模擬電子線路第6章教案

1、電子線路電子教案第6章 調(diào)諧放大器和正弦波振蕩器本章重點(diǎn)1了解調(diào)諧放大器的電路結(jié)構(gòu)、工作特點(diǎn)及工作原理。2理解正弦波振蕩電路的工作原理、振蕩條件。3掌握變壓器耦合及三點(diǎn)式LC振蕩電路的工作原理及振蕩頻率。4了解石英晶體振蕩電路。本章難點(diǎn)1調(diào)諧放大器的選頻能力。2正弦波振蕩電路的振蕩條件。學(xué)時(shí)分配序號(hào)內(nèi) 容學(xué)時(shí)16.1調(diào)諧放大器226.2正弦波振蕩器63實(shí)驗(yàn)九調(diào)諧放大器24本章小結(jié)與習(xí)題5本章總學(xué)時(shí)8授課課題：6.1 調(diào)諧放大器教學(xué)時(shí)間：教學(xué)時(shí)數(shù)：2學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求：1了解調(diào)諧放大器的電路結(jié)構(gòu)、工作特點(diǎn)及工作原理。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1調(diào)諧放大器的選頻能力。教學(xué)方法：講授法教學(xué)過(guò)程：復(fù)習(xí)舊課1集成

2、運(yùn)算放大器的理想化特性。2集成運(yùn)算放大器的基本運(yùn)算電路和工作原理。3集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用知識(shí)。4講評(píng)作業(yè)。新課內(nèi)容6.1 調(diào)諧放大器調(diào)諧放大器：具有選頻放大能力的放大電路。電路特點(diǎn)：LC諧振回路作負(fù)載。應(yīng)用：無(wú)線電發(fā)射和接收設(shè)備。圖6.1.1 LC并聯(lián)電路6.1.1.調(diào)諧放大器的工作原理一、LC并聯(lián)電路圖6.1.1所示。R為并聯(lián)電路損耗電阻。1阻抗頻率特性圖6.1.2(a)所示。它表示了LC并聯(lián)電路的阻抗Z與信號(hào)頻率f之間的變化關(guān)系。當(dāng)f = f0時(shí)，LC并聯(lián)電路發(fā)生諧振，阻抗最大。當(dāng)f < f0或f > f0時(shí)，電路失諧，阻抗很小。因此，f0稱(chēng)為諧振頻率，又稱(chēng)固有頻率，即可見(jiàn)，元

3、件L、C取定值時(shí)，諧振頻率f0是一個(gè)常數(shù)。圖6.1.2 LC并聯(lián)電路的頻率特性2相位頻率特性圖6.1.2(b)所示。它表示了LC并聯(lián)電路兩端電壓v和流進(jìn)并聯(lián)電路電流i之間的相位角之差 j與信號(hào)頻率f之間的變化關(guān)系。當(dāng)f = f0時(shí)，j = 0，電路呈純阻性；當(dāng)f < f0時(shí)，j > 0，電路呈感性；當(dāng)f > f0時(shí)，j < 0，電路呈容性；可見(jiàn)，LC并聯(lián)電路隨信號(hào)頻率的變化呈現(xiàn)不同的性質(zhì)。3選頻特性圖6.1.3 阻頻特性與Q值關(guān)系阻頻特性和相頻特性統(tǒng)稱(chēng)為L(zhǎng)C并聯(lián)電路的頻率特性。它說(shuō)明了LC并聯(lián)電路具有區(qū)別不同頻率信號(hào)的能力，即具有選頻特性。如圖6.1.3所示。品質(zhì)因數(shù)為

4、它表征了LC并聯(lián)電路選頻特性的好壞。實(shí)驗(yàn)和理論證明：R越小，Q值越大，曲線越尖銳，電路選頻能力越強(qiáng)；R越大，Q值越小，曲線越平坦，電路選頻能力越差。LC并聯(lián)電路的Q值，一般在幾十到一二百之間。4選頻放大器圖6.1.4(a)所示。電路特點(diǎn)是利用LC并聯(lián)電路作為負(fù)載，因此放大電路有選頻放大能力。工作原理：當(dāng)信號(hào)頻率等于諧振頻率時(shí)，即f = f0，放大器輸出電壓最大；放大倍數(shù)AVO最大。如圖6.1.4(b)所示。這種表示選頻放大器的放大倍數(shù)與信號(hào)頻率關(guān)系的曲線，稱(chēng)為調(diào)諧放大器的諧振曲線。 圖6.1.4 選頻放大器原理 圖6.1.5 單回路調(diào)諧放大器6.1.2 兩種基本的調(diào)諧放大電路一、單回路調(diào)諧放大

