模拟电子技术基础第6章波形的产生与变换电路

共射放大电路
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三极管的负载并 作选频网络
2）起振条件和振荡频率
相位起振条件：
在谐振频率fo 处满足 相位平衡条件。
振荡频率约为谐振频率
fo
2
1 LC
幅度起振条件： 只要选择合适的变压
器匝数比，都能满足 幅度起振条件。
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优点： 1）只要改变LC并联谐振电路的电容C，即可改变振荡 频率，故适于制作频率可调的振荡器。 2）选择适当的变压器匝比n或互感M，使电路容易起振 3）选择适当的变压器匝比，可适应不同负载的要求。
缺点：振荡频率不宜太高，一般在100MHz以下。
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3、电感反馈式振荡电路（电感三点式）
1）组成
三极管的负载并 作选频网络
共射放大电路
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反馈元件
注意：分析三点式LC振荡电路时：
三点式LC并联电路: 由LC并联谐振电路构成选频网络
中间端的瞬时电位一定在首、尾端 电位之间。 三点的相位关系 A. 若中间点交流接地，则首端与尾端
LC振荡电路中Q值对频率稳定度有较大影响，Q增大， f 稳定度提高。
Q 1 L RC
R
L体积， R（线圈损耗） 且分布电容C 。
L C电路中不稳定电容C（分
C 布电容、杂散电容）影响。
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石英晶体具有很高的Q值及等效L/C值，由石英 晶体组成的振荡器其频率稳定度可达106~108。
2、石英晶体的特性与等效电路
门限电压 UT = 0
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3）带限幅的比较器 输出电压幅度限制在某一范围。
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2、任意电平比较器
u
R1 R1 R2
ui
R2 R1 R2
U RFF
u＋ 0
令u－= u+
UT
R2 R1
Fra Baidu bibliotek
U REF
若
ui
R2 R1
U REF
若
ui
R2 R1
U REF
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即u+ < u即u+ > u-
则uo = Uz 则uo = +Uz
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1、LC并联谐振电路的选频特性
j 1 (R jL)
Z
j
C
1
R
jL
C
一般R <<ωL，则
（ j 1 ） jL
L
Z
C
j 1 R
C
jL
1
RC
j L 1
R
1
2 LC
Zo
1
jQ1
f
2 o
f2
Zo
L RC
Q oL 1 L
R RC
fo
2
1 LC
19
Z
Zo
1
jQ1
fo2 f2
fo
2
1 LC
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比较器可用通用的集成运放组成，也可采用专用 集成比较器。
由集成运放构成的比较器，运放通常工作在开环 状态或者引入正反馈，此时运放工作在非线性区。
虚断：i＋＝i－＝0 u＋>u－时，uo＝Uom或uo＝UZ u＋<u－时，uo＝－Uom或uo＝－UZ
常用的比较器类型有：单门限比较器、迟滞(滞回) 比较器、窗口比较器等。
Q 1 L RC
Q值可达106。
振动时用LC振荡电路模拟 L：模拟机械振动的惯性， 几十mH～几百mH C：模拟晶片弹性，0.0002 ～0.1pF R：模拟振动的摩擦损耗， 约100Ω
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4）阻抗特性
串联谐振频率
fs
2
1 LC
并联谐振频率
fp
2
1 L CCo
C Co
fs
1 C Co
当f = fs时，LCR支路发生串联谐振，等效阻抗最 小(zo=R)。由于1/ωCo>>R，故近似认为石英晶体对于 fs 呈纯阻性。
fo 结论：
R基本放大电路的负载加重； C受到管子结电容和分布电容的限制。
RC正弦波振荡器只能用作低频振荡器。
振荡频率的范围：1Hz ~几MHz
当振荡频率高于1MHz时，采用LC正弦波振荡器。
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6.3 LC正弦波振荡电路
LC选频电路 变压器反馈式振荡电路 电感反馈式（电感三点式）振荡电路 电容反馈式（电容三点式）振荡电路
1 6RC
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优点：结构简单。 缺点： 选频作用较差； 频率调节不方便； 输出波形较差。
一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合。
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RC正弦波振荡器的振荡频率取决于R、C的数值。
1
fo 2RC
fo 2
