模电课件大全华科.ppt

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1、 9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路学习指导学习指导小结小结作业作业 在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是就其波形来说，可能是正弦波正弦波或或非正弦波非正弦波。在通信、广播、电视系统中，都需要射频在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高高频频)发射，这里的射频波就是载波，把音频发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高视频信号或脉冲信

2、号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。频信号的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼，超声波焊接，超声诊断，核磁共振应加热、熔炼，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术领域正弦波振荡电路在各个科学技术领域的应用是十分广泛的的应用是十分广泛的。非正弦信号非正弦信号(方波、锯齿波等方波、锯齿波等)发生器在测量设发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。备、数字系统及自动控制系统中的应

3、用也日益广泛。学习指导学习指导 电压比较器电压比较器不仅是波形产生电路中常用的基本单元，不仅是波形产生电路中常用的基本单元，也广泛用于测量电路、自动控制系统和信号处理电路中。也广泛用于测量电路、自动控制系统和信号处理电路中。因此要予以足够重视。因此要予以足够重视。主要内容：主要内容：(1)(1)正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件(2)RC(2)RC、LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(3)(3)非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路基本要求及学习目标基本要求及学习目标:(1)(1)掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件。掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件。(2)(2)

4、掌握掌握RCRC串并联式正弦波振荡电路的工作原理、起振条件、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。稳幅原理及振荡频率的计算。(3)(3)了解了解LCLC正弦波振荡电路的工作原理、组成原则、振荡频率正弦波振荡电路的工作原理、组成原则、振荡频率的计算。的计算。(4)(4)掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理，理解方掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理，理解方波、矩形波、三角波、锯齿波发生器的工作原理。波、矩形波、三角波、锯齿波发生器的工作原理。9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件1.振荡条件振荡条件2.起振和稳幅起振和稳幅3.振荡电路

5、基本组成部分振荡电路基本组成部分 正正反反馈馈放放大大电电路路如如图图示示。（注注意意与与负负反反馈馈方方框框图图的差别）的差别）1.振荡条件振荡条件若环路增益若环路增益则则去掉去掉仍有稳定的输出仍有稳定的输出又又所以振荡条件为所以振荡条件为振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件说明说明同相位或引入的反馈为正反馈。同相位或引入的反馈为正反馈。负反馈放大电路的负反馈放大电路的自激条件自激条件自激振荡自激振荡反馈深度反馈深度即即又又得自激振荡条件得自激振荡条件幅值条件幅值条件相位条件（附加相移）相位条件（附加相移）闭环增益闭环增益起振条件起振条件2.起振和稳幅起振和稳幅#振振荡荡电电路路

6、是是单单口口网网络络，无无须须输输入入信信号号就就能能起起振振，起振的信号源来自何处？起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声电路器件内部噪声 当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时，就就要要限限制制它它继继续续增增加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。噪噪声声中中，满满足足相相位位平平衡衡条条件件的的某某一一频频率率 0 0的的噪噪声声信信号号被被放大，成为振荡电路的输出信号。放大，成为振荡电路的输出信号。稳稳幅幅的的作作用用就就是是，当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时，使振幅平衡条件使振幅平衡条件从从 回到回到平衡平衡点点 一一个个反

7、反馈馈放放大大电电路路若若能能同同时时满满足足自自激激振振荡荡的的幅幅度度和和相相位位平平衡衡条条件件，就就一一定定能能产产生生自自激激振振荡荡，但但并并不不见见得得一一定定能能产产生生正弦波自激振荡，即正弦波自激振荡，即输出信号不一定是正弦波输出信号不一定是正弦波。3.基本组成部分基本组成部分 这这是是因因为为，若若同同时时有有多多种种频频率率的的正正弦弦波波信信号号都都满满足足自自激激振振荡荡条条件件，则则反反馈馈放放大大电电路路就就能能够够在在多多种种频频率率下下产产生生振振荡荡。它它的的输输出出信信号号就就是是一一个个由由多多种种频频率率的的正正弦弦波波信信号号合合成成的的非非正正弦波

