电工与模数电技术 2015级注册电气工程师考培 参考书目 [1] 张炳达，注册电气工程师执业资格考试公共/专业基础考试复习教程，天津大学出版社，2013年 [2] 元增民，模拟电子技术简明教程，清华大学出版社，2014年 [3] 元增民，电工技术，国防科大出版社，2011年 [4] 谢庆等，注册电气工程师(供配电)执业资格考试基础考试历年真题详解，人民交通出版社，2014年 本课件补充的知识点都来自于参考书[2]、[3]，特此一并注明。 主讲教师：元增民

模拟电子技术第十三次课 本节要务 OPA应用及滤波器 1. 乘除法及乘方开方电路 2. 仪表放大器INA 3. 比较器 4. 滤波器

(a) A>0、F>0 (b) A<0、F<0 第10章 振荡电路 10.1 自激振荡原理 1. 典型振荡电路模型 1) 采用带通滤波器的正加正型分立元件振荡电路模型 图10.1.1分立元件振荡电路采用加反馈，反馈信号经加法环节形成偏差信号过程中的相移为0º，φc=0º，因ui=0，故系统输出电压 (a) A>0、F>0 (b) A<0、F<0 图10.1.1 正加正型分立元件振荡电路 uo=F(ω)Auo F(ω)A叫做环路电压放大倍数。

(a) A>0、F>0 (b) A<0、F<0 图10.1.1 正加正型分立元件振荡电路 环路电压放大倍数是判断系统是否能起振或平衡的关键参数。对本例，若环路电压放大倍数F(ω0)A<1，D<0，则表示虽有正反馈但不强，系统不能起振，已有振荡会衰减停止；若F(ω0)A=1，D=0，则表示正反馈强度达到平衡状态，已有振荡勉强维持，但不能起振；若F(ω0)A>1，D<0，则表示正反馈足够强，类似滚雪球，加上谐振滤波系统就能起振。 正加正型分立元件振荡电路幅度起振/平衡条件为 F(ω0)A≥1 ① 取大于号时为幅度起振条件，取等号时为幅度平衡条件

(a) A>0、F>0 (b) A<0、F<0 图10.1.1 正加正型分立元件振荡电路 图(a)电路模型A>0，故φa=0，F>0，故φf=0，相位平衡条件 ∑φ=φa+φf+φc=0º+0º+0º=0º ② 满足。 图(b)模型A<0、φa=π，F<0，φf=π，相位平衡条件 ∑φ=φa+φf+φc=π+π+0º=2π ③ 亦满足。 10/18/2019

OPA的开环电压放大倍数A很大，故用一路正反馈很难形成幅度平衡条件。OPA振荡电路必须采用复合反馈，用正负反馈抵消的方式来获得幅度平衡条件。 3)采用带通滤波器的集成振荡电路模型 OPA的开环电压放大倍数A很大，故用一路正反馈很难形成幅度平衡条件。OPA振荡电路必须采用复合反馈，用正负反馈抵消的方式来获得幅度平衡条件。 图10.1.3为带通滤波器复合反馈集成振荡电路方框图。带通滤波器在集成振荡电路中作为正反馈，正反馈系数Fp是频率的函数，Fp(ω)=F1(ω)。负反馈系数Fn为固定值，Fn=F2。在非谐振点上，负反馈强于正反馈。在谐振点上，正反馈强于负反馈，形成振荡。 图10.1.3 带通滤波器复合反馈集成振荡电路 10/18/2019

环路电压放大倍数是[Fp(ω)-Fn]A。 带通滤波器复合反馈集成振荡电路幅度起振/平衡条件为 [Fp(ω0)-Fn]A≥1 ⑦ 图10.1.3 带通滤波器复合反馈集成振荡电路 uo=[Fp(ω)-Fn]Auo 环路电压放大倍数是[Fp(ω)-Fn]A。 带通滤波器复合反馈集成振荡电路幅度起振/平衡条件为 [Fp(ω0)-Fn]A≥1 ⑦ 图10.1.3电路模型A>0，故φa=0，F>0，故φf=0，相位平衡条件 ∑φ=φa+φf+φc=0º+0º+0º=0º ⑧ 满足。 10/18/2019

