电子技术第9章 信号产生电路(运放非线性应用)

9.1滤波电路的基本概念与分类*9.3高阶有源滤波电路*9.4开关电容滤波器9.5正弦波振荡电路的振荡条件9.2一阶有源滤波电路9.6RC正弦波振荡电路9.7LC正弦波振荡电路9.8非正弦信号产生电路1.基本概念)()()(iojVjVjA滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路传递函数定义)(je)j()j(AA)()j(A其中)j(A)(——模，幅频响应——相位角，相频响应群时延响应)(d)(d)(s9.1滤波电路的基本概念与分类9.1滤波电路的基本概念与分类2.分类低通（LPF）高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）H——上限截止频率L——下限截止频率o——中心频率只让低于H的信号通过只让高于H的信号通过1.一阶低通滤波电路c01)(jAjA传递函数：9.2一阶有源滤波电路电路结构：RC低通电路+同相比例放大电路iiPvvvRCjjXRjXCC11cjRCj1111ipvv)1(11)(1RRjjAfcpopoiivvvvvv则2c0)(1)j(AA故，幅频相应为其中1f01RRA同相比例放大系数RC1c特征角频率9.2一阶有源滤波电路2.高通滤波电路一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。end低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）1.振荡条件fiaXXX若环路增益1FA则，faXX去掉，iXoX仍有稳定的输出。又fafaAFFAFA所以振荡条件为1)()(FA振幅平衡条件π2)()(fan相位平衡条件9.5正弦波振荡电路的振荡条件起振条件#振荡电路是单口网络，无需输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声以及电源接通扰动1)()(FAπ2)()(fan当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到1AF。1AF2.起振和稳幅放大电路（包括负反馈放大电路）反馈网络（构成正反馈的）选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率，经常与反馈网络合二为一。）稳幅环节3.振荡电路基本组成部分3、起振及稳幅振荡的过程●起振过程中:要求|AF|1，●稳定振荡时:要求|AF|=1，从AuF1到AuF=1，就是自激振荡建立的过程。可使输出电压的幅度不断增大。使输出电压的幅度得以稳定。●起始信号的产生：电源接通时，在电路中激起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有一系列频率不同的正弦分量。讨论：1、相位条件意味着振荡电路在频率f0下必须是正反馈；正弦波振荡电路只在一个频率(f0)下满足相位平衡条件。所以正弦波振荡电路必须有一个选频网络。选频网络可设在中或中。FA由RC元件或LC元件组成。2、幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A或反馈系数F达到)。1.电路组成2.RC串并联选频网络的选频特性3.振荡电路工作原理4.稳幅措施9.6RC正弦波振荡电路⑵.反馈网络:由RC串并联电路构成，反馈网络兼做选频网络。RC桥式正弦波振荡电路1.电路组成⑴.基本放大电路:由运放组成的同相比例放大电路构成。⑶.关于选频的概念2、RC串并联选频网络的选频特性212ofZZZVVFVRRCjCjRR11RCRCj131RCjRCjRRCjR1/)/1(1/）（令ω0=1/RC0031jFV)j/1(1CRZ)j/1//(2CRZRCRj1RC串并联选频网络的频率特性0031jFVω=ω0=1/RCRC串并联网络的频率特性曲线改变RC可调节谐振频率。00,31,21max0fVFRCff则或当此时若放大电路的电压增益为用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件0f当RC10时，π2fan311fRRAV1313VVFA电路可以输出频率为的正弦波RCfπ210RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波3.振荡电路工作原理采用非线性元件热敏元件热敏电阻起振时，311fRRAV1VVFA则热敏电阻的作用oVoI功耗fR温度fR阻值fR3VA1VVFA稳幅VA4.稳幅措施问题：Rf应选具有正的温度系数，还是负的？采用非线性元件4.稳幅措施场效应管（JFET）31DS3p3RRRAV稳幅原理oV)(GS负值VDSR1VVFA稳幅VA34DCR、、整流滤波T压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V3VA可变电阻区，斜率随vGS不同而变化采用非线性元件二极管稳幅原理oV3VA1VVFA稳幅VA31132RRRAV起振时联支路的等效电阻并和、是其中2133DDRR3R4.稳幅措施稳幅环节例1：⑴.试分析D1、D2自动稳幅原理；⑵.估算输出电压V0m；(VD=0.6V)⑶.试画出若R2短路时，输出电压V0的波形；⑷.试画出若R2开路时，输出电压V0的波形；解：⑴.稳幅原理当v0幅值很小时，D1、D2接近开路，R’3=2.7K。3.3/11'32RRRRAV当v0幅值较大时，D1或D2导通，R’3减小，AV下降。v0幅值趋与稳定。31.5/1.51.9'3KKRKAV稳幅时：KR1.1'3IKVI1.16.0KKKVIm1.91.51.10又KKKVKVm1.91.51.16.03.150V35.8⑵.估算输出电压V0m(VD=0.6V)⑶.若R2短路时(4).若R2开路时，输出电压V0的波形当R2短路，则AV3，电路停振，所以输出电压V0为0。