1 6RC
若提高振荡频率fo ，必须选择较小的R和C值。 例如，桥式振荡器。
选R=1kΩ，C=200pF，则 fo=796Hz
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2）起振条件和振荡频率
电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。
振荡频率即为谐振频率：
fo
2
1 LC
2
1 L C1C2
C1 C2
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6.4 石英晶体振荡器
1、正弦波振荡器的频率稳定问题
工程技术中，常要求振荡器的振荡频率十分稳定。如 通讯系统中的射频振荡器，数字系统中的时钟发生器。
频率稳定度：衡量振荡频率稳定程度的质量指标。定 义为在特定时间内频率的相对变化量f /fo。
若 Uf Ud ，则环路输出可得到持续稳定的正弦波。
5
由 U f U d
得
U f U d
U o U d
U f U o
1
A F 1
——正弦波振荡电路产生振荡的条件 幅度平衡条件：A F AF 1
相位平衡条件： A F 2n (n 0,1,2,)
注意：负反馈放大器的自激条件为
A F 1
UT−
0 UT+
ui
-UZ
UT
UT
UT
2 R2 Rf R2
Uz
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ΔUT称为门限宽度（回差）
uo UZ
UT−
0 UT+
ui
UT
UT
UT
2 R2 Rf R2
Uz
-UZ
特点：
ui UT时，比较器不翻转。 UT 灵敏度 抗干扰能力
1）结构
引线
2）压电效应和压电谐振
晶片
压电效应：当石英晶片的两电 极间加一电场，晶片会产生机 械形变；反之，机械力又会在 晶片上产生电场。
敷银层
压电谐振：当某一特定频率的交变电压作用于晶片 时，能使晶片的机械振幅最大。
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3）等效电路与阻抗特性
石英晶体的压电谐振可用LC回路的电参数来模拟。
晶体不振动时，视为平 板电容 Co：静态电容，很小， 几pF～几十pF
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6.5.1 单门限比较器
1、过零比较器 1）工作原理 运放开环工作。ui与u+相比较。 当ui≤0时，uo=+Uom；当ui≥0 时，uo=Uom；
电压传输特性
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波形变换
2）门限电压(阈值） 当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一 种状态时相对应的输入电压称门限电压UT。 如何求门限值?
列出集成运放同相输入端（u＋）和反相输入 端（u－）电位的表达式，令它们相等，求出的输入 电压即为阈值电压。
RC网络谐振时满足自激振
荡的相位平衡条件。
振荡频率：
fo
1
2RC
由同相放大电路：A 1 R3
R4
由选频网络可知，谐振时： F 1
3
由幅度起振条件： A F 1
A 3
或 R3 2R4
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3）稳幅环节
为了改善振荡波形，一 般采用外稳幅电路。 R4采用正温度系数的热 敏电阻，可起稳幅作用
Uo IR4 PR4
与上式差一负号，这是由于输入端规定的反馈信号 正方向不同所造成的。
6
2、振荡的建立和稳定
1）起振 实际振荡电路不需外部激励信号，以内 部噪声或外部干扰作输入信号，经放大后再反馈， 周而复始使电路开始振荡。 2）选频 为了得到频率为fo的正弦振荡，可用选频 网络从噪声和干扰中选出频率为fo的成分，并使整 个振荡电路只对fo满足等幅振荡条件。 3起）振稳过幅程应从使噪振声荡和电干路扰增中幅选振出荡的，fo即分量A F幅度1 很小， 当幅度足够大后，再继续增幅，将出现非线性失真， 则需振荡器幅度稳定。故在振荡电路中要有稳幅环 节。
1、文氏电桥（RC串并联）振荡器
同相比例 放大电路
RC选频网络， 兼正反馈网络
10
Z1、Z2、 R3 与R4形 成四个桥臂
1）RC串并联网络的选频特性
Z1 R1 (1 / jC1 )
Z2 R2 //(1 / jC2）
F
U f U i
Z2 Z1 Z2
1
R2
jR2C2
1
1
R1 R2
C2 C1
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§ 6.5 电压比较器
比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相 比较的电路。其输出表示比较结果，只有两种可能 的状态：高电平或低电平。
比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出 信号则是高、低电平。所以，比较器可作为模拟电 路和数字电路的“接口”，广泛地应用于A/D变换、 数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，此外 还可以用于非正弦波形的产生和变换电路。
非正弦波产生电路：如矩形波、 三角波、锯齿波。广泛应用于测 量设备、数字系统和自控系统。
2
波形的产生与变换
正弦波振荡电路 电压比较器
