模擬電路9章節(jié)波形產(chǎn)生電路.ppt

1,第九章 波形產(chǎn)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(hào)，包含選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路。 9.1.1產(chǎn)生正弦波的條件,相位平衡條件決定振蕩頻率,2,9.1.2 振蕩的建立和穩(wěn)定 振蕩電路的初始信號(hào)是電路中存在的擾動(dòng)與噪聲。 選頻網(wǎng)絡(luò)從擾動(dòng)和噪聲信號(hào)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(shí)，必須使反饋信號(hào)的幅度大于等效輸入信號(hào)的幅度。,起振條件是：,當(dāng)幅度增大至一定值時(shí)，放大電路進(jìn)入非線性區(qū),增益A隨輸出幅度增加而逐漸減小，最終使 達(dá)到幅度平衡，振幅穩(wěn)定下來。,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(shí)，應(yīng)使增益下降。,3,A,反饋特性,基本放大器 幅度特性,4,9.1.3 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(zhuǎn)換和控制作用。 反饋網(wǎng)絡(luò)，保證是正反饋。 選頻網(wǎng)絡(luò)，保證建立單一頻率的振蕩。 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，穩(wěn)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(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)， 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, 電路的振蕩頻率由相位平衡條件決定。 分析幅度起振條件。,5,9.2 RC正弦波振蕩電路 9.2.1 電路原理圖,9.2.2 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò) 的頻率特性,6,7,起振條件,9.2.3 振蕩條件 振蕩平衡條件,用C作頻段選擇， 調(diào)節(jié)R作頻率微調(diào)。, 對(duì)放大器的要求： 同相放大器 穩(wěn)定振蕩時(shí)，增益等于3 起振時(shí)，增益大于3 輸入阻抗高，輸出阻抗低,8,9.2.4 穩(wěn)幅措施,1 用熱敏元件穩(wěn)幅 用溫度系數(shù)為負(fù)的熱敏元件代替Rf 。 Vom,PRF ,T ,RF,AV =1+RF/R1 或溫度系數(shù)為正的熱敏元件代替R1 。,2 場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅,輸出幅度增加時(shí)，應(yīng)使放大器增益下降,場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)。 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=0.015F,3 求當(dāng)R2=0時(shí)輸出波形 AV3 ，電路停振，vo=0,1.穩(wěn)幅原理 解：vo很小時(shí)，D1、D2開路， AV=1+(R3+R2)/R13.33 vo增大，D1,D2導(dǎo)通， 并聯(lián)等效電阻下降，AV減小。,2 設(shè)二極管正向壓降0.6V，估算Vom。 穩(wěn)幅時(shí), AV=3， R3,+R2=2R1 ,R3,=1.1K 0.6/ R3,=Vom/(R3,+R1+R2), Vom=8.35v,4 R2=時(shí)輸出波形 AV=，理想情況下為方波，實(shí)際波形如右圖。,10,9.3 LC正弦波振蕩電路,LC振蕩器用L、C并聯(lián)諧振電路作選頻網(wǎng)絡(luò)，一般用來產(chǎn)生1兆Hz以上的高頻正弦波信號(hào)。,9.3.1 LC選頻放大器 1 并聯(lián)諧振回路特性 諧振頻率,11,諧振時(shí)，等效阻抗為純電阻，達(dá)Z的最大值。 Z0=L/RC 諧振回路的品質(zhì)因素 Q=0L/R=1/(RC0) Z0=Q2R 諧振時(shí)端口電壓,輸入電流與支路電流的關(guān)系,ILIC=QIS,12,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(shí)，電路為純電阻，達(dá)最大值。 ff0時(shí)，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(wěn)定。