模拟电子技术 清华华成英第四版 第八章

1、8.18.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.28.2 电压比较器电压比较器 第八章第八章 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换 8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 8.1.1 正弦波振荡电路的基础知识 8.1.2 RC正弦波振荡电路 8.1.3 LC正弦波振荡电路 8.1 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 tUU sin2 ii 无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信 号号自激振荡自激振荡。(电路要引入正反馈电路要引入正反馈) 一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件 if XX 1 AFFA ）、 210(2nn FArgA

2、ArgFAArg FA 幅值平衡条件幅值平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 + + i f X X O f i O X X X X FA 1 二、起振和稳幅二、起振和稳幅 起振的条件：起振的条件： i X 稍大于稍大于 即即 F X X i f 稳幅的条件：稳幅的条件： if XX 即即 1 F X X i f f X 1 放大电路放大电路 三、正弦波振荡电路的组成三、正弦波振荡电路的组成 正弦波振荡电路由四个部分组成正弦波振荡电路由四个部分组成 正反馈网络正反馈网络 选频网络选频网络 稳幅环节稳幅环节 + + 正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名。正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名

3、。 包括：包括：变压器反馈式变压器反馈式、电感反馈式电感反馈式、电容反馈式电容反馈式。 产生产生H HZ Z MHMHZ Z 的 的低频信号低频信号。 石英晶体正弦波振荡电路。石英晶体正弦波振荡电路。 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 包括：包括：RCRC串并联振荡器串并联振荡器、RCRC移相式振荡器移相式振荡器。 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 产生产生MHZ MHZ 以上的以上的高频信号高频信号。 四、正弦波振荡电路的分类四、正弦波振荡电路的分类 振荡频率非常稳定。振荡频率非常稳定。 8.1.2 8.1.2 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 只讲只讲RCRC桥式正弦波振荡电路

4、又称为桥式正弦波振荡电路又称为文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路。 一、一、RCRC串并联选频网络串并联选频网络 RRR 21 CCC 21 通常，选取通常，选取 O f U U F ) 1 (3 1 RC RCj f2 带入上式得出带入上式得出 Cj R Cj R Cj R 1 / 1 1 / RC fO 2 1 令： 22 )3 1 f f f f F O O （ )( 3 1 f f f f arctgFArg O O F )3 1 f f f f j F O O （ 幅频特性幅频特性为：为： 相频特性相频特性为：为： 分析：分析： 0 ff 0F 2 0 ff 0F 2 0 ff 3 1 F

5、 0 分析：分析： 0 ff 0F 2 0 ff 0F 2 0 ff 3 1 F 0 0 ff 当 3 1 max F 0 F 二、二、RCRC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路 起振条件起振条件 31 1 R R U U A f f O u 1 2RR f 稳幅条件稳幅条件 31 1 R R U U A f f O u 1 2RR f 如何实现？如何实现？ 能自行起振的电路能自行起振的电路1 1 半导体半导体 热敏电阻热敏电阻 选用选用R R1 1为正温度系数的为正温度系数的 热敏电阻热敏电阻 起振时起振时R Rf f2R2R1 1, , 使使A3,A3, 易起振。易起振。 当当u uo

6、o增大，电流增大，增大，电流增大， R R1 1增大，达某一值时，增大，达某一值时， R Rf f=2R=2R1 1 ，A=3A=3。 因此因此u uo o幅度自动稳定于幅度自动稳定于 某一幅值某一幅值。 也可选用也可选用R Rf f为负温度系数的热敏电阻为负温度系数的热敏电阻 能自行启动的电路能自行启动的电路2 2 RF1+RF2略大于2R1,随 着uo的增加，RF2逐渐 被短接，A自动下降， 输出自动被稳定于某 一幅值。 将将R RF F分为二个：分为二个： R RF1 F1 和 和R RF2 F2 ， ， R RF2 F2 并联二极管并联二极管 能自行启动的电路能自行启动的电路3 3 利

7、用电流增大时二 极管动态电阻减小， 电流减小时，二极 管动态电阻增大的 特点，加入非线性 环节，从而使输出 电压稳定，此时比 例系数为 1 1 R rR A df u 三、判断能否产生正弦波振荡三、判断能否产生正弦波振荡 振荡电路的四个部分振荡电路的四个部分 合适的合适的Q Q点点 满足振荡的幅值条件满足振荡的幅值条件 满足振荡的相位条件满足振荡的相位条件 很容易满足很容易满足 为正反馈为正反馈 例题例题: :R=1kR=1k ，C=0.1C=0.1 F F， R Rf f=10k=10k 。R RF F为多大时为多大时振荡振荡才才 能稳定？振荡频率能稳定？振荡频率f f0 0= =？Hz H

