模电讲义PPT学习教案

1、会计学1模电讲义模电讲义afXFAX afXX 1 FA12 FAnfa幅度平衡条件幅度平衡条件相位平衡条件相位平衡条件 振荡频率由相位平衡条件确定，电路仅在一个频率处满足相位条件，此频率为输出信号的频率振荡频率由相位平衡条件确定，电路仅在一个频率处满足相位条件，此频率为输出信号的频率 fo 。第1页/共38页1 FA 起振的幅值条件为起振的幅值条件为1 FA 稳幅：稳幅：因因 AF 1 ，起振后，输出信号幅值逐渐，起振后，输出信号幅值逐渐增大，需采取稳幅措施限幅，使输出波形为正弦波增大，需采取稳幅措施限幅，使输出波形为正弦波。一般可用放大器件的非线性稳幅或专门的稳幅电。一般可用放大器件的非线

2、性稳幅或专门的稳幅电路实现稳幅路实现稳幅.第2页/共38页3. 分析方法分析方法 判断电路能否产生正弦振荡的一般方法：判断电路能否产生正弦振荡的一般方法： 1）电路是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节，这）电路是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节，这4个基本组成部分。一般选频网络兼作反馈网络，放大器件的非线性自动地起稳幅作用。个基本组成部分。一般选频网络兼作反馈网络，放大器件的非线性自动地起稳幅作用。 2）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，若是正反馈电路就能振荡，振荡频率由相位条件决定。）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，若是正反馈电路就能振荡，振荡频率

3、由相位条件决定。 3）是否满足幅度平衡条件。振荡电路的幅度条件一般容易满足，因此，只要相位条件满足就能振荡。起振条件由）是否满足幅度平衡条件。振荡电路的幅度条件一般容易满足，因此，只要相位条件满足就能振荡。起振条件由 AF 1 决定。决定。 正弦波振荡器按选频网络所用元件类型的不同，分为正弦波振荡器按选频网络所用元件类型的不同，分为RC振荡器，振荡器，LC振荡器和振荡器和石英晶体石英晶体振荡器。振荡器。第3页/共38页)1(311/)1(1/RCCRjCjRCjRCjRVVFofV 第4页/共38页RCjFV1,)(31000 由图由图9.2.2所示频率特性可知所示频率特性可知 , 当当RCf

4、f 210。为为最最大大值值； 0,31FVF第5页/共38页3/11 RRAfV 为了使输出波形失真小，为了使输出波形失真小，AV 取约大于取约大于 3。第6页/共38页RCff210 无无输输出出；, 3/1)11 RRAfV输出正弦波；输出正弦波；约大于约大于 ,3/1)21RRAfV 输输出出失失真真的的正正弦弦波波；远远大大于于,3/1)31RRAfV 第7页/共38页 在放大电路的反馈回路里采用非线性元件来自动调整负反馈的强弱以维持输出电压恒定。在放大电路的反馈回路里采用非线性元件来自动调整负反馈的强弱以维持输出电压恒定。 1） 将反馈回路中的将反馈回路中的 Rf 用一负温度系数的

5、热敏电阻代替，当输出电压幅值增大时，电路温度增高，用一负温度系数的热敏电阻代替，当输出电压幅值增大时，电路温度增高， Rf 将减小，放大电路的增益将减小，放大电路的增益 AV =1+ Rf / R1 减小，输电压幅值减小，从而稳定输出电压。减小，输电压幅值减小，从而稳定输出电压。 2）也可将反馈回路中的）也可将反馈回路中的 R1 用一正温度系数的热敏电阻代替，同样可从而稳定输出电压。用一正温度系数的热敏电阻代替，同样可从而稳定输出电压。 3） 利用二极管或场效应管的可变电阻特性来稳幅。利用二极管或场效应管的可变电阻特性来稳幅。第8页/共38页kHzHzf20200 第9页/共38页33 . 3

6、/ )(1132 RRRAV有利于起振；当有利于起振；当 vo 的幅值较大时，的幅值较大时， D1 , D2 导通，并联等效电阻减小，导通，并联等效电阻减小， AV 下降，下降，vo 幅值趋于稳定。幅值趋于稳定。第10页/共38页VVVvFADomoVV6 . 0, 3/13 时时，及及omomVRRRV316 . 0121 VVom35. 8 重重合合的的直直线线。与与时时间间轴轴电电路路停停振振，输输出出为为一一条条，当当3,02 VAR输输出出波波形形如如图图所所示示。，当当 VAR,2并由电路可列出方程并由电路可列出方程 解之可得解之可得（3）（4）第11页/共38页LjRCjLjRC

