本章目錄 11-1 振盪器概論 11-2 相移振盪器 11-3 韋恩電橋振盪器 11-4 考畢子振盪器 11-5 哈特萊振盪器

本章目錄 11-6 石英晶體振盪器 11-7 方波產生器 11-8 三角波產生器 11-9 用電晶體組成的無穩態多諧振盪器 11-10 用電晶體組成的單穩態多諧振盪器

本章目錄 11-11 用電晶體組成的雙穩態多諧振盪器 11-12 用電晶體組成的史密特觸發器 11-13 積體電路555定時器的應用電路

11-1 振盪器概論 P210 一、振盪器 只需加入直流電源，不需外加輸入信號就能輸出週期性 　　只需加入直流電源，不需外加輸入信號就能輸出週期性 波形的電路，稱為振盪器(oscillator)。 　　振盪器是產生電子信號的主要來源，可以把直流電能轉 變成交流電或脈動直流。 (1)振盪器依其輸出信號的波形，可分為： 正弦波振盪器。輸出為正弦波。 非正弦波振盪器。輸出為方波、三角波、鋸齒波及脈波等 。

11-1 振盪器概論 P210 (2)振盪器依其振盪頻率可分為： 低頻(聲頻)振盪器 低頻振盪器是由電阻器及電容器組成的回授網路決定振 　　低頻振盪器是由電阻器及電容器組成的回授網路決定振 盪頻率，所以又稱為RC振盪器。例如：相移振盪器及韋恩 電橋振盪器。 高頻(射頻)振盪器 　　高頻振盪器是由電感器及電容器組成的諧振電路決定振 盪頻率，所以又稱為LC振盪器。例如：考畢子振盪器及哈特 萊振盪器。 石英晶體振盪器 　　石英晶體振盪器是使用石英晶體(crystal)作回授元件， 振盪頻率最穩定。

11-1 振盪器概論 P210 二、回授 將一個放大器的輸出電壓的一部份，經由適當的網路送 　　將一個放大器的輸出電壓的一部份，經由適當的網路送 回該放大器之輸入端，稱為回授(feedback)。 1.負回授 　　若如圖11-1-1所示，回授信號Vf 與輸入信號Vs相減，即 Vin＝Vs －Vf，則稱為負回授(negative feedback)。當放大器被 加上負回授時，其失真減小，穩定度提高，頻率響應改善， 因此大部份的放大器都加有適量的負回授。放大器加上負回 授的唯一缺點是輸出電壓Vout會減小。

11-1 振盪器概論 P211 2.正回授 若如圖11-1-2所示，回授信號Vf 與輸入信號Vs相加，即 Vin＝Vs+Vf，則稱為正回授(positive feedback)。假如放大器 的電壓增益為A，回授係數為B，則當A × B＝1時，縱然把 Vs 降為零(Vs＝0)，輸出端還是可以維持穩定的輸出。此時， 放大器以經變成振盪器。

11-1 振盪器概論 P211 由於放大器的電源VCC 剛接上的瞬間，電路中的電壓由 無而有，此變動即為一個瞬間輸入信號Vs，此後縱使此Vs消 失了，只要達到A × B≧1的條件，就可以維持輸出端繼續輸 出週期性的波形Vout，所以實際的振盪器如圖11-1-4所示，並 不需外加輸入信號Vs ，即可正常振盪。

11-1 振盪器概論 P212

11-1 振盪器概論 P212 三、巴克豪生準則 依據巴克豪生準則(Barkhausen criterion)，若放大器被 加上正回授，且放大器之電壓增益為A，回授係數為B，則： (1)當A × B ＜1時，電路不會振盪。 (2) A × B＝1時，電路產生振盪，且輸出波形Vout可以是正弦 波。 (3) A × B＞1時，電路會振盪，且輸出波形為失真之正弦波。 (4) A × B 1時，電路會振盪，且輸出波形成為方波或矩形 　 波。 　　由以上敘述可知一個放大器只要加上足夠大的正回授， 使A × B≧1，即可成為振盪器。