非正弦波振荡电路
3
正弦波振荡电路
正弦波振荡电路的工作原理 RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体振荡器
4
6.1 正弦波振荡电路的工作原理
在振荡电路中，是利用正反馈产生自激振荡。 但正反馈的引入只是为振荡提供了必要条件，而 非充分条件。 1、正弦波振荡电路产生振荡的条件
具体做法是：断开反馈信号至放大器的连接点，假设从该点引 人输入信号Vi，极性为+，根据放大器的相位关系来判断所得反 馈信号Vf的极性。如果Vf的极性为+，即为正反馈，满足相位平 衡条件，电路可以产生振荡；如果Vf的极性为-，即为负反馈， 不满足相位平衡条件，电路就不能产生振荡。
9
6.2 RC正弦波振荡电路
TR4
R4
A 1 R3 R4
Uo
也可采用负温度系数的热敏电阻作R3。
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2、RC移相式正弦波振荡器
移相网络采用RC移相器（最大移相90） 。
超前 移相
滞后 移相
反相放大电路在通频带内的 移相为180。
三节RC电路为移相兼反馈网 络，对某一频率可实现180 相移，从而满足振荡条件。
振荡频率： fo 2
谐振频率
Zo
L RC
谐振时Z 为纯电阻性
Q oL 1 L
R RC
品质因数Q值越大，选频特性越 好，谐振时阻抗越大。
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2、变压器反馈式振荡电路
1）组成
反馈线圈L2。将反馈 信号送入放大器输入 端。交换反馈线圈的 两个线头，可使反馈 极性反相。调整反馈 线圈的匝数可以改变 反馈信号的强度。
阻抗变换
7
3、电路组成 正弦波振荡电路应具备下 述四个功能的部分组成：
4、正弦波振荡电路的分类
放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路
按组成选频网络的元件不同：
RC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路 石英晶体正弦波振荡电路
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判断电路能否振荡一般要经过以下几步：
1)检查电路是否具有放大、反馈、选频网络三个组成部分。 2)检查放大器有无能稳定工作点的偏置电路，放大器能否正常 放大。 3)分析是否满足相位和振幅平衡条件。对于一般的振荡电路来 讲，可以认为振幅平衡条件是满足的。只需判断是否满足相位 平衡条件，即是否引入了正反馈。
解决方法：采用迟滞比较器。
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6.5.2 迟滞比较器
正反馈 ？？
1、电路结构及工作原理
u
Rf Rf R2
U RFF
R2 Rf R2
uo
u－ ui
令 u＋ u－ 得门限电压：
UT
Rf Rf R2
U RFF
R2 Rf R2
Uz
UT
Rf Rf R2
U RFF
R2 Rf R2
Uz
uo UZ
相位相反。 B. 若首端或尾端交流接地，则其他两
端相位相同。
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2）起振条件和振荡频率
电路在LC并联回路谐振时，满足相位平衡条件。 振荡频率即为谐振频率：
fo
2
1 LC
1
2 （L1 L2 2M )C
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4、电容反馈式振荡电路（电容三点式）
1）组成 三极管的负载并 作选频网络 共射放大电路
反馈元件
小结: 单门限比较器只有一个门限电压（又称为 阈值），当输入电压越过该门限电压时，输 出电压发生跳变。 特点: 电路简单、灵敏度高。
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单门限比较器的抗干扰能力差
当输入信号在参考电压附近时， 如果输入信号还没有变化时，出 现干扰信号，这个干扰信号就有 可能使比较器翻转，出现不希望 的误动作。
输入信号在参考电压附近变化 也会导致频繁动作！
Chapter 6 波形的产生与变换
波形产生与变换是电子技术中广泛使用的电路。
波形产生电路：在无外加输入信号的情况下，能自 动产生一定波形、一定频率和幅值的交流信号。
波形变换电路：能把外加输入信号的波形变换成指 定的适合于系统应用和处理的波形。
波形产生电路
正弦波产生电路：广泛应用于通 讯、广播、电视等系统。
jR1C2
1
R2C1
F
1
1
3
jRC
1
RC
3
j
o
o
R1 R2 R C1 C2 C
o
1 RC
11
幅频特性：
F
1
2
32
o
o
o
相频特性：
f
arctan o
3
当ω=ωo时，电路达到谐振，
电路呈“电阻性”，此时
F 1 3
幅值最大
f 0
o
1 RC
fo
1
2RC
12
2）起振条件及振荡频率
当f > fs时，LCR支路呈感性，与Co产生并联谐振， 等效为很大的纯电阻。
32
3、石英晶体正弦波振荡电路 1）串联型 利用f = fs时，石英晶体呈纯阻性，相移 为0的特性构成。 2）并联型 当频率在fs与fp之间（ fs≈fp ），石英晶
体相当于电感。
若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同