8、信号弦波信号。为为了了获获得得单单一一频频率率的的正正弦弦波波振振荡荡，可可在在反反馈馈放放大大电电路路中中引引入入选选频频网网络络（选选择择满满足足相相位位平平衡衡条条件件的的一一个个频频率率），使使反反馈馈放放大大电电路路对对不不同同频频率率的的正正弦弦波波信信号号产产生生不不同同的的相相位位移移和和放放大大倍倍数数，使使电电路路只只让让某某一一特特定定频频率率的的正正弦弦波波信信号号满满足足自自激激振振荡荡条条件件，保保证电路输出正弦波信号。证电路输出正弦波信号。4放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路）3.正弦波振荡电路的基本组成部分正弦波振荡电路的基本组成部分4反

9、馈网络（构成正反馈）反馈网络（构成正反馈）4选选频频网网络络（选选择择满满足足相相位位平平衡衡条条件件的的一一个个频频率，经常与反馈率，经常与反馈 网络合二为一。）网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节RC RC 振荡器振荡器 低频低频1MHZ1MHZ1MHZ9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1.电路组成电路组成2.RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性3.振荡电路工作原理振荡电路工作原理4.振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定6.稳幅措施稳幅措施5.振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形1.电路组成电路组成反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络 RC振振荡荡电电路路有有很很多多种

10、种：桥桥式式的的、移移相相式式、双双T型的，但最常用的是桥式振荡电路。型的，但最常用的是桥式振荡电路。放大电路放大电路：运放、：运放、R1R1、RfRf组成同相组成同相比例运算电路比例运算电路反馈网络反馈网络选频网络选频网络RCRC串并联网络串并联网络电压串联负反馈电压串联负反馈由选频网络可知由选频网络可知2.RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性则反馈系数为：则反馈系数为：反馈系数反馈系数2.RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性幅频响应幅频响应又又且令且令则则相频响应相频响应2.RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性当当幅频响应有最大值幅频响应有最

11、大值相频响应相频响应3.振荡电路工作原理振荡电路工作原理1 1、会找出三个组成部分；、会找出三个组成部分；2 2、用用瞬瞬时时极极性性法法判判断断电电路路是是否满足相位平衡条件否满足相位平衡条件(+)(+)(+)(+)分析方法：分析方法：首首先先找找出出反反馈馈线线，在在A A处处断断开开反反馈馈线线，假假设设在在放放大大电电路路的的输输入入端端加加一一个个输输入入电电压压V Vi i，V Vi i的的频频率率正正好好是是选选频频网网络络的的固固有有频频率率f f0 0，即即f=ff=f0 0=1/2=1/2RCRC，假假定定某某一一瞬瞬时时ViVi对对地地极极性性为为（+），V Vo o在在

12、同同一一瞬瞬时时对对地地极极性性为为（+），由由于于f=ff=f0 0=1/2=1/2RCRC，根根据据相相频频特特性性来来判判断断，若若V Vo o的的频频率率也也为为f f0 0，A A点点在在同同一一瞬瞬时时对对地地的的极极性性也也为为（+）。再再接接上上反反馈馈线线，看看V Vf f和和V Vi i的的相相位位是是否否相相同同，若若同同相相，则则说说明明此此电电路满足相位平衡条件。路满足相位平衡条件。A3 3、振幅平衡条件：、振幅平衡条件：A Av vF Fv v=1=1；A Av v=1+R=1+Rf f/R/R1 1、F Fv v=1/3 R=1/3 Rf f=2R=2R1 13.

