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1、会计学1高频正弦波产生分析高频正弦波产生分析第1页/共64页反馈的概念反馈的概念第1页/共64页第2页/共64页反馈式振荡的基本原理反馈式振荡的基本原理 图示出的是一个反馈式放大器的框图。它由放大器和反馈网络组成,图中 是放大器输出电压复振幅,是放大器输入电压复振幅,是反馈网络输出反馈电压复振幅,是外加电压复振幅,放大器的增益 为第2页/共64页第3页/共64页 A A为为 超前超前 相角相角。反馈反馈网络的反馈网络的反馈系数为系数为F为为 超前超前 相角。相角。由此可得闭环的放大器增益为由此可得闭环的放大器增益为 第3页/共64页第4页/共64页平衡条件平衡条件可见,振荡条件是,这是振荡的必
2、要条件。它是一个复数方程,因此可以写成两个方程,一个是振幅方程式,称为振幅平衡条件,可表示为另一个是相位方程式,称其为相位平衡条件,可表示为:第4页/共64页第5页/共64页起振与稳幅起振与稳幅起振与稳幅起振与稳幅:输出电压从幅值很小、含有丰富频率,输出电压从幅值很小、含有丰富频率,输出电压从幅值很小、含有丰富频率,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。到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。很多种频率很多种频率第5页/共64页第6页/共64页频率逐渐变频率逐渐变为单一为
3、单一第6页/共64页第7页/共64页振幅越来越大振幅越来越大第7页/共64页第8页/共64页趋于稳幅趋于稳幅第8页/共64页第9页/共64页起振与稳幅起振与稳幅电路如何从起振到稳幅?电路如何从起振到稳幅?稳定的稳定的振幅振幅非线性环节非线性环节的必要性!的必要性!第9页/共64页第10页/共64页反馈应用反馈应用正弦波的产生正弦波的产生+=桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路第10页/共64页第11页/共64页桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路1.循环持续放大。循环持续放大。2.使用选频网络进行使用选频网络进行频率选择。频率选择。要点:要点:R1可采用热敏电阻进行电路稳幅第11页/共64页第
4、12页/共64页RC串并联选频网络的频率响应串并联选频网络的频率响应当当当当 f=ff=f0 0时:时:时:时:不但不但=0,且,且 最大,为最大,为1/3。第12页/共64页第13页/共64页LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1 1 1 1.LCLC并联并联并联并联网络的选频特性网络的选频特性网络的选频特性网络的选频特性电感与电容并联,可以构成LC 并联谐振电 路(通常称为LC 并联谐振回路并联谐振回路),由于实际电 感可以看成一只电阻R(叫做线圈导线铜损铜损电阻)与一理想电感L相串联,所以LC 并联谐振回路为RL 串联再与电容C并联,如图所示。电感线圈和电容的并联电路 第13页/共64页
5、第14页/共64页1谐振频率谐振频率 电路的感抗XL R,Q0 叫做谐振回路的空载Q 值,实际电路一般都满足该条件。对LC并联谐振是建立在 条件下的,即2谐振阻抗谐振阻抗 谐振时电路阻抗达到最大值,且呈电阻性。谐振阻抗和电流分别为理论上可以证明LC并联谐振角频率 0与频率 分别为第14页/共64页第15页/共64页3谐振电流谐振电流 电路处于谐振状态,总电流为最小值 谐振时XL0 XC0,则电感L支路电流IL0与电容C 支路电流IC0 为 即谐振时各支路电流为总电流的Q0倍,所以LC并联谐振又叫做电流谐振。当f f0时,称为电路处于失谐状态,对于LC并联电路来说,若f f0,则XL f0,则X
