模拟电子技术：第11章信号产生电路

第11章信号产生电路11.1正弦波振荡器11.2非正弦波振荡器*11.3单片集成函数发生器(略)*11.4Multisim

仿真—LC谐振放大器的特性(略)第11章信号产生电路图(a)正弦波(b)矩形波图1在没有输入信号的情况下产生周期性振荡输出信号的电子电路称为信号产生电路，简称为振荡器。根据所产生的波形可以分为正弦波振荡器和非正弦波（矩形脉冲、三角波、锯齿波等）振荡器。振荡器既可由分立元件、集成运放组成，也可由集成信号发生器组件实现。电警棍超声波振荡器电脑无线发射器

应用微波炉无线发射机11.1正弦波振荡器11.1.1正弦波振荡电路原理11.1.2RC正弦波振荡电路11.1.3LC谐振回路的特性和选频放大器11.1.4LC正弦波振荡器11.1.5石英晶体振荡器已知，在负反馈放大电路中，当附加相移达到1800、环路增益大于等于1时，电路会产生自激振荡。

为了有利于自激振荡，在基本放大电路的增益最大的频段引入正反馈。因为，图(a)简化为图(b)

。在没有外加输入信号的情况下，反馈信号维持了稳定的输出信号。11.1.1正弦波振荡电路原理1．平衡振荡条件1．平衡振荡条件此即正弦波振荡器的平衡振荡条件，可分解为相位平衡条件和幅度平衡条件：相位平衡条件表示正反馈。通常，电路结构影响相位平衡条件，电路参数影响幅度平衡条件。为了产生单一频率的正弦波，基本放大电路或者反馈网络应具有选频功能，使电路在特定频率满足平衡振荡条件。否则，输出信号的谐波成分严重。起振条件2.

起振和稳幅

#振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声以及电源接通扰动。当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。

稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到振荡电路产生稳定的输出信号必须经历起振和稳幅两个过程。放大电路（包括负反馈放大电路）振荡电路基本组成部分反馈网络（构成正反馈）选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。通常与反馈网络合二为一。）稳幅环节判断电路能否产生正弦振荡的一般方法是：（1）电路是否具有放大、反馈、选频和稳幅功能。（2）是否满足相位平衡条件。一般用瞬时极性法判断，若是正反馈则满足相位平衡条件。（3）是否满足幅度平衡条件。3．分析方法11.1.2RC正弦波振荡器1．RC串并联电路的选频特性令分母的虚部为零，得当R1=R2=R、C1=C2=C时，

1．RC串并联电路的选频特性当f=fo时，相移φf＝0，幅值达到最大值F=1/3。当f→0时，φf＝90°,F=0；当f→∞时，φf＝-90°,F=0。反馈网络兼做选频网络RC串并联振荡电路D1D2R2R3

RC串并联电路作选频和正反馈；R2、R3、D1和D2组成非线性电阻Rf，是稳幅电路；Rf、R1和运放A组成同相比例放大电路。由于RC串并联电路、Rf和R1正好形成一个四臂电桥，称为文氏电桥，故又称为文氏电桥振荡器。2．RC串并联振荡电路RC串并联振荡电路D1D2R2R3（2）相位平衡条件

当f=fo时，RC串并联电路的φf＝0，F=1/3，满足相位平衡条件：φa+φf＝0。其它频率则不满足。

2．RC串并联振荡电路（1）放大电路增益同相比例放大电路的增益为（3）起振起振时，输出信号小，D1和D2截止。则AF>1，满足起振条件。选择R2=2R1，则AF=1，满足幅度平衡条件。

2．RC串并联振荡电路（4）幅度平衡条件当输出信号足够大时，D1和D2导通。忽略二极管的导通电阻，同相放大电路的增益为：如果增益RC串并联振荡电路D1D2R2R3F=1/3（5）振荡频率和幅度电路的输出电压幅度为式中，Von是二极管的导通压降。RC串并联振荡电路D1D2R2R32．RC串并联振荡电路电路的振荡频率为稳幅电路可以采用非线性元件、热敏线性电阻和压控线性电阻实现增益自动调节。3．稳幅电路正温度系数的热敏电阻稳幅toC

R1是具有正温度系数的热敏线性电阻。起振时，即热敏电阻的作用:稳幅采用非线性元件场效应管（JFET）稳幅原理稳幅整流滤波可变电阻区，斜率随vGS不同而变化3．稳幅电路频段开关S稳幅电路频率调节电路等效损耗电阻一般有则电路谐振。为谐振频率谐振时阻抗最大，且为纯阻性品质因数同时有即1．LC并联回路的选频特性11.1.3LC谐振回路的特性和选频放大器当时，2.选频放大电路以LC并联谐振回路作为共射电路的集电极负载，则可组成具有选频和放大功能的选频放大电路。“*”表示变压器的同名端，表明按图示的参考方向，原边电压和付边电压相位相同，也称为同极性端。谐振频率：可以证明，在谐振频率处，增益最大如果对选频放大器引入正反馈，并用反馈信号取代输入信号，则可组成LC正弦波振荡器。

