模拟电子技术第八章PPT课件

1、本章讨论的问题：1.在模拟电子电路中需要哪些波形的信号作为测试信号和控制信号？2.正弦波振荡电路所产生的自激振荡和负反馈放大电路中所产生的自激振荡有什么区别？3.为什么正弦波振荡电路中必须有选频网络？选频网络由哪些元件组成？4.为什么说矩形波发生电路是产生非正弦波信号的基础？为什么非正弦波发生电路中几乎都有电压比较器？第1页/共67页本章讨论的问题：5.电压比较器与放大电路有什么区别？集成运放在电压比较器和运算放大电路中的工作状态一样吗？6.如何组成矩形波、三角波和锯齿波发生发生电路？7.为什么需要将输入信号进行转换？有哪些基本转换？第2页/共67页8.1正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.1.1

2、概述概述iU放大电路AioUAU 反馈网络FtUU sin2ii OfUFU 如果反馈电压 uf 与原输入信号 ui 完全相等，则即使无外输入信号，放大电路输出端也有一个正弦波信号自激振荡。(电路要引入正反馈)图图 8.1.2 8.1.2正弦波振荡电路的方框图正弦波振荡电路的方框图一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件动画avi11-1.avi第3页/共67页由此知放大电路产生自激振荡的条件是：ifUU 即：iiofUUAFUFU 所以产生正弦波振荡的条件是：1 FA1 FA幅度平衡条件2argFAnFA 相位平衡条件, 2 , 1 , 0 n电路起振的条件：1FA第4页/共67页二

3、、正弦波振荡电路的组成及分类二、正弦波振荡电路的组成及分类组成：放大电路：集成运放选频网络：确定电路的振荡频率反馈网络：引入正反馈稳幅环节：非线性环节，使输出信号幅值稳定分类：RC正弦波振荡电路，频率较低，在1MHz以下。LC正弦波振荡电路，频率较高，在1MHz以上。石英晶体振荡电路，频率较高，振荡频率非常稳定。第5页/共67页三、判断电路能否产生正弦波振荡的方法和步骤1. 检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分；2. 检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作；3. 分析电路是否满足自激振荡的相位平衡条件判断相位平衡条件的方法是：瞬时极性法。5.估算振荡频率和起振条件4.判断是否满足振

4、幅平衡条件。第6页/共67页8.1.2RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路RCRC串并联网络振荡电路也称RCRC桥式正弦波振荡电路或称文氏振荡电路( (Wien)Wien)电路组成：放大电路 集成运放 A ；选频与正反馈网络 R、C 串并联电路；稳幅环节 RF 与 R 组成的负反馈电路。第7页/共67页图图 8.1.4一、RC 串并联选频网络Z1Z2)1)1(1111122112212211222212CRCRCCRRCRCRCRRUUF j(j1jjf取 R1 = R2 = R ， C1 = C2 = C ，令 RC10 则： )j(3100 F第8页/共67页得 RC 串并联电路的幅频特性为

5、：2002)(31 F3arctg00F 相频特性为：时，时，当当RC10 31 F最大， F = 0。 0 0 F0 F 01/3+90- -90图图 8.1.5第9页/共67页二、振荡频率与起振条件1. 振荡频率RCf 2102. 起振条件1 FAf = f0 时，31 F由起振荡条件知：所以起振条件为：3 A同相比例运放的电压放大倍数为即要求：RRAu Ff1RR 2F第10页/共67页三、振荡电路中的负反馈(稳幅环节)引入电压串联负反馈，可以提高放大倍数的稳定性，改善振荡电路的输出波形，提高带负载能力。反馈系数改变 RF，可改变反馈深度。增加负反馈深度，并且满足3 A则电路可以起振，并

6、产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。图图 8.1.7RRRF F反馈电阻 RF采用负温度系数的热敏电阻，R采用正温度系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。第11页/共67页稳幅的其它措施电流增大时，二极管动态电阻减小。电流减小时，动态电阻增大，加大非线性环节，从而使输出电压稳定。在RF回路中串联二个并联的二极管RrRAdFu1第12页/共67页四、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路用双层波段开关接不同电容，作为振荡频率f0的粗调；用同轴电位器实现f0的微调。RC串、并联网络中，如何调节频率？问题：如何提高频率？RCf 210动画avi11-2.avi第13页/共67页*其他形式的其他形式的 RC

