模擬電子技術(shù) 清華華成英第四版 第八章

1、8.18.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 8.28.2 電壓比較器電壓比較器 第八章第八章 波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換波形的發(fā)生和信號的轉(zhuǎn)換 8.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 8.1.1 正弦波振蕩電路的基礎(chǔ)知識 8.1.2 RC正弦波振蕩電路 8.1.3 LC正弦波振蕩電路 8.1 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 tUU sin2 ii 無外輸入信號，放大電路輸出端也有一個正弦波信無外輸入信號，放大電路輸出端也有一個正弦波信 號號自激振蕩自激振蕩。(電路要引入正反饋電路要引入正反饋) 一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件一、產(chǎn)生正弦波振蕩的條件 if XX 1 AFFA ）、 210(2nn FArgA

2、ArgFAArg FA 幅值平衡條件幅值平衡條件 相位平衡條件相位平衡條件 + + i f X X O f i O X X X X FA 1 二、起振和穩(wěn)幅二、起振和穩(wěn)幅 起振的條件：起振的條件： i X 稍大于稍大于 即即 F X X i f 穩(wěn)幅的條件：穩(wěn)幅的條件： if XX 即即 1 F X X i f f X 1 放大電路放大電路 三、正弦波振蕩電路的組成三、正弦波振蕩電路的組成 正弦波振蕩電路由四個部分組成正弦波振蕩電路由四個部分組成 正反饋網(wǎng)絡正反饋網(wǎng)絡 選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) + + 正弦波振蕩電路常用選頻網(wǎng)絡所用元件來命名。正弦波振蕩電路常用選頻網(wǎng)絡所用元件來命名

3、。 包括：包括：變壓器反饋式變壓器反饋式、電感反饋式電感反饋式、電容反饋式電容反饋式。 產(chǎn)生產(chǎn)生H HZ Z MHMHZ Z 的 的低頻信號低頻信號。 石英晶體正弦波振蕩電路。石英晶體正弦波振蕩電路。 RCRC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 包括：包括：RCRC串并聯(lián)振蕩器串并聯(lián)振蕩器、RCRC移相式振蕩器移相式振蕩器。 LCLC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 產(chǎn)生產(chǎn)生MHZ MHZ 以上的以上的高頻信號高頻信號。 四、正弦波振蕩電路的分類四、正弦波振蕩電路的分類 振蕩頻率非常穩(wěn)定。振蕩頻率非常穩(wěn)定。 8.1.2 8.1.2 RCRC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 只講只講RCRC橋式正弦波振蕩電路

4、又稱為橋式正弦波振蕩電路又稱為文氏橋振蕩電路文氏橋振蕩電路。 一、一、RCRC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡 RRR 21 CCC 21 通常，選取通常，選取 O f U U F ) 1 (3 1 RC RCj f2 帶入上式得出帶入上式得出 Cj R Cj R Cj R 1 / 1 1 / RC fO 2 1 令： 22 )3 1 f f f f F O O （ )( 3 1 f f f f arctgFArg O O F )3 1 f f f f j F O O （ 幅頻特性幅頻特性為：為： 相頻特性相頻特性為：為： 分析：分析： 0 ff 0F 2 0 ff 0F 2 0 ff 3 1 F

5、 0 分析：分析： 0 ff 0F 2 0 ff 0F 2 0 ff 3 1 F 0 0 ff 當 3 1 max F 0 F 二、二、RCRC橋式正弦波振蕩電路橋式正弦波振蕩電路 起振條件起振條件 31 1 R R U U A f f O u 1 2RR f 穩(wěn)幅條件穩(wěn)幅條件 31 1 R R U U A f f O u 1 2RR f 如何實現(xiàn)？如何實現(xiàn)？ 能自行起振的電路能自行起振的電路1 1 半導體半導體 熱敏電阻熱敏電阻 選用選用R R1 1為正溫度系數(shù)的為正溫度系數(shù)的 熱敏電阻熱敏電阻 起振時起振時R Rf f2R2R1 1, , 使使A3,A3, 易起振。易起振。 當當u uo