5、器單回路調(diào)諧放大器如圖6.1.5所示。工作原理：輸入信號(hào)vi經(jīng)T1通過(guò)Cb和Ce送到晶體管的b、e極之間，放大后的信號(hào)經(jīng)LC諧振電路選頻由T2耦合輸出。電感抽頭和變壓器的作用是減少外界對(duì)諧振回路的影響，保證有高的Q值。單回路調(diào)諧放大器的通頻帶和選擇性取決于圖6.1.4(b)諧振曲線，它與理想的矩形諧振曲線比相差甚遠(yuǎn)，因此這種電路只能用于通頻帶和選擇性要求不高的場(chǎng)合。電路優(yōu)點(diǎn)：調(diào)整方便、工作穩(wěn)定；缺點(diǎn)：失真大。二、雙回路調(diào)諧放大器圖6.1.6所示。電路特點(diǎn)是集電極負(fù)載采用兩個(gè)諧振回路，利用它們之間的耦合強(qiáng)弱來(lái)改善通頻帶和選擇性。1互感耦合圖6.1.6(a)所示。電路特點(diǎn)是雙調(diào)諧回路依靠互感實(shí)現(xiàn)耦

6、合。調(diào)節(jié)L1、L2之間的距離或磁芯的位置，改變耦合程度，從而改善通頻帶和選擇性。工作原理：假定L1C1和L2C2調(diào)諧在信號(hào)頻率上，輸入信號(hào)vi通過(guò)T1送到V時(shí)，集電極信號(hào)電流經(jīng)L1C1產(chǎn)生并聯(lián)諧振。此時(shí)，由于互感耦合，L1中的電流在L2C2回路電感的抽頭處產(chǎn)生很大的輸出電壓vo。2電容耦合圖6.1.6(b)所示。電路特點(diǎn)是通過(guò)外接電容Ck實(shí)現(xiàn)兩個(gè)調(diào)諧回路之間的耦合，改變Ck的大小就可改變耦合程度，從而改善通頻帶和選擇性。 圖6.1.6 雙回路調(diào)諧放大器 圖6.1.7 雙回路調(diào)諧的諧振曲線3選擇性和通頻帶與耦合程度的關(guān)系：如圖6.1.7(a)所示。(1) 弱耦合時(shí)，諧振曲線出現(xiàn)單峰；(2) 強(qiáng)耦

7、合時(shí)，諧振曲線出現(xiàn)雙峰，中心頻率f0處下凹的程度與耦合強(qiáng)度成正比；(3) 臨界耦合時(shí)，諧振曲線也呈單峰，但中心頻率f0處曲線較平坦?？梢?jiàn)，諧振曲線在臨界耦合時(shí)，與理想的矩形諧振曲線很接近。結(jié)論，雙回路調(diào)諧放大器有較好的通頻帶和選擇性，所以應(yīng)用廣泛。小結(jié)1調(diào)諧放大器是一種選頻放大器。它利用LC并聯(lián)諧振電路的選頻特性在頻率眾多的信號(hào)中選出某一頻率的信號(hào)加以放大。2調(diào)諧放大器有單回路調(diào)諧和雙回路調(diào)諧兩種基本電路。雙回路調(diào)諧放大器可以在一定的頻帶內(nèi)具有良好的選擇性。布置作業(yè)6-1、6-2授課課題：6.2 正弦波振蕩器教學(xué)時(shí)間：教學(xué)時(shí)數(shù)：6學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求：1理解正弦波振蕩電路的工作原理、振蕩條件。2

