第9章 波形发生电路和集成运放的非线性应用

章 电子学教研室
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模 拟 电 子
6 ( 1 )3
F arctg RC
1 5(
RC
1 )2
RC
技
术
基
RC移相式正弦波发生电路一般用于振荡频
础 率固定且稳定性要求不高的场合，其频率范围
第 为几Hz～几十kHz。
九
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4．双T选频网络正弦波发生电路
极 性 也 为 (+) ， 满 足 相 位
础 平衡条件。
第
只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数和其
九 他电路参数，幅值平衡条件就很容易得到满足。
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模 共基发射极调谐变压器耦合 LC正弦波发生电路
拟
电
交流基极接地，
子 集电极与发射极
技 术
同相位。通过互
基 感耦合，反馈信
R
C
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模 （3）振荡的稳幅和稳频
拟
振荡幅值的稳定
电
对于实际的正弦波发生电路，电源电压、温
子 度、湿度等外界因素的变化将导致晶体管和电
技 路元件参数发生改变，从而破坏维持振荡的幅
术 值平衡条件AF =1。
基
础
为了稳定输出电压的幅值，可以在放大电路
的负反馈回路中采用非线性元件来自动调整反
RC串并联网络的频率特性
模
0
1 RC
拟 F幅值最大，
电 为1/3
子
技
术
基
础
第
九
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0 时， F 0
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2． RC桥式正弦波发生电路
RF
模 （1）电路组成
R1
拟 电
由RC串、并联网络和
子 同相比例运算电路构成。
技 术
Rf和R1为集成运放引 R
基 入负反馈，该反馈网络
子
LC正弦波振荡电路的组成和工作原理;
技
比较器电压传输特性的分析方法。
术 难点
基
本章所讲述的电路具有一定的综合性，既含
础 有集成运放工作在线性区的积分运算电路，又
第 含有集成运放工作在非线性区的滞回比较器， 九 因而给学习带来一定的困难。
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9.1正弦波振荡电路
模
自激振荡是指：即使放大电路的输入端不加
1
R2
jR2C2
电 子 技 术 基 础
第 九
•
R2
Z2
F
U
•
f
Uo
Z2 Z1 Z2
R1 1 /
1
1 jR2C2
jC1
1
R2
j R2C2
(1
C2 C1
R1 R2
)
j ( R1C2
1)
R2C1
F
1
通常取 R1=R2、C1=C2
3 j(RC 1 )
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RC
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模
础 号 接 发 射 极 。 CB 、
第 CE为耦合电容。 九
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用瞬时极性法判断电路相位平衡条件
模
断开反馈输入
拟 点（射极画×处） 电 子 ，加入瞬时极性
技 为(＋)的信号，
术 集电极瞬时极性
基 础 也为(＋) 。
通 过 同 名 端 和 互 感 ， L3 上 Uf
础 工作点稳定电路，交
CB和CE为基极和发射极
第 流信号能够输入、输 旁路电容，比LC谐振回路的
九 出和放大。 章 电子学教研室
C值大很多。
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用瞬时极性法判断电路相位平衡条件
模
断开反馈输入点（基
拟
电 极画×处），加入一个瞬
子 时极性为(+)的信号，由
技 此可得反馈接到基极点的
术 基
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Uo’ C
CC
（2）振荡频率的定量计算
RR
R
模 拟
U
' o
1
Uo
1 5( 1 )2
RC
j
6
RC
(
1 RC
)3
R1
电
RF
A
+
Uo
子 技
0
1 RC
6
f0
1
2RC
6
R’
术 基 础
振荡时，反馈系数
F
1
1
1 5( 1 )2 29
0 RC
第 九
为达到幅值平衡，应有 A RF 29 R
（4）振荡频率f0（ω0 ）的计算
模
RC桥式正弦波发生电路中，同相放大电路的
拟 输出电阻很小，可视为零；输入阻抗很大，可
电 忽略其对RC串、并联网络的影响。
子
所以电路的振荡频率就是RC串、并联网络
技 术 基
的特征（谐振）频率：
f0
1
2RC
础
RC正弦波发生电路通常只能用作低频和中
第
频正弦波发生电路（1Hz～1MHz）。
拟 信号，它的输出端也会出现某一频率和幅度的 电 子 波形。在这个频率点上，负反馈电路已经转变
技 为正反馈电路。
术 基
负反馈放大电路的自激振荡是要消除的，而
础 正弦波发生电路就是利用这种自激振荡的现象
第 来产生正弦信号。因此，人为引入了正反馈。
九