6、o增大，電流增大，增大，電流增大， R R1 1增大，達某一值時，增大，達某一值時， R Rf f=2R=2R1 1 ，A=3A=3。 因此因此u uo o幅度自動穩(wěn)定于幅度自動穩(wěn)定于 某一幅值某一幅值。 也可選用也可選用R Rf f為負溫度系數(shù)的熱敏電阻為負溫度系數(shù)的熱敏電阻 能自行啟動的電路能自行啟動的電路2 2 RF1+RF2略大于2R1,隨 著uo的增加，RF2逐漸 被短接，A自動下降， 輸出自動被穩(wěn)定于某 一幅值。 將將R RF F分為二個：分為二個： R RF1 F1 和 和R RF2 F2 ， ， R RF2 F2 并聯(lián)二極管并聯(lián)二極管 能自行啟動的電路能自行啟動的電路3 3 利

7、用電流增大時二 極管動態(tài)電阻減小， 電流減小時，二極 管動態(tài)電阻增大的 特點，加入非線性 環(huán)節(jié)，從而使輸出 電壓穩(wěn)定，此時比 例系數(shù)為 1 1 R rR A df u 三、判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩三、判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩 振蕩電路的四個部分振蕩電路的四個部分 合適的合適的Q Q點點 滿足振蕩的幅值條件滿足振蕩的幅值條件 滿足振蕩的相位條件滿足振蕩的相位條件 很容易滿足很容易滿足 為正反饋為正反饋 例題例題: :R=1kR=1k ，C=0.1C=0.1 F F， R Rf f=10k=10k 。R RF F為多大時為多大時振蕩振蕩才才 能穩(wěn)定？振蕩頻率能穩(wěn)定？振蕩頻率f f0 0= =？Hz H

8、z uo_ + + RF R C RC Rf AF=1， 3 1 F 1 f F R R A A=3 =2 10=20k k RC f 2 1 0 =1592 Hz 振蕩條件：振蕩條件： fF2RR 四、振蕩頻率可調(diào)的四、振蕩頻率可調(diào)的RCRC橋式正弦波振蕩電路橋式正弦波振蕩電路 例例8.1.1:8.1.1: 在圖在圖8.1.98.1.9所示電路中，已知電容的取值分別為所示電路中，已知電容的取值分別為 0.01uF0.01uF，0.1uF,1uF, 10uF,0.1uF,1uF, 10uF,電阻電阻R=50R=50，電位器，電位器 試問：試問：f f0 0 的調(diào)節(jié)范圍？ 的調(diào)節(jié)范圍？ K RW

9、 10 RC fO 2 1 Hz CRR f W O 59. 1 (2 1 max min ） 解：解：因為： KHz Hz RC fO 318 318000 2 1 min max f f0 0的調(diào)節(jié)范圍約為的調(diào)節(jié)范圍約為 1.591.59HzHz318318kHzkHz （本題（本題5 5分）為使下圖所示的文氏電橋和集成運分）為使下圖所示的文氏電橋和集成運 放放A A連接成一個正弦波振蕩電路，請將圖中連接成一個正弦波振蕩電路，請將圖中- - - - - - - - -八點兩兩相連。并寫出振蕩頻八點兩兩相連。并寫出振蕩頻 率的表達式。率的表達式。 解：將圖中解：將圖中- -，- -，- -，

10、- -兩兩相兩兩相 連就能構(gòu)成文氏橋正弦波振蕩電路。連就能構(gòu)成文氏橋正弦波振蕩電路。 （4 4分）分） RC2 1 f （1 1分）分） 振蕩頻率的表達式：振蕩頻率的表達式： 8.1.3 8.1.3 LCLC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 LCLC正弦波振蕩電路包括：正弦波振蕩電路包括：變壓器反饋式、變壓器反饋式、 電感反饋式、電感反饋式、電容反饋式電容反饋式 變壓器反饋變壓器反饋 式式LCLC正弦波正弦波 振蕩電路振蕩電路 一、一、LCLC諧振回路的頻率特性諧振回路的頻率特性 諧振頻率：諧振頻率： R：回路損耗電阻：回路損耗電阻 R wL Y 當當 電路發(fā)生電路發(fā)生并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振。 0 )(