8、掌握變壓器耦合及三點(diǎn)式LC振蕩電路的工作原理及振蕩頻率。3了解石英晶體振蕩電路。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：1變壓器耦合及三點(diǎn)式LC振蕩電路的工作原理及振蕩頻率。2正弦波振蕩電路的振蕩條件。教學(xué)方法：講授法教學(xué)過(guò)程：復(fù)習(xí)舊課1調(diào)諧放大器的電路結(jié)構(gòu)、工作特點(diǎn)及工作原理。2調(diào)諧放大器的選頻能力。3講評(píng)作業(yè)。新課內(nèi)容6.2 正弦波振蕩器正弦波振蕩器：一種不需外加信號(hào)作用，能夠輸出不同頻率正弦信號(hào)的自激振蕩電路。6.2.1 自激振蕩的工作原理一、LC回路中的自由振蕩如圖6.2.1(a)所示。自由振蕩電容通過(guò)電感充放電，電路進(jìn)行電能和磁能的轉(zhuǎn)換過(guò)程。阻尼振蕩因損耗等效電阻R將電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗的減幅振蕩。圖6.2

9、.1(b)所示。等幅振蕩利用電源對(duì)電容充電，補(bǔ)充電容對(duì)電感放電的振蕩過(guò)程，圖6.2.1(c)所示。這種等幅正弦波振蕩的頻率稱(chēng)為L(zhǎng)C回路的固有頻率，即 (6.2.1)圖6.2.1 LC回路中的電振蕩二、自激振蕩的條件振蕩電路如圖6.2.2所示。振蕩條件：相位平衡條件和振幅平衡條件。1相位平衡條件反饋信號(hào)的相位與輸入信號(hào)相位相同，即為正反饋，相位差是180° 的偶數(shù)倍，即 j = 2np (6.2.2)其中，j 為vf與vi的相位差，n是整數(shù)。vi、vo、vf的相互關(guān)系參見(jiàn)圖6.2.3。2.振幅平衡條件反饋信號(hào)幅度與原輸入信號(hào)幅度相等。即 AVF = 1 (6.2.3) 圖6.2.2 變

10、調(diào)諧放大器為振蕩器 圖6.2.3 自激振蕩器方框圖三、自激振蕩建立過(guò)程自激振蕩器：在圖6.2.2中，去掉信號(hào)源，把開(kāi)關(guān)S和點(diǎn)“2”相連所組成的電路。圖6.2.4 振蕩的建立過(guò)程自激振蕩建立過(guò)程：電路接通電源瞬間，輸入端產(chǎn)生瞬間擾動(dòng)信號(hào)vi，振蕩管V產(chǎn)生集電極電流iC，因iC具有跳變性，它包含著豐富的交流諧波。經(jīng)LC并聯(lián)電路選出頻率為f0的信號(hào)，由輸出端輸出vo，同時(shí)通過(guò)反饋電路回送到輸入端，經(jīng)過(guò)放大、選頻、正反饋、再放大不斷地循環(huán)過(guò)程，將振蕩由弱到強(qiáng)的建立起來(lái)。當(dāng)信號(hào)幅度進(jìn)入管子非線性區(qū)域后，放大器的放大倍數(shù)降低到 AVF = 1時(shí)，振幅不再增加，自動(dòng)維持等幅振蕩。如圖6.2.4所示。例6.2

11、.1 判斷圖6.2.5(a)所示電路能否產(chǎn)生自激振蕩。解 (1) 振幅條件：因V基極偏置電阻Rb2被反饋線圈Lf短路接地，使V處于截止?fàn)顟B(tài)，故電路不能起振。 (2) 相位條件：采用瞬時(shí)極性法，設(shè)V基極電位為“正”，根據(jù)共射電路的倒相作用，可知集電極電位為“負(fù)”，于是L同名端為“正”，根據(jù)同名端的定義得知，Lf同名端也為“正”，則反饋電壓極性為“負(fù)”。顯然，電路不能自激振蕩。如果把圖6.2.5(a)改成圖(b)。因隔直電容Cb避免了Rb2被反饋線圈Lf短路，同時(shí)反饋電壓極性為“正”，電路滿(mǎn)足振幅平衡和相位平衡條件，所以電路能產(chǎn)生自激振蕩。 圖6.2.5 自激振蕩的判別 圖6.2.6 共發(fā)射極變壓

12、器耦合振蕩器6.2.2 LC振蕩器一、變壓器耦合式LC振蕩器電路特點(diǎn)：用變壓器耦合方式把反饋信號(hào)送到輸入端。常用的有以下兩種。1共發(fā)射極變壓器耦合LC振蕩器(1) 電路結(jié)構(gòu)如圖6.2.6(a)所示。圖中V為振蕩放大管，電阻R1、R2、R3為分壓式穩(wěn)定工作點(diǎn)偏置電路，C1、C2為旁路電容，LC并聯(lián)回路為選頻振蕩回路，L3-4為反饋線圈，L7-8為振蕩信號(hào)輸出端，電位器RP和電容C1組成反饋量控制電路。(2) 工作原理交流通路如圖6.2.6(b)所示。對(duì)頻率f = f0的信號(hào)，LC選頻振蕩回路呈純阻性，此時(shí)和vf，反相，即1 = 180º。輸出電壓vo¢再通過(guò)反饋線圈L3-4，

