1、课程回顾,在频域中，流过电容的电流与两端的电压关系：,第8章 波形的发生和信号的转换,8.1 正弦波振荡电路,8.2 电压比较器,8.3 非正弦波发生电路,8.4 信号的转换,8.1 正弦波振荡电路,一、概述：正弦波振荡的条件和电路的组成,二、RC正弦波振荡电路,三、LC正弦波振荡电路,四、石英晶体正弦波振荡电路,8.1.1、正弦波振荡的条件和电路的组成,1. 正弦波振荡的条件无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。,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，
2、最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。,一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即,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. 起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。,很多种频率,频率逐渐变为单一,振幅越来越大,趋于稳幅,3. 基本组成部分,1) 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) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅,1) 是否存在主要组成部分(放大、正反馈、选频、稳幅环节)； 2) 放
3、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，即起振条件。,常合二为一,4、分析方法,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 ff0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，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。,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？,5. 分类,常用选频网络所用元件分类。 1) RC正弦波振荡电路：1兆赫以下 2) LC正弦波振荡电路：几百
4、千赫几百兆赫 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,8.1.2、RC 正弦波振荡电路,1. RC串并联选频网络 (1)首先，定性分析,低频段,高频段,讨论： 在频率从0中必有一个频率f0，F0。,(2) RC串并联选频网络的频率响应(定量计算),其幅频特性为:,其幅频特性为:,其相频特性为:,当 f=f0时，不但F=0,且 最大，为1/3。,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。,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。,（1）正弦波振荡的条件,起振条件：,1) 是否存在主要组成部
5、分(放大、正反馈、选频、稳幅环节)； 2) 放大电路能否正常工作，直流通路、交流通路是否有合适； 3) 是否满足相位条件(正反馈)；,（2）分析方法,课程回顾,（3）. 相位条件的判断方法：瞬时极性法 （此种情况下针对交流）,断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号Ui，且规定其极性，同时将直流电源短路，然后根据Ui的极性 Uo的极性 Uf的极性 若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。,极性？,(4) 在频域中，一些基础知识,（5）. RC串并联选频网络,（6） RC 桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,用同相比例运算电路作放大电路。,因同相比例运算电路
6、有非常好的线性度，故 R 或 Rf 用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。,文氏桥振荡器的特点？,以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。稳幅：进一步优化，利用电流增大时二极管动态电阻小，反之亦然，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。,继续讲课：,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。,同轴 电位器,例8.1.1,利用公式：,8.1.3、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,在损
7、耗较小时，品质因数及谐振频率,损耗,在ff0时，电容和电感中电流各约为多少？当网络的输入电流为I0时，电容和电感中电流各约为Q I0.网络的电阻为多少？Z0=Q2R.,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,在损耗较小时，品质因数及谐振频率,损耗,在ff0时，电容和电感中电流各约为多少？当网络的输入电流为I0时，电容和电感中电流各约为Q I0.网络的电阻为多少？Z0=Q2R.,IL,课程回顾,(1). RC 正弦波振荡电路,3,A,&,(2). 说明,1) 8.1节、8.2节是在频率域中讨论； 2)振荡电路主要判断某一特定频率的交流反馈。,输入端bbe,注：判断正、负反馈