,13,9.3.2 變壓器反饋式LC振蕩電路,Cg、Rg用來產(chǎn)生自生柵偏壓,(+),(-),(-),(+),(-),(+),1,電路的組成及起振條件,=gmrds,14,15,剛接通電源時(shí)，Cg未充電，VGS=0，管子的跨導(dǎo)最大，滿足起振條件。 起振后，柵源間PN結(jié)整流，當(dāng)時(shí)間常數(shù)g=RgCg振蕩周期時(shí)，電容Cg充電到柵極電壓的峰值，為柵極和源極提供負(fù)偏壓Vgs 。（自生柵偏壓） 隨著振幅的增長(zhǎng)，柵源電壓越負(fù)，工作點(diǎn)下移，gm減小，直到|AF|=1時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定，輸出一定頻率的等幅的正弦波。,利用自生柵偏壓和跨導(dǎo)的非線性穩(wěn)幅。,2 振蕩的建立和穩(wěn)定,16,一般原理 組成：三個(gè)電抗元件組成，三個(gè) 端點(diǎn)分別與晶體管的三個(gè)極相連， 或運(yùn)放的兩個(gè)輸入及輸出端相連。,9.3.3 三點(diǎn)式LC振蕩電路,X1，X2，X3為何種性質(zhì)，才可產(chǎn)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(zhì)的電抗， 又由于要形成諧振，X3的電抗性質(zhì)必與X1、X2相反。,與發(fā)射極相連的兩個(gè)電抗性質(zhì)必須相同，另一個(gè)則相反。 同理，與運(yùn)放同相輸入端相連的兩個(gè)電抗性質(zhì)必須相同。,三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率 可以用下式估算 X1+X2+X3=0,17,1電感三點(diǎn)式振蕩電路(哈特萊振蕩器), 振蕩頻率, 起振的幅度條件 只要AV足夠大，適當(dāng)調(diào)節(jié)L2/L1的值，可實(shí)現(xiàn)起振。,(+),(-),(+),(-),(+),(-),電路特點(diǎn) 調(diào)節(jié)頻率方便，用于產(chǎn)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。,18,2 電容三點(diǎn)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(dāng)調(diào)節(jié)C2/C1的大小就可起振。,(+),(-),(+),(-),(+),(-),電路特點(diǎn) 反饋電壓取自電容，電容對(duì)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(dá)100MHz以上。 調(diào)頻不方便，用于固定頻率振蕩。,19,3 電容三點(diǎn)式改進(jìn)型振蕩電路(克拉潑振蕩器),選?。篊3C1,C3C2,調(diào)節(jié)頻率時(shí)反饋系數(shù)可保持恒定， 提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。,20,9.3.4 石英晶體振蕩器,1 正弦波頻率穩(wěn)定問題 頻率穩(wěn)定度： 在一定時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化量f/f0 引起頻率不穩(wěn)的因素有： L、C的變化（機(jī)械變形，環(huán)境影響） 回路電阻的變化（負(fù)載的變化） 有源器件參數(shù)的變化 諧振回路品質(zhì)因素Q是決定頻率穩(wěn)定度的重要因素。 提高頻率穩(wěn)定度的措施： 減少可產(chǎn)生參數(shù)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(yīng) 在石英晶片的兩個(gè)面間加一電場(chǎng)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變。反之，在晶片兩個(gè)面間上施加機(jī)械力，則在相應(yīng)方向產(chǎn)生電場(chǎng)。 這種機(jī)電相互轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 加交變電壓機(jī)械變形振動(dòng)產(chǎn)生交變電壓。,石英晶體的基本特性壓電效應(yīng) 石英的化學(xué)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(gè)薄片稱晶片。,壓電諧振：當(dāng)外加交變電壓的頻率與晶片固有頻率相等時(shí)，振幅最大。,22,石英晶體等效電路,C0：靜態(tài)電容 L：模擬機(jī)械振動(dòng)的慣性 C：模擬晶片的彈性 R：模擬晶片振動(dòng)時(shí)的 磨擦損耗,石英晶體的電抗-頻率特性（忽略R),23,石英晶體在并聯(lián)諧振時(shí),電抗為 并聯(lián)諧振頻率：,fsfp：呈容性。 f=fS：呈電阻性。,石英晶體在串聯(lián)諧振時(shí)， 電抗為0 ，等效為小電阻。