ch8波形发生-正弦波振荡电路2-电压比较器-非正弦波发生电路

模拟电路（1月4日将确定取消考试资格名单）

2015年01月13日(星期二)14时30分～16时30分课程号主选班级考场人数18013800012013物理学(师范)01/2013物理科学与技术学院01H5-2045918013800012013物理学(师范)01/2013物理科学与技术学院01H5-205718013800022013物理学(师范)01/2013物理科学与技术学院01H5-20552自激振荡的条件振幅条件相位条件n是整数放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的正弦波分量（可按傅里叶级数展开），其中也包括有fo分量的正弦波。选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：|AF|>1，且

A+

F=2n，即可起振。(1)为使电路产生正弦波振荡，标出集成运放的“+”和“-”，并说明电路是哪种正弦波振荡电路。(2)若R1短路则电路将有什么现象？(3)若R1断路则电路将有什么现象？(4)若Rf短路则电路将有什么现象？(5)若Rf断路则电路将有什么现象？解：(1)上“-”下“+”，是RC桥式正弦波振荡电路。(2)集成运放只处于正反馈状态，差模增益大，即便起振但输出饱和；经选频后的正弦波电位非正即负，故输出平台几乎为方波。(3)集成运放构成电压跟随器，电压放大倍数为1，不满足正弦波振荡的幅值条件，电路不发生起振，输出为零。(5)集成运放只处于正反馈状态，差模增益大，即便起振但输出饱和；经选频后的正弦波电位非正即负，故输出平台几乎为方波。(4)集成运放构成电压跟随器，电压放大倍数为1，不满足正弦波振荡的幅值条件，电路不发生起振，输出为零。§8.1.3LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可产生高频振荡。由于通用型集成运放的上限截止频率太低，而高频运放价格又较高，故一般用分离元件组成放大电路。本节对LC振荡电路的选频网络、相位条件判别及晶振应用做简单介绍。为提高RC桥式正弦波振荡电路的f0,必须减小R和C的数值。当R减小到一定程度时，同相比例运算电路的输出电阻将(同量级)影响选频特性；当C减小到一定程度时，晶体管的极间电容和电路的分布电容(由两个存在压差而又相互绝缘的导体所构成，是由非电容形态形成的一种电容分布参数)将(同量级)影响选频特性。上述情况下f0不仅决定于选频网络,还与放大电路参数有关。因此，当f0较高时，应选用LC正弦波振荡电路。一、LC正弦波振荡电路选频网络简介谐振时回路电流比总电流大的多，外界对谐振回路的影响可忽略！CLR常见LC选频网络多采用LC并联网络理想电路(无损耗)考虑电路损耗时的网络信号频率较低时容抗大，网络呈感性;信号频率较高时感抗(jωL)大,网络呈容性;谐振角频率定义品质因数电抗（f=f0时）Q>>1时(R较小)当f=f0，网络呈纯阻性，这时电路产生电流谐振,电容的电场能与电感的磁场能发生相互转换。i频率特性图：电抗Z是频率的函数,Q值愈大曲线愈陡，选频特性愈好。若以LC并联网络作为共射放大电路的集电极负载,f=f0时电压放大倍数最大且无相移,对于其余频率电压放大倍数不但减小且有相移,电路具有选频特性,故称选频放大电路。若在电路中引入正反馈,并能用反馈电压取代输入电压,则电路就成为正弦波振荡电路。++––+

例1：正反馈+UCCCC1C2频率由LC谐振网络决定变压器同名端：指副边感应电动势相位和原边相同的那一端，且用星号或小黑点将它们标记出来。二、相位条件的实例判别仍然由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。特殊：三点式LC振荡电路三点式LC并联电路电容三点式电感三点式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。例2：正反馈频率由C、

L1、

L2谐振网络决定。+UCCCC1L1L2C2设uB

+uC

-uD2+uB

+uD1

-D2D1例3：正反馈频率由L、

C1、

C2组成的谐振网络决定。+UCCC1LC2ABCD设uB

+uC

-uD

+uB

+uA

-例4：正反馈+UCCC1C2设uB

+uC

-uE

-ube

+uA

-AECB+–频率由L、

C1、

C2组成的谐振网络决定。对于交流信号,电源相当于“地”Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。（1）频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量，该值越小越好——频率偏移量。——振荡频率。一般LC振荡电路Q——数百晶振Q——10000

500000三、石英晶体振荡电路（晶振）应用品质因数Q>>1（2）石英晶体的基本特性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(共振)压电谐振(3)石英晶体等效电路及随频率的变化规律(须牢记)当LCR支路产生串联谐振(对应频率fs)，该支路呈纯阻性R，此时石英晶体也呈纯阻性R。晶体不振动时，等效为平板电容C0(静态电容)；晶片振动时，机械振动的惯性等效为电感L，弹性等效为电容C(其值很小)，摩擦损耗等效为电阻R；C<<Co。f<fs时LCR支路呈容性；f>fs时LCR支路呈感性，而当与C0产生并联谐振(对应频率为fp，与fs在数值上很接近)时使石英晶体又呈纯阻性。f8.2电压比较器