6、L XC,电路呈容性。第15页/共64页第16页/共64页怎么去理解怎么去理解LC谐振?谐振?LC谐振在物理上是指:对于特定频率的信号,电感的谐振在物理上是指:对于特定频率的信号,电感的感抗和电容的容抗正好相等感抗和电容的容抗正好相等,使得信号能量在电感和电容之,使得信号能量在电感和电容之间你来我往毫无阻碍,不需要外加额外的能量,信号始终可间你来我往毫无阻碍,不需要外加额外的能量,信号始终可以在以在LC之间来回跑(振荡),就是振荡了。之间来回跑(振荡),就是振荡了。谐振,会使谐振谐振,会使谐振回路中的电流无穷大回路中的电流无穷大,因为该回路,因为该回路(对于这个频率的信号)的阻抗为(对于这个频
7、率的信号)的阻抗为0了。当然这是理想状况,了。当然这是理想状况,因为总有一点点损耗的,比如电感的自带的线圈电阻等。因为总有一点点损耗的,比如电感的自带的线圈电阻等。第16页/共64页第17页/共64页解:解:(1)(2)IL0 IC0=Q0I=5 mA。p电感线圈与电容器构成的LC并联谐振电路,已知R=10,L=80 H,C=320 pF。试求:(1)该电路的固有谐振频率f0、通频带B与谐振阻抗|Z0|;(2)若已知谐振状态下总电流I=100 A,则电感L支路与电容C支路中的电流IL0、IC0为多少?第17页/共64页第18页/共64页带带负反馈负反馈的阻容耦合共射放大电路的阻容耦合共射放大电
8、路负反馈:负反馈:T()ICUE UBE(UB基本不变)基本不变)IB IC 反馈:反馈:将输出量通过一将输出量通过一定的方式引回输入回路定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为影响输入量的措施称为反馈。反馈。Re起直流负反馈作用,起直流负反馈作用,其值越大,反馈越强,其值越大,反馈越强,Q点越稳定。点越稳定。Re没有交没有交流负反馈作用。流负反馈作用。T()ICQ第18页/共64页第19页/共64页1.1.静态工作静态工作点分析点分析分压式电流负反馈工作点稳定电路 为了稳定为了稳定Q点,通常点,通常I1 IB,即,即I1 I2;因此;因此基本不随温度变化。基本不随温度变化。第19页/共64页
9、第20页/共64页2.2.动态分析:动态分析:无旁路电容无旁路电容无旁路电容无旁路电容C Ce e时:时:时:时:第20页/共64页第21页/共64页 构成正弦波振构成正弦波振荡电路最简单的荡电路最简单的做法是通过变压做法是通过变压器引入反馈。器引入反馈。附加相移附加相移LC选频放大电路选频放大电路正弦波振荡电路正弦波振荡电路 当当 f=f0时,电时,电压放大倍数的数压放大倍数的数值最大,且附加值最大,且附加相移为相移为0。共射电路共射电路A=-第21页/共64页第22页/共64页变压器反馈式变压器反馈式电路电路C1是必要的吗?是必要的吗?分析电路是否可能产生分析电路是否可能产生正弦波振荡:正
10、弦波振荡:1)放大电路是否能正常工作放大电路是否能正常工作2)是否满足相位条件是否满足相位条件3)是否可能满足幅值条件是否可能满足幅值条件 为使为使N1、N2耦合紧密,将它们合二为一,组成电感反馈式耦合紧密,将它们合二为一,组成电感反馈式电路。电路。注意注意同铭端!同铭端!如何组成?如何组成?第22页/共64页第23页/共64页电感反馈式电路电感反馈式电路反馈电压取自哪个线圈?反馈电压取自哪个线圈?反馈电压的极性?反馈电压的极性?电感的三个抽头分别接晶电感的三个抽头分别接晶体管的三个极,故称之为电体管的三个极,故称之为电感三点式电路。感三点式电路。电路特点?电路特点?第23页/共64页第24页