8、时，牢记三极管输入输出之间的极性关系，挺有用：,输出端cec,极性关系相反相同相同,8.1.3、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,在损耗较小时，品质因数及谐振频率,损耗,在ff0时，当网络的输入电流为I0时，电容和电感中 电流各约为Q I0. （其中， 对于LC、RC电路: Q为几百 ）,LC选频放大电路,当f=f0谐振频率时，电压放大倍数为,2. 变压器反馈式电路,分析电路是否可能产生正弦 波振荡的步骤： 1) 是否存在四个组成部分 2) 放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件,必须有合适的同铭端！,判断
9、交流反馈极性的要点：1）断开反馈，人为地制造输入端；2）画交流通路；3）判断,其中，L1为N2回路参数折合到原边的等效电感。,特点：易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,3. 电感反馈式电路,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（从交流通路看），故称之为电感三点式电路。,交流通路的特点？,为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。,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。,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。,起振：通过实验确定
10、 N1和N2的比值。,4. 电容反馈式（电容三点式）电路,特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。,作用？,起振条件：通过实验确定 C1和C2的比值。,电容反馈式（电容三点式）电路的改进,途径： 在电感支路上串接一个小电容 C,与放大电路参数无关,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。,若要求电容反馈是振荡电路的振荡频率高达100MHZ 以上，则要考虑共基放大电路。,例8.1.2 图中Cb为旁路电容， C1为耦合电容，对交流信号短路。为使电路可能产生正弦波振荡，是说明变压器原边线圈和副边线圈
11、的同名端。,例8.1.3 改正图8.1.25所示电路中的错误，使之可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法。,要求静态工作点合适：增加耦合电容C。,要求交流通路合适：增加集电极电阻RC。,例8.1.3的结果与电容三点式电路的比较：,1）. 变压器反馈式电路,2）. 电感反馈式电路,1. 典型的LC正弦波振荡电路：,课程回顾,3）. 电容反馈式（电容三点式）电路,4）. 电容反馈式（电容三点式）电路的改进,输入端bbe,2. 判断正、负反馈时，牢记三极管输入输出之间的极性关系，挺有用：,输出端cec,极性关系相反相同相同,1）画交流通路,寻找反馈元件；2）断开反馈，人为地制造输入端；3
12、）判断反馈极性,3. 判断交流反馈极性的要点：,1）画交流通路,寻找反馈元件；2）断开反馈，人为地制造输入端；3）判断反馈极性,8.1.4、石英晶体正弦波振荡电路,SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。,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。,感性,一般LC选频网络的f/f 为105， 石英晶体的f/f 可达10101011。,1. 石英晶体的特点,2. 电路, 石英晶体工作在哪个区？ 是哪种典型的正弦波振荡电路？石英晶体呈感性, 石英晶体工作在哪个区？ 两级放大电路分别为哪种基本接法？ C1的作用？石英晶体呈阻性,（1）并联型电路,（2）串联型电路,
13、8.2 电压比较器,一、概述,二、单限比较器,三、滞回比较器,四、窗口比较器,8.2.1、概述,1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压。广泛用于各种报警电路。,2. 电压比较器的描述方法 : 电压传输特性 uOf(uI),电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT （3）关注输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,3. 几种常用的电压比较器,（1）单限比较器：只有一个阈值电压,（3）窗口比较器：有两个阈值电压，输入电压单调变化时输
14、出电压跃变两次。,（2）滞回比较器：具有滞回特性输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃变一次。,回差电压：,4、集成运放的非线性工作区,电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈,理想运放工作在非线性区的特点：,1) 净输入电流为0，即iP=iN=0 2) uP uN时， uOUOM uP uN时， uOUOM,无源网络,5、教学基本要求1)电路的识别及选用；2)电压传输特性的分析。,课程回顾,2. 理想运放工作在非线性区的特点：,1) 净输入电流为0 2) uP uN时， uOUOM uP uN时， uOUOM,1. 理想运放工作在非线性区的条件：,只有正反馈