,串聯(lián)諧振頻率：,24,串聯(lián)諧振頻率的調(diào)整,頻率相對(duì)變化量：,晶振產(chǎn)品的標(biāo)稱頻率是外結(jié)電容后校正的頻率。,25,3 石英晶體振蕩器,串聯(lián)型晶體振蕩電路 晶體工作在串聯(lián)諧振頻率fs處， 利用其阻抗為純電阻且為最小的特性來構(gòu)成振蕩電路。 并聯(lián)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(lián)諧振回路來產(chǎn)生振蕩。,26,串聯(lián)型晶體振蕩電路,頻率為串聯(lián)諧振頻率fs時(shí)，晶體為純電阻，滿足相位條件， 振蕩頻率為fs 。 適當(dāng)調(diào)節(jié)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(lián)型晶體振蕩器,當(dāng)工作頻率在fsfp之間時(shí)，晶體呈感性。 構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩電路。 振蕩頻率基本由晶體的固有頻率決定。,石英晶體的等效Q值很高，振蕩頻率很穩(wěn)定。 頻率穩(wěn)定度可高達(dá)10-9 10-11 。,28,9.4 非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路,一般情況集成運(yùn)放開環(huán)運(yùn)用或加正反饋運(yùn)用。 運(yùn)放工作在非線性區(qū)特點(diǎn):,輸出電壓只有兩種可能。 當(dāng)VPVN 時(shí): 運(yùn)放輸出達(dá)最大VOH 當(dāng)VPVN 時(shí): 運(yùn)放輸出達(dá)最小VOL 輸入電流為零。 IP=IN=0 虛短路不成立 VPVN,9.4.1 比較器,比較器用于將輸入信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，兩者相等時(shí)，輸出端產(chǎn)生電壓的突變。,29,門限電壓Vth : 使輸出電壓從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平時(shí)所對(duì)應(yīng)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=VOH,ViVREF: Vo=VOL,Vth=VREF,1 單門限比較器,傳輸特性,30,反相單門限比較器,將Vi,VREF交換位置， 則為反相比較器。,31,例:下圖電路中，輸入波形為正弦波，試畫出輸出電壓的波形。,優(yōu)點(diǎn):電路簡(jiǎn)單,靈敏度高 缺點(diǎn):抗干擾能力差,32,vi,單門限比較器抗干擾能力差,Vth,vi,Vth,輸入無干擾時(shí),輸入有干擾時(shí),33,具有遲滯回環(huán)傳輸特性的 比較器。,R1,R2構(gòu)成正反饋網(wǎng)絡(luò)， 使門限電壓受到輸出 電壓的影響。,2 遲滯比較器, 組成,34,設(shè)Vo=VOH 此時(shí) Vp=Vth+ 輸入由小變大 當(dāng)ViVth+時(shí) Vo=VOL,傳輸特性,設(shè)Vo=VOL 此時(shí) Vp=Vth- 輸入由大變小 當(dāng)ViVth-時(shí) Vo=VOL不變 當(dāng)Vi=Vth- 輸出產(chǎn)生上跳變 當(dāng)ViVth-時(shí) Vo=VOH,輸入信號(hào)加于反相端為反相遲滯比較器,35,同相遲滯比較器,36,1.求門限電壓,例:9.4.2,2.傳輸特性,3 輸出波形,Vi=Vp=VoR2/(R1+R2) Vth+=R2VZ/(R1+R2)=5V Vth-=-R2VZ/(R1+R2)=-5V,37,9-4-2 方波產(chǎn)生電路(多諧振蕩器),1 矩形波產(chǎn)生原理,基本組成部分,具有開關(guān)特性的器件 具有延遲作用的反饋網(wǎng)絡(luò) 延遲時(shí)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(jīng)過一定的延遲時(shí)間后，反饋電路通過開關(guān)器件使輸出改變狀態(tài)，那么就能產(chǎn)生周期性的振蕩。,38,2 方波產(chǎn)生電路,電路的構(gòu)成 Rf、C電路起反饋和延遲作用， 反相滯回比較器起開關(guān)作用。,反相滯回比較器的 門限電壓： Vth+= R2VZ/(R1+R2) Vth-= -R2VZ/(R1+R2),39,振蕩周期,設(shè)t=0時(shí) Vc=0 Vo=VZ,40,3 占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路,占空比：脈沖波高電平時(shí)間與周期時(shí)間之比。 要改變占空比只需改變電容的充放電時(shí)間常數(shù)。,41,A1同相輸入遲滯比較器 A2積分器,9.4.3三角波形發(fā)生