11、/共64页电感反馈式电路电感反馈式电路特点:耦合紧密,易振,振特点:耦合紧密,易振,振幅大,幅大,C 用可调电容可获得用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较宽范围的振荡频率。波形较差,常含有高次谐波。较差,常含有高次谐波。由于电感对高频信号呈现较大的电抗,故波形中含高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。次谐波,为使振荡波形好,采用电容反馈式电路。第24页/共64页第25页/共64页图3.10 电容三点式振荡器(a)电路图电容反馈式振荡器电路(三点式)电容反馈式振荡器电路(三点式)第25页/共64页第26页/共64页图3.10 电容三点式
12、振荡器(b)交流通路第26页/共64页第27页/共64页1)1)画出该振荡器的交流等效电路,判断其电路类型画出该振荡器的交流等效电路,判断其电路类型图图中中R RB1B1、R RB2B2、R RE E为为直直流流偏偏置置电电阻阻。C CB B是是基基极极偏偏置置的的滤滤波波电电容容,C CC C是是集集电电极极耦耦合合电电容容,它它们们对对交交流流应应当当等等效效短短路路。直直流流电电源源E EC C对对于于交交流流等等效效短短路路接接地地。R RB1B1、R RB2B2被被交交流流短短路路。由由此此可可画画出出该该电电路路的的交流等效电路,如图交流等效电路,如图3.10(b)3.10(b)所
13、示。所示。第27页/共64页第28页/共64页2)求该振荡器的工作角频率g在工程设计的近似条件下,可认为振荡器的工作频率g等于由L、C1、C2组成的回路的谐振频率0。所以该振荡器的工作频率 第28页/共64页第29页/共64页3)求反馈系数F共共基基组组态态放放大大器器从从射射极极和和基基极极之之间间输输入入,集集电电极极和和基基极极之之间间输输出出。输输出出电电压压 经经由由电电容容组组成成的的反反馈馈网网络络,从从C2C2两两端端取取得得反反馈馈电电压压 ,把把它它加加到到放放大大器器的的输输入入端端(晶晶体体管管的的射射极极),构构成成正正反反馈馈。放放大大器器的的输输入入电电阻阻r r
14、i i是是放放大大器器负负载载的的一一部部分分,放放大大器器输输入入端端的的电电容容C Cbebe与与C2C2并并联联。所所以以反反馈馈网网络络是是由由C C1 1和和C C2 2+C+Cbebe分分压压构构成成。在在忽忽略略与与反反馈馈网网络络各各端端点点相相并并联联的电阻影响的条件下,反馈系数可近似为的电阻影响的条件下,反馈系数可近似为第29页/共64页第30页/共64页通常有通常有C CbebeCC2 2:4)起振条件分析起振条件分析 在在直直流流电电源源刚刚刚刚接接通通的的瞬瞬间间,振振荡荡器器应应满满足足起起振振条条件件。由由于于起起振振的的一一刻刻是是线线性性小小信信号号状状态态工
15、工作作,所所以以晶晶体体管管可可以以用微变等效电路去等效,如图所示。用微变等效电路去等效,如图所示。第30页/共64页第31页/共64页所示电路起振时交流等效电路(a)晶体管等效电路;(b)振荡器等效电路第31页/共64页第32页/共64页根根据据图图3.113.11可可以以看看出出R RL L、R Re0e0并并接接在在c c、b b两两端端,输输入入电电阻阻r ri i=R=RE Er re e处处于于e e、b b两两端端。如如何何把把r ri i折折合合到到c,bc,b之之间间呢呢?通通常常用用能能量量守守恒恒的的方方法法。也也就就是是说说r ri i在在e,be,b之之间间消消耗耗的
16、的功功率率应应等等于于把把r ri i折折合合到到c c、b b之之间间的的等等效效电电阻阻RRi i所所消消耗耗的功率,即的功率,即第32页/共64页第33页/共64页所以,所以,RRL L应等于应等于R RL L、R Reoeo、RRi i三者的并联,即三者的并联,即 在在负负载载和和反反馈馈系系数数已已知知的的条条件件下下,可可以以导导出出满满足足起振条件要求的晶体管跨导起振条件要求的晶体管跨导gm的范围:的范围:第33页/共64页第34页/共64页uu由式可确定满足起振条件的晶体管跨导范围。晶体管的静态工作点电流IEQ越大,gm越大(re越小),振荡器越容易起振;RL越大、Reo越大、
