模拟电路第9章波形产生电路

1 C1C2 L( ) C1 C2
L
(-)
只要β 值较大，适当调节 调频不方便，用于固定频率振荡。 ③ C2/C1的大小就可起振。 17
3 电容三点式改进型振荡电路(克拉泼振荡器)
R1 R2 LC Ce Re
VCC
V o V i
①
Cb
C1
② C2 ③ L C3
C1 C2
L C3
V f
X3
V f
由相位条件φ A+φ F=2nπ 在谐振频率处φ A=π 所以必须φ F=π （vf与vo反相）
jX I V o 1 o jX I V F 2 o
要使vf与vo反相，X1、X2必为同种性质的电抗， 又由于要形成谐振，X3的电抗性质必与X1、X2相反。
与发射极相连的两个电抗性质必须相同，另一个则相反。
选取：C3<<C1,C3<<C2
1 fo 2 LC3
调节频率时反馈系数可保持恒定，
提高振荡频率的稳定性。
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9.3.4 石英晶体振荡器
1 正弦波频率稳定问题 频率稳定度：
在一定时间间隔内频率的相对变化量⊿f/f0
引起频率不稳的因素有：
L、C的变化（机械变形，环境影响……）
回路电阻的变化（负载的变化……） 有源器件参数的变化
◆起振后，栅源间PN结整流，当
时间常数τ g=RgCg>>振荡周期时，
VDD
电容Cg充电到栅极电压的峰值，
为栅极和源极提供负偏压Vgs 。 （自生栅偏压）
Rg
◆随着振幅的增长，栅源电压越
负，工作点下移，gm减小，直到 |AF|=1时，达到稳定，输出一定 频率的等幅的正弦波。
利用自生栅偏压和 跨导的非线性稳幅。
R Z1 C
vf
Rf vo
4
幅频特性 F F
1
0 2 3 ( ) 0
2
相频特性 arctg F F
0 ( ) 0
3
1 1 0 f f0 RC 2RC 1 o F 0 F max 3
5
③ 对放大器的要求： 9.2.3 振荡条件 ◆同相放大器 ①振荡平衡条件 ◆稳定振荡时，增益等于 3 R
9
②谐振时，等效阻抗为纯电阻，达∣Z∣的最大值。 Z0=L/RC 谐振回路的品质因素 Q=ω 0L/R=1/(RCω 0) Z0=Q2R I C ③谐振时端口电压
L V0 I s Z 0 I S RC 同相，达最大值 与I S
④输入电流与支路电流的关系 IL≈IC=QIS L V jC I I jC 0 jQI C0 0 0 S S RC L I L IS V0 RC arctgQ I L0 QI S 2 2 R jL 0 R ( L 0 ) arctgQ
3
9.2 RC正弦波振荡电路 9.2.1 电路原理图
9.2.2 RC串并联选频网络 A 的频率特性 C R Z 2 1 R1 Z1 R jC 1 1 Z 2 R // jC 1 jRC Z2 1 1 F Z1 Z 2 3 j ( RC 1 ) 3 j ( 0 ) RC 0 1 0 RC
vc
① (-)
2 电容三点式振荡电路（考毕兹） R1 ①振荡频率
X1 X 2 X 3 0 1 1 L 0 C1 C2
LC Ce Re
VCC
Cb
R2
C1
C2

① ③电路特点 1 (-) f Vo C1 (+) C1C2 反馈电压取自电容，电容对高次谐 2 L( ) (+) L 波阻抗很小, ∴反馈电压中谐波分 C1 C2 Vi ② 量较小，输出波形较好。 (-) Vf ②起振的幅度条件 C2 振荡频率很高，可达100MHz (+) 以上。
I S
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⑤阻抗Z的频率特性
L/C Z R j ( L 1 / C ) 1 jL 0 ( 0 ) R 0 Z
Z
0
L RC
1 jQ
2
0
( 0 )
