第9章波形发生电路和集成运放的非线性应用

19.1正弦波振荡电路第九章波形发生电路和集成运放的非线性应用9.2电压比较电路9.3非正弦波发生电路2第九章波形发生电路和集成运放的非线性应用习题：9-5、9-6、9-9、9-16、9-17选作：9-4、9-22（1.2.3.）3重点：正弦波振荡电路的组成及振荡条件的判断;桥式RC正弦波振荡电路的组成和工作原理;LC正弦波振荡电路的组成和工作原理;比较器电压传输特性的分析方法;矩形波、三角波、锯齿波振荡电路的波形分析。重点与难点4重点与难点难点：本章所讲述的电路具有一定的综合性，既含有集成运放工作在线性区的积分运算电路，又含有集成运放工作在非线性区的滞回比较器，因而给学习带来一定的困难。59.1正弦波振荡电路9.1.1概述自激振荡是指：即使放大电路的输入端不加信号，它的输出端也会出现某一频率和幅度的波形。在这个频率点上，负反馈电路已经转变为正反馈电路。负反馈放大电路的自激振荡是要消除的，而正弦波发生电路就是利用这种自激振荡的现象来产生正弦信号。这里，人为引入了正反馈。6正弦波发生电路的框图正弦波发生电路的框图电路的输入信号iX电路的净输入信号idX电路的反馈信号fX电路的输出信号oX在正弦波发生电路中，人为地接成正反馈。7正弦波发生电路的框图即使输入信号，当反馈信号能完全代替原来的净输入信号，即时，仍可以产生输出信号。0iXidfXXoXofXXFidoXXAidfXXAF/ooXX存在1AF1.正弦波发生电路的自激条件8是正弦波发生电路中能维持等幅自激振荡的平衡条件。因为，、是复数，所以式包含幅值条件和相位条件，即为整数)(21nnAFFAAF1AF幅值条件相位条件1.正弦波发生电路的自激条件9要建立振荡（起振），电路须满足正反馈条件即：，同时使反馈信号大于净输入信号。只有这样，才能使电路中自激振荡和输出信号由小到大建立起来。nFAAF2fXidX1AF起振的幅值条件：1.正弦波发生电路的自激条件102.正弦波发生电路的组成部分一般由以下基本部分组成：1.宽频带放大电路；2.引入正反馈的反馈网络；3.选频网络；正弦波发生电路的输出波形应是单一频率的正弦波，要求电路只在所需的频率上满足起振和维持振荡的条件。选频网络可设置在放大电路或正反馈网络中。通常正反馈网络和选频网络合二为一。114.稳幅环节电路满足起振条件后，输出信号将逐渐增大。当幅值增大到一定程度后，放大电路中的晶体管进入饱和或者截止区，输出波形将产生失真。故电路中还必须有稳幅环节，其作用是在振荡建立后，使幅值条件从自动演变为，使输出波形基本不失真。1AF1AF2.正弦波发生电路的组成部分123.正弦波发生电路的分析方法（1）分析电路的组成;是否包含放大、反馈、选频和稳幅等基本环节。（2）分析放大电路能否正常工作;是否有合适的静态工作点,动态信号是否能够输入、输出和放大。（3）检查电路能否满足自激条件；检查相位平衡条件和幅值平衡条件，关键检查相位平衡条件。133.正弦波发生电路的分析方法（4）估算振荡频率（）。取决于选频网络参数。0f014RC正弦波发生电路、LC正弦波发生电路、石英晶体正弦波发生电路。RC正弦波发生电路振荡频率较低，一般在1MHz以下；LC正弦波发生电路的振荡频率都在1MHz以上；石英晶体正弦波发生电路也可等效为LC正弦波发生电路，其振荡频率十分稳定。正弦波发生电路类型分为：3.正弦波发生电路的分析方法159.1.2RC正弦波发生电路RC正弦波发生电路可分为：RC串、并联电路式（桥式）、移相式、双T电路式等类型。最常用的是RC串、并联电路式。161．RC串、并联电路的选频特性电路由和的串联以及和的并联组合串联而成，它在RC正弦波发生电路中既是反馈网络又是选频网络。