第9章振荡电路

9信号处理与信号产生电路9信号处理与信号产生电路9.5正弦波振荡电路1、什么是振荡电路在电路的输入端不需要外加输入信号，在电路的输出端就有特定频率的、周期性变化的交流信号。这种电路就称为自激振荡电路2、振荡电路的分类正弦波振荡电路非正弦波振荡电路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RC桥式振荡电路RC移相式振荡电路变压器反馈式振荡电路电感三点式振荡电路电容三点式振荡电路矩形波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器等3、正弦波振荡电路的广泛应用①广播、电视②自控、仪器仪表、放大电路的调试等③无线电通信、遥控遥测④高频加热、淬火、超声探伤⑤直流变交流9.1正弦波振荡电路的振荡条件（1）框图正反馈负反馈fiidXXXfiaXXXOfXFXOfXFXidOXXAaOXXAfidOiOFXXXXXAfaOiOFXXXXXAOaOXFXXFAA1FAA1FAFA,.1时当FAFA,.1时当时afXX0iX以反馈信号去代替输入信号，引成正反馈，维持有信号输出（2）振荡条件环路增益1FA1faFAFA1FAn2fa振幅平衡条件相位平衡条件n=0，1，2，…1FA起振振幅条件(3)正弦波振荡电路的基本要求①在特定的单一频率下产生振荡②要等幅振荡需有选频网络稳幅环节放大电路（包括负反馈放大电路）(3)正弦波振荡器的基本组成部分反馈网络（构成正反馈的）选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。）稳幅环节RC选频LC选频稳幅环节9.6RC正弦波振荡电路RC桥式振荡电路RC移相式振荡电路分为都应满足1FAn2fa360O0OOf180Of0Oa180Oa360(一)放大器同相输入的运放偶数级的共射放大同相输出的差放电路反相输入的运放奇数级的共射放大反相输出的差放电路(二)反馈选频网络uoufIufuCuCuoffufuf超前型uoufIuRufuo滞后型uR1FA1FA采用RC串并联网络当uo的频率f较低时，即111RC221RC221RC111RC310)(:FfffOO时当电路相当于当uo的频率f较高时，即电路相当于超前型滞后型（三）RC桥式正弦波振荡器反馈网络兼做选频网络采用非线性元件稳幅措施热敏元件热敏电阻起振时，311fRRAV即1VVFA热敏电阻的作用oVoI功耗fR温度fR阻值fR3VA1VVFA稳幅VA振荡频率当R2=R3=RC1=C2=C时振荡频率：RCfO21例：R2=R3=10KC1=C2=0.1μF时HZRCfO159101.01010212163采用非线性元件稳幅措施二极管采用非线性元件稳幅措施场效应管（JFET）31DS3p3RRRAV稳幅原理oV)(GS负值VDSR3VA1VVFA稳幅VA34CRD、、整流滤波T压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V可变电阻区，斜率随vGS不同而变化（四）移相式RC正弦波振荡器例:试分析如图所示的正弦疲振荡电路:(1)为满足振荡条件,试在图中用＋、－标出运放A的同相端和反相端；（2）为能起振，RP和R2两个电阻之和应大于何值？（3）此电路的振荡频率fO=？（4）试证明稳定振荡时输出电压的峰值为ZPomVRRRV1123解：（1）利用瞬时极性法分析可知，为满足相位平衡条件，A的输入端应为－＋（2）为能起振，要求，即：3112RRRAPVkRRRP2.102)(12（3）振荡频率HZFRCfO5.15911001.01010212163（4）求Vom表达式FV：VOf因有时当，V：uomO323omZRpomNPfVVuVuuV考虑到通过R1和RP的电流相等，有PNRpRRuu1代入得：13RRVuPomRp代入解得：omPomZVRRVV3231再整理后得：ZPomVRRRV1123证毕作业作业：P4739.6.1(灯泡相当于一个正温度系数的电阻)9.6.29.6.69.7LC正弦波振荡电路一般用来产生1MHZ以上的高频信号可分为选频放大器9.7.1LC选频放大电路（谐振放大器）1、LC并联谐振回路等效损耗电阻等效阻抗LRCLRCZjj1)j(j1一般有LR则)1j()1(1CLRCLCLjRLjCjZLC10称为谐振角频率（1）谐振频率)1j(CLRCLZ)2(f。fZ的函数是频率由式可见阻抗当频率f较低时LC1Z呈电感性，且不大当频率f较高时LC1Z呈电容性，也不大只有当某一特定频率时，OfLCOO10)1(CLj则电路产生谐振，Z呈电阻性，且最大谐振频率LCfO21谐振时RCLRCL)1j(CLRCLZooO（2）谐振阻抗ZO=0此式说明：①ZO为纯电阻，I与U同相；②通常R很小，C不大，则ZO最大；③为使ZO大，则：L要大，C要小，R要小。（3）LC回路的品质因数Q把谐振时电感的感抗或电容的容抗与损耗电阻之比称为品质因数QCRRLQ1品质因数的意义这就说明①谐振时回路总阻抗比支路阻抗大Q倍②R越小,Q越大,则Z0越大,所以Q值的大小直接影响选频特性的好坏4.频率响应选频放大器beVrZA0oa1809.7.2变压器反馈式LC振荡电路1.电路组成2.相位平衡条件3.幅值平衡条件5.振荡的建立和稳定(+)(-)6.振荡频率4.习惯画法(-)(-)++_+Ofa3601AFLCfo21VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)9.7.2变压器反馈式LC振荡电路反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈试用相位平衡条件判断下列电路是否能产生振荡，并说明理由（a）（b）+++++———负反馈，不满足相位平衡条件不能产生振荡正反馈，满足相位平衡条件能产生振荡仍然由LC并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。