15、；2) 无反馈； 3) 负反馈较弱,3. 电压比较器的描述方法 : 电压传输特性 uOf(uI),电压传输特性的三个要素： （1）输出高电平UOH和输出低电平UOL （2）阈值电压UT （3）关注输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向,8.2.2、单限比较器,（1）UT0 （2）UOH UOM， UOL UOM （3）uI 0 时 uO UOM; uI 0 时 uO UOM,集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。,二极管限幅电路使净输入电压最大值为UD,1. 过零比较器,必要吗？,输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。,UOH UZ
16、1 UD2 UOL( UZ2 UD1),UOH UOL UZ,输出限幅电路:,uO UZ,注：当 uO UOM; 或 uO -UOM时， DZ 才起作用 。,2. 电压比较器的一般分析方法： （1）写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解出的 uI即为阈值电压UT； （2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平； （3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。,3. 一般单限比较器,所以阈值电压；,根据叠加原理：,例 8.2.1 在图8.2.6电路中，稳压管的稳定电压为 6V；在图8.2.7电路中，电阻R1=R2=5欧姆，基准电压UREF=2V, 稳压管的稳定电压
17、为 5V；它们的输入均为三角波电压时，试分别画出两电路的输出电压波形.,解：,（1）根据图8.2.6电路， 当uI0v时，Uo1=-Uz=-6V;,（2）根据图8.2.7电路，,当uI-2v时，Uo1=-Uz=-5V;,图8.2.6,图8.2.7,（1）根据图8.2.6电路， 当uI0v时，Uo1=-Uz=-6V;,（2）根据图8.2.7电路，,当uI-2v时，Uo1=-Uz=-5V;,8.2.3、滞回比较器,1. 阈值电压,2. 工作原理及电压传输特性,1) 设uIUT，则 uN uP， uO+UZ 。,2) 设 uI+UT，则 uN uP， uOUZ 。,例8.2.2 输入电压与输出电压的
18、波形如下图所示。（1）判断电路是哪种电压比较器，并求电压传输特性；（2)若要使UT1=2V, UT2=-4V,则应在电路中采取什么措施？,解：（1）根据上图, 输出电压的高、低电平分别为 Uz= 9V, 阈值电压 UT= 3V,当uI 3V 时， uO 9V; 当-3V uI 3V 时， uO不变。,滞回比较器,（2）若要使uT1=2V,UT2= -4V,应在电路中采取什么措施？,分析：与原阈值电压相比，它们均在原数值上减一，故电路如下所示：,例8.2.3 设计一个电压比较器，使其电压传输特性如下图所示。除稳压管的限流电阻外，要求所用电阻阻值在20-100K之间。,解： 根据电压传输特性可知，
19、输入电压作用于同相输入端，而且 u0=UZ=6V, UT1=3V,UT2= -3V,电路没有外加基准电压，故电路如图所示。,选取稳压管的稳定电压UZ为6V，限流电阻为800。,求解阈值电压的表达式：,注意：外加参考电压URHURL,8.2.4、窗口比较器,当uIURH时，uO1= uO2= UOM，D1导通，D2截止； uO= UZ。,当uIURL时，uO2= uO1= UOM，D2导通，D1截止； uO= UZ 。,当URLuI URH时， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截止； uO= 0。,课程回顾,（1）写出 uP、uN的表达式，令uP uN，求解出的 uI即为阈值电压UT；
20、（2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平； （3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出电压的跃变方向。,1. 电压比较器的一般分析方法：,2、滞回比较器,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。,8.3 非正弦波发生电路,8.3.1、矩形波发生电路,输出无稳态，有两个暂态,1. 基本组成部分（1）放大环节：因为输出只有高电平和低电平两种情况，故采用电压比较器。（2）反馈网络：因需产生振荡，故应引入反馈。（3）选频环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率 。（4）稳幅环节：稳压二极管。
21、,2. 电路组成及工作原理,正向充电：uO（+UZ）RC地,反向充电：地C R uO（UZ）,RC 回路,滞回比较器,脉冲宽度,3. 波形分析,脉冲宽度,4. 占空比可调电路,正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。,例8.3.1 图8.3.5（a)所示电路,解：（1）输出电压的幅值 : u0=UZ=8V,阈值电压 :,充、放电时间 :,（2）占空比的调节范围：将Rw1的最小值0代入，得,将Rw1的最大值100K代入，得,（3）若D1断路，则电路不振荡，输出电压u0恒为+UZ 。 解释：因为在D1断路瞬间，若u0=+UZ ，电容电压将不变，则输出电压u0=+UZ 不变；若u0=-UZ ，则电容仅有反相放电回路，必将使UNuP,导致u0=+UZ 。,
