模电幻灯片-8-波形的发生

1、*8.1 正弦波振荡电路,*8.2 电压比较器,8.4 利用集成运放实现的信号转换电路 (自学),8.3 非正弦波发生电路,第8章 波形的发生和信号的转换,重点与考点: (1)正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件 (2)RC串并联式正弦波振荡电路的工作原理、起振条件、稳幅原理及振荡频率的计算。 (3)LC正弦波振荡电路组成原则与判断。 (4)单门限电压比较器和滞回比较器的分析,8.1 正弦波振荡电路,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,二、RC正弦波振荡电路,三、LC正弦波振荡电路,四、石英晶体正弦波振荡电路,本节课的教学目的：,1、理解正弦波振荡的条件、电路的组成及各部分的作用； 2、掌握文氏桥振荡电路的特点，学会组成文氏桥振荡电路； 3、理解各种LC（包括石英晶体）正弦波振荡电路的组成及振荡原理； 4、学会判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法。,一、正弦波振荡的条件和电路的组成,1. 正弦波振荡的条件 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。,在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：,由

2、于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。,1. 正弦波振荡的条件,一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即,起振条件：,要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0， 且在合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。,2. 起振与稳幅,电路如何从起振到稳幅？,稳定的振幅,3. 基本组成部分,1) 放大电路：放大作用,保证Uo从起振到动态平衡 2) 正反馈网络：满足相位条件,使Ui=Uf 3) 选频网络：确定振荡频率f0，保证电路产生正弦波振荡 4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅,1) 是否存在主要组成部分； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是 否可能正常传递，没有被短路或断路； 3) 是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。,常合二为一,4、分析方法,相位条件的判断方法：瞬时极性法,断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号Ui，且规定其极性，然后根据 Ui的极性 Uo的极性 Uf的极性,在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量

3、。,极性？,若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。,5. 分类,常用选频网络所用元件分类。 1) RC正弦波振荡电路：几百千赫以下 2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,二、RC 正弦波振荡电路,1. RC串并联选频网络,低频段,高频段,在频率从0中必有一个频率f0，F0。,1.RC串并联选频网络的频率响应,当 f=f0时，不但=0，且 最大，为1/3。,二、RC 正弦波振荡电路,1)是否可用共射放大电路？ 2)是否可用共集放大电路？ 3)是否可用共基放大电路？ 4)是否可用两级共射放大电路？,2. 电路组成,应为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。,不符合相位条件,不符合幅值条件,输入电阻小、输出电阻大，影响f0,可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小,3. RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,用同相比例运算电路作放大电路。,因同相比例运算电路有非常好的线性度，故R1或Rf可用热敏电阻，或加二极管作为非线性

4、环节。,(3)反馈网络兼做选频网络,(1)放大电路（Ri大、Ro小） 由运放A、R1、Rf组成 同相比例运算电路,(2)反馈网络（正反馈） 由RC串并联网络组成,电路组成,工作原理,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知， 电路满足相位平衡条件,则振荡电路满足振幅平衡条件,(+),(+),(+),(+),电路可以输出频率为 的正弦波,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,(1)采用非线性元件,稳幅措施,热敏元件Rf负温度系数,负温度系数 热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,正温度系数 热敏电阻,(2)采用非线性元件,稳幅措施,二极管,当输出幅值很小时，电流小,二极管动态电阻大, A3，有利于起振。,当输出幅值较大时，电流大,二极管动态电阻小, A随之下降，输出幅值趋于稳定。,4.频率可调的文氏桥振荡器,改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。,同轴 电位器,讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路,讨论二：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？,RC 移项式电路,1) RC 移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？ 2) 若R 和C 互换呢？,等效阻抗,

5、等效损耗电阻,当 时，,电路发生谐振。,为谐振频率,谐振时阻抗最大且为纯阻性,三、LC 正弦波振荡电路 1. LC并联网络的选频特性,当外加信号的角频率等于回路的谐振角频率时，回路发生谐振，此时等小阻抗最大，且为纯阻性；当 时，回路的等效电抗呈感性；当 时，回路的等效电抗呈容性。 品质因数Q值越高，越大，频率特性越尖锐，选频特性越好。,构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器引入反馈。,附加相移,LC选频放大电路正弦波振荡电路,当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为0。,2. 变压器反馈式电路,C1是必要的吗？,特点：易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤： 1) 是否存在组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件,为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。,必须有合适的同铭端！,A.若中间点交流接地,则首端与尾端相位相反。,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B.若首端或尾端交流接地,则其他两端相位相同。,总结:三点式LC振荡电路,3. 电感反馈式电路,反馈电