7、 振荡电路振荡电路一、移相式振荡电路集成运放产生的相位移 A = 180，如果反馈网络再相移 180，即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。振荡频率为：RCf 32100ff0 27018090当 f = f0 时，相移 180，满足正弦波振荡的相位条件。起振条件：RF 12 R第14页/共67页*二、双 T 选频网络振荡电路振荡频率约为：RCf510 当 f = f0 时，双 T 网络的相移为 F = 180；反相比例运放的相移 A = 180，因此满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。如果放大电路的放大倍数足够大，同时满足振幅平衡条件，即可产生正弦波振荡。起振条件1 23 FARR，第15页/

8、共67页*三种三种 RC 振荡电路的比较振荡电路的比较名称名称RC 串并联网络振荡电路串并联网络振荡电路移相式振荡电路移相式振荡电路双双 T 网络选频振荡电路网络选频振荡电路电路电路形式形式振荡振荡频率频率起振起振条件条件电路特电路特点及应点及应用场合用场合可方便地连续调节振荡可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波路，容易得到良好的振荡波形。形。电路简单，经济电路简单，经济方便，适用于波形要方便，适用于波形要求不高的轻便测试设求不高的轻便测试设备中。备中。选频特性好，适用于选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。产生单一频率的振荡波形。R

9、Cf 2103 ARCf 3210RCf510 1 23 FARR，RR12F 第16页/共67页8.1.3LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 一、一、LC 谐振回路的频率特性谐振回路的频率特性当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：当电路发生并联谐振。 2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY 0)(20200 LRLC 图图 8.1.10第17页/共67页并联谐振角频率LCLR11)(1200 令：RLQ0 谐振回路的品质因数当 Q 1 时LC10 LCf 210谐振频率：第18页/共67页)11(j1)1j(j)1j(j1j)j(1j2LCRLCRLCLR

10、LCLRCLRCZ 回路等效阻抗：RCLYZ 001LC 并联回路的阻抗：发生并联谐振时，LC10 在谐振频率附近，)1(j12200 QZZ可见，Q 值不同，回路的阻抗不同。第19页/共67页Z 0 不同 Q 值时，LC 并联电路的幅频特性：Z01Z02Q1 Q2Q1Q2相频特性： 0 F+90- -90Q1Q2Q1 Q2感性纯阻容性结论：1. 当 f = f0 时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为容性。所以 LC 并联电路具有选频特性。2. 电路的品质因数 Q 愈大，选频特性愈好。图图 8.1.11第20页/共67页谐振时 LC 回路中的电流ULRLUCI20200C

11、)( 电容支路的电流：并联回路的输入电流：ULRRI202)( 所以：IQI C当 Q 1 时，IICIILLCII 结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。第21页/共67页若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载beurZA当f = f0时，电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。因而电路称为选频放大电路若增加正反馈，并用反馈电压取代输入电压，则电路就成为正弦波振荡电路LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路变压器反馈式电感反馈式电容反馈式第22页/共67页二、变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路1.工作原理用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自

12、激振荡的相位平衡条件。 - - 2.振荡频率和起振条件LCf 210振荡频率起振条件MCRr be 图图 8.1.14变压器反馈式变压器反馈式振荡电路振荡电路第23页/共67页三、电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。- - - - -2.振荡频率和起振条件CMLLLCf)2(2121210 振荡频率起振条件RrMLML be21 图图 8.1.17第24页/共67页四、电容反馈式振荡电路四、电容反馈式振荡电路1.电路组成用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。2.振荡频率和起振条件212102121CCCC

13、LLCf 振荡频率起振条件RrCC be12 图图 8.1.20 - - - - - - -第25页/共67页电容反馈式改进型振荡电路电容反馈式改进型振荡电路210111121CCCLf 振荡频率选择 C C1， C C2，则：LCf 210减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。图图 8.1.22第26页/共67页名称名称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电容反馈式改进型电容反馈式改进型电电路路形形式式振荡频率振荡频率起振条件起振条件同左同左频率调节方频率调节方法及范围法及范围频率可调，范围频率可调，范围较宽。较宽。同左同左频率可调，范频率可调

14、，范围较小。围较小。同左同左振荡波形振荡波形一般一般较差较差好好好好频率稳定度频率稳定度可达可达 10-4同左同左可达可达 10-4 10-5可达可达 10-5适用频率适用频率几千赫几千赫 几十兆几十兆赫赫同左同左几兆赫几兆赫 一百一百兆赫兆赫同左同左各种各种 LC 振荡电路的比较振荡电路的比较LCf 210CMLLf)2(21210 2121021CCCCLf 210111121CCCLf MCRr be RrMLML eb21 RrCC eb12 第27页/共67页8.1.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常石英晶体谐振器，简称石英晶体，具有非常稳定的固有