7、jZ 1)(19. 3. 1 LC 选频放大电路选频放大电路 1LC并联回路的选频特性并联回路的选频特性第12页/共38页LC10 LCf 210或或LR )1(/)1(1CLjRCLCLjRLjCjZ CQLQRCLZ000 第13页/共38页200220)(1)1(1 RLjRCLRLjRCLZ(4) 频率特性频率特性第14页/共38页 0000,/,2,QRL 则上式改写为则上式改写为 021 jQRCLZ200)2(11 QZZ)2(01 Qtg第15页/共38页第16页/共38页 9. 3. 2 变压器反馈式变压器反馈式 LC 振荡电路振荡电路 图图 9. 3. 6中，中，LC并联回

8、路作放并联回路作放大电路中晶体管集电极的负载，大电路中晶体管集电极的负载，起选频作用，变压器副边绕组实起选频作用，变压器副边绕组实现反馈，称为变压器反馈式正弦现反馈，称为变压器反馈式正弦波振荡器。振荡电路中电容波振荡器。振荡电路中电容C1，射极旁路电容射极旁路电容Ce ，通常足够大，通常足够大，视为交流短路，因此视为交流短路，因此LC回路谐振回路谐振时，呈电阻性，放大电路的输出时，呈电阻性，放大电路的输出和输入间相位相反，如果变压器和输入间相位相反，如果变压器绕组的极性合适（图中同名端用绕组的极性合适（图中同名端用*号表示），反馈网络的相位，号表示），反馈网络的相位，则满足振荡的相位平衡条件，

9、则满足振荡的相位平衡条件，180f180A(-)(+)(+) 振荡频率为振荡频率为式中式中 L 为回路的等效电感。为回路的等效电感。 通常采用瞬时极性法分析，各处极性见图中标注，可判断电路为正反馈，满足相位平衡条件。通常采用瞬时极性法分析，各处极性见图中标注，可判断电路为正反馈，满足相位平衡条件。 起振的幅值条件为起振的幅值条件为 ，只要变压器变比恰当，一般都可满只要变压器变比恰当，一般都可满足。足。CLfo 21FA1 第17页/共38页9. 3. 3 三点式三点式 LC 弦波振荡器弦波振荡器 电感三点式振荡器电感三点式振荡器(图图 9. 3. 7 )，把，把LC谐振回路中的电感分成谐振回路

10、中的电感分成 L1和和 L2 两个部分，通常为顺接，彼此之间具有互感两个部分，通常为顺接，彼此之间具有互感M，等效电感，等效电感 L= L1+ L2 +2M 由于由于 L 有有3个端点（个端点（1）、（、（2）、（）、（3）被称为）被称为电感三点式电感三点式. 利用瞬时极性法，可判断电路为正反馈，振荡频率为利用瞬时极性法，可判断电路为正反馈，振荡频率为 LCfo 21第18页/共38页 电感三点式，用可变电容虽然能在较宽范围内调节振荡频率，但是，由于反馈电压取自电感电感三点式，用可变电容虽然能在较宽范围内调节振荡频率，但是，由于反馈电压取自电感L1，感抗随频率升高而增加，反馈电压中高次谐波比重

11、增加，使输出波形变坏。为此，用电容三点式振荡电路。，感抗随频率升高而增加，反馈电压中高次谐波比重增加，使输出波形变坏。为此，用电容三点式振荡电路。2121CCCCC CLfo 21第19页/共38页 9. 3. 4 石英晶体正弦波振荡器石英晶体正弦波振荡器 如果对振荡频率的稳定性要求更高，可采用石英晶体振荡器。石英晶体振如果对振荡频率的稳定性要求更高，可采用石英晶体振荡器。石英晶体振荡器是在振荡电路中用石英晶体取代荡器是在振荡电路中用石英晶体取代LC元件，构成正弦波振荡器。其频率稳元件，构成正弦波振荡器。其频率稳定度可达定度可达10-9甚至到甚至到10-11。 1石英晶体的特性石英晶体的特性

12、石英晶体是一种各向异性的结晶体（二氧化硅），按一定的方位角切下薄片，简称晶片（可以是正方形、矩形或圆形等）。在两个对应表面上涂敷银层作电极，加上外壳封装，就是石英晶体产品，如图石英晶体是一种各向异性的结晶体（二氧化硅），按一定的方位角切下薄片，简称晶片（可以是正方形、矩形或圆形等）。在两个对应表面上涂敷银层作电极，加上外壳封装，就是石英晶体产品，如图 9.3. 9所示所示。 X 压 电 效 应压 电 效 应: 在晶片的两个电极间加电场，晶片就会产生机械变形在晶片的两个电极间加电场，晶片就会产生机械变形; 在晶片两侧施加在晶片两侧施加机械压力机械压力，则在晶片相应的方向上产生电场的现象则在晶片相

13、应的方向上产生电场的现象。 压 电 谐 振 ：压 电 谐 振 ：晶片两极加上交变电场，晶片就会产生机械振动，此机械振动又会产生晶片两极加上交变电场，晶片就会产生机械振动，此机械振动又会产生交变电场，不过其振幅非常小，但是当外加交变电压的频率为晶片的固有频交变电场，不过其振幅非常小，但是当外加交变电压的频率为晶片的固有频率时，振幅将急剧增加。率时，振幅将急剧增加。 固 有 频 率 ：固 有 频 率 ：即谐振频率，和晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，这些可以制作即谐振频率，和晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，这些可以制作得很精确，因而频率稳定度很高。得很精确，因而频率稳定度很高。 第20页/共