17、RE越大越容易起振;而F应有一个适当的数值,太小不容易起振,太大也不容易起振。第34页/共64页第35页/共64页石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英谐振器石英谐振器的物理的物理特性:特性:石石英英晶晶体体是是SiOSiO2 2的的天天然然晶晶体体。它它的的形形状状是是六六棱棱柱柱锥锥体,如图体,如图3.31(a)3.31(a)所示。它的横断面是正六边形。所示。它的横断面是正六边形。第35页/共64页第36页/共64页六六棱棱柱柱锥锥体体的的对对顶顶角角的的连连线线叫叫Z Z轴轴,由由于于光光线线沿沿此此轴轴方方向向通通过过晶晶体体会会产产生生偏偏振振,所所以以又又叫叫做做光光轴轴。正正六六边边
18、形形对对顶顶点点的的连连线线叫叫X X轴轴,对对边边的的法法线线叫叫Y Y轴轴。因因为为石石英英晶晶体体沿沿X X轴轴或或Y Y轴轴方方向向存存在压电效应,所以又把在压电效应,所以又把X X轴叫电轴轴叫电轴,Y Y轴叫机械轴轴叫机械轴。注注意意,这这里里所所指指的的轴轴不不是是一一根根或或几几根根直直线线,而而是是指指这这个个方方向向的的平平行行线线,在在同同一一方方向向上上,晶晶体体的的性性质质相相同同。石石英英振振荡荡器器中中所用的石英晶体片是从六棱柱锥体中切割出来的一小片。所用的石英晶体片是从六棱柱锥体中切割出来的一小片。根根据据性性能能要要求求切切割割的的晶晶体体片片与与X X轴轴、Y
19、 Y轴轴、Z Z轴轴的的夹夹角角都都有有严严格格的的要要求求,不不同同的的夹夹角角,晶晶体体片片的的性性能能不不同同。把把晶晶体体片片两两侧侧面面镀镀上上银银层层,做做成成两两个个极极板板,再再焊焊上上电电极极的的引引线线,用用盒盒子子封封装装起起来来,引引出出电电极极的的引引线线,就就构构成成了了石石英英谐谐振振器器。市市场场卖卖的的石英晶体就是指这种石英谐振器。石英晶体就是指这种石英谐振器。第36页/共64页第37页/共64页通常说石英晶体就是指石英谐振器,它的物理特性讲述如下:1)具有正反压电效应正压电效应是指在晶体片两个侧面上施加压力时,晶体片就会产生机械变形,与此同时,在它的表面上还
20、会产生异性电荷,异性电荷量Q的多少正比于机械变形x,即第37页/共64页第38页/共64页n nK1为比例常数。当施加张力时,表面电荷极性相反。正压电效应把机械能转换成电能。n n反压电效应是指在晶体片两个表面上施加电压E,晶体会产生机械变形,如延伸。当电压的极性相反时,晶体就会收缩。机械变形量x正比于电压E,即K2是比例常数。是比例常数。反压电效应把电能转换成机械能反压电效应把电能转换成机械能。第38页/共64页第39页/共64页2)具有非常稳定的物理特性和化学特性石英晶体的物理特性和化学特性极其稳定,所以它的机械尺寸和材料性能非常稳定。也就是说,石英谐振器的标准性非常高。机械振动频率的稳定
21、性非常好,受外界因素的影响非常小,因此电振动频率的稳定性也非常好。第39页/共64页第40页/共64页3)具有各向异性石英晶体的性能各个方向不同。石英晶体的性能各个方向不同。Z Z轴方向有光的轴方向有光的偏振,偏振,X X、Y Y轴方向具有压电效应,不同切割方式的石轴方向具有压电效应,不同切割方式的石英晶体片的性能也不同。如温度性能,英晶体片的性能也不同。如温度性能,ATAT切割方式,切割方式,即与即与Z Z轴夹角轴夹角35213521、与、与X X轴夹角轴夹角00切割出的石英晶体切割出的石英晶体片,它的相对频率变化量片,它的相对频率变化量 与温度与温度T T是三次方关是三次方关系。在系。在5
