模拟电子技术基础 课件 （张菁）第7、8章 信号产生电路、功率放大电路

第7章信号产生电路一

正弦波振荡电路的分析方法二

RC正弦波振荡电路三

LC

正弦波振荡电路四

石英晶体振荡器五

非正弦波发生电路本章讨论的问题：1、什么是正弦波振荡，正弦波振荡和负反馈放大电路中产生的自激振荡有区别吗？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？2、产生正弦波振荡电路的条件是什么？正弦波振荡电路的组成?如何判断电路是否是正弦波电路？3、为什么矩形波发生电路是产生其他非正弦波电路的基础?为什么非正弦波发生电路中几乎都含有电压比较器？4、如何组成矩形波、三角波和锯齿波发生电路？正弦波振荡电路●无外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生一定频率一定幅值的输出信号。●与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。一、正弦波振荡的条件和电路的组成1.正弦波振荡的条件

在电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：

由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。。

正弦波振荡的条件（续）

一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即幅值平衡条件相位平衡条件起振条件：

要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的f0，且在合闸通电时对于f=f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。2.

正弦波振荡电路的振荡频率

振荡频率是由相位平衡条件所决定。这就要求电路只有一个频率满足振荡条件，才能产生单一频率的正弦波。为此必须在环路中包含一个选频网络。选频网络可以设置在放大电路中，也可设置在反馈网络中，在很多正弦波振荡电路中选频网络和反馈网络合二为一，既有选频作用，又起反馈作用，这样正弦波振荡电路的振荡频率也就取决于选频网络的参数。3.正弦波振荡电路的振荡频率的分类：按其选频网络的类型可分为：1)RC正弦波振荡电路：几百千赫以下2)LC正弦波振荡电路：几百千赫～几百兆赫3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定4、基本组成部分1)基本放大电路：放大作用2)正反馈网络：满足相位条件3)选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡4)稳幅环节：稳幅1)是否存在主要组成部分；2)放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路；3)是否满足相位条件，即是否存在f0，是否可能振荡

；4)是否满足幅值条件，即是否一定振荡。常合二为一5、分析正弦波振荡电路能否振荡的方法相位条件的判断方法：瞬时极性法

断开反馈，在断开处给放大电路加f＝f0的信号Ui，且规定其极性，然后根据

Ui的极性→Uo的极性→Uf的极性若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生正弦波振荡；否则电路不可能产生正弦波振荡。

在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。极性？二、RC正弦波振荡电路1.RC串并联选频网络低频段高频段

在频率从0～∞中必有一个频率f0，φF＝0º。

RC串并联选频网络的频率响应当ω=ωo=1/RC或f=f0

时，不但φ=0，且最大,为1/3。1)是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？2.

电路组成

应为RC串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。不符合相位条件不符合相位条件输入电阻小、输出电阻大，影响f0

可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于3，且Ri大、Ro小，对f0影响小3.RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）

由RC串并联网络的选频特性得知,在ω=ωo=1/RC时,其相移φF=0,为了使振荡电路满足相位条件

为了使电路能振荡,还应满足起振条件,即要求要求放大器的相移φA也为0°(或360°)。

而右图所示的反馈系数就是RC串并联网络的传输系数,即放大器的放大倍数当ω=ωo时,,因而按起振要求即频率可调的文氏桥振荡器：

改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。

加稳压管可以限制输出电压的峰-峰值。同轴电位器

为了提高频率，必须减小R和C的值。然而，一方面，R减小到一定程度时，同相比例器的输出电阻将影响选频特性：另一方面，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将影响选频特性；因此，f0高到一定程度，应选LC正弦波振荡电路。4.稳幅方法

因同相比例运算电路有非常好的线性度，故反馈电阻RF采用负温度系数的热敏电阻，或R1采用正温度系数的热敏电阻（如图1），或加二极管作为非线性环节（如图2）均可实现自动稳幅。图1图2稳幅的其它措施利用场效应管的非线性特性