9.7.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路C1C2首端尾端中间端L电容三点式C首端尾端中间端L1L2电感三点式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B.若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。9.7.3三点式LC振荡电路2.电感三点式振荡电路满足“射同它异”的组成原则组成：带选频网络的共射放大器AL2为反馈网络振荡条件:幅值条件:1AF相位条件:用瞬时极性法判定Ofa360交流通路振荡频率:CMLLLCfO22121219.3.3三点式LC振荡电路3.电容三点式振荡电路要满足“射同它异”的组成原则组成：带选频网络的共射放大器AC2为反馈网络振荡条件:幅值条件:1AF相位条件:用瞬时极性法判定Ofa360交流通路振荡频率:21212121CCCCLLCfO试用相位平衡条件判断下列电路是否能产生振荡，并说明理由+++++————负反馈，不满足相位平衡条件不能产生振荡负反馈，不满足相位平衡条件,不能产生振荡正反馈，满足相位平衡条件能产生振荡正反馈，满足相位平衡条件,能产生振荡+++作业：P4769.7.19.7.2Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。9.7.4石英晶体振荡电路1.频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——10000500000(1万——50万）9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路结构极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应交变电压机械振动交变电压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=固有频率时，振幅最大。压电谐振9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路等效电路LCf21sA.串联谐振特性晶体等效阻抗为纯阻性(电阻≈0)0p121CCLCfB.并联谐振通常0CC0s1CCf所以很接近与psff晶体等效为一个大电感动9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体振荡电路(1)并联型(2)串联型R39.8非正弦信号产生电路1、电压比较器电压比较器是将输入信号ui与某个参考电压VREF进行比较，然后将比较的结果反映在输出端。一般比较器有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端接一个固定不变的电压——称为参考电压VREF，另一个输入端则是变化信号。输出端只有两种可能的状态，即高电平或低电平（0或1）电压比较器分为：单门限比较器双门限比较器（迟滞比较器）特点：开环或正反馈，虚短和虚断不成立1.单门限电压比较器（1）同相过零比较器当输入ui0时，V+V－输出uo=VOH当输入ui0时，V+V－输出uo=VOL实现过零比较通常把比较器的输出电压uo从某一个电平跳变到另一个电平时,相应的输入电压ui的值称为门限电平VT,显然在这里的门限电平就是零,故称过零比较器（2）反相过零比较器当输入ui0时，V－V＋输出uo=VOL当输入ui0时，V－V＋输出uo=VOH同样实现过零比较,门限电平也是零例:反相过零比较器的ui为正弦波画出输出uo的波形解:0~π时,ui0，V－V＋;uo=VOLVOLπ~2π时,ui0，V－V＋;uo=VOH2π~3π时,ui0;uo=VOLVOH3π~4π时,ui0;uo=VOH可把正弦波变成了矩形疲也可用于对波形的整形(3)接入参考电压VREF（即门限电压VT=VREF）3V传输特性当uiVREF时，V+V—输出uo=VOH当uiVREF时，V+V—输出uo=VOL例:输入ui如图,画出uo的波形根据传输特性有:t2t1t3在0~t1时,uiVREF,uo=VOLVOL在t1~t2时,uiVREF,uo=VOHVOH在t2~t3时,uiVREF,uo=VOL他们的门限都只有一个,“0或VREF”例：在ui中含有噪声或干扰电压时，并且又正好在门限电压VREF附近时那么其输出电压uo将时而为VOH，时而为VOL，导致比较器输出不稳定，如果用这个输出电压去控制一个电机，将出现电机频繁的停起现象，这种情况是不充许的。2、迟滞比较器（双门限）特点是：ui从小逐渐增大以及ui从大逐渐减小两种情况下的门限电平是不同的，因而传输特性呈现“滞回”曲线的形状，故称其为迟滞比较器2、迟滞比较器（双门限）（1）电路组成它是在单门限电压比较器的基础上，引入了一个正反馈（2）工作原理以反相输入为例当ui为正，且幅值充分大时，uo=VOL当ui为负，且绝对值充分大时，uo=VOH即：设①ui由某一个绝对值充分大的负值开始，逐渐向正的方向增大，当达到ui=u－=u＋时uo将从VOH突然跳变为VOL②ui由某一个幅值充分大的正值开始，逐渐减小，也当达到ui=u－=u＋时uo将从VOL突然跳变为VOH总之决定比较器输出端的状态（VOL或VOH）的临界条件是：瞬间ui=u－=u＋ui=u－≥u+，uo→VOL；ui=u－≤u+uo→VOH(3)门限电压的估算既然u+=up是由VREF和uo共同决定的，所以可用叠加原理求得：oREFPuRRRVRRRVV212211OHREFTVRRRVRRRV212211OLREFTVRRRVRRRV212211)(212OLOHTTTVVRRRVVV令uo=0令VREF=0有两种情况VOH或VOL则：上门限电压下门限电压门限宽度（回差电压）可见：①回差电压△VT与VREF无关②改变VR