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第11章 基本振盪電路 11-1 正弦波產生電路 11-2 多諧振盪器 11-3 施密特觸發器 11-4 方波產生電路
=== 第十一章 基本振盪電路 === 第11章 基本振盪電路 11-1 正弦波產生電路 11-2 多諧振盪器 11-3 施密特觸發器 11-4 方波產生電路 11-5 三角波產生電路 計時器振盪電路
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11-1 正弦波產生電路 振盪電路（oscillator）（又稱為波形產生電路）的功能是將電路中的直流電能轉換為交流電能，以產生各種交流信號波形，如正弦波、方波、脈波、三角波、鋸齒掃描波及階梯波等，如圖11-1 所示。因為實際應用以正弦波、方波、脈波及三角波的應用最多，所以本章節將探討此類波形產生電路，至於其他波形，則請參閱相關書籍說明。
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路 圖11-2(a)為正弦波振盪電路的組成方塊圖。
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-1
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11-1 正弦波產生電路 圖11-5 為回授網路採RC 回授式的韋恩電橋振盪器（Wien-bridge oscillator），由回授網路，即頻率選擇網路（frequency-selective network），利用基本電學分壓定理，可得回授因數：
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-2
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-3
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-4
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-5
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-6
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路 採RC 回授式網路的韋恩電橋振盪電路與相移振盪電路，因電阻會消耗能量，所以最高振盪頻率大約在數百kHz 左右，為得到更高之振盪頻率，則回授網路應改用LC 回授式，如考畢子振盪電路與哈特萊振盪電路。
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11-1 正弦波產生電路 1 考畢子振盪電路
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-7
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路 2 哈特萊振盪電路
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-8
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路 LC 回授式的高頻振盪電路常因電感、電容元件特性的改變，造成振盪頻率不穩定，而目前能提供最穩定與最高精準度的振盪元件為石英晶體振盪器，其結構符號、振盪原理及特性說明如下：
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11-1 正弦波產生電路 石英晶體振盪器的物理結構與電路符號 1
石英晶體振盪器的物理結構與電路符號 1 石英晶體（簡稱晶體）基本上為二氧化矽的結晶體，若將一塊切割好的石英晶體（外觀像是一片很薄的玻璃片）兩邊塗上導電銀薄膜並各銲上一根導線，再加以金屬外殼封裝，即構成石英晶體振盪器，如圖11-9 分別為石英晶體封裝後之外觀、內部物理結構及電路符號。
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11-1 正弦波產生電路 石英晶體的壓電效應 2 石英晶體的振盪原理是，利用壓電效應（piezoelectric effect），使晶體產生共振現象。當在石英晶體的兩端加上電場時，晶體會產生機械變形，相反地，若在石英晶體的兩端施以壓力時，晶體則會在其對應方向產生電場，這種物理現象稱為壓電效應，如圖11-10 所示。
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11-1 正弦波產生電路 利用石英晶體的壓電效應，在晶體的兩端加上交流電壓時，晶體即會產生機械振動，同時晶體的振動又會產生交變的電壓，當外加交流電壓頻率與晶體機械共振頻率相同時，即產生壓電共振特性，此時機械的振動與交流電壓幅度都會達到最大，這種現象稱為壓電諧振，其與基本電學所學的LC 諧振現象非常相似。石英晶體的諧振頻率與晶體從石英結晶塊切下來時的切割方式、方向、形狀及尺寸大小皆有關。
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11-1 正弦波產生電路 石英晶體的等效電路與振盪頻率 3 圖11-11(a)為石英晶體的等效電路，其中：
石英晶體的等效電路與振盪頻率 3 圖11-11(a)為石英晶體的等效電路，其中： 1.並聯電容Cp 為晶體不振動時之等效平板電容值，其值約為數pF～數十pF。 2.電阻R 等效於晶體振動時，因摩擦而造成的損耗，其值約為100。 3.電感L 等效於晶體振動慣性，其值約為數十mH～數百mH。
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11-1 正弦波產生電路 4.串聯電容Cs 等效於晶體振動彈性，其值約為0.0002pF～0.1pF。
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路 石英晶體振盪電路的應用 4 圖11-12(a)為基本石英晶體振盪電路，電路中的電容C 可微調輸出振盪頻率。若將考畢子振盪電路內的電感改用諧振時具有電感性的石英晶體，稱為皮耳斯（Pierce）振盪電路，如圖11-12(b)所示。實用的石英晶體振盪電路，其振盪頻率主要與晶體的諧振頻率有關，與外接的電路元件無關。
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11-1 正弦波產生電路
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11-1 正弦波產生電路 例題 11-9
