模拟电子技术基础：第9章 信号产生电路

第9章信号产生电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容正弦波振荡电路的振荡条件RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体振荡电路 （属LC电路一种）最终要求：①判断电路能否振荡②求振荡频率

f0＝？电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础本章主要内容介绍几种非正弦信号产生电路（1）电压比较器（2）方波产生电路（3）三角波和锯齿波产生电路最终要求：会对各电路进行分析关键：是vO和vI的关系为何？通常给出vI波形，要能画出vO波形。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础概述在模拟电子电路中，存在着各种类型的信号产生电路，就其产生的波形而言，通常可以分为两大类：正弦波非正弦波矩形波三角波锯齿波等等这些波形信号常被作为信号源广泛应用于许多工程领域。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础9.1正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的定义：是指在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。应用例：实验室中的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础正弦波振荡电路的方框图及产生条件分析一.产生条件【分析】假设先将S接在1端，且有：vi经过放大电路和反馈网络后，在2端得到一个同样频率的正弦电压vf，即：～S21电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础～S21【分析】若使得则如果把S倒向2端，vo将和原来完全相同，没有任何改变。即：放大电路产生了正弦波振荡，其角频率为ω。结果正弦波振荡电路的方框图及产生条件分析一.产生条件电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础由此可以得出,放大电路产生自激振荡的条件：∵而∴产生正弦波振荡的条件分别用振幅平衡条件和相位平衡条件表示如下：振幅平衡条件相位平衡条件电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础【解释】有区别！负反馈放大电路产生自激振荡的条件是由这里正弦波振荡电路产生自激振荡的条件是：××由负反馈变成了正反馈引入了正反馈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区别吗？电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.起振条件和稳幅原理起振条件：结果：产生增幅振荡（略大于）主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益

稳幅条件：稳幅措施：起振过程被动：器件本身的非线性电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三.正弦波振荡器的一般组成放大电路（A）正反馈网络选频网络：确定电路的振荡频率f0，只对这一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。稳幅环节：信号幅值稳定。也就是非线性环节，作用是使输出其中选频网络往往与反馈网络合二为一；振荡电路中的稳幅环节，在分立元件放大电路中常依靠放大电路中三极管的非线性作用实现，而不另加稳幅电路。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础四.正弦波振荡器的分类正弦波振荡电路常用选频网络所用元件来命名，分为：RC振荡电路：LC振荡电路：用R、C元件组成；用于产生1Hz～1MHz的低频信号。用L、C元件组成；用于产生1MHz以上的高频信号。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础Q1：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。【答案】Q2：电路器件的内部噪声不是单一频率噪声，而电路输出的是单一频率的正弦波，如何实现？【答案】率

0满足相位平衡条件，形成正反馈，成为振荡电路的输出信号；而其它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉。振荡电路中的选频网络，只使噪声中某一频电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础【答案】Q3：起振条件是否意味着输出电压将越来越大，趋于无穷？振荡电路中的稳幅环节，将限制输出信号幅度无限增长，当输出信号达到一定值后，将使其稳定。一是可以另加稳幅电路；二是直接依靠放大电路中晶体管的非线性作用实现。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础9.2RC正弦波振荡电路一.RC串并联网络的选频特性R1C1

串联阻抗：R2C2

并联阻抗：选频特性：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础定性分析（1）当信号的频率很低时：>>R1>>R2其低频等效电路为：其频率特性为：当ω=0时，uf=0，│F│=0=+90°当ω↑时，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF90°电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）当信号的频率很高时：＜＜R1＜＜R2其高频等效电路为：其频率特性为：当ω=∞时，uf=0，│F│=0=-90°当ω↓时，uf=↑，│F│↑↓0|F|0φF-90°电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一个频率ω0存在，当ω=ω0时，│F│最大，且=0°0|F|0φF90°0|F|0φF-90°电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础定量分析R1C1

串联阻抗：R2C2

并联阻抗：频率特性：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有：式中：可见：当时，│F│最大，且=0°

│F│max=1/3电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础RC串并联网络完整的频率特性曲线：当时，│F│=│F│max=1/3φF+90°|F|电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.RC桥式振荡器的工作原理在f0处满足相位条件：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：A=3输出正弦波频率振幅条件：引入负反馈：选：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础例题:R=1k

，C=0.1

F，R1=10k

。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20k

=1592Hz起振条件：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻(负温度系数）起振时Rt较大使A>3,易起振。当uo幅度自激增长时，Rt减小，A减小。

当uo幅度达某一值时，A→3。

当uo进一步增大时，RT再减小,使A<3。因此uo幅度自动稳定于某一幅值。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础能自动稳幅的振荡电路

起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加，D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。