讨论一：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？讨论一：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？RC移项式电路问:RC移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？讨论二：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路讨论三：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，二极管的正向压降为0.6V，试粗略估算输出电压达到正弦波峰值Uom；三、LC

正弦波振荡电路

1.LC并联网络的选频特性

理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷大。谐振频率为实际的LC并联网络总是有损耗的，等效为R,在损耗较小时，品质因数及谐振频率损耗LC并联网络的选频特性损耗LC并联网络的选频特性

在f＝f0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？

构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过引入正反馈并用反馈电压取代输入电压。附加相移2、LC选频放大电路→正弦波振荡电路

当f=f0时，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为0。1）变压器反馈式电路特点：易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：1)是否存在组成部分2)放大电路是否能正常工作3)是否满足相位条件

为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成三点式电感反馈式电路。必须有合适的同铭端！2）

电感反馈式(电感三点式)电路反馈电压取自哪个线圈？反馈电压的极性？必要吗？

电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。

电感三点式正弦波振荡电路又称哈特莱振荡电路，其电路如图所示。它的特点是把谐振回路的电感分成L1和L2两个部分，利用L2上的电压直接作为反馈信号，不需要用变压器。

电感三点式正弦波振荡电路（a）共基极接法的电感三点式（b）共射极接法的电感三点式电感反馈式(电感三点式)电路

电感反馈式电路特点：耦合紧密，易振，振幅大，C用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。

由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。

电感三点式正弦波振荡电路的振荡频率基本上等于LC并联电路的谐振频率,即其中L′是谐振回路的等效电感,即3）电容反馈式（电容三点式）电路

若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和C2上，影响振荡频率。特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。与放大电路参数无关电容三点式正弦波振荡电路的特点是用C1和C2两个电容作为谐振回路电容，利用电容C2上的电压直接作为反馈信号。电容反馈式（电容三点式）电路电容三点式正弦波振荡电路（a）共基极接法的电容三点式（b）共射极接法的电容三点式四、石英晶体正弦波振荡电路

1.石英晶体的特点SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。1）压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。当交变电场的频率为某一特定值时，振荡会骤然增大，产生共振。加交变电场产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场。容性感性阻性2）石英晶体的等效电路和振荡频率当等效电路的R、L、C支路产生串联谐振，该支路成纯电阻性谐振频率下总阻抗等于R和C0的并联阻抗，因,故近似认为石英晶体也成纯电阻性，等效电阻为R。R<<ωoC

一般LC选频网络的Q为几百，石英晶体的Q可达104～106；前者Δf/f为10－5，后者可达10－10～10－11。2.电路①石英晶体工作在哪个区？②是哪种典型的正弦波振荡电路？①石英晶体工作在哪个区？②两级放大电路分别为哪种基本接法？③C1的作用？（1）并联型电路（2）串联型电路旁路电容讨论一同铭端？能产生正弦波振荡吗？注意事项：1.放大电路必须能够正常工作，放大电路的基本接法；2.断开反馈，在断开处加f=f0的输入电压；3.找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。一、常见的非正弦波二、矩形波发生电路三、三角波发生电路四、锯齿波发生电路五、波形变换电路非正弦波振荡电路一、常见的非正弦波矩形波三角波锯齿波尖顶波阶梯波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。二、矩形波发生电路

输出无稳态，有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。1.基本组成部分（1）开关电路：输出只有高电平和低电平两种情况，称为两种状态；因而采用电压比较器。（2）反馈网络：因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路应引入反馈。（3）延迟环节：输出状态按一定的时间间隔交替变化，所以电路要有延迟环节来确定每种状态的维持的时间，决定振荡频率。利用RC电路实现。2.

电路组成正向充电：

uO（+UZ）→R→C→地反向充电：地→C→R→uO（－UZ）RC回路滞回比较器滞回比较器：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：UZ、R3。（稳幅环节）

由反相输入滞回电压比较器和RC电路组成。RC电路既作为延迟环节又作为反馈网络，通过RC的充放电实现输出状态的自动转换。设t=0时，uC=

0，uO=+UZ则tOuCOuOt当u-=uC

=u+

时，t1t2则当u-=uC

=u+

时，输出又一次跳变，uO=+UZ输出跳变，uO=-UZ3.