11、 22 LR L C LjR Cj 1 )( )( 2222 LR L Cj LR R LC L R O O 1 )(1 1 2 LC Q 2 1 1 1 為品質(zhì)因數(shù)）（令Q R L Q o LC 1 0 LC f 2 1 0 根據(jù)引入反饋的方式不同，根據(jù)引入反饋的方式不同，LCLC正弦波振蕩電路分為正弦波振蕩電路分為 三種電路。三種電路。 變壓器反饋式、變壓器反饋式、 電感反饋式電感反饋式、 電容反饋式。電容反饋式。 二、變壓器反饋式振蕩電路二、變壓器反饋式振蕩電路 滿足正弦波振蕩的條件滿足正弦波振蕩的條件 2 2 2 2 2 22 11 1 0 , 2 1 L LR M LL CL f i

12、 振蕩頻率 優(yōu)點：優(yōu)點： 容易振蕩容易振蕩 缺點：缺點：能量損耗大，變壓器 能量損耗大，變壓器 器件笨重器件笨重 例：分別標出圖所例：分別標出圖所 示各電路中變壓器示各電路中變壓器 的同名端，使之滿的同名端，使之滿 足正弦波振蕩的相足正弦波振蕩的相 位條件。位條件。 三、電感反饋式振蕩電路三、電感反饋式振蕩電路( (電感三點式電感三點式) ) 中間交流接地，首尾反向，中間交流接地，首尾反向， 首或尾端交流接地，另兩端首或尾端交流接地，另兩端 同向同向 判定原則：判定原則： 優(yōu)點：優(yōu)點： 可調(diào)，振蕩頻率可可調(diào)，振蕩頻率可 調(diào)，用于改變頻率的調(diào)，用于改變頻率的 場合場合 CL f 2 1 0 振蕩

13、頻率： MLLL2 21 缺點：缺點：波形有一些高次諧波形有一些高次諧 波的干擾波的干擾 四、電容反饋式振蕩電路四、電容反饋式振蕩電路( (電容三點式電容三點式) ) 中間交流接地，首尾反向，中間交流接地，首尾反向， 首或尾端交流接地，另兩端首或尾端交流接地，另兩端 同向同向 判定原則：判定原則： 21 21 0 2 1 2 1 CC CC L LC f 振蕩頻率： 優(yōu)點：優(yōu)點： 波形較好，用于固定波形較好，用于固定 振蕩頻率的場合振蕩頻率的場合 課后題：8.128.12 分別判斷圖P8.12所示各電路 是否滿足正弦波振蕩的相位條件 8.2 電壓比較器電壓比較器 8.2.1 概述概述 8.2.

14、2 單限比較器單限比較器 8.2.3 滯回比較器滯回比較器 8.2 電壓比較器電壓比較器 8.2.18.2.1 概述概述 1 1電壓比較器：電壓比較器： 功能：功能：進行輸入信號的比較進行輸入信號的比較 把任何輸入信號轉(zhuǎn)換成矩形信號把任何輸入信號轉(zhuǎn)換成矩形信號 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 電壓比較器的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系電壓比較器的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系 )( IO UfU 使使 從從 躍變?yōu)檐S變?yōu)?，或者從，或者從 躍變?yōu)檐S變?yōu)?的輸?shù)妮?入電壓稱為入電壓稱為閾值電壓閾值電壓，或，或轉(zhuǎn)折電壓轉(zhuǎn)折電壓，記做，記做 。 OL U OH U OH U OL U T U o u OH U

15、 為了正確畫出電壓傳輸特性，必須求出以下三個要素：為了正確畫出電壓傳輸特性，必須求出以下三個要素： 輸出電壓高電平和低電平的數(shù)值輸出電壓高電平和低電平的數(shù)值 和和 。 OL U 閾值電壓的數(shù)值閾值電壓的數(shù)值 T U 當當 變化且經(jīng)過變化且經(jīng)過 時，時， 躍變的方向，即是從躍變的方向，即是從 躍躍 變?yōu)樽優(yōu)?，還是，還是 從躍為從躍為 。 I U T U o u OH U OL U OL U OH U 3.3.電壓比較器種類電壓比較器種類 (1)(1)單限比較器（只有一個單限比較器（只有一個閾值閾值） (2)(2)滯回比較器滯回比較器（有兩個閾值）（有兩個閾值） (3)(3)窗口比較器（不講）窗