1.电压比较器将一个输入电压uI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.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。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3.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。2.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。二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuI=uP-uNO-UOM集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。对于理想运放，阈值电压UT是使得uP=uN得以实现的那个输入电压uI的数值。对于本图，uI=uP-uN，显然此时对应的阈值电压UT=0。8.2.2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；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。显然，过零比较器的UT就是0改造：利用稳压管限幅的过零比较器(一)——输出端处理，集成运放仍工作在非线性区电路图传输特性uIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ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

<UOM问题：1、如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？2、如果没有R，会发生什么事情？——相反——稳压管烧毁由于稳压管的反向电流小于IZmin时不稳压,大于IZmax时会因超过额定功耗而损坏，所以在稳压管电路中必须串联一个电阻来限制电流，从而保证稳压管正常工作，故称这个电阻为限流电阻。只有在R取值合适时，稳压管才能安全地工作在稳压状态。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，若不接稳压管，此时uN≈uI<0(虚断引起)，则uO=+UOM；接入稳压管后，左边稳压管被反向击穿，集成运放的反向输入端“虚地”，使得uO

=+UZ

。改造：利用稳压管限幅的过零比较器(二)——输入端负反馈处理，集成运放工作在线性区注：虚短概念仅适用于线性工作区同理，当uI>0时，右边的稳压管被反向击穿，uO=-UZ

。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？将正弦波变为矩形波uIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ二、单限比较器当输入电压uI

变化，使反相输入端uN电位与同相输入端uP电位（为零）相同时，输出端状态将发生跳变，则此时的uI即为阈值电压：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ过零比较器是阈值电压为零(此时UREF=0)的单限比较器。根据叠加原理可得[例1]在下图（1）所示电路中，已知：UZ=±6V，图（2）电路中：R1=R2=5kΩ，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示的三角波。试画出相应电路的输出电压波形

解图（1）图（2）存在干扰时单限比较器的uI、uO

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。8.2.3滞回(迟滞)比较器一.反相输入端输入的滞回比较器阈值电压电压传输特性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——抗干扰！注：正反馈促使uo在+UZ与-UZ之间转换；集成运放仍工作于非线性工作区比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。为使滞回比较器的电压传输特性曲线左右平移，需将2个阈值电压叠加相同的正电压或负电压。把电阻R1接地端改接UREF。二.加了参考电压的滞回比较器按照叠加原理，新的阈值电压第一项是平移项(决定平移距离)，UREF的极性决定平移方向。如何使电压传输特性曲线上下平移？改变稳压管稳定电压[例2]已知某电压比较器的输入波形和输出波形。画出电路图及电压传输特性图；改造并画出新的电路图，使阈值分别为2V、-4V，若用到参考电压，其值应是多少？输出为±UZ＝±9V1、输出信号在输入信号小于-3V和大于3V的表现说明是反相输入；输出信号在输入信号介于3V和-3V的表现说明具备滞回特性(观察从-3V到3V、从3V到-3V这二段表现)。——画出电压传输特性图——反相输入端输入的滞回比较器（画出相应的电路图）2、对比改造前后的阈值，等于在原数值上减了1V，故应在原滞回比较器上加参考电压UREF。再将R2：R1＝2代入平移项，得UREF=-1.5V改造后，UREF应满足关系为平移项将±UZ＝±9V、代入UT，可得R2：R1＝2改造前电路的关系情况为参考电压URH>URL若uI低于URL，A1输出u01为-UOM(VD1截止)，A2输出uo2为+UOM(VD2导通)，uO

为+UZ。——虚线若uI高于URH，A1输出u01为+UOM(VD1导通)，A2输出uo2为-UOM(VD2截止)，uO

为+UZ。——实线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。当URL<uI<URH时，u01、u02均为-UOM(VD1、VD2均截止)，uO为0V。电压传输特性8.2.4窗口比较器电阻R1、R2和稳压管Dz构成限幅电路电压比较器分析方法小结电压传输特性的三个要素是输出电压的高低电平、阈值电压以及输出电压的跃变方向。(3)写出up和uN的电位表达式，令up=uN

，解得输入电压就是阈值电压UT。

(2)在电压比较器中,集成运放多工作在非线性区；输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况（由限幅电路确定），因此可用电压比较器作为模拟电路和数字电路的接口电路。(4)u0在uI

过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时，uI<UT,u0=U0H

;uI>UT,u0=U0L。反之，结论相反。(5)一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。一、电路结构上下阈值电压(此情况没有外接输入电压)：集成运放的输入电压变化依靠电容压降（即负反馈引起的UN）的变化，即UN此时充当uI的角色，由此可判断该电路的二个阈值电压UT（高电压UH及低电压UL）下行的滞回比较器，输出经上行的RC电路再输入到此比较器的反相输入端。－++RR1R2C+ucuo–8.3.1方波(