波形发生电路和集成运放的非线性应用

9.1正弦波振荡电路第9章波形发生电路和集成运放的非线性应用9.2电压比较电路9.3非正弦波发生电路作业自测：9-10，9-16，9-21，9-23作业：9-4，9-5，9-6，9-7，9-9，9-19，9-21，9-24本章的重点：正弦波振荡电路的组成及振荡条件的判断。桥式RC正弦波振荡电路的组成和工作原理。LC正弦波振荡电路的组成和工作原理。比较器电压传输特性的分析方法。矩形波、三角波、锯齿波振荡电路的波形分析。重点与难点本章所讲述的电路具有一定的综合性，既含有集成运放工作在线性区的积分运算电路，又含有集成运放工作在非线性区的滞回比较器，因而给学习带来一定的困难。重点与难点9.1正弦波振荡电路第9章9.19.1.1概述由第7章可知，负反馈放大电路在一定的条件下可能产生自激振荡，使放大电路不能正常工作。所谓自激振荡是指：即使放大电路的输入端不加信号，它的输出端也会出现某一频率和幅度的波形。也就是说，在这个频率点上，负反馈电路已经转变为正反馈电路。9.1正弦波振荡电路第9章9.19.1.1概述自激振荡本是我们不希望看到的，但正弦波发生电路就是利用这种自激振荡的现象来产生正弦信号。在正弦波发生电路中，人为地在电路中引入了正反馈。第9章9.19.1.1概述正弦波发生电路的框图如图9－1所示。图9－1正弦波发生电路的框图是电路的输入信号iX是电路的净输入信号idX是电路的反馈信号fX是电路的输出信号oX在正弦波发生电路中，人为地接成正反馈。第9章9.19.1.1概述图9－1正弦波发生电路的框图即使输入信号，当反馈信号能完全代替原来的净输入信号，即时，仍可以产生输出信号。由图9－1得：0iXidfXXoXofXXFidoXXA因为，所以有:idfXXAF/ooXX或者1AF(9－1)图9－1正弦波发生电路的框图9.1.1概述AF=1是正弦波发生电路中能维持等幅自激振荡的平衡条件。因为，A、F是复数，所以式（9－1）包含幅值条件和相位条件，即为整数nnAFFA21（9－2）9.1.1概述要建立振荡，或者说“起振”，电路必须满足正反馈条件即：，同时使反馈信号大于净输入信号，或者说nFAAF2fXidX1AF（9－3）只有这样，才能使电路中自激振荡和输出信号由小到大建立起来，因此式（9－3）是波形发生电路起振的幅值条件。2.正弦波发生电路的组成部分正弦波发生电路一般由以下四个基本部分组成：1)宽频带放大电路；2)引入正反馈的反馈网络；3)选频网络；4)稳幅环节。3)选频网络；由于正弦波发生电路的输出波形应是单一频率的正弦波，要求电路只在所需的频率时才满足起振和维持振荡的条件。因此，在环路中应包含一个具有选频特性的选频网络。它既可设置在放大电路中，也可设置在正反馈网络中。在很多正弦波发生电路中，正反馈网络和选频网络实际上是同一个网络。4)稳幅环节电路满足起振条件起振后，输出信号将随时间逐渐增大。当幅值增大到一定程度后，放大电路中的晶体管进入饱和或者截止区，输出波形将产生失真。所以在波形发生电路中还必须有稳幅环节，它的作用是在振荡建立后，使幅值条件从自动演变为，输出波形基本不失真。1AF1AF3.正弦波发生电路的分析方法（1）分析电路的组成是否包含放大、反馈、选频和稳幅等基本环节；（2）分析放大电路能否正常工作，是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大；（3）检查电路能否满足自激条件；1）关键在于检查相位平衡条件，采用瞬时极性法进行判断。2）检查幅值平衡条件。（4）估算振荡频率（），它取决于选频网络参数。0f01）RC正弦波发生电路2）LC正弦波发生电路3）石英正弦波发生电路RC正弦波发生电路振荡频率较低，一般在1MHz以下；LC正弦波发生电路的振荡频率都在1MHz以上；石英晶体正弦波发生电路也可等效为LC正弦波发生电路，其特点是振荡频率十分稳定。