LC振荡器常用于产生1MHz以上频率的正弦波。LC振荡器，分为变压器反馈式、电感三点式和电容三点式振荡器。它们的共同点是用LC并联谐振回路作选频电路。1．变压器反馈式电路的振荡频率是LC回路的谐振频率，即振荡的相位条件：正反馈2．电感反馈式正弦波振荡器LC谐振回路中的总电感为L＝L1+L2+2M，M为互感谐振角频率为：振荡的相位条件：正反馈电路的振荡频率是LC回路的谐振频率，即：补充：三点式LC并联电路仍然由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。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。3．电容反馈式正弦波振荡器谐振角频率：电路的振荡频率是LC回路的谐振频率，即：振荡的相位条件：正反馈电容C1和C2串联，与电感L组成LC谐振回路。补充：例

图9.2.4所示为一RC桥式正弦波振荡电路，已知A为运放741，其最大输出电压为±14V。（1）图中二极管D1,D2作为自动稳幅元件，试分析其稳幅原理；（2）设电路已产生稳幅正弦波振荡，当输出电压达到正弦波峰值时，二极管正向压降约为0.6V,试估算输出电压的峰值Vom

;(3)试定性说明因不慎使R2

短路时，输出电压的波形；（4）计算谐振频率

解：（1）稳幅原理

vo的幅值较小时，D1,D2

截止，放大电路增益

有利于起振；当vo

的幅值较大时，D1或D2

导通，并联等效电阻减小，A下降，vo

幅值趋于稳定。正反馈（2）估算Vom

由稳幅振荡时，并由电路可列出方程（分压公式）解之可得（3）（4）11.1.5石英晶体振荡器频率稳定问题如果对振荡频率的稳定性要求更高，可在振荡电路中用石英晶体谐振器取代LC选频电路，构成石英晶体振荡器。石英晶体振荡器的频率稳定度高达10-9~10-11。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11.1.5石英晶体振荡器1．石英晶体谐振器的电特性等效电路:(1)串联谐振电特性:晶体等效阻抗为纯阻性。(2)并联谐振通常所以（a）符号（b）电路模型（c）电抗-频率响应特性11.1.5石英晶体振荡器1．石英晶体谐振器的电特性

(a)串联型

（b）并联型2.石英晶体振荡电路按照石英晶体谐振器是以串联谐振或并联谐振形式的不同，分串联型和并联型石英晶体振荡器。在电容反馈式LC振荡器中，用石英晶体谐振器代替电感L，即构成并联型石英晶体正弦波振荡器。＋－－－11.2.1矩形波振荡器11.2非正弦波振荡器反相迟滞比较器(a)电路AvOvI(b)反相迟滞比较器的传输特性oVT-VT+VOH=VZVOL=-VZ1.基本结构：由反相迟滞过零比较器和RC电路组成。上限阈值电压：

（11.2.1a）

下限阈值电压：A2.工作原理：(1)设vo

=

+VZ,

此时，vO给C充电,vc

，则：v+=VT+0tuo+VZ-VZucVT+0t一旦vc>VT+

,就有v->v+,vo

立即由＋VZ变成－VZ

。在vc<VT+

时，v-

<v+,

设uC初始值uC(0+)=0vo保持+VZ不变+VZ11.2.1矩形波振荡器A此时，C向vO放电,再反向充电(2)当vo

=

-VZ时，v+=VT-vc达到VT-时，vo上跳。VT+vctVT-当vo

重新回到＋VZ

后，电路又进入另一个周期性的变化。-VZ0VT+vctVT-+VZvo0t

-VZT完整的波形：A3.周期与频率的计算：0VT+vctVT-

+VZ

-VZT1T2TT=T1+T2=2T2

可推出:因为电容充电和放电的时间常数、电压变化幅度等相同，所以输出高电平、低电平持续时间相等的方波。A4.占空比可调的方波发生器UZuo0t-UZD2D1RW充电放电充电时间：

放电时间：周期T：

（11.2.4）

占空比ρ：RW1RW2电路结构：迟滞比较器+反相积分器工作原理：11.2.2三角波振荡器波形图0VT+votVT-+UZvo10t

-VZT(a)电路vO1vI(b)同相迟滞比较器的传输特性VOH=VZVOL=-VZoVT-VT+

11.2.3锯齿波振荡器三角波的上升斜率和下降斜率的绝对值相等，而锯齿波的上升斜率和下降斜率的绝对值不相等，改变三角波电路中反相积分器的正反向充电时间常数即可。锯齿波振荡电路

锯齿波振荡器输出电压波形斜率-VZ/(R+RW1)C斜率VZ/(R+RW2)C

11.2.3锯齿波振荡器锯齿波振荡电路

锯齿波振荡器输出电压波形斜率-VZ/(R+RW1)C斜率VZ/(R+RW2)C输出电压的上升时间：输出电压的下降时间：振荡周期：锯齿波输出电压峰峰值Vopp：补充题、计算题（20分）电路如题图所示，已知集成运放的最大输出电压幅值为±12V，vI的数值在vO1的峰峰值之间。1、判断各级运放工作是否在线性区；2、画出vO1和vO2的传输特性，并求传输特性的阈值电压和输出电平；3、设vI＝2.5V，画出vO1、vO2和vO3的稳态波形；4、求解vO3的高电平占空比与vI的关系式。1.A1是组成反相积分器，工作在线性区；A2是组成同相过零迟滞比较器，工作在非线性区；A3是组成反相单限比较器，工作在非线性区。补充题、计算题（20分）电路如题图所示，已知集成运放的最大输出电压幅值为±12V，vI的数