13、使4端為正電位，即與的2 = 180º。于是，保證了正反饋，滿(mǎn)足了相位條件。如果電路具有足夠大的放大倍數(shù)，滿(mǎn)足振幅條件，電路就能振蕩。調(diào)節(jié)RP可改變輸出幅度。圖6.2.7 共基極變壓器耦合振蕩電路2共基極變壓器耦合LC振蕩器(1) 電路結(jié)構(gòu)如圖6.2.7(a)所示。圖中V為振蕩放大管，電阻R1、R2、R3為分壓式穩(wěn)定工作點(diǎn)偏置電路，C1為基極旁路電容，C2為隔直耦合電容，L2為反饋線圈，L與C串聯(lián)組成選頻振蕩電路。(2) 工作原理交流通路如圖6.2.7(b)所示。接通電源瞬間，LC回路振蕩電壓加到管子基射之間，形成輸入電壓，經(jīng)V放大后，輸出信號(hào)經(jīng)反饋線圈L2與L之間的互感耦合反饋到管

14、子基射之間，若形成正反饋。在滿(mǎn)足振幅平衡條件下，電路產(chǎn)生振蕩。綜上分析，變壓器反饋電路的反饋強(qiáng)度，可通過(guò)L2與L1之間的距離來(lái)調(diào)節(jié)。變壓器耦合振蕩電路的振蕩頻率為 (6.2.4)若調(diào)節(jié)L、C，可改變振蕩頻率。二、三點(diǎn)式LC振蕩電路電路特點(diǎn)：LC振蕩回路三個(gè)端點(diǎn)與晶體管三個(gè)電極相連。 圖6.2.8 電感三點(diǎn)式振蕩器 圖6.2.9 電容三點(diǎn)式振蕩器1電感三點(diǎn)式振蕩器電路如圖6.2.8(a)，交流通路如圖6.2.8(b)所示。相位條件：當(dāng)線圈1端電位為“+”時(shí)，3端電位為“-”，此時(shí)2端電位低于1端而高于3端，即vf與vo反相，經(jīng)倒相放大后，形成正反饋，即滿(mǎn)足相位條件。振幅條件：適當(dāng)選擇2和1的比值

15、。使，滿(mǎn)足振幅條件。電路就能振蕩。由于反饋電壓vf取自2兩端，故改變線圈抽頭位置，可調(diào)節(jié)振蕩器的輸出幅度。2越大，反饋越強(qiáng)，振蕩輸出越大，反之，2越小，反饋越小，不易起振。電路振蕩頻率為 (6.2.5)其中M是1與2之間的互感系數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率很高，一般可達(dá)到幾十兆赫；缺點(diǎn)：波形失真較大。2電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器電路如圖6.2.9(a)所示，交流通路如圖6.2.9(b)所示。相位條件：當(dāng)線圈1端電位為“+”時(shí)，3端電位為“-”。此電壓經(jīng)1、2分壓后，2端電位低于1端而高于3端，即vf與vo反相，經(jīng)V倒相放大后，使1端獲“+”電位，形成正反饋，滿(mǎn)足相位條件。振幅條件：適當(dāng)?shù)倪x擇1、2

16、的數(shù)值，使電路具有足夠大的放大倍數(shù)，電路可產(chǎn)生振蕩。電路振蕩頻率為 (6.2.6)而 電路特點(diǎn)：頻率較高，可達(dá)100 MHz以上。優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)頻率不方便。3改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩器圖6.2.11 石英晶體諧振器結(jié)構(gòu)示意圖改進(jìn)的圖6.2.10 改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式交流通路如圖6.2.10(a)所示。圖中，Ci和Co分別是三極管的輸入和輸出電容，其數(shù)值隨溫度而變化，直接影響LC回路的振蕩頻率。為此，取C1 >> Co，C2 >> Ci，以減小Ci和Co對(duì)振蕩頻率的影響，提高其穩(wěn)定性。由于C1 、C2的增大，會(huì)導(dǎo)致Q值下降，加之調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，必須同