11-1 振盪器概論 P212 四、振盪器的組成 　　常用的放大器，有同相放大器也有反相放大器，所以把 「振盪條件A × B＝1」改寫為

11-1 振盪器概論 P213

11-2 相移振盪器 P214 一個振盪器，若是使用電阻器與電容器所組成之RC相 移網路產生正回授，以維持振盪者，稱為RC相移振盪器 (phase-shift oscillator)，簡稱為相移振盪器。

11-2 相移振盪器 P214 圖11-2-2(a)之電路，其輸入電壓Vout與輸出電壓Vf之相 位差θ絕對小於90°，因此，若要使用RC網路相移180°，至 少需如圖11-2-3所示，使用三節RC。

11-2 相移振盪器 P215 圖11-2-3所示之RC三節相移網路，於頻率 時，Vf 恰與Vout 相位差180°，因此，相移振盪器，其振盪頻率應等於

11-2 相移振盪器 P215 由於圖11-2-3之三節RC相移網路，於頻率f0時，回授係 數 ，因此圖11-2-4要滿足巴克豪生準則 A × B＝1 ，以產生振盪並輸出正弦波，則反相放大器之電壓增益A 必 須等於－29。

11-2 相移振盪器 P216 　　在圖11-2-6之實用電路中，為了令反相放大器的電壓增 益A＝－29，所以必須令

11-2 相移振盪器 P216

11-2 相移振盪器 P217

11-3 韋恩電橋振盪器 P218 圖11-3-1的特性如圖11-3-2所示。若令頻率 ， 　　圖11-3-1的特性如圖11-3-2所示。若令頻率 ， 則由圖11-3-2可以看出只有在頻率等於fo的1倍時，Vout與Vf 的相位差θ恰好等於0°，而此時 　。因此若把圖11-3-1 之網路加入圖11-3-3中，則同相放大器的電壓增益A只要達 到3倍，即可符合A×B＝1的條件而產生振盪，並輸出正弦波。

11-3 韋恩電橋振盪器 P218 圖11-3-3所用之同相放大器，要令電壓增益＝3，只要令 　　圖11-3-3所用之同相放大器，要令電壓增益＝3，只要令 即可。換句話說，圖11-3-3之韋恩電橋振盪器，只要令 R2＝2R1即可產生振盪，而且

11-3 韋恩電橋振盪器 P219

11-3 韋恩電橋振盪器 P219

11-3 韋恩電橋振盪器 P220

11-3 韋恩電橋振盪器 P221

11-4 考畢子振盪器 P221 考畢子振盪器如圖11-4-1或圖11-4-2所示，是由反相放 　　考畢子振盪器如圖11-4-1或圖11-4-2所示，是由反相放 大器與可以移相180°的LC並聯諧振電路組成。 　　諧振頻率為

11-4 考畢子振盪器 P222

11-4 考畢子振盪器 P222 公式(11-6)中的C是由電路圖中的C1及C2串聯起來的， 所以公式(11-6)中的C為 輸出電壓Vout，而C1兩端的電壓為回授電壓Vf，所以回授係 數B可表示為 　　整理上式，可得

11-4 考畢子振盪器 P223 為能達到A × B＝1的振盪條件，所以必須令反相放大器 的電壓增益 A 為 　　實際上，為了確保可以啟動並維持振盪，都令電壓增益 稍大於(11-9)式。即

11-4 考畢子振盪器 P224

11-4 考畢子振盪器 P224

11-5 哈特萊振盪器 P225 哈特萊振盪器的電路，如圖11-5-1或圖11-5-2所示，回 　　哈特萊振盪器的電路，如圖11-5-1或圖11-5-2所示，回 授網路是由兩個串聯的電感器和一個電容器並聯而成。

11-5 哈特萊振盪器 P225 哈特萊振盪器的振盪頻率為 公式(11-10)中的是由L1及L2串聯而成，所以 　　哈特萊振盪器的振盪頻率為 　　公式(11-10)中的是由L1及L2串聯而成，所以 　　由圖11-5-3可看出，在諧振電路中的電流是通過L1與L2 ，所以L1和L2在等效上是串聯的。因為L2兩端的電壓是振盪 器的輸出電壓Vout，而L1兩端的電壓為回授電壓Vf，所以回 授係數B可表示為