工作原理：上述过程周而复始，电路产生振荡。

振荡周期电容的充放电规律：对于放电，所以:t1t2tOuCOuOtt3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。当时代入上式得：

解之得

则方波的振荡频率

t1t2tOuCOuOtt3脉冲宽度4.

波形分析

正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。5.

占空比可调电路电容C的充、放电时间分别为：1RC延迟电路RC积分电路合二为一三、三角波发生电路

将RC电路和积分电路“合二为一”，即去掉方波发生电路中的RC电路，使积分电路既作为延迟环节又作为方波变三角波电路，滞回比较器和积分运算电路的输出互为另一个电路的输入即构成方波-三角波电路。求滞回比较器的电压传输特性：三要素

UOH

、UOL

，UT，uI过UT时曲线的跃变方向。2.

电路组成设t=0时，合闸通电，通常C上电压为0。uO1=+uZ→C充电(uc↑而

uo↓

)→

u1+↓

=0→

uO1

＝-UZ（翻转）→

C放电(uc↓而

uo↑

)→

u1+↑=0→

uO1从-UZ跃变为+UZ（翻转）。重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。

2.

工作原理+-uC3.计算(1)uo幅值计算。当时,对应的uo值为输出三角波的幅值Uom,即解得：(2)振荡周期的计算由A2的积分电路可求出振荡周期,其输出电压uo从-Uom上升到+Uom所需时间为T/2,所以得将幅值代入,可得4.

波形分析

如何调整三角波的幅值和频率？为什么为三角波？怎样获得锯齿波？“理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？四、锯齿波发生电路R3应小些，R3<<RW当uo1=+Uz时当uo1=-Uz时锯齿波的幅度和振荡周期与三角波相似。R4R3=0振荡周期为T=T1+T2,电容充电时间T1为则电容放电时间T2为则故振荡周期为式中rd1、rd2为二极管VD1、VD2导通时的电阻。R41.R3应大些？小些？2.RW的滑动端在最上端和最下端时的波形？≈T3.R3短路时的波形？讨论:R3应小些，R3<<RW五、波形变换电路1.利用基本电路实现波形变换

正弦波变方波、变矩形波，方波变三角波，三角波变方波，固定频率的三角波变正弦波如何得到？利用电子开关改变比例系数2.三角波变锯齿波：二倍频3.

三角波变正弦波若输入信号的频率变化不大，则可用滤波法实现。范围是什么？若输入信号的频率变化较大，则可用折线法实现。

三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有3次、5次……谐波。讨论:现有频率为1kHz的正弦波ui，实现下列变换：1kHz的正弦波ui↓2kHz的正弦波↓2kHz的方波↓2kHz的三角波第8章功率放大电路8.1功率放大电路概述8.2互补功率放大电路8.3集成功率放大电路本章讨论的问题：1、什么是功率放大电路，功率放大电路是放大功率吗？对功率放大电路的基本要求是什么？电压放大电路和功率放大电路有什么区别？2、什么是晶体管的甲类、乙类和甲乙类工作状态？3、功率放大电路的输出功率是交流功率还是直流功率?晶体管的耗散功率最大时，电路的输出功率是最大吗？4、在已知电源电压和负载的情况下，如何估算出最大输出功率以及转换效率？5、功放管和小信号放大电路中晶体管的选择有何不同？如何选择？8.1功率放大电路概述

能够向负载提供足够信号功率的放大电路称为功率放大电路，简称功放。

功率放大电路与其他放大电路在本质上没有根本的区别；只是功放既不单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。因此，从功放电路的组成和分析方法，到其元器件的选择都与小信号放大电路又着明显的区别。

功率放大电路的作用：是放大电路的输出级，去推动负载工作。例如使扬声器发声、继电器动作、仪表指针偏转、电动机旋转等。

对输出级的要求互补输出级是直接耦合的功率放大电路。

对输出级的要求：带负载能力强；直流功耗小；负载电阻上无直流功耗；最大不失真输出电压最大，即输出功率尽可能大。射极输出形式静态工作电流小输入为零时输出为零双电源供电时Uom的峰值接近电源电压。单电源供电Uom的峰值接近二分之一电源电压。