8、z uo_ + + RF R C RC Rf AF=1， 3 1 F 1 f F R R A A=3 =2 10=20k k RC f 2 1 0 =1592 Hz 振荡条件：振荡条件： fF2RR 四、振荡频率可调的四、振荡频率可调的RCRC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路 例例8.1.1:8.1.1: 在图在图8.1.98.1.9所示电路中，已知电容的取值分别为所示电路中，已知电容的取值分别为 0.01uF0.01uF，0.1uF,1uF, 10uF,0.1uF,1uF, 10uF,电阻电阻R=50R=50，电位器，电位器 试问：试问：f f0 0 的调节范围？ 的调节范围？ K RW

9、 10 RC fO 2 1 Hz CRR f W O 59. 1 (2 1 max min ） 解：解：因为： KHz Hz RC fO 318 318000 2 1 min max f f0 0的调节范围约为的调节范围约为 1.591.59HzHz318318kHzkHz （本题（本题5 5分）为使下图所示的文氏电桥和集成运分）为使下图所示的文氏电桥和集成运 放放A A连接成一个正弦波振荡电路，请将图中连接成一个正弦波振荡电路，请将图中- - - - - - - - -八点两两相连。并写出振荡频八点两两相连。并写出振荡频 率的表达式。率的表达式。 解：将图中解：将图中- -，- -，- -，

10、- -两两相两两相 连就能构成文氏桥正弦波振荡电路。连就能构成文氏桥正弦波振荡电路。 （4 4分）分） RC2 1 f （1 1分）分） 振荡频率的表达式：振荡频率的表达式： 8.1.3 8.1.3 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 LCLC正弦波振荡电路包括：正弦波振荡电路包括：变压器反馈式、变压器反馈式、 电感反馈式、电感反馈式、电容反馈式电容反馈式 变压器反馈变压器反馈 式式LCLC正弦波正弦波 振荡电路振荡电路 一、一、LCLC谐振回路的频率特性谐振回路的频率特性 谐振频率：谐振频率： R：回路损耗电阻：回路损耗电阻 R wL Y 当当 电路发生电路发生并联谐振并联谐振。 0 )(

11、 22 LR L C LjR Cj 1 )( )( 2222 LR L Cj LR R LC L R O O 1 )(1 1 2 LC Q 2 1 1 1 为品质因数）（令Q R L Q o LC 1 0 LC f 2 1 0 根据引入反馈的方式不同，根据引入反馈的方式不同，LCLC正弦波振荡电路分为正弦波振荡电路分为 三种电路。三种电路。 变压器反馈式、变压器反馈式、 电感反馈式电感反馈式、 电容反馈式。电容反馈式。 二、变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路 满足正弦波振荡的条件满足正弦波振荡的条件 2 2 2 2 2 22 11 1 0 , 2 1 L LR M LL CL f i

12、 振荡频率 优点：优点： 容易振荡容易振荡 缺点：缺点：能量损耗大，变压器 能量损耗大，变压器 器件笨重器件笨重 例：分别标出图所例：分别标出图所 示各电路中变压器示各电路中变压器 的同名端，使之满的同名端，使之满 足正弦波振荡的相足正弦波振荡的相 位条件。位条件。 三、电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路( (电感三点式电感三点式) ) 中间交流接地，首尾反向，中间交流接地，首尾反向， 首或尾端交流接地，另两端首或尾端交流接地，另两端 同向同向 判定原则：判定原则： 优点：优点： 可调，振荡频率可可调，振荡频率可 调，用于改变频率的调，用于改变频率的 场合场合 CL f 2 1 0 振荡

13、频率： MLLL2 21 缺点：缺点：波形有一些高次谐波形有一些高次谐 波的干扰波的干扰 四、电容反馈式振荡电路四、电容反馈式振荡电路( (电容三点式电容三点式) ) 中间交流接地，首尾反向，中间交流接地，首尾反向， 首或尾端交流接地，另两端首或尾端交流接地，另两端 同向同向 判定原则：判定原则： 21 21 0 2 1 2 1 CC CC L LC f 振荡频率： 优点：优点： 波形较好，用于固定波形较好，用于固定 振荡频率的场合振荡频率的场合 课后题：8.128.12 分别判断图P8.12所示各电路 是否满足正弦波振荡的相位条件 8.2 电压比较器电压比较器 8.2.1 概述概述 8.2.