3/)(1'321RRRRAV9.7.2变压器反馈式LC振荡电路9.7.3三点式LC振荡电路9.7.4石英晶体振荡电路9.7.1LC选频放大电路9.7LC正弦波振荡电路9.7.1LC选频放大电路LRCLRCZjj1)j(j1等效损耗电阻)1j(CLRCLZ一般有LR则CQLQRCLZ000当时，LC10电路谐振。为谐振频率LC10谐振时：CLRRCRLQ1100其中Q为品质因数,愈大选频性能愈好。1.并联谐振回路0阻抗最大，且为纯阻性9.7.1LC选频放大电路阻抗频率响应（a）幅频响应（b）相频响应由图可看出,Q愈大,选频性能愈好.9.7.1LC选频放大电路2.选频放大电路基本放大电路反馈选频网络虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。1.电路结构2.相位平衡条件3.幅值平衡条件4.稳幅5.选频通过选择高增益的场效应管和调整变压器的匝数比，可以满足1FA使电路可以起振。利用BJT进入非线性区，波形虽出现失真，但幅值不再增加，达到稳幅目的。（定性分析）9.7.2变压器反馈式LC振荡电路基本放大电路为共源放大电路,反馈选频由LC并联电路组成.利用瞬时极性法仍然由LC并联谐振电路构成选频网络1.三点式LC并联电路中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。9.7.3三点式LC振荡电路三点的相位关系⑴、若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。⑵、若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。1.电感三点式振荡电路分析正反馈CMLLf)2(π21210+UCCC1RB1RB2RECEL1CL2RC－－振荡频率：通常改变电容C来调节振荡频率。振荡频率一般在几十MHz以下。相位条件的判断：幅值条件的满足：因AV较大，适当选择L1和L2即可反相三点式LC振荡电路2.电容三点式振荡电路放大电路反馈网络－－振荡频率通常再与线圈串联一个较小的可变电容来调节振荡频率。反馈电压取自C221210π21CCCCLf+VCCC1RB1RB2RECEC1LC2RC反相振荡频率可达100MHz以上。选频电路与前面分析相同，C1和C2的电压反相正反馈9.7.3三点式LC振荡电路电容三点式振荡电路例：试判断三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。两个电路都满足相位平衡条件。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0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——100005000009.7.4石英晶体振荡电路9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路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，振幅最大压电谐振等效电路LCfπ21sA.串联谐振特性晶体等效阻抗为纯阻性0p1π21CCLCfB.并联谐振通常0CC0s1CCf所以很接近与psff9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路（a）代表符号（b）电路模型（c）电抗-频率响应特性9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为s0s1π21CCCLCf由于s0CCCs0s1CCCf由此看出)(21s0ssCCCff；时，0pssffCsssffC时，调整之间变化和在可使psssfffC石英晶体振荡电路++++--满足正反馈的条件，为此，石英晶体必须呈电感性才能形成LC并联谐振回路，产生振荡。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。电容三点式9.8.2方波产生电路9.8.3锯齿波产生电路9.8.1电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器集成电压比较器9.8非正弦信号产生电路特点：1.单门限电压比较器（1）过零比较器开环，虚短不成立增益A0大于105（忽略了放大器输出级的饱和压降）可以认为vI0时，vOmax+VCCvI0时，vOmax-VCC（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下MCCCCVVV假设-VCC≤vO≤+VCC9.8.1电压比较器9.8.1电压比较器特点：1.单门限电压比较器开环，虚短不成立增益A0大于105当输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。电压传输特性-VCC≤vO≤+VCC（1）过零比较器9.8.1电压比较器1.单门限电压比较器电压传输特性（门限电压为VREF）（2）门限电压不为零的比较器9.8.1电压比较器1.单门限电压比较器（2）门限电压不为零的比较器（门限电压为VREF）(a)VREF＝0时(b)VREF＝2V时(c)VREF＝－4V时vI为峰值6V的三角波，设±VCC＝±12V，运放为理想器件。9.8.1电压比较器（1）电路组成（2）门限电压为门限电压，Pv门限电压的两个的两个电压值可得有关，对应于与而POOPvvvv)(OLOPI低电平时，Vvvv)(OHOPI高电平时，Vvvv21OH221REF1TRRVRRRVRV21OL221REF1TRRVRRRVRV上门限电压下门限电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV2.迟滞比较器(自学)9.8.1电压比较器2.迟滞比较器（3）传输特性21OH221REF1TRR