正弦波发生电路分类9.1.2RC正弦波发生电路根据结构的不同，RC正弦波发生电路又可分为RC串/并联电路式（桥式）、移相式和双T电路式等类型，最常见的是RC串/并联电路式。1．RC串/并联电路的选频特性图所示电路由和的串联组合以及和的并联组合串联组成，它在RC正弦波发生电路中既是反馈网络又是选频网络。1R1C2R2C)1()1(112212112CRCRjRRCCUUofF通常取，，有RRR21CCC21)(3100jFRC100电路的特征角频率电路输出电压与输入电压的关系为200)(91F（9－5）相频特性为：3)(00arctgF(9－6))(3100jFF的幅频特性为图9－3RC串并联网络的频率特性时，00FRC10F幅值最大，其值为1/3200)(91F3)(00arctgF2．RC桥式正弦波发生电路（1）电路组成利用RC串、并联电路和同相比例运算电路可构成RC桥式正弦波发生电路。RC桥式正弦波发生电路图中集成运放和电阻RF、R’构成同相比例放大电路。RC桥式2．RC桥式正弦波发生电路RC桥式正弦波发生电路RC串、并联电路为集成运放引入了另一个反馈，这个电路既是选频网络又是反馈网络。2．RC桥式正弦波发生电路（2）振荡条件和起振条件1)产生振荡的相位平衡条件端引入正反馈。)(fU（利用瞬时极性法分析）所以电路满足产生振荡的相位平衡条件。2．RC桥式正弦波发生电路图9－4RC桥式正弦波发生电路2产生振荡的起振条件和幅值平衡条件同相比例电路电压增益为：'1RRAFu已知当时，。031F起振条件为1AF'2RRF2．RC桥式正弦波发生电路（3）振荡的稳幅和稳频1)振荡幅值的稳定对于实际的正弦波发生电路，电源电压、温度、湿度等外界因素的变化将导致晶体管和电路元件参数发生改变，从而破坏维持振荡的幅值平衡条件。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馈的强弱。如温控电阻。1AF温控电阻采用负温度系数的热敏电阻RF当输出电压UO增大时，RF上功耗增大，温度上升，阻值减小。Auf减小，使得UO减小。也可选正温度系数的R’。同相比例电路电压增益为：'1RRAFu2振荡频率的稳定除了振荡幅度需要稳定之外，在实用电路中往往要求正弦波发生电路的振荡频率有一定的稳定度，如射频振荡器、时钟发生器都要求振荡频率十分稳定。正弦波发生电路振荡频率稳定的条件是相频特性曲线F()在0附近的斜率小于零，即。00ddF在RC桥式正弦波发生电路中，同相比例放大电路的输出电阻很小，可视为零，而输入阻抗很大，可以忽略其对RC串、并联网络的影响。所以电路的振荡频率就是RC串、并联网络的特征（谐振）频率：（4）振荡频率（）的计算0f0RCf210（9－9）RC正弦波发生电路通常只能用作低频和中频正弦波发生电路（）。MHzHz113．RC移相式正弦波发生电路RC移相式正弦波发生电路如下图所示。（1）电路组成和振荡条件的实现图中放大电路是反相输入的带电压并联负反馈的运放电路，因此。180A若需要满足式相位平衡条件，反馈网络还必须在某一特定的频率点上使正弦电压再移相180，使0FA3．RC移相式正弦波发生电路（1）电路组成和振荡条件的实现由于一节RC移相网络可以移相0°～90°，需要满足产生振荡的相位平衡条件，必须有三节或者三节以上的移相电路。此时，只需要调整电阻RF，就可以产生正弦波振荡。3．RC移相式正弦波发生电路（2）振荡频率的定量计算(自学）RC移相式正弦波发生电路一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合，其频率范围为几Hz～几十kHz。4．双T选频网络正弦波发生电路双T选频网络正弦波发生电路如图9－6所示。和为集成运放引入正反馈，双T网络则引入负反馈，同时又是选频网络。FR1R双T网络特征频率为：RCf210图9－64．双T选频网络正弦波发生电路图9－6调整正反馈网络中的可以改变正反馈量，使之既满足起振要求，又不至于因正反馈过强而使波形严重失真。