1R1C2R2C9.1.2RC正弦波发生电路17111/1CjRZ2222221/1//CRjRCjRZ22222111122212211111/(1)()1foUURjRCRCRRjCjRCjRCCRRC212ZFZZ9.1.2RC正弦波发生电路18通常取RRR21CCC21)(3100jF电路的特征角频率：RC10)1()1(112212112CRCRjRRCCUUofF9.1.2RC正弦波发生电路19)(3100jF200)(91F相频特性为：3)(00arctgF幅频特性为：幅值最大为1/3000F在特征（谐振）频率点上RC串并联网络呈电阻性。9.1.2RC正弦波发生电路20RC串并联网络的频率特性时，00FRC10F幅值最大，为1/39.1.2RC正弦波发生电路212．RC桥式正弦波发生电路（1）电路组成由RC串、并联网络和同相比例运算电路构成。RC桥式正弦波发生电路和为集成运放引入负反馈，该反馈网络没有选频作用。FR1R222．RC桥式正弦波发生电路在谐振点上，反馈回路相当于电阻网络，反馈电压和输出电压同相，不改变相位，且：RC桥式正弦波谐振等效电路13fOUFU23（2）振荡条件和起振条件1）产生振荡的相位平衡条件利用瞬时极性法判断电路引入了正反馈。断开到运放同相输入端的连线，加入瞬时极性为正的电压。在某一频率点上，和极性相同。fUoU'iU0fU电路满足产生振荡的相位平衡条件。242）产生振荡的起振条件和幅值平衡条件同相比例电路电压增益为：'1RRAFu已知当时，031F起振条件为1AF'2RRF维持振荡的幅值平衡条件：'2RRF25（3）振荡的稳幅和稳频*1）振荡幅值的稳定对于实际的正弦波发生电路，电源电压、温度、湿度等外界因素的变化将导致晶体管和电路元件参数发生改变，从而破坏维持振荡的幅值平衡条件。为了稳定输出电压的幅值，可以在放大电路的负反馈回路中采用非线性元件来自动调整反馈的强弱。如温控电阻。1AF262振荡频率的稳定在实用电路中往往要求正弦波发生电路的振荡频率有一定的稳定度。正弦波发生电路振荡频率稳定的条件是相频特性曲线在附近的斜率小于零。即)(F000ddF27RC桥式正弦波发生电路中，同相放大电路的输出电阻很小，可视为零；输入阻抗很大，可忽略其对RC串、并联网络的影响。所以电路的振荡频率就是RC串、并联网络的特征（谐振）频率：（4）振荡频率（）的计算0f0RCf210RC正弦波发生电路通常只能用作低频和中频正弦波发生电路（）。MHzHz11283．RC移相式正弦波发生电路（1）电路组成和振荡条件的实现放大电路是反相输入的带电压并联负反馈的运放电路。180A若要满足相位平衡条件，反馈网络还必须在某一特定的频率点上再移相，使1800FA29一节RC移相网络可以移相0°～90°，需要满足产生振荡的相位平衡条件，必须有三节或者三节以上的移相电路。只需要调整，就可以产生正弦波振荡。FR（1）电路组成和振荡条件的实现30（2）振荡频率的定量计算*32')1(6)1(511RCRCjRCUUoo016RC6210RCf振荡时反馈系数为：291)1(511)()(2000'RCjUjUFoo为达幅值平衡，应有29RRAF31RC移相电路的相频特性RC移相式正弦波发生电路一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合，其频率范围为几Hz～几十kHz。23)1(51)1(6RCRCRCarctgF324．双T选频网络正弦波发生电路*和为集成运放引入正反馈，双T网络引入负反馈，同时又是选频网络。FR1R双T网络特征频率为：RCf21033调整可以改变正反馈量，使之既满足起振要求，又不因正反馈过强而使波形严重失真。1R稳压管和用来稳定输出幅值。通常选其稳定电压约为输出不失真正弦波峰－峰值的1.5倍。1VS2VS4．双T选频网络正弦波发生电路*34双T网络比RC串、并联网络具有更好的选频特性。