16、口比較器（不講） VU T 0 8.2.28.2.2 單限比較器單限比較器 一、過零比較器一、過零比較器 過零過零比較器，顧名思義，其閾值電壓比較器，顧名思義，其閾值電壓 三個要素：三個要素： VUT0 最大值和最小值分別為最大值和最小值分別為 OMOH UU OMOL UU o u 的躍變方向的躍變方向 OMOi Uuu , 0 OMOi Uuu , 0 問題：如將輸入信號加在問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？端，傳輸特性如何？ uo ui 0 +UOM -UOM 同相過零比較器同相過零比較器 實用電路實用電路 圖中圖中R R為限流電阻為限流電阻 傳輸特性傳輸特性 uI uO +

17、UOpp - -UOpp O +UZ - -UZ 利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器 問題：問題：過零比較器如圖所示，過零比較器如圖所示， 輸入為正弦波時，輸出波形是輸入為正弦波時，輸出波形是 怎樣的？怎樣的？ vI O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL 傳輸特性傳輸特性 uI uO +UOM - -UOM O +UZ - -UZ 將正弦波變?yōu)榫匦尾▽⒄也ㄗ優(yōu)榫匦尾?二二 閾值不為零的單限比較器閾值不為零的單限比較器 OMORi UUUU, OMORi UUUU, 三個要素：三個要素： R T UU 最大值和最小值分別為最大值和最小值分別為 OMOH UU

18、OMOL UU o u 的躍變方向的躍變方向 三、一般單限比較器三、一般單限比較器 REFiN U RR R u RR R U 21 2 21 1 )0( 1 2 REFREFiT UU R R uU 解：求解三個要素：解：求解三個要素： T U 最大值和最小值分別為最大值和最小值分別為 OZOH UU OZOL UU o u 的躍變方向的躍變方向 求解此單限比較器的電壓傳輸特性求解此單限比較器的電壓傳輸特性 ？ 0 P u0 PN uu令 0 21 2 21 1 REFi U RR R u RR R uI uO +UOM - -UOM O +UZ - -UZ REF 1 2 U R R 單門

19、限比較器的單門限比較器的作用作用：檢測輸入的模擬信號：檢測輸入的模擬信號 是否達到某一給定電平。是否達到某一給定電平。 缺點缺點：抗干擾能力差。：抗干擾能力差。 解決辦法解決辦法： 采用具有采用具有滯回滯回傳輸特性的比較器。傳輸特性的比較器。 電壓比較器分析方法小結(jié)電壓比較器分析方法小結(jié) （1）由限幅電路確定電壓比較器的輸出高電平）由限幅電路確定電壓比較器的輸出高電平UOH 和輸出低電平和輸出低電平UOL 。 （2）寫出）寫出up和和uN的電位表達式，令的電位表達式，令up=uN ，解得輸，解得輸 入電壓就是閾值電壓入電壓就是閾值電壓UT。 （3） u0在在uI 過過UT時的躍變方向決定于作用

20、于集時的躍變方向決定于作用于集 成運放的哪個輸入端。成運放的哪個輸入端。 當當uI從反向輸入端輸入時，從反向輸入端輸入時， uIUT ,u0=U0L 。反之，結(jié)論相反。反之，結(jié)論相反。 8.2.38.2.3 滯回比較器滯回比較器 計算閾值電壓計算閾值電壓UT Z 21 1 T U RR R U uo從從+ +UZ躍變到躍變到- -UZ的的 閾值電壓為閾值電壓為+UT uo從從- -UZ躍變到躍變到+ +UZ的的 閾值電壓為閾值電壓為-UT uI在在-UT與與+UT之間增加或減之間增加或減 小小, uO不發(fā)生變化不發(fā)生變化 +UZ uI uO - -UZ O UT- - UT+ + t ui U