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正弦波发生电路的框图
第9章 波形发生电路 和集成运放的非线性应用
6学时
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波形发生电路和集成运放的非线性应用
模
拟 电
作业
子
思考 9-4
技 术
习题 9-5、9-6、9-7、9-16
基
础
第
九
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重点和难点
模 重点
拟
正弦波振荡电路的组成及振荡条件的判断;
电
桥式RC正弦波振荡电路的组成和工作原理;
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模
要建立振荡（起振），电路须满足正反馈条
拟 电
件，即φAF=φA+φF=2nπ，同时使反馈信号xf大于
子 净输入信号xid。只有这样，才能使电路中自激
技 振荡和输出信号由小到大建立起Байду номын сангаас。
术 基
起振的幅值条件：
础
AF 1
第
九
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2.正弦波发生电路的组成部分
模 （3）检查电路能否满足自激条件；
拟 电
检查相位平衡条件和 幅值平衡条件，关键
子 检查相位平衡条件。
技 术
（4）估算振荡频率f0（ω0 ）。
基
取决于选频网络参数。
础
第
九
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模 正弦波发生电路类型分为：
拟
RC正弦波发生电路
电 子
振荡频率较低，一般在1MHz以下；
电路的特征角频率：
F 3 j(
1
0
0
1 RC
)
拟
0
ω= ω0
电 子 技
幅频特性为： F
1
9 ( 0 )2
幅值最 大为1/3
术
0
基 础
第
相频特性为：
F
arctg
( 0
0 )
3
ω= ω0 φF=0
九 在特征（谐振）频率点上RC串并联网络呈电阻性。
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的接射极点的瞬时极性也为(＋) 。
第 九 章 电子学教研室
满足产生振荡的相位平衡条件。
第 馈的强弱。如温控电阻。
九
章 电子学教研室
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模
振荡频率的稳定
拟 电
在实用电路中往往要求正弦波发生电路的振
子 荡频率有一定的稳定度。
技
正弦波发生电路振荡频率稳定的条件是相频
术
基 特性曲线φF(ω)在ω0附近的斜率小于零。
础
即
第 九
d F d
0 0
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九
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3．RC移相式正弦波发生电路
模 （1）电路组成和振荡条件的实现
拟 电 子
放大电路是反相输入的带电压并联负反馈的
运放电路。
Uo’ C
CC
技
A 180
术
基 础
若要满足相位平衡 条件，反馈网络还必须 在某一特定的频率点上
第 再移相180 °，使
九
A F 0
第 输出波形基本不失真。
九
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3.正弦波发生电路的分析方法
模 （1）分析电路的组成;
拟 电
是否包含放大、反馈、选频和稳幅等基本环
子 节。
技 （2）分析放大电路能否正常工作; 术
基
是否有合适的静态工作点,动态信号是否能够
础 输入、输出和放大。
第
九
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拟 式，变压器耦合LC正弦波发生电路可分为三种 电 子 类型：
技
集电极调谐
术
基
发射极调谐
础
第
基极调谐
九
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模 共射集电极调谐变压器耦合LC正弦波发生电路
拟
电路包含：共射
电 放大、反馈网络、LC
子 选频网络和稳幅环节
技 （利用三极管的非线
术 性实现）。
基
放大电路是典型的
技
LC正弦波发生电路
术
振荡频率都在1MHz以上；
基
石英晶体正弦波发生电路
础
可等效为LC正弦波发生电路，其振荡频率十
第 分稳定。
九
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RC正弦波发生电路
模 RC正弦波发生电路可分为：
拟 电
RC串、并联电路式（桥式）
子
移相式
技 术
双T电路式
基
最常用的是RC串、并联电路式
模
LC 正 弦 波 发 生 电 路 通 常 用 于 产 生 高 频
拟 (>1MHz)正弦信号。 电
子
LC正弦波发生电路和RC正弦波发生电路相
技 比，构成方法类似，其选频网络采用可调谐的 术 基 LC回路。
础
LC回路工作在谐振频率时电路能提供较大
第 的增益，而其余频率的信号被大大衰减。
九
章 电子学教研室
模
RF和R1为集成运放引入正反馈，双T网络引
拟 入负反馈，同时又是选频网络。
电
子
双T网络特征频率为：
技 术 基
f0
1
2RC
础
第
九
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模
调 整 R1 可 以 改 变 正 反 馈
拟 量，使之既满足起振要求，