15、频率。稳定的固有频率。一、石英晶体的特点石英晶体的特点压电效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形；若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。1.压电效应和压电振荡第28页/共67页2.等效电路和振荡频率符号：串联谐振频率LCf 21s并联谐振频率0s00p121CCfCCCCLf 电抗频率特性OfXfsfp容性容性感性图图 8.1.27图图 8.1.28第29页/共67页二、石英晶体正弦波振荡电路二、石英晶体正弦波振荡电路1.并联型石英晶体正弦波振荡电路交流等效电路振荡频率CCCCCCLf 000)

16、(212121CCCCC 由于CCC 0s021fLCf 图图 8.1.29第30页/共67页2.串联型石英晶体振荡电路图图 8.1.30串联型石英晶体振荡电串联型石英晶体振荡电路路当振荡频率等于 fS 时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。振荡频率s0ff 调节 R 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。第31页/共67页8.2电压比较器电压比较器1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电 压 进 行 比 较 ， 输 出 只 有 两 种 可 能 的 状 态 ： 高电平或低电平。2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。3.

17、分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。8.2.1概述4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在 测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。第32页/共67页一、 电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系)(OIufu 2.阈值电压： UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。(2)阈值电压的数值UT。(3)当uI变化且经过UT时， uO跃变的方向。第33页/共67页二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP uN NO UOM集成运放的电压传输特性在电压比

18、较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。第34页/共67页8.2.2单限比较器单限比较器一、过零比较器由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以当 uI 0 时，uO = - - UOM ；过零比较器的传输特性为：uIuO+UOM- -UOMOUOM 为集成运放的最大输出电压。阈值电压：当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。图图8.2.3第35页/共67页利用稳压管限幅的过零比较器设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为 UZ UOMuIuO+UOM - -UOMO+UZ- -UZ当 uI 0 时，右边的稳压管被反向击穿，uO = - -

19、 UZ ；图图 8.2.6第36页/共67页利用稳压管限幅的过零比较器(二)电路图传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？第37页/共67页问题：问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ将正弦波变为矩形波第38页/共67页二、单限比较器二、单限比较器单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。REF21TURRuUI当输入电压 uI 变化，使反相输入端的电位为零

20、时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOM- -UOMO+UZ- -UZREF12URR过零比较器是门限电平为零的单限比较器。图图 8.2.7R1R2第39页/共67页存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。缺点：抗干扰能力差。解决办法： 采用具有滞回 传输特性的比较器。第40页/共67页例8.2.1在图8.2.7中所示电路中， R1= R2 =5k ，基准电压UREF=2V ，稳压管的稳定电压UZ=5V ；它们的输入电压均为图8.2.8（a）所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压u0

21、1和图8.2.7所示电路的输出电压u02 解图8.2.6为过零比较器图8.2.7为一般单限比较器。VURRU2REF21T图8.2.8例8.2.1波形图R1R2第41页/共67页8.2.3滞回比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电压UTZ211TURRRU电压传输特性uo从+ +UZ跃变到- -UZ的 阈值电压为+UTuo从- -UZ跃变到+ +UZ的 阈值电压为-UTuI在-UT与+UT之间增加或减小, uO不发生变化第42页/共67页UREF 为参考电压； ；uI 为输入电压；输出电压 uO 为 +UZ 或 - -UZ。当 uP = uN N 时，输出电压的状态发生跳变。ZF

22、22REFF2FuRRRURRRuP比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +图图 8.2.10滞回比较器滞回比较器二、加了参考电压的二、加了参考电压的滞回比较器滞回比较器第43页/共67页若 uO= UZ ，当 uI 逐渐减小时，使 uO 由 UZ 跳变为 UZ 所需的门限电平 UT ZF22REFF2FTURRRURRRU 回差( (门限宽度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 若 uO = UZ ，当 uI 逐渐增大时，使 uO 由 + +UZ 跳变为 - -UZ 所需的门限电平 UT+ZF22REFF2FTURRRUR