17、時(shí)改變C1、C2，實(shí)屬困難。因此，在LC回路中的電感支路串入一小電容C3，得到改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩器如圖6.2.10(c)所示，交流通路如圖6.2.10(b)所示，并且選取，。這樣，振蕩頻率f0與C1、C2 、Ci、Co基本無(wú)關(guān)，只取決于C3和L，振蕩頻率為 (6.2.7)電路特點(diǎn)：振蕩波形好，頻率比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)C3時(shí)，輸出信號(hào)幅度會(huì)隨頻率增大而降低。6.2.3 石英晶體振蕩器電路特點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高，可達(dá)10-6 10-11量級(jí)。一、石英晶體的基本特性及其等效電路1壓電效應(yīng)石英晶體諧振器如圖6.2.11所示。它是在晶片的兩個(gè)對(duì)面上噴涂一對(duì)金屬極板，引出兩個(gè)電極，加以封裝所構(gòu)成。壓電效應(yīng)：

18、晶片在電壓產(chǎn)生的機(jī)械壓力下，其表面電荷的極性隨機(jī)械拉力而改變的一種現(xiàn)象。如圖6.2.12(a)所示。壓電諧振：外加交變電壓的頻率等于晶體固有頻率時(shí)，回路發(fā)生串聯(lián)諧振，電流振幅最大的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生壓電諧振時(shí)的振蕩頻率稱(chēng)晶體諧振器的振蕩頻率。圖6.2.12(b)所示。 圖6.2.12 壓電效應(yīng)和諧振現(xiàn)象 圖6.2.13 石英晶體諧振器2符號(hào)和等效電路符號(hào)如圖6.2.13(a)所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可用靜態(tài)電容CO來(lái)等效，一般約為幾個(gè)皮法到幾十皮法；當(dāng)晶體振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效，一般為10-310-2H；晶片的彈性可用電容C來(lái)等效，一般為10-2 10-1 pF；晶片振動(dòng)時(shí)的損耗用R

19、來(lái)等效，阻值約為102 W。由可知，品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)104 106。加之晶體的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān)，其精度高而穩(wěn)定。所以，采用石英晶體諧振器組成振蕩電路，可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。等效電路如圖6.2.13(b)所示，它有兩個(gè)諧振頻率。(1) 當(dāng)L、C、R支路串聯(lián)諧振時(shí)，等效電路的阻抗最小，串聯(lián)諧振頻率為 (6.2.8)(2) 當(dāng)?shù)刃щ娐凡⒙?lián)諧振時(shí)，并聯(lián)諧振頻率為 (6.2.9)由于C << C0，因此fs和fp兩個(gè)頻率非常接近。圖6.2.13(c)為石英晶體諧振器的電抗-頻率特性，在fs和fp之間為感性，在此區(qū)域之外為容性。二、石英晶體振蕩電路1并聯(lián)型晶體振蕩電路圖6.

20、2.14(a)所示。振蕩回路由C1、C2和晶體組成。其中，晶體起電感L的作用，等效電路如圖6.2.14(b)所示。即振蕩頻率在晶體諧振器的fs與fp之間。由于回路電容是C1和C2串聯(lián)后與C0并聯(lián)，再與C串聯(lián)，則回路電容為。故振蕩回路的諧振頻率為圖6.2.14 并聯(lián)型晶體振蕩器 (6.2.10)由于，則諧振頻率近似為 (6.2.11)可見(jiàn)，振蕩頻率基本上取決于晶體的固有頻率f s。故其頻率穩(wěn)定度高。2串聯(lián)型晶體振蕩電路如圖6.2.15所示。晶體與電阻R串聯(lián)構(gòu)成正反饋電路。當(dāng)振蕩頻率等于晶體的固有頻率fs時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，電路滿(mǎn)足自激振蕩條件而振蕩，其振蕩頻率為f0 = fs。否則不能振蕩。調(diào)節(jié)電阻R可獲得良好的正弦波輸出。 圖6.2.15 串聯(lián)晶體振蕩電路 圖6.2.16 集成運(yùn)放LC正弦波振蕩器6.2.4 用集成運(yùn)算放大器組成的振蕩電路用集成運(yùn)算放大器組成的振蕩電路如圖6.2.16所