第9章 波形发生电路和集成运放的非线性应用

2020/1/182020/1/18第9章波形发生电路和集成运放的非线性应用6学时2020/1/18模拟电子技术基础第九章1电子学教研室波形发生电路和集成运放的非线性应用作业思考9-4习题9-5、9-6、9-7、9-162020/1/18模拟电子技术基础第九章2电子学教研室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。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。重点和难点2020/1/18模拟电子技术基础第九章3电子学教研室9.1正弦波振荡电路自激振荡是指：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。因此，人为引入了正反馈。2020/1/18模拟电子技术基础第九章4电子学教研室在正弦波发生电路中，人为地接成正反馈。正弦波发生电路的框图2020/1/18模拟电子技术基础第九章5电子学教研室AF=1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，A、F是复数，所以式包含幅值条件和相位条件，即12()AFAFnn为整数幅值条件相位条件1.正弦波发生电路的自激条件2020/1/18模拟电子技术基础第九章6电子学教研室要建立振荡（起振），电路须满足正反馈条件，即φAF=φA+φF=2nπ，同时使反馈信号xf大于净输入信号xid。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。起振的幅值条件：1AF2020/1/18模拟电子技术基础第九章7电子学教研室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；4.稳幅环节。2.正弦波发生电路的组成部分2020/1/18模拟电子技术基础第九章8电子学教研室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。2020/1/18模拟电子技术基础第九章9电子学教研室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AF＞1自动演变为，使输出波形基本不失真。2020/1/18模拟电子技术基础第九章10电子学教研室（1）分析电路的组成是否包含放大、反馈、选频和稳幅基本环节。（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.正弦波发生电路的分析方法2020/1/18模拟电子技术基础第九章11电子学教研室（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；关键是检查相位平衡条件。（4）估算振荡频率f0（ω0）取决于选频网络参数。2020/1/18模拟电子技术基础第九章12电子学教研室RC正弦波发生电路振荡频率较低，一般在1MHz以下；LC正弦波发生电路振荡频率都在1MHz以上；石英晶体正弦波发生电路可等效为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：2020/1/18模拟电子技术基础第九章13电子学教研室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电路式最常用的是RC串、并联电路式RC正弦波发生电路2020/1/18模拟电子技术基础第九章14电子学教研室电路由R1和C1的串联以及R2和C2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。RC串、并联电路的选频特性2020/1/18模拟电子技术基础第九章15电子学教研室111/1CjRZ2222221/1//CRjRCjRZ•2•12foZUFZZU2112122111(1)()CRjRCCRRCZ1Z2通常取R1=R2、C1=C2113()FjRCRC2222112211/1RjRCRRjCjRC2020/1/18模拟电子技术基础第九章16电子学教研室幅频特性为：相频特性为：RC100013()Fj电路的特征角频率：200)(91F3)(00arctgFω=ω0幅值最大为1/3ω=ω0φF=0在特征（谐振）频率点上RC串并联网络呈电阻性。2020/1/18模拟电子技术基础第九章17电子学教研室RC串并联网络的频率特性时，00FRC10F幅值最大，为1/32020/1/18模拟电子技术基础第九章18电子学教研室（1）电路组成由RC串、并联网络和同相比例运算电路构成。Rf和R1为集成运放引入负反馈，该反馈网络没有选频作用。2．RC桥式正弦波发生电路-+ARFR1UoRRCCRC串、并联电路为集成运放引入了另一个反馈（正反馈），它既是选频网络又是反馈网络。2020/1/18模拟电子技术基础第九章19电子学教研室产生振荡的相位平衡条件利用瞬时极性法判断电路是否引入了正反馈。电路满足产生振荡的相位平衡条件。（2）振荡条件和起振条件-+ARFR1UoRRCC＋＋＋2020/1/18模拟电子技术基础第九章20电子学教研室同相比例电路电压增益为：已知当ω=ω0时，起振条件AF＞1，即维持振荡的幅值平衡条件31F-+ARFR1UoRRCC11FuRAR12FRR12FRR产生振荡的起振条件和幅值平衡条件2020/1/18模拟电子技术基础第九章21电子学教研室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AF=1。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。（3）振荡的稳幅和稳频2020/1/18模拟电子技术基础第九章22电子学教研室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φF(ω)在ω0附近的斜率小于零。即00ddF振荡频率的稳定2020/1/18模拟电子技术基础第九章23电子学教研室RC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：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（1Hz～1MHz）。（4）振荡频率f0（ω0）的计算RCf2102020/1/18模拟电子技术基础第九章24电子学教研室（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。3．RC移相式正弦波发生电路-+ARFR1UoRR’CRRCCUo’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180°，使0FA2020/1/18模拟电子技术基础第九章25电子学教研室一节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RF，就可以产生正弦波振荡。-+ARFR1UoRR’CRRCCUo’2020/1/18模拟电子技术基础第九章26电子学教研室（2）振荡频率的定量计算振荡时，反馈系数为达到幅值平衡，应有-+ARFR1UoRR’CRRCCUo’'23116115()()ooUUjRCRCRC016RC6210RCf201112915()FRC29RRAF2020/1/18模拟电子技术基础第九章27电子学教研室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2020/1/18模拟电子技术基础第九章28电子学教研室RF和R1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。双T网络特征频率为：4．双T选频网络正弦波发生电路RCf2102020/1/18模拟电子技术基础第九章29电子学教研室调整R1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。稳压管VS1和VS2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。2020/1/18模拟电子技术基础第九章30电子学教研室双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。2020/1/18模拟电子技术基础第九章31电子学教研室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增益，而其余频率的信号被大大衰减。LC正弦波发生电路2020/1/18模拟电子技术基础第九章32电子学教研室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。2020/1/18模拟电子技术基础第九章33电子学教研室1．LC谐振回路的选频特性LC正弦波发生电路中的选频网络大多采用LC并联谐振回路。ISCL12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。2020/1/18模拟电子技术基础第九章34电子学教研室1、2点之间的电抗为ISCL121//ZjLjC11jCjL11()jCL01=LC时电抗为纯阻性且为无穷大2020/1/18模拟电子技术基础第九章35电子学教研室实际LC并联网络总是有损耗的，各种损耗等效成电阻RISCLR12电路的导纳为1YjCRjL2222[]()()RLjCRLRL令虚部为零，可得谐振角频率021=11LCQ0=LQR2020/1/18模拟电子技术基础第九章36电子学教研室ISCLR12021=11LCQ1Q当时01LC012fLCff0|Z|Q值小Q值大ff0φQ值小Q值大+90°-90°2020/1/18模拟电子技术基础第九章37电子学教研室选频放大电路+RB1RB2+VCCC1+-UiRECE+CLubeZAr当f=f0时，电压放大倍数最大，且无附加相移；对于其余频率信号，电压放大倍数不但数值减小，还有附加相移。2020/1/18模拟电子技术基础第九章38电子学教研室根据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2．变压器耦合式LC正弦波发生电路2020/1/18模拟电子技术基础第九章39电子学教研室电路包含：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。CB和CE为基极和发射极旁路电容，比LC谐振回路的C值大很多。共射集电极调谐变压器耦合LC正弦波发生电路2020/1/18模拟电子技术基础第九章40电子学教研室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。用瞬时极性法判断电路相位平衡条件断开反馈输入点（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。2020/1/18模拟电子技术基础第九章41电子学教研室交流基极接地，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。共基发射极调谐变压器耦合LC正弦