模拟电路课件信号产生电路.ppt

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1、 9.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.4 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路信号产生电路信号产生电路(振荡器振荡器Oscillators)分类：分类：正弦波振荡正弦波振荡:非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器(1 kHz 数百数百 kHz)LC 振荡器振荡器(几百几百 kHz 以上以上)石英晶体振荡器石英晶体振荡器(频率稳定度高频率稳定度高)方波、方波、三角波、三角波、锯齿波等锯齿波等主要性能求：主要性能求：输出信号的输出信号的幅度准确稳定幅度准确稳定输出信号的输出信号的频

2、率准确稳定频率准确稳定引言引言9.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件正反馈放大电路框图正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）（注意与负反馈方框图的差别）1.1.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 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似。只不过负反馈产生自激的条件十分类似。只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端，产生了足够的附加相移，从而使的两端，

3、产生了足够的附加相移，从而使负反馈变成了正反馈。负反馈变成了正反馈。在振荡电路中加的在振荡电路中加的就是正反馈，就是正反馈，振荡建立后只是一种频率的振荡建立后只是一种频率的信号，无所谓附加相移。信号，无所谓附加相移。9.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 振荡条件 幅度平衡条件 相位平衡条件 AF=A+F=2n(a)负反馈放大电路 (b)正反馈振荡电路 图9.01 振荡器的方框图 比较图9.01(a)和(b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的输入信号 ，所以 。由于正、负号的改变比较比较:起振条件起振条件2.起振和稳幅起振和稳幅#振振振振荡

4、荡荡荡电电电电路路路路是是是是单单单单口口口口网网网网络络络络，无无无无须须须须输输输输入入入入信信信信号号号号就就就就能能能能起起起起振振振振，起起起起振振振振的的的的信号源来自何处？信号源来自何处？信号源来自何处？信号源来自何处？电路器件内部噪声以及电源接通扰动电路器件内部噪声以及电源接通扰动 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。

5、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，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到起振过程起振过程起振条件起振条件放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUoUfUi 1/FuAu=1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu 1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf2Ui4Uo4ufuf 起振起振稳幅稳幅 2.起振和稳幅起振和稳幅 为了产生正弦波为了产生正弦波，必须在放大电路里加入，必须在放大电路里加入正反馈，因此正反馈，因此放大电路放大电路和和正反馈网络正反馈网络是振荡电是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振路的

6、最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路稳幅电路。2.起振和稳幅起振和稳幅 为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和

7、L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。既然 ，起振后就要产生增幅振荡，需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加，这样电路必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。2.起振和稳幅起振和稳幅3.电路的组成和起振的判断电路的组成和起振的判断1.放大电路放大电路 Au2.正反馈网络正反馈网络 Fu3.选频率网络选频率网络实现单一频率的振荡实现单一频率的振荡4.稳幅环节稳幅环节使振荡稳定、波形好使振荡稳定、波形好满足振荡条件满足振荡条件 组成组成:放大器放大器选频正选频正反馈网络反馈网络UoUfUi选频选频放大器放大

8、器正反馈正反馈网络网络UoUfUi 判断判断:1.检查电路组成检查电路组成2.“Q”是否合适是否合适3.是否满足起振条件是否满足起振条件3.电路的组成和起振的判断电路的组成和起振的判断起振过程起振过程稳定振荡稳定振荡9.2 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.稳幅措施稳幅措施1.电路组成电路组成反反馈馈网网络络兼兼做做选选频频网络网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路同相同相放大器放大器 A=2n F=0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

9、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，电电路满足相位平衡条件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，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 的正弦波的正弦波采用非线性元件采用非线性元件4.稳幅措施稳幅措施4热敏元件热敏元件

10、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Rf 不能太大，否则不能太大，否则正弦波将变成方波正弦波将变成方波应使：应使：采用非线性元件采用非线性元件4.稳幅措施稳幅措施4场效应管（场效应管（JFET）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，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不不同而变化同而变化采用非线性元件采用非线性元件4二极管二极管稳幅原理稳幅原理稳幅稳幅起振时起振时4.稳幅措施稳幅措施稳幅环节稳幅环节利用二极管的正向伏安利用二极管的正向伏安利用二极管的正向伏安利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。特性的非线性自动稳幅。特性的非线

11、性自动稳幅。特性的非线性自动稳幅。例：例：RC 移相式振荡电路移相式振荡电路8CRRfRCRC一节一节 RC 环节环节移相移相 90 二节二节 RC 环节环节移相移相 180 三节三节 RC 环节环节移相移相 270 对于对于的信号的信号，满足相位平衡条件满足相位平衡条件优点：优点：结构简单结构简单缺点：缺点：选频特性差，输出波形差选频特性差，输出波形差9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路9.3.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路9.3.1 LC选频放大电路选频放大电路9.3.1 LC选频