21、om -Uom t ui UT -UT 如圖所示：如圖所示：輸入為正弦波輸入為正弦波 1 R 例：若將電阻例：若將電阻 的接地端接參考電壓求解此滯回比較器的的接地端接參考電壓求解此滯回比較器的 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 ZRP U RR R U RR R u 21 1 21 2 )0( 21 1 21 2 RZRTH UU RR R U RR R U 解：三個要素：解：三個要素： T U 最大值和最小值分別為最大值和最小值分別為 OZOH UU OZOL UU ？ o u 的躍變方向的躍變方向 iN uu 令令 NP uu 滯回滯回比較器的特點：比較器的特點： 上升與下降過程中的閾值不同上升與

22、下降過程中的閾值不同 正反饋使正反饋使u uo o跳變過程加快跳變過程加快 兩個閾值的差叫回差兩個閾值的差叫回差 回差越大，抗干擾性越強回差越大，抗干擾性越強 輸入由小變大時的閾值一定大于輸入由大變小時的閾值輸入由小變大時的閾值一定大于輸入由大變小時的閾值 例例: :在如圖所示的電路中，已知在如圖所示的電路中，已知 ， 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓 ，輸入電壓，輸入電壓u ui i波形如圖波形如圖 (a)(a)所示所示, ,試試 畫出畫出u uo o的波形的波形。 12 50100RkRk 9 Z Uv (a) 1 22 50 ( 9 )3 50 100 TZ R UUvv RR 解解:

23、:閥值電壓閥值電壓 輸出高電平和低電輸出高電平和低電 平分別為平分別為 9 Z Uv o u的躍變方向的躍變方向 1 22 50 ( 9 )3 50 100 TZ R UUvv RR 例例設(shè)計一個電壓比較器設(shè)計一個電壓比較器, ,使其電壓輸出特性如圖使其電壓輸出特性如圖 (a)(a)所示所示, , 要求所用的電阻阻值在要求所用的電阻阻值在 之間之間。 圖圖 (a)(a)電壓傳輸特性電壓傳輸特性 k10020 (b)(b)所設(shè)計電路所設(shè)計電路 解解: : ,6vUu ZO V R R U R R U uU RR R u RR R u ZTH NZiP 36 0 2 1 2 1 21 1 21 2

24、 故 若取若取R R1 1=25K=25K，R R2 2應取應取50K50K， 若取若取R R1 1=50K=50K，R R2 2應取應取100K100K。 vUTH3 R2=2R1 本章小結(jié)本章小結(jié) 熟練掌握電路產(chǎn)生正弦波振蕩的幅值條件和相位熟練掌握電路產(chǎn)生正弦波振蕩的幅值條件和相位 平衡條件，以及平衡條件，以及RC橋式正弦波振蕩電路的組成、起振橋式正弦波振蕩電路的組成、起振 條件和振蕩頻率。條件和振蕩頻率。了解變壓器反饋式、電感反饋式、了解變壓器反饋式、電感反饋式、 電容反饋式正弦波振蕩電路的工作原理，電容反饋式正弦波振蕩電路的工作原理，并能夠根據(jù)并能夠根據(jù) 相位平衡條件正確判斷電路是否可

25、能產(chǎn)生正弦波振蕩。相位平衡條件正確判斷電路是否可能產(chǎn)生正弦波振蕩。 理解典型電壓比較器的電路組成，會根據(jù)三要理解典型電壓比較器的電路組成，會根據(jù)三要 素法畫電壓傳輸特性。素法畫電壓傳輸特性。 （本題（本題1010分）一電壓比較器電路及參數(shù)如圖所示。請求出分）一電壓比較器電路及參數(shù)如圖所示。請求出 該電路的閾值電壓，畫出電壓傳輸特性曲線，并說明是何該電路的閾值電壓，畫出電壓傳輸特性曲線，并說明是何 種類型的電壓比較器種類型的電壓比較器 INREF 21 2 O 21 1 P uuU RR R u RR R u 2 2解：所示電路為反相輸入的滯回比較器解：所示電路為反相輸入的滯回比較器 （3 3分）分） u uO OU UZ Z6V6V。令。令 求出閾值電壓：求出閾值電壓：U