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11-1 正弦波產生電路
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11-2 多諧振盪器 多諧振盪電路（multivibrator）可產生方波信號與脈波信號，此類信號常應用於控制電路中。
多諧振盪器屬於弛張振盪器（relaxation oscillator），其振盪原理是利用電容充放電的特性，改變輸出（Hi，Lo）狀態，此與正弦波振盪電路利用諧振原理產生振盪的方式不同。
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11-2 多諧振盪器 多諧振盪器依功能區分，可分為三類：
1.雙穩態多諧振盪器（bistable multivibrator）：此種振盪器具有兩個穩定的輸出狀態，即Hi 狀態或Lo 狀態。若欲改變原來狀態至另一狀態時，需要輸入觸發信號，且改變狀態後不會自動回復原狀態，具有記憶性，除非再加入另一觸發信號才會再改變狀態，其功能可應用於正反器或記憶性電路。 2.無（不、非）穩態多諧振盪器（astable multivibrator）：此種振盪器不需要輸入任何觸發信號，即能自發振盪出週期性的方波信號，其功能可應用於時脈（clock）產生電路。
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11-2 多諧振盪器 3.單穩態多諧振盪器（monostable multivibrator）：此種振盪器在加入觸發信號後，可改變原狀態至另一暫時狀態，且經過一段時間後，會自動回復到未觸發前之原狀態，其功能可產生脈波信號應用於定時控制電路。
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器 例題 11-10
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器
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11-2 多諧振盪器 例題 11-11
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11-3 施密特觸發器 在第10 章運算放大器的討論中，我們已瞭解運算放大器在未接負回授網路時，其功能為比較器特性，即：
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 相較於一般比較器的比較參考電壓只有一個狀態值，本小節將介紹的施密特觸發器屬於進階比較器應用電路，其比較參考電壓有兩個狀態電壓值，分別由輸出的正負飽和值電壓經正回授網路產生。 輸出經由回授網路接至非反相輸入端即為正回授網路。 施密特觸發器依輸入信號端的不同，可分為反相施密特觸發器與非反相施密特觸發器，分述如下。
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 綜合以上分析比較，可知上臨界電壓與下臨界電壓為對稱相等（即VUT = −VLT），其完整電路及輸入－輸出轉移特性曲線，如圖11-18(c)所示。因為反相施密特觸發器之轉移特性曲線為封閉性的遲滯效應（hysteresis effect），所以稱為遲滯曲線，且曲線變化方向為順時針旋轉，其中VH 定義為遲滯電壓又稱遲滯寬度，其值為：
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 當輸入Vs 為一弦波信號或其他非方波信號時，若輸入信號電壓大小可超過上或下臨界電壓（VUT 或VLT）時，其輸出信號為方波，故施密特觸發器又稱波形整形電路，其功能特性可應用於方波產生電路。
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11-3 施密特觸發器 例題 11-12
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 若將反相施密特觸發器之正回授接地端與OPA 反相輸入信號端互換，即形成非反相施密特觸發器，如圖11-19(a)、(b)所示，其工作原理說明如下：
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 其上臨界電壓： 圖11-20(b)為輸出負飽和時，其等效電路與輸入－輸出轉移特性曲線。
綜合以上分析比較，可知上臨界電壓與下臨界電壓為對稱相等（即VUT = −VLT），其完整電路及輸入－輸出轉移特性曲線如圖11-20(c)所示。非反相施密特觸發器之轉移特性曲線，其遲滯曲線變化方向為逆時針旋轉。
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 例題 11-13
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 加偏壓之反相施密特觸發器 1 若將反相施密特觸發器中的正回授接地端，改接一個偏壓VR時，即為加偏壓之反相施密特觸發器，如圖11-21(a)所示，其工作原理說明如下：
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 例題 11-14
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 加偏壓之非反相施密特觸發器 2
加偏壓之非反相施密特觸發器 2 若將非反相施密特觸發器中的OPA 反相輸入端接地，改接一個偏壓VR 時，即成為加偏壓之非反相施密特觸發器，如圖11-22(a)所示，其工作原理說明如下：
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器
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11-3 施密特觸發器 例題 11-15
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11-3 施密特觸發器
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11-4 方波產生電路 在11-2 小節裡已介紹過可產生方波（無穩態）和脈波（單穩態）之電晶體多諧振盪電路，本小節將探討應用OPA 施密特觸發振盪之方波產生電路與脈波產生電路。 圖11-23(a)為利用OPA 施密特觸發振盪之方波產生電路（無穩態多諧振盪電路），圖中輸出信號藉由充放電迴路，回授至反相施密特觸發電路的輸入端，進而改變輸出狀態。圖11-23(b)為電容電壓VC 對應輸出電壓Vo之波形圖，其工作原理說明如下：