12、放大电路选频放大电路等效损耗电阻等效损耗电阻一般有一般有则则当当 时，时，电路谐振。电路谐振。为谐振频率为谐振频率谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性其中其中为品质因数为品质因数同时有同时有即即1.并联谐振回路并联谐振回路9.3.1 LC选频放大电路选频放大电路阻抗频率响应阻抗频率响应（a）幅频响应）幅频响应 （b）相频响应）相频响应 1.并联谐振回路并联谐振回路9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 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，选选频特性好，所以仍能选出频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正

13、弦波信号。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增增益益的的场场效效应应管管和和调调整变压器的匝数比，可以满足整变压器的匝数比，可以满足使电路可以起振。使电路可以起振。FET或或BJT进入非线性区，波形出进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。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）9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。相位

14、相反。1.三点式三点式LC并联电路并联电路中中间间端端的的瞬瞬时时电电位位一一定定在在首首、尾尾端端电电位之间。位之间。三点的相位关系三点的相位关系:（重要）（重要）B.若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。C+VCCVRERB1RB2CECBL1L2C1M1239.3.3 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优点：优点：缺点：缺点：易起振易起振(L 间耦合紧间耦合紧)；易调节易调节(C 可调可调)。输出取自电感，对输出取自电感，对高次谐波阻抗大高次谐波阻抗大，输出波形差。输出波形差。9.3.3 三点式三点式L

15、C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+VCCTRERB1RB2CECBLC1C2123LC39.3.3 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优点：波形较好优点：波形较好缺点：缺点：2)T 极间电容影响极间电容影响 f01)调频时易停振调频时易停振9.3.3 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结论结论：在在LC三点式正弦波发生电路中，为了三点式正弦波发生电路中，为了 满足产生振荡的相位平衡条件，满足产生振荡的相位平衡条件，同性同性 质电抗质电抗的中间点必须接集成运放的的中间点必须接集成运放的同同 相输

16、入端相输入端或或BJT的的发射极发射极。（重要）（重要）9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 例：例：例：例：图示电路能否产生正弦波振荡图示电路能否产生正弦波振荡图示电路能否产生正弦波振荡图示电路能否产生正弦波振荡,如果不能振荡，加以如果不能振荡，加以如果不能振荡，加以如果不能振荡，加以改正。改正。改正。改正。L L+U UCCCCC C1 1R RB1B1R RB2B2R RE EC CE EC C2 2解：解：解：解：直流电路合理。直流电路合理。直流电路合理。直流电路合理。旁路电容旁路电容旁路电容旁路电容C CE E将反馈信将反馈信将反馈信将反馈信号旁路，号旁路，号旁路，号旁路，即

17、电路中不存即电路中不存即电路中不存即电路中不存在反馈，所以电路不能在反馈，所以电路不能在反馈，所以电路不能在反馈，所以电路不能振荡。将振荡。将振荡。将振荡。将C CE E开路，则电开路，则电开路，则电开路，则电路可能产生振荡。路可能产生振荡。路可能产生振荡。路可能产生振荡。反馈电压取自反馈电压取自反馈电压取自反馈电压取自C C1 1 正反馈正反馈正反馈正反馈9.3.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路（略）（略）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。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

18、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 5000009.3.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路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。压电谐振压电谐振等效电路等效电路rqC0CqLqLq 晶体的动态电

19、感晶体的动态电感 (10-3 102 H)(大大)Cq 晶体的动态电容晶体的动态电容 (0.1 pF)(小小)rq 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻(小小)Co 晶片静态电容晶片静态电容 (几几 几十几十 pF)9.3.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路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大大大大小小小小小小小小大大大大fXfPfS容性容性感性A.串联谐振串联谐振 晶体等效阻抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性B.并联谐振并联谐振通常通常所以所以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使用注意使用注意:2)要有合适的激励电平。过大会影响要有合适的激励电平

20、。过大会影响 频率稳定度、振坏晶片；过小会使频率稳定度、振坏晶片；过小会使 噪声影响大，还能停振。噪声影响大，还能停振。1)要要接接一定的负载电容一定的负载电容 CL(微调微调)，以以达达标称频率。标称频率。9.3.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路a.串联型串联型 f=fs，晶体，晶体呈纯阻呈纯阻+VCCVRERB1RB2CBLCb.并联型并联型fs f fp，晶体，晶体呈感性呈感性+VCCVRERB1RB2CEC3C1C2RC9.3.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路3.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路9.3.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路b并联型即外接一小电容并联型即外接一小电容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3.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路end