将Rf分为Rf1

和Rf2，

Rf2并联二极管电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础一.LC并联谐振回路的选频特性(阻性)LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。R为电感和回路中的损耗电阻

9.3LC正弦波振荡器当时，并联谐振。谐振时，电路呈阻性：返回电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础

Q为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线|Z|Q小Q大电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础互感线圈的极性判别1234初级线圈次级线圈同名端1234+–+–

在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出同名端：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础二.变压器反馈式LC振荡电路

工作原理：三极管共射放大器。利用互感线圈的同名端：

满足相位条件。振荡频率:电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础判断是否是满足相位条件——相位平衡法：断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。(+)(-)(+)电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例1：满足相位平衡条件电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（+）（+）（–）（+）LC正弦波振荡器举例2：振荡频率:（–）满足相位平衡条件电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础仍然由LC并联谐振电路构成选频网络三.三点式LC振荡电路原理：uf与uo反相uf与uo同相电感三点式：电容三点式：uf与uo反相uf与uo同相电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础电感三点式LC振荡电路振荡频率：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础电容三点式LC振荡电路振荡频率：电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。四.石英晶体振荡电路频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量——频率偏移量。——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——10000500000电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础石英晶体（2）基本特性（1）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，振幅最大符号压电谐振电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（3）石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：（a）串联谐振频率特性：

晶体等效纯阻且阻值≈0（b）并联谐振通常所以X感性0容性电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。（1）并联型石英晶体振荡器

石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。X感性0容性电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）串联型石英晶体振荡器

石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。

X感性0容性电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础9.4非正弦信号产生电路

将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。uoui0+UOM-UOM一.电压比较器电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态基本分析方法运放工作在非线性状态的分析方法：若U+＞U-

则UO=+UOM；若U+＜U-

则UO=-UOM。

虚断（运放输入端电流=0）

注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOM电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础uoui0+UOM-UOM（1）过零比较器（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM单门限电压比较器电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础tuituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）单门限比较器（与参考电压比较）uoui0+Uom-UomUREFUREF为参考电压当ui>UREF时,uo=+Uom当ui<UREF时,uo=-Uom

运放处于开环状态电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础uoui0+Uom-UomUREF当ui<UREF时,uo=+Uom当ui>UREF时,uo=-Uom

若ui从反相端输入电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础uoui0+UZ-UZ（A）用稳压管稳定输出电压忽略了UD（3）限幅电路——使输出电压为一稳定的确定值当ui>0时,uo=+UZ当ui<0时,uo=-UZ

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（B）稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路中uoui0+UZ-UZ当ui>0时,uo=-UZ当ui<0时,uo=+UZ

电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础迟滞比较器（1）工作原理——两个门限电压。特点:电路中使用正反馈——运放工作在非线性区。（A）当uo=+UZ时，（B）当uo=-UZ时，UT+称上门限电压UT-称下门限电压UT+-UT-称为回差电压电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（2）迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设ui

,当ui=<UT-时,

uo从-UZ

+UZ这时,uo=-UZ,u+=UT-设初始值:

uo=+UZ,

u+=UT+设ui

,当ui=>UT+时,

uo从+UZ

-UZ电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础例题：Rf=10k

，R2=10k

，UZ=6V，UREF=10V。当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。上下限：uoui08V3V传输特性+6V-6V电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础3V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性+6V-6V电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础电路结构由滞回比较电路和RC定时电路构成上下限:二.方波产生电路电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础工作原理(1)设uo

=

+UZ,

此时，uO给C充电,uc

，则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦uc>UT+

,就有u->u+,uo

立即由＋UZ变成－UZ

。在uc<UT+

时，u-

<u+,

设uC初始值uC(0+)=0方波发生器uo保持+UZ不变+UZ电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础此时，C向uO放电,再反向充电(2)当uo

=

-UZ时，u+=UT-uc达到UT-时，uo上跳。UT+uctUT-当uo

重新回到＋UZ

后，电路又进入另一个周期性的变化-UZ电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础0UT+uctUT-+UZuo0t

-UZT完整的波形：计算振荡周期T。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础周期与频率的计算：0UT+uctUT-

+UZ

-UZT1T2TT=T1+T2=2T2

uc(t)=UC(

)+

UC(0+)-UC(

)e,=RC-t

T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:f=1/T可推出:电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础占空比可调的方波发生器UZuo0t-UZ改变电位器RW

的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础三.三角波和锯齿波产生电路电路结构：迟滞比较器+反相积分器三角波发生器工作原理：若uo1=+UZ，uo2↓，u+↓。

当u+≤0时，uo1翻转为-UZ。若uo1=-UZ，uo2↑，u+↑

。

当u+≥0时，uo1翻转为+UZ。电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础波形图振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t

-UZ