电
子 又不因正反馈过强而使波形
技 严重失真。
术 基
稳 压 管 VS1 和 VS2 用 来 稳
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模
通用型集成运放的频带较窄，高速型集成运
拟 放成本高，故LC正弦波发生电路一般采用分立 电 子 元件组成。
技
由LC并联谐振回路构成的正弦波发生电路分
术 基
为变压器耦合式和LC三点式两大类。
础
第
九
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模 1．LC谐振回路的选频特性
拟 电
LC正弦波发生电路中的选频
础 没有选频作用。
-
A
+
Uo
CR
C
第
RC串、并联电路为集成运放引入了另一个反
九 馈（正反馈），它既是选频网络又是反馈网络。
章 电子学教研室
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（2）振荡条件和起振条件
模 产生振荡的相位平衡条件 R1
拟 电
利用瞬时极性法判断电
子 路是否引入了正反馈。
技
术
R
基
电路满足产生振荡的相
础 位平衡条件。
础
第
九
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模 RC串、并联电路的选频特性
拟 电
电路由R1和C1的串联以及
子 R2和C2的并联组合串联而成
技
它在RC正弦波发生电路中
术
基 既是反馈网络又是选频网络。
础
第
九
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Z1 R1 1/ jC1
Z1
模 拟
Z2
R2
// 1/
jC2
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R
R
R RF
R1
-
A
+
Uo
R’
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模
一节RC移相网络可以移相0°～90°，需要
拟 满足产生振荡的相位平衡条件，必须有三节或
电
子
者三节以上的移相电路。
Uo’ C
CC
技
只需要调整RF，
R
R
术 基
就可以产生正弦波振荡。
R
RF
础
R1
-
第 九 章 电子学教研室
A
+
Uo
R’
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第
九
章 电子学教研室
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RF
-
＋
＋ +A
Uo
CR
＋
C
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模 产生振荡的起振条件和幅值平衡条件
拟 电 子
同相比例电路电压增益为：Au
1
RF R1
已知当ω= ω0时， F 1
RF
技 术
3 R1
起振条件AF ＞1，即
A
基
RF 2R1
础 维持振荡的幅值平衡条件
+
Uo
CR
第 九
RF 2R1
模 拟 电 子 技 术 基 在正弦波发生电路中，人为地接成正反馈。 础
第
九
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模 1.正弦波发生电路的自激条件
拟 电
AF=1是正弦波发生电路中能维持等幅自激
子 振荡的平衡条件。
技
因为，A、F是复数，所以式包含幅值条件和
术
基 相位条件，即
础 AF 1
幅值条件
第 九
A F 2n (n为整数) 相位条件
础 定输出幅值。通常选其稳定
第 电压约为输出不失真正弦波
九 峰－峰值的1.5倍。
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模
双T网络比RC串、并联网
拟 络具有更好的选频特性。 电
子
其缺点是频率调节困难，
技 通常适用于需要产生固定频 术 基 率的场合。
础
第
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LC正弦波发生电路
术 基
。通常正反馈网络和选频网络合二为一。
础
第
九
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模
电路满足起振条件后，输出信号将逐渐增大
拟 。当幅值增大到一定程度后，放大电路中的晶 电 子 体管进入饱和或者截止区，输出波形将产生失
技 真。
术 基
故电路中还必须有稳幅环节，其作用是在振
础 荡建立后，使幅值条件从AF＞1自动演变为，使
子 网络大多采用LC并联谐振回路。
技 术
信号频率低时容抗大，呈感性，信号频率高
基 时感抗大，呈容性，只有在谐振频率点上网络
础 呈纯阻性，且阻抗无穷大。谐振时电场能和磁
第 场能相互转换。
九
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2．变压器耦合式LC正弦波发生电路
模
根据LC回路的端点接到三极管电极的不同方
模 一般由以下基本部分组成：
拟 电
1.宽频带放大电路；
子
2.引入正反馈的反馈网络；
技 术
3.选频网络；
基
4.稳幅环节。
础
第
九
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模
正弦波发生电路的输出波形应是单一频率的
拟 正弦波，要求电路只在所需的频率上满足起振 电 子 和维持振荡的条件。
技
选频网络可设置在放大电路或正反馈网络中