其缺点是频率调节困难，通常适用于需要产生固定频率的场合。4．双T选频网络正弦波发生电路*359.1.3LC正弦波发生电路LC正弦波发生电路通常用于产生高频(1MHz)正弦信号。LC正弦波发生电路和RC正弦波发生电路相比，构成方法类似，其选频网络采用可调谐的LC回路。LC回路工作在谐振频率时电路能提供较大的增益，而其余频率的信号被大大衰减。36通用型集成运放的频带较窄，高速型集成运放成本高，故LC正弦波发生电路一般采用分立元件组成。由LC并联谐振回路构成的正弦波发生电路分为变压器耦合式和LC三点式两大类。9.1.3LC正弦波发生电路37LC正弦波发生电路中的选频网络大多采用LC并联谐振回路。1．LC谐振回路的选频特性'一般画法38信号频率低时容抗大，呈感性，信号频率高时感抗大，呈容性，只有在谐振频率点上网络呈纯阻性，且阻抗无穷大。谐振时电场能和磁场能相互转换。自学：LC谐振回路的选频特性。1．LC谐振回路的选频特性392．变压器耦合式LC正弦波发生电路根据LC回路的端点接到三极管电极的不同方式，变压器耦合LC正弦波发生电路可分为三种类型：集电极调谐发射极调谐基极调谐40（1）共射集电极调谐变压器耦合LC正弦波发生电路电路包含：共射放大、反馈网络、LC选频网络和稳幅环节（利用三极管的非线性实现）。放大电路是典型的工作点稳定电路，交流信号能够输入、输出和放大。1)电路分析：和为基极和发射极旁路电容，比LC谐振回路的C值大很多。BCEC41只要合理选择变压器原、副边线圈的匝数和其他电路参数，幅值平衡条件就很容易得到满足。断开反馈输入点（基极画×处），加入一个瞬时极性为(+)的信号，由此可得反馈接到基极点的极性也为(+)，满足相位平衡条件。2)用瞬时极性法判断电路相位平衡条件×(+)(-)(+)42（2）共基发射极调谐变压器耦合LC正弦波发生电路1)电路分析：交流基极接地，集电极与发射极同相位。通过互感耦合，反馈信号接发射极。CB、CE为耦合电容。43断开反馈输入点（射极画×处），加入瞬时极性为(＋)的信号，集电极瞬时极性也为(＋)。通过同名端和互感，上的接射极点的瞬时极性也为(＋)。3LfU2)用瞬时极性法判断电路相位平衡条件满足产生振荡的相位平衡条件。×(+)(+)(+)44（3）共射基极调谐变压器耦合LC正弦波发生电路1)电路分析：交流射极接地，集电极与基极反相。通过互感耦合，反馈信号接基极。CB、CE为耦合电容。45断开反馈输入点（基极画×处），加入瞬时极性为(＋)的信号，通过反相放大及同名端和互感L，接基极点的瞬时极性也为(＋)。满足产生振荡的相位平衡条件。fU2)用瞬时极性法判断电路相位平衡条件×(+)(-)(+)46（4）各种变压器耦合LC正弦波发生电路的比较与应用共基放大电路的截止频率高于共射放大电路，共基组态振荡频率较高且比较稳定。变压器耦合式正弦波发生电路应用广泛，但频率稳定度不够高。互感线圈的分布电容限制了频率，一般只适合产生频率不太高的中、短波的正弦振荡。473.LC三点式正弦波发生电路将并联LC回路中的电容C或者电感L一分为二（或设置中间抽头），LC回路就有三个端点。把这三个端点分别与三极管的三个极（或者集成运放的两个输入端和一个输出端）相连，就形成了LC三点式正弦波发生电路。这种电路又可以分为电感三点式和电容三点式两类。48（1）电感三点式LC正弦波发生电路采用了集电极调谐型LC并联回路，可变电容器用于调节LC振荡频率。放大电路为共基接法。该电路包括了正弦波发生电路的各个基本环节，放大电路能正常工作。电感三点式LC正弦波发生电路也叫哈脱莱（Hartley）振荡电路。49用瞬时极性法，可以判断电路满足产生正弦振荡的相位平衡条件。适当选择电感、比值，能满足起振的幅值条件。2L1L振荡频率近似为:CLf'210LLLL2'21Uf