22、0505555范围内,范围内,。第40页/共64页第41页/共64页4)具有多模性石石英英晶晶体体的的振振动动模模式式很很多多,有有纵纵压压电电效效应应、横横压压电电效效应应;机机械械变变形形有有伸伸缩缩、切切变变、弯弯曲曲等等。每每种种振振动动模模式式的的谐谐振振频频率率不不同同,不不仅仅有有基基音音,还还有有泛泛音音,所所以以石石英英谐谐振振器器是是一一个个频频率率极极其其丰丰富富的的谐谐振振系系统统。晶晶体体振振荡荡器器都都是是利利用用晶晶体体的的基基音音或或奇奇次次泛泛音音(3(3、5 5、7 7次次泛泛音音),而而不不用用偶偶次次泛泛音音,因因为为只只有有基基音音和和奇奇次次泛泛音音
23、才才能能有效的取出晶体表面上的电压。有效的取出晶体表面上的电压。第41页/共64页第42页/共64页石英谐振器的电特性:石石英英谐谐振振器器可可以以用用电电感感、电电容容、电电阻阻组组成成的的串串并并联联谐谐振振回回路路等等效效。石石英英晶晶体体的的符符号号如如图图3.33(a)3.33(a)所所示示。图图3.33(b)3.33(b)中中,C C0 0是是石石英英谐谐振振器器两两个个极极板板间间的的电电容容,叫叫支架电容支架电容,通常在几个,通常在几个p p量级。量级。第42页/共64页第43页/共64页石石英英晶晶体体片片等等效效为为L Lq q、C Cq q、r rq q串串联联的的谐谐振
24、振电电路路。L Lq q是是石石英英晶晶体体片片等等效效的的电电感感,通通常常在在亨亨利利的的量量级级。C Cq q是是等等效效电电容容,通通常常在在10-3pF10-3pF量量级级。r rq q是是等等效效电电阻阻,通通常常在在百欧左右。百欧左右。由由于于石石英英具具有有多多谐谐性性,每每次次泛泛音音都都对对应应一一个个串串联联谐谐振振电电路路。基基音音等等效效为为L Lq1q1、C Cq1q1、r rq1q1的的串串联联谐谐振振支支路路,该该支支路路的的谐谐振振频频率率等等于于基基音音频频率率。3 3次次泛泛音音等等效效为为L Lq3q3、C Cq3q3、r rq3q3的的串串联联谐谐振振
25、支支路路,该该支支路路的的谐谐振振频频率率等等于于3 3次次泛泛音音频频率率,如如此此等等等等。等等于于工工作作频频率率的的串串联联谐谐振振支支路路谐谐振振,串串联联阻阻抗抗等等于于r rq q,近近似似于于短短路路,其其他他支支路路失失谐谐,可可近近似似于于开开路路。所所以以对对于于工工作作频频率率,石石英英谐谐振振器器都都用用图图3.33(c)3.33(c)所示的电路等效。所示的电路等效。第43页/共64页第44页/共64页图3.33 石英晶体的等效电路和电抗特性(a)晶体符号;(b)基音和泛音等效电路;(c)某一频率等效电路;(d)电抗特性第44页/共64页第45页/共64页由于rq很小
26、,当忽略它的影响时,等效电路两端的电抗:式中 称为晶体的串联谐振角频率。称为晶体的并联谐振角频率。第45页/共64页第46页/共64页石英晶体振荡器电路有两种。一种是并联型石英晶体振荡器,另一种是串联型石英晶体振荡器。1.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器是把石英晶体当做电感元件使用。振荡器的工作频率g与晶体的串、并联谐振角频率s、p之间一定满足sgp的关系。石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路第46页/共64页第47页/共64页图3.34并联型石英晶体振荡器(a)原理电路;(b)交流等效电路第47页/共64页第48页/共64页图3.34并联型石英晶体振荡器(a)原理电路;(b)交流等效