8.1.1功率放大电路的特点一、主要技术指标1.最大输出功率Pom功率放大电路提供给负载的信号功率称为输出功率。是交流功率，表达式为Po＝IoUo。最大输出功率是在电路参数确定的情况下，负载上可能获得的最大交流功率。2.转换效率

功率放大电路的最大输出功率与电源提供的直流功率之比。直流功率等于电源输出电流平均值及电压之积。效率尽可能高，因而电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。3.非线性失真要小4.散热问题额定功率是指在失真允许的范围内放大器输出的最大功率。最大不失真功率是指在不失真的情况下最大输出功率。功放管通常为大功率管，要特别注意其散热条件，使用时必须安装散热片，有时还要采取各种保护措施。三、分析方法

因大信号作用，故应采用图解法。晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管承受的最大管压降最大时接近c-e反向击穿电压U（BR）CEO晶体管消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率PCM二、晶体管的选用

根据极限参数选择晶体管。在功率放大电路中，为使输出功率尽可能大，要求晶体管工作在极限应用状态。选择功放管时，要注意极限参数的选择，以保证管子正常工作；另外还要注意其散热条件，使用时必须安装合适的散热片和各种保护措施。晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管承受的最大管压降最大时接近c-e反向击穿电压U（BR）CEO晶体管消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率PCM晶体管集电极电流最大时接近ICM晶体管承受的最大管压降最大时接近c-e反向击穿电压U（BR）CEO晶体管消耗的最大功率接近集电极最大耗散功率PCM四.对功率放大路的要求（1）甲类方式：晶体管在信号的整个周期内均处于导通状态（2）乙类方式：晶体管仅在信号的半个周期处于导通状态（3）甲乙类方式：晶体管在信号的多半个周期处于导通状态（1）在电源电压一定的情况下，最大不失真输出电压最大，即输出功率尽可能大。（2）效率尽可能高，因而电路损耗的直流功率尽可能小，静态时功放管的集电极电流近似为0。五、晶体管的工作方式为什么共射放大电路不宜作功率放大电路？直流电源提供的功率为ICQVCC,晶体管的集电极耗散功率为ICQUCEQ

静态时：输入正弦波时：电源输出的平均电流为ICQ,因此电源提供功率不变，管压降电流的最大分量为ICQRL’,有效值为ICQRL’/√2,所以负载上可能获得的最大功率为RL数值越小，功率越小为了提高功率，可以去掉集电极电阻RC,直接将负载接在集电极，并利用变压器实现阻抗变换①输入信号增大，输出功率如何变化？②输入信号增大，管子的平均电流如何变化？③输入信号增大，电源提供的功率如何变化？效率如何变化？适合做功放吗？8.1.2功率放大电路的组成1、变压器耦合功率放大电路--甲类(

=2

)1、变压器耦合功率放大电路---甲类(

=2

)：电源提供的功率ICQUCC调整变压器匝数RL’=(N1/N2)2RL，使交流负载线交于2UCC交流输出最大功率2、乙类(

=

)乙类(

=

)乙类互补对称(

=

)（1）变压器耦合乙类推挽电路

信号的正半周T1导通、T2截止；负半周T2导通、T1截止。

两只管子交替工作，称为“推挽”。设β为常量，则负载上可获得正弦波。输入信号越大，电源提供的功率也越大。（2）OTL电路—无输出变压器功率放大电路

输入电压的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充电。输入电压的负半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放电。C足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。因变压器耦合功放笨重、自身损耗大，故选用OTL电路。（3）OCL电路—无输出电容功率放大电路输入电压的正半周：＋VCC→T1→RL→地输入电压的负半周：