13、振荡电路工作原理振荡电路工作原理此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用用瞬瞬时时极极性性法法判判断断可可知知，电路满足相位平衡条件电路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件当当时，时，(+)(+)(+)(+)Av电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波4.振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定 就就是是要要使使电电路路自自激激，从从而而产产生生持持续续的的振振荡荡，由由直直流流电电变变为为交流电。交流电。振荡建立振荡建立：当当电电路路一一

14、接接上上直直流流电电源源，由由于于电电冲冲击击或或噪噪声声或或干干扰扰等等信信号号的的存存在在，它它们们都都含含有有丰丰富富的的谐谐波波，总总有有与与振振荡荡频频率率f f0 0相相同同的的谐谐波波，这这个个信信号号虽虽然然很很微微弱弱，但但经经过过放放大大电电路路和和反反馈馈网网络络的的作作用用，使输出信号的幅值越来越大，正弦波振荡由小到大地建立起来。使输出信号的幅值越来越大，正弦波振荡由小到大地建立起来。稳定稳定：输输入入谐谐波波经经过过放放大大 反反馈馈 再再放放大大的的循循环环，使使输输出出幅幅度度不不断断增增加加，但但由由于于幅幅度度增增大大到到一一定定程程度度时时，运运算算放放大大

15、器器工工作作在在非非线线性性区区，或或三三极极管管工工作作在在非非放放大大区区，所所以以输输出出幅幅度度就就会会下下降并趋于稳定。降并趋于稳定。平衡平衡点点5.振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形 因因为为只只有有在在f=ff=f0 0=1/2=1/2RCRC时时才才满满足足相相位位平平衡衡条条件件，所所以以振振荡荡频频率率即即为为选选频频网网络络的的固固有有频频率率f=1/2RCf=1/2RC。振荡频率振荡频率：振荡波形振荡波形：当当A Av vF Fv v稍大于稍大于1 1时，时，VoVo接近于正弦波；接近于正弦波；当当A Av vF Fv v远大于远大于1 1时，时，VoVo波形会严重失

16、真。波形会严重失真。采用非线性元件采用非线性元件6.稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，即即热敏电阻的作用热敏电阻的作用稳幅稳幅采用非线性元件采用非线性元件6.稳幅措施稳幅措施4场效应管（场效应管（JFETJFET）稳幅原理稳幅原理稳幅稳幅整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻可变电阻区，斜率可变电阻区，斜率随随vGS不同而变化不同而变化采用非线性元件采用非线性元件6.稳幅措施稳幅措施4二极管二极管 当当输出幅值很小时输出幅值很小时，二极，二极管管D1、D2接近开路，由接近开路，由D1、D2和和R3组成的并联支路的等组成的并联支路的等效电阻近似为效电阻近似为2.7千

17、欧，千欧，A约约3.3，3，有利于起振。，有利于起振。当当输出幅值较大时输出幅值较大时，二，二极管极管D1或或D2导通，由导通，由D1、D2和和R3组成的并联支路的组成的并联支路的等效电阻减小，等效电阻减小，A随之下降，随之下降，输出幅值趋于稳定。输出幅值趋于稳定。9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路 LCLC振荡电路主要用来产生高频正弦信号，振荡电路主要用来产生高频正弦信号，一般在一般在1MHz1MHz以上。它与以上。它与RCRC

18、振荡电路的不同之处振荡电路的不同之处是它由电感和电容组成，所以命名为是它由电感和电容组成，所以命名为LCLC正弦波正弦波振荡电路。振荡电路。1.1.等效阻抗等效阻抗 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性等效损耗电阻等效损耗电阻一般有一般有则则即即 时，时，电路发生电路发生谐振谐振。为谐振频率为谐振频率谐振时阻抗最大且为纯阻性谐振时阻抗最大且为纯阻性其中其中为为品质因数，品质因数，同时有同时有即即用来评价回路损用来评价回路损耗大小的指标耗大小的指标2.频率响应频率响应 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性谐振回路具谐振回路具有选频特性有选频特性1 由相频特性可知，当由相频特性可知