11-5 哈特萊振盪器 P226 整理上式，可得 為能達到A × B＝1的振盪條件，所以必須令反相放大器 的電壓增益 A為 　　整理上式，可得 　　為能達到A × B＝1的振盪條件，所以必須令反相放大器 的電壓增益 A為 　　為確保可以啟動並維持振盪，實際上都會令電壓增益稍 大於(11-13)式。即 。

11-5 哈特萊振盪器 P226

11-6 石英晶體振盪器 P227 一、石英晶體的認識 石英晶體是一種壓電材料(piezoelectric material)。當晶 體的兩側被加上交流電壓時，晶體本身會產生機械變形而在 該交流電壓的頻率振動，在晶體的切割面受到機械應力而振 動時，晶體的兩面又會產生與機械振動同頻率的交流電壓， 這種特性稱為壓電效應(piezoelectric effect)。若我們在晶體 加上交流電壓，晶體即可產生循環不已之晶片振盪，並且在 所加交流電壓的頻率與石英晶體的自然振動頻率相等時，晶 片的機械式振動幅度會最大。 　　石英晶體的自然振動頻率依其切割方法而異，石英晶體 切割而成的晶片若愈薄，則振動頻率愈高，但也較脆弱。

11-6 石英晶體振盪器 P227

11-6 石英晶體振盪器 P229 請注意！圖11-6-3只是用來表示石英晶體可以振盪，你 　　請注意！圖11-6-3只是用來表示石英晶體可以振盪，你 千萬不要用基本電學已經學過的諧振公式 來計算 其振盪頻率。在石英晶體的外部如圖11-6-5所示串聯電容器 C或並聯電容器C，而企圖把石英晶體的振盪頻率降為 或 來使用，是不可能的事。石英晶體只會很穩定的振盪在其機 械式的自然振動頻率，換句話說，石英晶體只會很穩定的振 盪在外殼所標示的頻率。

11-6 石英晶體振盪器 P229

11-6 石英晶體振盪器 P229

11-6 石英晶體振盪器 P229 二、石英晶體振盪器 放大器只要加上適量的正回授就成為振盪器。圖11-6-6 　　放大器只要加上適量的正回授就成為振盪器。圖11-6-6 是使用電晶體放大器與石英晶體組成的石英晶體振盪器，電 容器C1與C2決定回授係數 的大小，因此C1與C2的電 容量若適當，此石英晶體振盪器即能輸出正弦波。若C1與C2 的比值不對，則輸出波形可能失真或電路不會振盪。改變C1 與C2的電容量並不會改變振盪頻率，改變振盪頻率的唯一方 法是更換不同頻率的石英晶體。

11-6 石英晶體振盪器 P230

11-7 方波產生器 P231 方波產生器(square-wave oscillator)是一種不需任何輸入 信號，只要通上電源就能不斷輸出方波的電路。

11-7 方波產生器 P231 　　圖11-7-1所示之方波產生器，振盪頻率為

11-7 方波產生器 P232

11-7 方波產生器 P233

11-8 三角波產生器 P234 三角波產生器(triangular-wave oscillator)，如圖11-8-1 所示，是由積分器與同相史密特觸發器組合而成。

11-8 三角波產生器 P235 圖11-8-1(a)所示之三角波產生器，振盪頻率為 三角波之輸出振幅

11-8 三角波產生器 P235 　　圖11-8-2是三角波產生器的其他畫法。

11-8 三角波產生器 P236

11-8 三角波產生器 P236

P237 一、多諧振盪器的種類 11-9 用電晶體組成的無穩態多諧 振盪器 多諧振盪器一般可分為三大類： 11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P237 一、多諧振盪器的種類 　　多諧振盪器一般可分為三大類： (1) 無穩態多諧振盪器(astable multivibrator)。 (2) 單穩態多諧振盪器(monostable multivibrator)。 (3) 雙穩態多諧振盪器(bistable multivibrator)。 　　單穩態及雙穩態必須有外來控制信號加以觸發才能工作 。無穩態電路則不需要外來的控制信號，電源通上後即開始 振盪而輸出方波或矩形波或脈波。 　　在多諧振盪器裡，電晶體是被當作開關使用，只工作在 飽和與截止狀態。