Z的幅频特性和相频特性 ◆具有带通特性。 f=f0时，电路为纯电阻，达最大值。 f<f0时，电路呈电感性。 f>f0时，电路呈电容性。 ◆Q值越大，幅频特性越尖锐，选频 特性越好。相频特性越陡峭，振 荡频率越稳定。
2 场效应管稳幅
场效应管工作在可变电 阻区。 Vom↑,VC↑,VGS ↓ RDS ↑, AV =1+RF/(R1+RDS) ↓
R C
A Rp3
vo D
R C
R3 R5 RP4
R4 VC3
7
例9.2.1:R1=5.1KΩ R2=9.1KΩ ，R3=2.7KΩ R=10KΩ C=0.015μ F 1.稳幅原理 解：vo很小时，D1、D2开路， R AV=1+(R3+R2)/R1≈3.3>3 C vo增大，D1,D2导通， 并联等效电阻下降，AV减小。 R C 2 设二极管正向压降0.6V，估算Vom。
6
F 1 幅度平衡条件：A 1 A 1 3 3，R 2 R A F 1
9.2.4 稳幅措施 输出幅度增加时，应使放大器增益下降 1 用热敏元件稳幅 用温度系数为负的热敏元件代替Rf 。 Vom↑,PRF ↑,T ↑ ,RF↓,AV =1+RF/R1 ↓ 或温度系数为正的热敏元件代替R1 。
谐振回路品质因素Q是决定频率稳定度的重要因素。
提高频率稳定度的措施：
减少可产生参数变化的原因，提高回路Q值。
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2 石英晶体的基本特性与等效电路 ①石英晶体的基本特性——压电效应 石英的化学成分为 sio2 ，晶体呈六角锥型，具有各 向异性的特性。 按一定方位切下的一个薄片称晶片。 晶片的压电效应 在石英晶片的两个面间加一电场，晶片会产生机械 形变。反之，在晶片两个面间上施加机械力，则 在相应方向产生电场。 这种机电相互转换的现象称为压电效应。 加交变电压→机械变形振动→产生交变电压。 压电谐振：当外加交变电压的频率与晶片固有频 率相等时，振幅最大。
VCC
① L1 ② L2 ③ (-)
M
Ce
⑵ 起振的幅度条件 L1 ⑶电路特点 ②M (+) C 只要AV足够大，适当调节 (-) vi 调节频率方便，用于产生几百千 Hz至几十兆 Hz 的频率。 L 2 L2/L1的值，可实现起振。 vf (+) 输出波形中含有较大的高次谐波，波形较差。 ③
16
(+)
21
( LC 1) X 2 (Co C LCCo )
2
X
0
容性
电阻性
石英晶体在串联谐振时， 电抗为0 ，等效为小电阻。
1 串联谐振频率：f s 2 LC
fs fp
感性
f
容性
石英晶体在并联谐振时,电抗为∞ 并联谐振频率： fs<f<fp：呈感性，且 C 1 f p fs 1 fp Co 等效Q值很高。 CCo
R Z1 C vf Z2 R
Rf
A R1 vo
起振时，增益大于 R1 3 相位平衡条件： A F 0 ◆输入阻抗高，输出阻抗低 A 0, F 0
振荡频率：f 0 1 2RC
F 1 A
1 A
F
C
用C作频段选择， 调节R作频率微调。 ②起振条件
F 1 A RF 2 R1 3 A
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9.3.3 三点式LC振荡电路 一般原理 组成：三个电抗元件组成△，三个 三点式振荡器的振荡频 端点分别与晶体管的三个极相连， 率 V id 或运放的两个输入及输出端相连。 可以用下式估算 X1，X2，X3为何种性质，才可产生振荡？ X1+X2+X3=0
①
X1 V o
② X2 ③
o I
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②石英晶体等效电路
C C0 符号 L R C0：静态电容 L：模拟机械振动的惯性 C：模拟晶片的弹性 R：模拟晶片振动时的 磨擦损耗
③石英晶体的电抗-频率特性（忽略R)
1 1 C jCo jCo 2 1 jX j ( LC 1) jL jC 2 3 ( LC 1) LCCo Co C X j 2 2 ( C C LCC ) o o ( LC 1)