地→RL→T2→－VCC两只管子交替导通，两路电源交替供电，双向跟随。静态时，UEQ＝UBQ＝0。

互补对称电路是集成功率放大电路输出级的基本形式。当它通过容量较大的电容与负载耦合时，由于省去了变压器而被称为无输出变压器(OutputTransformerless)电路，简称OTL电路。若互补对称电路直接与负载相连，输出电容也省去，就成为无输出电容(OutputCapacitorless)电路，简称OCL电路。

OTL电路采用单电源供电，

OCL电路采用双电源供电。8.2互补功率放大电路8.2.1双电源互补对称功率放大电路(OCL)(OCL—OutputCapacitorless)一、乙类OCL互补功率放大电路T1、T2理想对称，静态时T1、T2均截止，UB=UE=0(OCL—OutputCapacitorless)1、电路组成及工作原理RLT1T2+UCC+ui

+uo

UCCui>0T1导通T2截止iC1io=iE1=iC1,uO=iC1RLui<0T2导通T1截止iC2io=-iE2=-iC2,uO=-iC2RLui=0T1、T2截止iO2、交越失真消除失真的方法：设置合适的静态工作点。信号在零附近两只管子均截止开启电压存在问题：当输入电压小于死区电压时，三极管截止，引起

交越失真。3、消除交越失真的互补输出级对偏置电路的要求：有合适的Q点，且动态电阻尽可能小，即动态信号的损失尽可能小。如果信号为零时两只管子处于临界导通或微导通状态，那么当有信号输入时两只管子中至少有一只导通，因而消除了交越失真。二极管导通时，对直流电源的作用可近似等效为一个0.6～0.8V的直流电池，对交流信号的作用可等效为一个数值很小的动态电阻。二、甲乙类双电源互补功率放大电路---消除交越失真ui=0，给T1、T2提供静态电压准互补输出级---消除交越失真为保持输出管的良好对称性，输出管应为同类型晶体管。

二管导通的时间都比输入信号的半个周期更长，功放工作在甲乙类状态。求解输出功率和效率的方法:然后求出电源的平均功率，效率在已知RL的情况下，先求出UO，则三、OCL功率放大电路的图解分析-----当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析---当输入电压足够大，且又不产生饱和失真的图解分析OCL功率放大电路的图解分析1.

输出功率2.

效率3.OCL电路中晶体管的选择--极限参数PT1对UOm求导，并令其为0，可得证明：管子功耗与输出电压峰值的关系因此，选择晶体管时，其极限参数将UOm代入PT1的表达式，可得【OCL电路小结】1.输出功率2.电源功率PE=2V2CC/

RL3.效率实际约为60%最大输出功率时：RL+VCC+ui

+uo

VCC每只管子最大管耗为

0.2Pom5.选管原则PCM>0.2PomU(BR)CEO>2VCCICM>VCC/RL4.管耗RL+VCC+ui

+uo

VCC[例1]

在图示电路中已知VCC

＝15V，输入电压为正弦波，晶体管的饱和管压降UCES＝3V，电压放大倍数约为1，负载电阻RL＝4

。（1）求解负载上可能获得的最大功率和效率（2）若输入电压最大有效值为8V，则负载上能够获得的最大功率为多少。解（1）（2）因为UO≈Ui，所以UO≈8V。最大输出功率[例2]

已知：VCC=VEE=24V，RL=8

，忽略UCE(sat)

求Pom

以及此时的

PE、PT1，并选管。[解]PE=

2V2CC/

RL=2242//(

8)=45.9(W)=0.5(45.936)=4.9(W)U(BR)CEO>48VICM>24/8=3(A)可选：U(BR)CEO=60

100VICM=5APCM=10

15WRL+VCC+ui

+uo

VCC输入电压的正半周：＋VCC→T1→C→RL→地

C充电。输入电压的负半周：

C

的“＋”→T2→地→RL→C“－”

C放电。C足够大，才能认为其对交流信号相当于短路。OTL电路低频特性差。8.2.2单电源互补对称功率放大电路—OTL电路(OutputTransformerless)一、OTL乙类互补对称电路存在的问题：交越失真2.OTL乙类互补电路图解分析电容