14、2 单限比较器单限比较器 8.2.3 滞回比较器滞回比较器 8.2 电压比较器电压比较器 8.2.18.2.1 概述概述 1 1电压比较器：电压比较器： 功能：功能：进行输入信号的比较进行输入信号的比较 把任何输入信号转换成矩形信号把任何输入信号转换成矩形信号 电压传输特性电压传输特性 电压比较器的输出电压与输入电压的函数关系电压比较器的输出电压与输入电压的函数关系 )( IO UfU 使使 从从 跃变为跃变为 ，或者从，或者从 跃变为跃变为 的输的输 入电压称为入电压称为阈值电压阈值电压，或，或转折电压转折电压，记做，记做 。 OL U OH U OH U OL U T U o u OH U

15、 为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：为了正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素： 输出电压高电平和低电平的数值输出电压高电平和低电平的数值 和和 。 OL U 阈值电压的数值阈值电压的数值 T U 当当 变化且经过变化且经过 时，时， 跃变的方向，即是从跃变的方向，即是从 跃跃 变为变为 ，还是，还是 从跃为从跃为 。 I U T U o u OH U OL U OL U OH U 3.3.电压比较器种类电压比较器种类 (1)(1)单限比较器（只有一个单限比较器（只有一个阈值阈值） (2)(2)滞回比较器滞回比较器（有两个阈值）（有两个阈值） (3)(3)窗口比较器（不讲）窗

16、口比较器（不讲） VU T 0 8.2.28.2.2 单限比较器单限比较器 一、过零比较器一、过零比较器 过零过零比较器，顾名思义，其阈值电压比较器，顾名思义，其阈值电压 三个要素：三个要素： VUT0 最大值和最小值分别为最大值和最小值分别为 OMOH UU OMOL UU o u 的跃变方向的跃变方向 OMOi Uuu , 0 OMOi Uuu , 0 问题：如将输入信号加在问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？端，传输特性如何？ uo ui 0 +UOM -UOM 同相过零比较器同相过零比较器 实用电路实用电路 图中图中R R为限流电阻为限流电阻 传输特性传输特性 uI uO +

17、UOpp - -UOpp O +UZ - -UZ 利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器 问题：问题：过零比较器如图所示，过零比较器如图所示， 输入为正弦波时，输出波形是输入为正弦波时，输出波形是 怎样的？怎样的？ vI O T 2 3 4 t t vO VOH O VOL 传输特性传输特性 uI uO +UOM - -UOM O +UZ - -UZ 将正弦波变为矩形波将正弦波变为矩形波 二二 阈值不为零的单限比较器阈值不为零的单限比较器 OMORi UUUU, OMORi UUUU, 三个要素：三个要素： R T UU 最大值和最小值分别为最大值和最小值分别为 OMOH UU

18、OMOL UU o u 的跃变方向的跃变方向 三、一般单限比较器三、一般单限比较器 REFiN U RR R u RR R U 21 2 21 1 )0( 1 2 REFREFiT UU R R uU 解：求解三个要素：解：求解三个要素： T U 最大值和最小值分别为最大值和最小值分别为 OZOH UU OZOL UU o u 的跃变方向的跃变方向 求解此单限比较器的电压传输特性求解此单限比较器的电压传输特性 ？ 0 P u0 PN uu令 0 21 2 21 1 REFi U RR R u RR R uI uO +UOM - -UOM O +UZ - -UZ REF 1 2 U R R 单门

19、限比较器的单门限比较器的作用作用：检测输入的模拟信号：检测输入的模拟信号 是否达到某一给定电平。是否达到某一给定电平。 缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。 解决办法解决办法： 采用具有采用具有滞回滞回传输特性的比较器。传输特性的比较器。 电压比较器分析方法小结电压比较器分析方法小结 （1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH 和输出低电平和输出低电平UOL 。 （2）写出）写出up和和uN的电位表达式，令的电位表达式，令up=uN ，解得输，解得输 入电压就是阈值电压入电压就是阈值电压UT。 （3） u0在在uI 过过UT时的跃变方向决定于作用