23、RRU 第44页/共67页例8.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。图8.2.11例8.2.2波形图 UZ 9VV3URRRUZ211T图8.2.9滞回比较器电路uO /Vt0+9-9第45页/共67页8.2.4 窗口比较器窗口比较器参考电压 UREF1 UREF2若 uI 低于 UREF2 ，运放 A1 输出低电平，A2 输出高电平，二极管 VD1 截止，VD2导通，输出电压 uO 为高电平；若 uI 高于 UREF1 ，运放 A1 输出高电平，A2 输出低电平，二极管 VD2 截止，VD1 导通，输出电压 uO 为高电平；图图 8.2.13双限比较器双限比较器( (a)

24、)前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。第46页/共67页当 uI 高于 UREF2 而低于 UREF1 时 ，运放 A1、 A2 均输出低电平，二极管 VD1 、VD2 均截止，输出电压 uO 为低电平；上门限电平 UTH = UREF1 ；下门限电平 UTL = UREF2 。uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号 uI UREF1 时，输出为高电平；而当 UREF2 uI UREF1 时，输出为低电平。图图 8.2.13( (b) )第47页/共67页8.2.5集成电压比较器集成电压比较器一、集成电压比较器的主要

25、特点和分类：1. 具有较高的开环差模增益；2. 具有较快的响应速度；3. 具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4. 具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型第48页/共67页二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器AD790引脚图+12V单电源供电，逻辑电源为5V。5V双电源供电，逻辑电源为5V。1 15V双电源供电，逻辑电源为5V。第49页/共67页2.集电极开路集成电压比较器LM119金属封装的管脚图反相输入2同相输入2电路为双限比较器，能实现线与功能图8.2.16由L

26、M119构成的双限比较器及其电压传输特性第50页/共67页8.3非正弦波发生电路非正弦波：矩形波、三角波、尖顶波和阶梯波等图8.3.1几种常见的非正弦波第51页/共67页8.3.1矩形波发生电路矩形波发生电路一、电路组成RC 充放电回路滞回比较器图图 8.3.2滞回比较器：集成运放、R1、R2；充放电回路：R、C；（延迟环节、反馈网络）钳位电路：VDZ、R3。（稳幅环节）动画avi14-1.avi第52页/共67页二、工作原理设 t = 0 时，uC = = 0，uO = + UZ则Z211URRRu tOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tu+u 当 u = uC =

27、 u+ 时，t1t2Z211URRRu 则当 u = uC = u+ 时，输出又一次跳变， uO = + UZ输出跳变， uO = UZ图图 8.3.42T2T第53页/共67页三、振荡周期电容的充放电规律： )(e)()0()( CtCCCuuutu 对于放电，Z211) 0(URRRuC Z)(UuC RC 解得：)21ln(221RRRCT 结论：改变充放电回路的时间常数及滞回比较器的电阻，即可改变振荡周期。t1t22T2TtOuCZ211URRR Z211URRR OuOZU ZU tt3图图 8.3.4振荡频率f=1/TZ211)2(URRRTuC第54页/共67页四、占空比可调的矩

28、形波发生电路图图 8.3.5a使电容的充、放电时间常数不同且可调，即可使矩形波发生器的占空比可调。tOuCuOtOT1T2T充电时间 T1放电时间 T2)21ln()(221W1RRCRRT )21ln()(221W2RRCRRT 占空比 DWW12RRRRTTD 图图 8.3.5b第55页/共67页8.5.2三角波发生电路三角波发生电路一、电路组成图8.3.6采用波形变换的方法得到三角波uO1为方波电路分析uO2为三角波)()( )(d1OO01IOOIOtuttRCUtutuRCu第56页/共67页二、工作原理当 u+ = u = 0 时，滞回比较器的输出发生跳变。图图 8.3.8o212

29、1o211uRRRuRRRu实用电路Z21TURRU阈值电压左边是同相输入滞回比较器右边为反向积分运算电路图图 8.3.7R3R4传输特性 +UT -UT +UZ -UZuOuI第57页/共67页二、工作原理OuO1ZU ZU tOuOomU omU t当 u+ = u = 0 时，滞回比较器的输出发生跳变。图图 8.3.9o2121o211uRRRuRRRuZ21TURRU阈值电压图图 8.3.7R3R4设t=0时， uO1 = +UZ u0= 0 )()( )(d1OO013IOOI3OtuttCRUtutuCRu第58页/共67页三、输出幅度和振荡周期Z21omURRU 解得三角波的输出幅度当 u+ = u = 0 时，uO1 跳变为 - -UZ， uO 达到最大值 Uom 。振荡周期