6、压取自哪个线圈？ 反馈电压的极性？,电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。,3. 电感反馈式电路,特点：N1N2耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。,由于反馈电压取自电感，电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。,4. 电容反馈式（电容三点式）电路,若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影响振荡频率。,特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。,与放大电路参数无关,作用？,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,谐振回路的三个引出端与三极管的三个电极相连(指交流连接),其中两个同性质电抗的公共点与发射极相连,而另一个异性电抗则连在集电极与基极间。,总结:三点式LC振荡电路,总结:三点式LC振荡电路,讨论三,同铭端？,注意事项： 1. 放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法； 2. 断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压； 3. 找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。,极

7、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。,压电谐振,四、石英晶体正弦波振荡电路 1. 石英晶体的特点,SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。,四、石英晶体正弦波振荡电路 1. 石英晶体的特点,感性,一般LC选频网络的Q为几百，石英晶体的Q可达104106；前者f/f为105，后者可达10101011。,串联谐振,晶体等效阻抗为纯阻性,并联谐振,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,2. 电路, 石英晶体工作在哪个区？ 是哪种典型的正弦波振荡电路？, 石英晶体工作在哪个区？ 两级放大电路分别为哪种基本接法？ C1的作用？,（1）并联型电路,（2）串联型电路,+,+,+,+,8.2 电压比较器,一、概述,二、单限比较器,三、滞回比较器,四、窗口比较器,五、集成电压比较器,1、学会识别电压比较器； 2、熟悉常见的电压比较器； 3、掌握电压比较器的分析方法； 4、学习在已知电压传输特性的条件下组成电压比较器的方法。,本节课的教学目的：,一、概述,电压比较器的功能： 比较电压

8、的大小。是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，广泛用于各种报警电路。,电压比较器的描述方法 :电压传输特性 uOf(uI),电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT （3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,输入电压是连续的模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压UT 。,3. 几种常用的电压比较器,（1）单限比较器：只有一个阈值电压,（3）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。,（2）滞回比较器：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。回差电压,4、集成运放的非线性工作区,电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈,集成运放工作在非线性区的特点,1) 净输入电流为0 2) uP uN时， uOUOM uP uN时， uOUOM,I+=I-0,其数值接近运放的正负电源电压,二、单限比较器 1. 过零比较器,（1）UT0 （2）UOH UOM， UOL UOM （3）uI 0 时 uO UOM; uI

9、0 时 uO UOM,集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入端，需加输入端限幅电路。,集成运放的净输入电压最大值为UD,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,（同相过零比较器）,输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。,UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1),UOH UOL UZ,UOH UZ UOL UD,不可缺少！,uo/,输出限幅电路,uO UZ,（1）保护输入端 （2）加速集成运放状态的转换,电压比较器的分析方法： （1）写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解出的 uI即为UT； （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平； （3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。,2. 一般单限比较器,（1）若要UT 0，则应如何修改电路？ （2）若要改变曲线跃变方向，则应如何修改电路？ （3）若要改变UOL、UOH呢？,作用于反相输入端,如果在ui=VT=VREF附近出现干扰，uO将时而为VOH， 时而为VOL，导致比较器输出不稳定。,单门限电压比较器存在的问题,三、滞回比较器 1. 阈值电压,三、滞回比较器 2. 工作原理及电压传输特性,设uIUT，则 uN uP， uO+UZ。此时uP +UT，增大 uI，直至+UT，再增大， uO才从+UZ跃变为 UZ。,设 uI+UT，则 uN uP， uOUZ。此时uP UT，减小 uI，直至UT，再减小， uO才从UZ跃变为+UZ。,1. 若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？,讨论一：如何改变滞回比较器的电压传输特性,2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？,3. 若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的 跃变方向，则应如何修 改电路？,改变输出限幅电路,四、窗口比较器,1.当uIURH时， uO1= uO2= UOM， D1导通，D2截止； uO= UZ。,2.

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