20、于集时的跃变方向决定于作用于集 成运放的哪个输入端。成运放的哪个输入端。 当当uI从反向输入端输入时，从反向输入端输入时， uIUT ,u0=U0L 。反之，结论相反。反之，结论相反。 8.2.38.2.3 滞回比较器滞回比较器 计算阈值电压计算阈值电压UT Z 21 1 T U RR R U uo从从+ +UZ跃变到跃变到- -UZ的的 阈值电压为阈值电压为+UT uo从从- -UZ跃变到跃变到+ +UZ的的 阈值电压为阈值电压为-UT uI在在-UT与与+UT之间增加或减之间增加或减 小小, uO不发生变化不发生变化 +UZ uI uO - -UZ O UT- - UT+ + t ui U

21、om -Uom t ui UT -UT 如图所示：如图所示：输入为正弦波输入为正弦波 1 R 例：若将电阻例：若将电阻 的接地端接参考电压求解此滞回比较器的的接地端接参考电压求解此滞回比较器的 电压传输特性电压传输特性 ZRP U RR R U RR R u 21 1 21 2 )0( 21 1 21 2 RZRTH UU RR R U RR R U 解：三个要素：解：三个要素： T U 最大值和最小值分别为最大值和最小值分别为 OZOH UU OZOL UU ？ o u 的跃变方向的跃变方向 iN uu 令令 NP uu 滞回滞回比较器的特点：比较器的特点： 上升与下降过程中的阈值不同上升与

22、下降过程中的阈值不同 正反馈使正反馈使u uo o跳变过程加快跳变过程加快 两个阈值的差叫回差两个阈值的差叫回差 回差越大，抗干扰性越强回差越大，抗干扰性越强 输入由小变大时的阈值一定大于输入由大变小时的阈值输入由小变大时的阈值一定大于输入由大变小时的阈值 例例: :在如图所示的电路中，已知在如图所示的电路中，已知 ， 稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压 ，输入电压，输入电压u ui i波形如图波形如图 (a)(a)所示所示, ,试试 画出画出u uo o的波形的波形。 12 50100RkRk 9 Z Uv (a) 1 22 50 ( 9 )3 50 100 TZ R UUvv RR 解解:

23、:阀值电压阀值电压 输出高电平和低电输出高电平和低电 平分别为平分别为 9 Z Uv o u的跃变方向的跃变方向 1 22 50 ( 9 )3 50 100 TZ R UUvv RR 例例设计一个电压比较器设计一个电压比较器, ,使其电压输出特性如图使其电压输出特性如图 (a)(a)所示所示, , 要求所用的电阻阻值在要求所用的电阻阻值在 之间之间。 图图 (a)(a)电压传输特性电压传输特性 k10020 (b)(b)所设计电路所设计电路 解解: : ,6vUu ZO V R R U R R U uU RR R u RR R u ZTH NZiP 36 0 2 1 2 1 21 1 21 2

24、 故 若取若取R R1 1=25K=25K，R R2 2应取应取50K50K， 若取若取R R1 1=50K=50K，R R2 2应取应取100K100K。 vUTH3 R2=2R1 本章小结本章小结 熟练掌握电路产生正弦波振荡的幅值条件和相位熟练掌握电路产生正弦波振荡的幅值条件和相位 平衡条件，以及平衡条件，以及RC桥式正弦波振荡电路的组成、起振桥式正弦波振荡电路的组成、起振 条件和振荡频率。条件和振荡频率。了解变压器反馈式、电感反馈式、了解变压器反馈式、电感反馈式、 电容反馈式正弦波振荡电路的工作原理，电容反馈式正弦波振荡电路的工作原理，并能够根据并能够根据 相位平衡条件正确判断电路是否可

25、能产生正弦波振荡。相位平衡条件正确判断电路是否可能产生正弦波振荡。 理解典型电压比较器的电路组成，会根据三要理解典型电压比较器的电路组成，会根据三要 素法画电压传输特性。素法画电压传输特性。 （本题（本题1010分）一电压比较器电路及参数如图所示。请求出分）一电压比较器电路及参数如图所示。请求出 该电路的阈值电压，画出电压传输特性曲线，并说明是何该电路的阈值电压，画出电压传输特性曲线，并说明是何 种类型的电压比较器种类型的电压比较器 INREF 21 2 O 21 1 P uuU RR R u RR R u 2 2解：所示电路为反相输入的滞回比较器解：所示电路为反相输入的滞回比较器 （3 3分）分） u uO OU UZ Z6V6V。令。令 求出阈值电压：求出阈值电压：U