输入反相,因此总的输出电压vo与输入电压vi反相,a=180o;选频网络采用RC串并联电路,f = 0o, =a+f = 180o ,电路不满足相位平衡条件,不能振荡。,图(c) 电路为差分式电路,单端输入,T2的集电极单端输出,因此,输出电压vo与输入电压vi同相,a= 0o;选频网络采用的是RC串并联电路,f = 0o,所以, =a+f = 0o ,电路满足相位平衡条件,可能振荡。,例5:P.431T9.2.6,解:(1)为了满足相位平衡条件,采用瞬时极性法分析可知,运放A的输入端应为上“”下“”,如图中所示。,(2)为能起振,AV必须满足:, R2RP2R125.110.2k,(3)求振荡频率 :,(4)求Vom的表达式 : 当uOVom时,因为AV3,则有:uNuPVom /3 u0m = uN + VZ +uRP (Vom/3) + VZ + (RP / R1) (Vom/3)

      6、 考虑到流过R1和RP的电流相等,有:uRP(uN / R1)RP= (RP / R1) (Vom/3) u0m = uN + VZ +uRP (Vom/3) + VZ + (RP / R1) (Vom/3),整理得:,作业:P.431T9.2.4、T9.2.5 预习:9.39.4,1. LC并联谐振回路的选频特性,(阻性),LC并联谐振特点:谐振时,总路电流很小,支路电流很大,电感与电容的无功功率互相补偿,电路呈阻性。,R为电感和回路中的损耗电阻,9.3 LC正弦波振荡器,当 时,,并联谐振。,谐振时,电路呈阻性:,Q为谐振回路的品质因数,Q值越大,曲线越陡越窄,选频特性越好。,谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。,LC并联谐振回路的幅频特性曲线,互感线圈的极性判别,初级线圈,次级线圈,同名端,在LC振荡器中,反馈信号通过互感线圈引出,同名端:,二. 变压器反馈式LC振荡电路,工作原理:,三极管共射放大器。,利用互感线圈的同名端:,满足相位条件。,振荡频率:,判断是否是满足相位条件相位平衡法:,断开反馈到放大器的输入端点,假设在输入端加入一正极性的信号,用瞬时极性法判定反馈信号的极

      7、性。若反馈信号与输入信号同相,则满足相位条件;否则不满足。,(+),(-),(+),(+),LC正弦波振荡器举例,满足相位平衡条件,(+),(-),(-),(-),(+),(+),(),(+),LC正弦波振荡器举例,振荡频率:,(),满足相位平衡条件,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,三. 三点式LC振荡电路,原理:,uf与uo反相,uf与uo同相,电感三点式:,电容三点式:,uf与uo反相,uf与uo同相,1.电感三点式LC振荡电路,振荡频率:,2. 电容三点式LC振荡电路,振荡频率:,例1:试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,Q值越高,选频特性越好,频率越稳定。,四. 石英晶体振荡电路,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,一. 石英晶体,2. 基本特性,1. 结构:,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应:,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关,稳定性高。,当交变电压频率 = 固有频率时,振幅最大,3. 石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路:,(1)

      8、串联谐振,频率特性:,晶体等效纯阻且阻值0,(2)并联谐振,通常,所以,二. 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点,构成LC振荡电路。,1. 并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间,相当一个大电感,与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高,可达到几千以上,所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,2. 串联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处,呈电阻性,而且阻抗最小,正反馈最强,相移为零,满足振荡的相位平衡条件。 对于fs以外的频率,石英晶体阻抗增大,且相移不为零,不满足振荡条件,电路不振荡。,C,9.4 非正弦波产生电路比较器,一、什么叫 比较器(P.415) 比较器常称为“电压比较器”(见P.416图9.4.1),顾名思义,它是比较两个电压的大小。例如:将一个输入电压VI和一个参考电压VREF进行比较,其结果只有两种情况:VIVREF0(即VIVREF);VIVREF0(即VIVREF)。它与数字电路中的数值比较器不同的是少了一个VIVREF。 因为输入端只有两种状态:VIVREF0或VIVREF0,因此输出端电压Vo也只有两种状态:VOVO

      9、H或VOVOL。 比较器的电压传输特性(VI/VO之间特性)如下:,反相比较 同相比较,VREF为参考电压,VI为输入电压,是可变化的。将比 较器输出电压VO从一个电平VOL(或VOH)跳变到另一个 电平VOH(或VOL)时VI的值称为比较器的“门限电压”或 称为“阀值电压”。用Vth表示。 上面的比较器的门限电压VthVREF,这类比较器Vth仅有一个,所以常称为单门限电压比较器。,二、最简单的单门限比较器,运算放大器接成开环形式,且A,因为: VidVIVREF VidVIVREF0时,V0VidAVOH,为正值,运算放大器处于正向饱和状态。 VidVIVREF0时,V0VidAVOL,为负值,运算放大器处于负向饱和状态。 在以上两种状态下,VOH、VOL接近于运放工作电源,即VOHVCC、VOLVCC。 这类比较器称为同相比较器。电压传输特性如右。,如果将VI和VREF对调,此时的比较器就成为反相单门限电压比较器。 电压比较器的特点: 1、电压比较器工作在非线性区(电路为开环,没有线性关系); 2、输出有两种状态:VOH、VOL; 3、输入端有两种接法:同相比较器、反相比较器; 4、电压传输特性是描述比较器输入电压、输出电压关系的特性曲线。,举例,1、如图,将VI接反相端、VREF接同相端,如果 VIVREF0,则V0VOL;如果VIVREF0,则 V0VOH。这就组成了反相单门限电压比较器。电压传输特性如由所示。,2、将VI接同相端、VREF接地,这样VIVREF VI ,则门限电压值Vth0 。此时的比较器称为“过零比较器”。根据VI接同相端或反相端,又可形成同相过零比较器(图1)和反相过零比较器(图3)。它们的电压传输特性曲线如图2和图4所示

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