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P237 二、基本的電晶體開關電路

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P238

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P238 三、用電晶體組成的無穩態多諧振盪器

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P239

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P239

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P239

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P240

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P240

P240 11-9 用電晶體組成的無穩態多諧 振盪器 因為TR1「OFF」、TR2「ON」的時間決定於C1通過RB1 11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P240 　　因為TR1「OFF」、TR2「ON」的時間決定於C1通過RB1 放電的時間T1≒0.7RB1C1，而TR2 「OFF」、 TR1 「ON」的 時間決定於C2通過RB2放電的時間T21≒ 0.7RB2C2 ，因此無 穩多諧振盪器的一個週期為T1與T2之和，即 　　在電路完全對稱時，TR1＝TR2、C1＝C2＝C、RB1＝RB2 ＝RB、RC1＝RC2＝RC，因此

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P241

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P242

11-9 用電晶體組成的無穩態多諧　 　　振盪器 P242

P244 一、用正脈衝觸發之單穩態多諧振盪器 11-10 用電晶體組成的單穩態多 諧振盪器 11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P244 　　在自動控制中往往要使用到計時電路(timer)，單穩態多 諧振盪器即為一計時電路。 　　單穩態多諧振盪器也被稱為單擊電路(one-shot)。 一、用正脈衝觸發之單穩態多諧振盪器

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P245

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P245

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P246

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P246

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P246 　　圖11-10-1，電晶體TR2「OFF」的時間(即輸出電壓 VCE2＝+ VCC 之時間)，稱為閘門時間。

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P247 二、用負脈衝觸發之單穩態多諧振盪器

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P248

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P248

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P248

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P249

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P249

P250 11-10 用電晶體組成的單穩態多 諧振盪器 圖11-10-6，電晶體TR2「OFF」的時間(即輸出電壓 11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P250 　　圖11-10-6，電晶體TR2「OFF」的時間(即輸出電壓 VCE2＝ +VCC 之時間)，稱為閘門時間。

11-10 用電晶體組成的單穩態多 　　 諧振盪器 P250

P252 一、RS正反器(reset-set flip-flop) 11-11 用電晶體組成的雙穩態多 諧振盪器 11-11 用電晶體組成的雙穩態多 　　 諧振盪器 P252 一、RS正反器(reset-set flip-flop) 　　由於RS正反器具有記憶作用，因此常在自動控制電路中 擔任自保持電路(self hold)。

11-11 用電晶體組成的雙穩態多 　　 諧振盪器 P253

P253 二、基極觸發式T 型正反器 11-11 用電晶體組成的雙穩態多 諧振盪器 由於每兩個觸發信號輸入，電路即輸出一個方波，因此 11-11 用電晶體組成的雙穩態多 　　 諧振盪器 P253 二、基極觸發式T 型正反器 　　由於每兩個觸發信號輸入，電路即輸出一個方波，因此 T型正反器能作除以2的工作。

11-11 用電晶體組成的雙穩態多 　　 諧振盪器 P254

11-11 用電晶體組成的雙穩態多 　　 諧振盪器 P255

11-11 用電晶體組成的雙穩態多 　　 諧振盪器 P255

11-12 用電晶體組成的史密特觸 　　 發器 P256 一、史密特觸發器之基本電路

11-12 用電晶體組成的史密特觸 　　 發器 P258

11-12 用電晶體組成的史密特觸 　　 發器 P258

11-12 用電晶體組成的史密特觸 　　 發器 P258 (續)