14、38页Co 为切片与金属板构成的静电电容，一般为几皮法到几十皮法。为切片与金属板构成的静电电容，一般为几皮法到几十皮法。 L 模拟机械振动的惯性，一般为几十毫亨到几百亨。模拟机械振动的惯性，一般为几十毫亨到几百亨。 C 模拟晶片的弹性，一般只有模拟晶片的弹性，一般只有0.00020.1pF。 R 表示晶片振动时摩擦而造成的损耗，一般为。表示晶片振动时摩擦而造成的损耗，一般为。 因为因为 L 很大，很大，R、C很小，回路很小，回路Q值极高，可达值极高，可达104106。由等效电路可推导出其谐振频率有两个：。由等效电路可推导出其谐振频率有两个： 1) 串联谐振频率。此时回路阻抗最小，近似为电阻串联

15、谐振频率。此时回路阻抗最小，近似为电阻R。 2) 并联谐振频率并联谐振频率 LCfs 21000121CCfCCCCLfsp 第21页/共38页 实际给出的固有频率既不是串联也不是并联谐振频率，在两者之间实际给出的固有频率既不是串联也不是并联谐振频率，在两者之间 pssfff 2石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 1）串联型石英振荡器）串联型石英振荡器 石英晶体接在放大器的反馈网络中起选频作用，可构成正弦波振荡器，串联型石英振荡器。当电路的振荡频率为石英晶体接在放大器的反馈网络中起选频作用，可构成正弦波振荡器，串联型石英振荡器。当电路的振荡频率为 fS 时，石英晶体的电抗最小，呈电阻性，相移为零

16、，满足相位平衡条件，产生振荡，振荡频时，石英晶体的电抗最小，呈电阻性，相移为零，满足相位平衡条件，产生振荡，振荡频 率为率为 fS 。 2）并联型石英振荡器）并联型石英振荡器 石英晶体在此窄小范围内呈感性。石英晶体在此窄小范围内呈感性。第22页/共38页 当频率在当频率在 fS 和和 fP 之间时，石英晶体可代替电容之间时，石英晶体可代替电容3点式中的电感，构成正弦波荡器，图点式中的电感，构成正弦波荡器，图 9. 3.12所示。振荡频率由谐振回路的参数决定。但因为所示。振荡频率由谐振回路的参数决定。但因为 C1 、C2 CS, 所以振荡频率主要取决于石英晶体与所以振荡频率主要取决于石英晶体与

17、CS 的谐振频率。的谐振频率。第23页/共38页第24页/共38页 比较器输出只可能有两种电平。高电平比较器输出只可能有两种电平。高电平 VoH ，低电平，低电平 VoL。 门限电压门限电压Vth ：比较器输出电压从一比较器输出电压从一 个电平跳到另一电平所对应的输入电压。个电平跳到另一电平所对应的输入电压。 Vth= VREF第25页/共38页第26页/共38页第27页/共38页（2） 门限电压的估算门限电压的估算 ;,;,oHoPIoLoPINVvvvVvvvv INPvvv 输出电压跳变的临界条件输出电压跳变的临界条件第28页/共38页oREFthPvRRRVRRRVv122211 oH

18、REFTVRRRVRRRV122211 oLREFTVRRRVRRRV122211 )(122oLoHTTTVVRRRVVV 根据输出电压根据输出电压 vo的不同值（的不同值（ VoH 或或 VoL ) 可求出上门限电压可求出上门限电压 VT+ 和下门限电压和下门限电压 VT- 门限宽度或回差电压门限宽度或回差电压第29页/共38页a) vI 由小于由小于VT- 增加增加 b) vI 由大于由大于 VT+ 减小减小 综合两条传输特性的电路的传输特性。综合两条传输特性的电路的传输特性。第30页/共38页VVRRRVoHT5122 VVRRRVoLT5122 VVVoLoH10 （2）画传输特性）

19、画传输特性（3） 画画 vo 的波形的波形第31页/共38页 利用电压比较器和利用电压比较器和RC延时反馈电路可构成矩形波、三角波、锯齿波发生器。因集成运放的温度稳定性优于晶体管，所以运放构成的波形发生器优于分立元件构成的波形发生器。延时反馈电路可构成矩形波、三角波、锯齿波发生器。因集成运放的温度稳定性优于晶体管，所以运放构成的波形发生器优于分立元件构成的波形发生器。 9. 4. 2 方波发生器方波发生器 由迟滞比较器和由迟滞比较器和RC电路构成。电路构成。 工作原理工作原理1）迟滞比较器）迟滞比较器 VoH = - VoL =VZ ，ZZTFVVRRRV 212ZZTFVVRRRV 211第32页/共38页)1(1 )(CRtZCf