1R稳压管和用来稳定输出幅值。通常选稳压管的稳定电压约为电路输出不失真正弦波峰－峰值的1.5倍。1VS2VS9.1.3LC正弦波发生电路LC正弦波发生电路通常用于产生高频(1MHz)正弦信号。LC和RC正弦波发生电路组成原则基本相同，只是选频网络采用可调谐的LC回路。LC回路在谐振频率时能提供较大的增益，而其余频率的信号则被大大衰减。通过一个正反馈使整个发生电路在LC回路谐振频率处形成一个可持续的振荡。9.1.3LC正弦波发生电路1．LC谐振回路的选频特性LC正弦波发生电路中的选频网络大多采用LC并联谐振回路，如图a）所示。可以推算出，电路的谐振频率为：CLp109.1.3LC正弦波发生电路由此可画出LC并联回路的谐振曲线和相频特性，如图b）所示。当谐振时，U最大或者Z最大。当时，LC回路呈感性；当时，LC回路呈容性。009.1.3LC正弦波发生电路图a）的并联LC回路也可等效地画成图d）的形式。在的条件下1QpLL2/QRRp9.1.3LC正弦波发生电路采用LC并联谐振回路的LC正弦波发生电路通常可分为变压器耦合式和LC三点式两大类。2．变压器耦合式LC正弦波发生电路根据LC回路的端点接到三极管电极的不同方式，变压器耦合LC正弦波发生电路可分为集电极调谐、发射极调谐和基极调谐三种类型。（1）共射集电极调谐型变压器耦合LC正弦波发生电路判断电路是否能够产生正弦波振荡。1)组成：电路包含共射放大、反馈网络、LC选频网络和稳幅环节（利用三极管的非线性实现）四个部分。2)放大电路：是典型的工作点稳定电路，交流信号能够输入、输出和放大。（1）共射集电极调谐型变压器耦合LC正弦波发生电路4)对于幅值平衡条件，一般情况下只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数和其他电路参数，就很容易得到满足。3)满足产生振荡的相位平衡条件。(+)(-)各端相位关系如何？同名端同相，异名端反相(+)(+)（2）共基发射极调谐型变压器耦合LC正弦波发生电路1)振荡电路的组成。图9－92）放大电路能否正常放大判断。3）相位平衡条件判断。若(1)/(3)交流接地，则(2)与(3)/(1)同相；若(2)交流接地，则(1)与(3)反相。(+)(+)(+)(+)（3）共射基极调谐型变压器耦合LC正弦波发生电路1)振荡电路的组成。2）放大电路能否正常放大判断。3）相位平衡条件判断。(+)(-)(+)(+)3.LC三点式正弦波发生电路将并联LC回路中的电容C或者电感L一分为二（或设置中间抽头），LC回路就有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个极（或者集成运放的两个输入端和一个输出端）相连，就形成了LC三点式正弦波发生电路。这种电路又可以分为电感三点式和电容三点式两类。（1）电感三点式LC正弦波发生电路电感三点式LC正弦波发生电路如图所示。图中采用了NPN型双极型晶体管和集电极调谐型LC并联回路，可变电容器用于调节LC振荡频率。（1）电感三点式LC正弦波发生电路相位平衡条件判断。最后只要适当选择电感和比值，就能使电路能满足起振的幅值条件。2L1L正弦波的振荡频率近似为:CLf'210LLLL2'21其中，为谐振回路等效电感'L(+)(+)(+)（2）电容三点式LC正弦波发生电路电容三点式LC正弦波振荡电路如图所示。如果选择合适的和的比值，电路能满足起振的幅值条件。通常和比值选为0.01～0.5左右。2C1C2C1C(+)(-)(+)例9-1三点式正弦波发生电路如图所示。这是一个电容三点式正弦波发生电路，选频网络为并联LC谐振回路，放大电路为结型场效应管组成的共源电路。通过瞬时极性法对反馈极性进行分析，可知选频网络引入了正反馈，所以振荡。(+)(-)(+)习题：9-10判断图示电路能否振荡，若不能则进行改正图。要求不能改变放大电