P259 二、加有偏壓之史密特觸發器 11-12 用電晶體組成的史密特觸 發器 11-12 用電晶體組成的史密特觸 　　 發器 P259 二、加有偏壓之史密特觸發器 (1)由圖11-12-2(c)可看出：當交流信號輸入時，史密特電 　 路將輸出一連串等振幅之矩形波(不對稱的方波)。 (2)若想要得到工作週期為50％之對稱方波，需如圖11-12-3 　 所示，在輸入端加上一個適當的直流偏壓VB。

P259 11-12 用電晶體組成的史密特觸 發器 (3)只要調整可變電阻器VR，使史密特電路獲得適當的偏壓 11-12 用電晶體組成的史密特觸 　　 發器 P259 (3)只要調整可變電阻器VR，使史密特電路獲得適當的偏壓 　 VB，則輸出波形將如圖11-12-3(b)所示，是一連串等振 　 幅之對稱方波。 (4)可變電阻器係用以調整輸出方波之對稱性，因此稱為對 　稱控制器(symmetry control)。

11-12 用電晶體組成的史密特觸 　　 發器 P260

11-12 用電晶體組成的史密特觸 　　 發器 P260

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P261 11-13-1　定時積體電路555的認識

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P261

P262 11-13 積體電路555定時器的應用 電路 茲將555各接腳之功能說明於下，請一面參考圖11-13-2。 11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P262 　茲將555各接腳之功能說明於下，請一面參考圖11-13-2。 (1)第1腳(接地；ground)：接至電源之負極。 (2)第2腳(觸發；trigger)：當第2腳的電壓低於 Vcc時，會令 第3腳輸出高態，同時令第7腳對地開路。 (3)第3腳(輸出；output)：555的輸出腳，輸出電壓到底是 　高態或低態，完全受第2腳、第4腳及第6腳控制。 (4)第4腳(重置；reset)：當第4腳之電壓小於0.4伏特時，會 　 令第3腳之輸出成為低態，同時令第7腳對地短路。不讓 　第4腳發生作用時，應將第4腳接於1伏特以上之電壓。 (5)第5腳(控制電壓；control voltage)：這一腳直接與比較器 　 的參考電壓點相通，允許由外界電路改變第2腳及第6腳 　之動作電壓。平時大多接一個0.01μF以上之電容器接 　 地，以免555受到雜訊的干擾。

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P262 (6)第6腳(臨界；threshold)：當第6腳的電壓高於 Vcc時，會 令第3腳輸出低態，同時令第7腳對地短路。 (7)第7腳(放電；discharge)：與第3腳同步動作。當第3腳輸 出高態時，第7腳對地開路；在第3腳輸出低態時，第7 腳對地短路。 (8)第8腳(正電源；+VCC)：接電源之正極。第8腳對第1腳之 電源電壓可以是4.5～16伏特。 (9)注意事項： 　當第2、4、6腳之動作互相衝突時，其優先順序為第 　　4腳最優先，第2腳次之，第6腳最末。 　　例如：第4腳與第2腳同時作用，則由第4腳決定第 3腳 及第7腳之狀態。 　第3腳之最大輸出電流為200mA。

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P263 11-13-2　用555組成的史密特觸發器

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P264

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P264

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P264 11-13-3　用555組成的無穩態多諧振盪器

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P266

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P266 　　圖11-13-4(b)之：

P267 11-13 積體電路555定時器的應用 電路 圖11-13-4之電路，因為TH＞TL，所以Vout的工作週期一 11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P267 　　圖11-13-4之電路，因為TH＞TL，所以Vout的工作週期一 定大於50％，假如把電路修改成圖11-13-6，則C1只經由R1 充電，而經由R2放電，因此Vout的工作週期可以調整到小於 50％。 　　圖11-13-6之：

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P268

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P268

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P269

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P269

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P269 11-13-4　最精簡的555無穩態多諧振盪器

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P270 　　圖11-13-9之：

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P271 11-13-5　用555組成的單穩態多諧振盪器

11-13 積體電路555定時器的應用 　　 電路 P272 　第3腳輸出高態的時間，T稱為閘門時間，T =1.1R1C1秒。