15 同理，与运放同相输入端相连的两个电抗性质必须相同。
1电感三点式振荡电路(哈特莱振荡器) ⑴ 振荡频率
X1 X 2 X 3 0 1 L1 L2 2M 0 C 1 ( L1 L2 2M )C
1 f 2 ( L1 L2 2M )C
Cb
R1 R2 C Re
◆当幅度增大至一定值时，放大电路进入非线性区, F 1 增益A随输出幅度增加而逐渐减小，最终使 A 达到幅度平衡，振幅稳定下来。 可以利用放大管的非线性限幅，也可以在放大电路中 增加其他非线性元件，幅度增加时，应使增益下降。 1
vi
基本放大器 vf
vo
反馈网络F
vo 反馈特性 A 基本放大器 幅度特性
9.3 LC正弦波振荡电路 LC振荡器用L、C并联谐振电路作选频 网络，一般用来产生1兆Hz以上的高 频正弦波信号。 9.3.1 LC选频放大器 1 并联谐振回路特性 1 ①谐振频率 ( R jL )
iS
L v0 C iL
iC
R
LC jC Z 1 1 R j ( L ) R j ( L ) C C 1 0 发生谐振，Z呈电阻性 LC 1 谐振频率： f0 2 LC
9.1.2 振荡的建立和稳定 ◆振荡电路的初始信号是电路中存在的扰动与噪声。 ◆选频网络从扰动和噪声信号中，挑选出满足相位平 衡条件的频率分量。 ◆为了能使振荡从小到大建立起来，刚起振时，必须 使反馈信号的幅度大于等效输入信号的幅度。
F 1 2n 起振条件是： A A F
V gs
V gs
s
L R
12
C
F 1 振荡的平衡条件： A V jM 1 2 R rds (1 LC ) j ( L RCrds )
相位平衡条件： R rds (1 LC 2 ) 0 1 LC 1 LC 1 f 2 LC
1 rds g m
A
vo
D1 R3 D2
稳幅时, AV=3，
R3,+R2=2R1 ,R3,=1.1K 0.6/ R3,=Vom/(R3,+R1+R2), Vom=8.35v 3 求当R2=0时输出波形 AV<3 ，电路停振，vo=0
R1
百度文库R2
vo 14v t
8
-14v 4 R2=∞时输出波形 AV=∞，理想情况下为方波，实际波形如右图。
11
9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路 1,电路的组成及起振条件 Cg、Rg用来产生自生栅偏压
V Z d AV Vgs rds Z 1 rds Cg Z 1 1 (1 LC 2 ) jRC jC Z R jL R jL
M R (-) (+) (+) L C (-)
VDD
(-) Rg
(+)
( R jL ) AV R rds (1 LC 2 ) j ( L RCrds )
μ=gmrds
M
d
V d
g r ds r gmVgs ds
V ds j M V jM R jL gs F Vds Vds R jL

1 R rds
F 幅度平衡条件： A V RC gm M L
M
L RCrds
RC 起振条件：g m M L
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2 振荡的建立和稳定 ◆刚接通电源时，Cg未充电，
VGS=0，管子的跨导最大，满足 起振条件。
iD vGS vGS t
Cg
iD
t
M R L C
vi，vF 振荡的建立及稳定过程
2
9.1.3 正弦波振荡电路的组成和分析方法 正弦波振荡电路包括: 放大电路，起能量转换和控制作用。 反馈网络，保证是正反馈。 选频网络，保证建立单一频率的振荡。 稳幅环节，稳定输出幅度，减少非线形失真。 分析方法: ①检查是否包括放大电路,反馈网络和选频网络， 放大器是否有正常的交、直流通路。 ②检查电路是否满足相位平衡条件,估算振荡频率, 电路的振荡频率由相位平衡条件决定。 ③分析幅度起振条件。