27、电路第48页/共64页第49页/共64页pp根根据据三三点点式式电电路路“射射同同基基反反”的的构构成成原原则则,晶晶体体应应呈呈现现感感性性。石石英英谐谐振振器器和和电电容容C C1 1、C C2 2组组成成选选频频网网络络,当当晶晶体体谐谐振振器器呈呈现现的的感感抗抗 L L等等于于C C1 1、C C2 2串串联联的的容容抗抗 :时时,可可确确定定振振荡荡器器的的工工作作频频率率 g g,如如图图3.353.35所所示示。C C1 1、C C2 2变变化化,工工作作频频率率 g g就就会会发发生生微微小小的的变变化化,但始终在但始终在 s sg gp p的范围之内。的范围之内。第49页/
28、共64页第50页/共64页图3.35用电抗曲线说明稳频原理第50页/共64页第51页/共64页2.串联型石英晶体振荡器串串联联型型石石英英晶晶体体振振荡荡器器是是把把石石英英谐谐振振器器做做一一根根短短路路线线用用。当当振振荡荡器器的的工工作作频频率率 g g等等于于晶晶体体的的串串联联谐谐振振频频率率 s s时时,晶晶体体谐谐振振器器的的阻阻抗抗近近似似为为零零;当当频频率率偏偏离离 s s时时,晶晶体体的的阻阻抗抗骤骤然然增增加加,近近乎乎开开路路。所所以以把把晶晶体体接接在在振振荡荡器器的的反反馈馈支支路路中中,只只有有等等于于串串联联谐谐振振频频率率 s s的的分分量量才才有有反反馈馈
29、,其其他他频频率率分分量量均均无无反反馈馈,从从而而只只能能形形成成 g g=s s的的振振荡荡,如如图图3.37(a)3.37(a)所所示示。图图3.37(b)3.37(b)是是它它的的交交流流等效电路。等效电路。第51页/共64页第52页/共64页图3.37 串联型晶体振荡器及交流等效电路 (a)原理电路;(b)交流电路第52页/共64页第53页/共64页图3.37 串联型晶体振荡器及交流等效电路 (a)原理电路;(b)交流电路第53页/共64页第54页/共64页皮尔斯晶体振荡器皮尔斯晶体振荡器半导体行业中常用的晶体振荡半导体行业中常用的晶体振荡器电路是一种皮尔斯晶体振荡器。由于器电路是一
30、种皮尔斯晶体振荡器。由于便于在便于在IC中实现、具有良好的稳定性、中实现、具有良好的稳定性、高高Q因子(从因子(从10000到数十万)和低制到数十万)和低制造成本,因此它在设计人员当中最受欢造成本,因此它在设计人员当中最受欢迎。皮尔斯晶体振荡器主要由充当放大迎。皮尔斯晶体振荡器主要由充当放大器(增益级)的逻辑门反相器、反相器器(增益级)的逻辑门反相器、反相器输入输出之间的反馈电阻器以及外部晶输入输出之间的反馈电阻器以及外部晶振组件构成。振组件构成。第54页/共64页第55页/共64页uu当反相器输入与输出端子之间连接反馈电阻器(当反相器输入与输出端子之间连接反馈电阻器(RfRf)时,)时,它把
31、自身偏置到它把自身偏置到Vin=VoutVin=Vout的位置。振荡器电路中所用的反的位置。振荡器电路中所用的反相器可以确保反相器偏置点及其最大增益接近一半的电源相器可以确保反相器偏置点及其最大增益接近一半的电源电压。因此,所使用的反馈电阻器可以克服反相器的非线电压。因此,所使用的反馈电阻器可以克服反相器的非线性,同时可以把简单逻辑门转换成模拟放大器。性,同时可以把简单逻辑门转换成模拟放大器。uu倒相放大器提供第一次的倒相放大器提供第一次的180180的相移,而共振晶体和在振的相移,而共振晶体和在振荡器两侧添加的两个外部负载电容器组成的荡器两侧添加的两个外部负载电容器组成的PIPI网络提供另网络提供另外的外的180180相移。相移。uu额定值为额定值为25MHz25MHz与与12pF12pF的晶体只有检测到其终端存在的晶体只有检测到其终端存在12pF12pF有效电容性负载情况下才会准确地以有效电容性负载情况下才会准确地以25MHz25MHz频率共振。频率共振。第55页/共64页第56页/共64页
限制150内