19、，当0 0时，时，由于由于L1/CL1/C，回路的等效电抗，回路的等效电抗呈感性；反之，回路的等效电抗呈呈感性；反之，回路的等效电抗呈容性容性。虽虽然然波波形形出出现现了了失失真真，但但由由于于LC谐谐振振电电路路的的Q值值很很高高，选频特性好，所以仍能选出选频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路1.电路结构电路结构2.相位平衡条件相位平衡条件3.幅值平衡条件幅值平衡条件4.稳幅稳幅5.选频选频 通通过过选选择择高高 值值的的BJT和和调调整整变变压压器器的的匝匝数数比比，可可以以满足满足，电路可以起振。，电路可以起振。BJT进入非线

20、性区，波形进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。（定性分析）（定性分析）(+)()同名端(+)(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路反馈反馈满满足足相相位位平平衡衡条条件，可能振荡件，可能振荡满满足足相相位位平平衡衡条条件，可能振荡件，可能振荡反馈反馈仍仍然然由由LCLC并并联联谐谐振振电电路构成选频网络路构成选频网络 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1.1.三点式三点式LCLC并联电路并联电路电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式谐振回路的三个谐振回路的三个引出端与三极管引

21、出端与三极管的三个电极相连的三个电极相连(指交流连接指交流连接),其其中两个同性质电中两个同性质电抗的公共点与抗的公共点与发发射极射极相连相连,而另一而另一个异性电抗则连个异性电抗则连在集电极与基极在集电极与基极间。间。方法方法1 1仍仍然然由由LCLC并并联联谐谐振振电电路构成选频网络路构成选频网络 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1.1.三点式三点式LCLC并联电路并联电路电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式谐振回路的三个谐振回路的三个引出端点与场效引出端点与场效应管的三个电极应管的三个电极相连（指交流连相连（指交流连接），其中两个接），其中两个同性质电抗的公同性质电抗的公共点与共点与

22、源极源极相连，相连，而另一个异性电而另一个异性电抗则连在栅极与抗则连在栅极与漏极之间。漏极之间。方法方法1 1仍仍然然由由LCLC并并联联谐谐振振电电路构成选频网络路构成选频网络 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1.1.三点式三点式LCLC并联电路并联电路电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式谐振回路的三个引谐振回路的三个引出端与集成运放的出端与集成运放的三个端子三个端子(同相端、同相端、反相端、输出端反相端、输出端)相相连连(指交流连接指交流连接),),其其中两个同性质电抗中两个同性质电抗的公共点与的公共点与同相端同相端相连，而另一个异相连，而另一个异性电抗则连在反相性电抗则连在反相端与输

23、出端之间。端与输出端之间。方法方法1 1仍仍然然由由LCLC并并联联谐谐振振电电路构成选频网络路构成选频网络A.A.若若中中间间点点交交流流接接地地,则首端与尾端相位相反。则首端与尾端相位相反。三点式三点式LC振荡电路振荡电路1.1.三点式三点式LCLC并联电路并联电路电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式 中中间间端端的的瞬瞬时时电电位位一一定在首、尾端电位之间。定在首、尾端电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B.B.若若首首端端或或尾尾端端交交流流接接地地,则其他两端相位相同。则其他两端相位相同。方法方法2 2 三点式三点式LC振荡电路振荡电路2.电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路

24、三点式三点式LC振荡电路振荡电路3.电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1.频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 500000 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2.2.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路结构结构极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效

25、应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高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当交变电压频率=固有频率时，振幅最大。固有频率时，振幅最大。压电谐振压电谐振 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路等效电路等效电路A.串联谐振串联谐振特性特性 晶晶体体等等效效阻阻抗抗为纯阻性为纯阻性B.并联谐振并联谐振通常通常所以所以 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为由于由于由此看出由此看出调整调整 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路3.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路串联晶体振荡器串联晶体振荡器 并联晶体振荡器并联晶体振荡器+作业作业、