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11-4 方波產生電路
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11-4 方波產生電路 例題 11-16
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11-4 方波產生電路
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11-4 方波產生電路 將OPA方波產生電路之電容並接一個二極體，而且在OPA非反相輸入端並接上一個可以觸發接地信號的開關SW，即形成OPA 脈波產生電路，如圖11-24(a)所示，圖11-24(b)為其電容電壓VC 對應輸出電壓Vo 之波形，工作原理說明如下：
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11-4 方波產生電路
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11-4 方波產生電路
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11-4 方波產生電路 例題 11-17
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11-5 三角波產生電路 應用非反相施密特觸發器結合積分器產生之三角波產生電路，簡稱為施密特－積分三角波產生電路，如圖11-25(a)所示。圖11-25(b)為Vo1 對應Vo2 之波形，工作原理說明如下：
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11-5 三角波產生電路
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11-5 三角波產生電路
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11-5 三角波產生電路 例題 11-18
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11-5 三角波產生電路
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11-5 三角波產生電路 圖11-26 為加上雙向稽納截波電路作為限幅之施密特－積分三角波產生電路，其中電阻Rx 為稽納導通時之輸出限流電阻，其振盪週期同一般施密特－積分三角波產生電路，唯一不同的是輸出振幅改變為：
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11-5 三角波產生電路
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11-5 三角波產生電路 例題 11-19
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11-5 三角波產生電路
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計時器振盪電路 編號555 的IC 是一顆可用於計時／計數的通用IC，它常應用於產生方波與脈波信號，其內部構造如圖11-27 所示，其組成元件的功能分別為：
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計時器振盪電路
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計時器振盪電路
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11-6 555計時器振盪電路 555 IC 的各接腳功能分別為： 1.接地（ground, GND）腳。
2.觸發（trigger, TR）信號輸入腳，即下比較器反相 輸入腳。 3.輸出（output, OUT）腳，可輸出Hi = VCC 或Lo = 0V。 4.重置（reset, RST）電路腳，使輸出為0V。
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計時器振盪電路 5.控制電壓（control voltage, CV）輸入腳，可改變上、下比較器之參考電位VUT、VLT，進而改變輸出振盪頻率，達到電壓控制振盪的功能。 6.臨界（threshold, TH）信號輸入腳，即上比較器之非反相輸入腳。 7.放電（discharge, DIS）迴路輸入腳。 8.電源（VCC）腳，一般VCC 操作電壓約5V～15V。
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計時器振盪電路 圖11-28(a)係利用555 計時器作為施密特觸發電路的接線圖，其中將臨界腳與觸發腳接在一起當作輸入信號端，以改變輸出Hi、Lo狀態，而接在控制電壓腳上的電容稱為反交連電容，其功能為濾除電源雜訊對參考電位VUT 及VLT 的影響，其值一般為0.01 µF。
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計時器振盪電路
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計時器振盪電路 整理上述說明，可得圖11-29(a)、(b)所示之真值表與輸入-輸出轉移特性曲線，其轉移特性曲線類似反相施密特觸發電路。
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計時器振盪電路 例題 11-20
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計時器振盪電路 例題 11-21
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計時器振盪電路 例題 11-22
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計時器振盪電路 圖11-32(a)為555 計時器作為脈波產生電路的接線圖，圖11-32(b)為簡化電路，圖11-32(c)為電容電壓VC 對應輸出電壓Vo 之波形，由圖分析其動作原理如下：
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計時器振盪電路 例題 11-23
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