从式①、④可看出，单通道振荡电路的幅度起振条件及平衡条件可统一表示为 |FA|≥1 (10.1.1) 2. 正弦波振荡器起振/平衡条件 从式①、④可看出，单通道振荡电路的幅度起振条件及平衡条件可统一表示为 |FA|≥1 (10.1.1) 从式⑦、⑨可看出，双通道振荡电路的幅度起振条件及平衡条件可统一表示为 (Fp-Fn)A≥1 (10.1.2) 取大于号时为幅度起振条件，取等号时为幅度平衡条件。 从式②、③、⑤、⑥、⑧可看出，由帯通滤波器构成的振荡电路的相位平衡条件可以统一表示为 ∑φ=φa+φf+φc=2nπ, (n=0,1) (10.1.3) 10/18/2019

传统观点片面地、一厢情愿地默认振荡系统一律由单通道加反馈构成，即默认φc=0，故传统的幅度起振/平衡条件为FA≥1，相位平衡条件为∑φ=φa+φf=2nπ。 10/18/2019

实际上选 Rf比2R1稍大一点，例如，R1=10kΩ，Rf=21kΩ，使 2.5.2 RC文氏电桥正弦波振荡电路 1. 电路及起振条件 图示串并联RC电路谐振时正反馈系数 Rf=2R1时负反馈系数 图2.5-1 RC文氏电桥正弦波振荡电路 参考书2图10.4.1 图2.5-2 实际上选 Rf比2R1稍大一点，例如，R1=10kΩ，Rf=21kΩ，使 文桥振荡器就会起振。 2. 振荡频率 3. 起振条件 Fn<Fp 10/18/2019

2-27 文氏电桥正弦波振荡电路如图，已知Rf=120kΩ，为保证起振，R1应满足( )。 R1>120kΩ B. R1<120kΩ C. R1>60kΩ D. R1<60kΩ 199页题2-27图

2-27 文氏电桥正弦波振荡电路如图，已知Rf=120kΩ，为保证起振，R1应满足( )。 R1>120kΩ B. R1<120kΩ C. R1>60kΩ D. R1<60kΩ 解 串并联RC谐振时分压比Fp为1/3 为保证起振，分压比Fn<1/3 ,为此 R1应满足R1<60kΩ 应选答案D 199页题2-27图

2006真题

A. Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rtmax500Ω B. Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rtmax 2kΩ 仿真题2-29 电路如题图2-29所示，OPA理想，热敏电阻Rt具有正温度特性。为使振荡器起振并输出振幅稳定的正弦波电压，Rf和Rt的接入位置及Rt的最大值分别为 A. Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rtmax500Ω B. Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rtmax 2kΩ C. Rf接虚框2，Rt接虚框1，Rtmax500Ω B. Rf接虚框2，Rt接虚框1，Rtmax 2kΩ 题图2-29

A. Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rtmax500Ω B. Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rtmax 2kΩ 仿真题2-29 电路如题图2-29所示，OPA理想，热敏电阻Rt具有正温度特性。为使振荡器起振并输出振幅稳定的正弦波电压，Rf和Rt的接入位置及Rt的最大值分别为 A. Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rtmax500Ω B. Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rtmax 2kΩ C. Rf接虚框2，Rt接虚框1，Rtmax500Ω B. Rf接虚框2，Rt接虚框1，Rtmax 2kΩ 题图2-29 解答 负反馈系数Fn=R2/(R1+R2)。负反馈系数Fn较小，Fn<Fp=1/3，才能起振，Rf接虚框1，Rt接虚框2，Rt取值500Ω，则Fn(max)=500/(1000+500)=1/3=Fp。实际Rt比500Ω稍小，使Fn<1/3，即保证起振。Fp不变，Fn越小，则振幅越大。起振后uo变大，Rt电流有效值变大，Rt变大，Fn变大，就抑制了振幅的疯涨，使振幅稳定下来。应选答案 A 10/18/2019

例2.5-1 文氏电桥振荡器如图2.5-3，运放器为理想的，R=10kΩ，C=0.001μF，R1=2kΩ，试计算： (2) 起振所需Rf的最小值 图2.5-3 10/18/2019

例2.5-1 文氏电桥振荡器如图2.5-3，运放器为理想的，R=10kΩ，C=0.001μF，R1=2kΩ，试计算： (2) 起振所需Rf的最小值 图2.5-3 解 (1) (2) 令 有Rf=2R1=2×2kΩ=4kΩ 10/18/2019

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上电后，集电极电流从0开始上升，自同名端流出，按照楞次定律，副绕组L2感应电流流进同名端，再流到晶体管基极，就构成正反馈，形成振荡。 2.5.3 LC正弦波振荡电路 1. 变压器反馈式 图2.5-4 φa=0、φf=0、φc=0， 上电后，集电极电流从0开始上升，自同名端流出，按照楞次定律，副绕组L2感应电流流进同名端，再流到晶体管基极，就构成正反馈，形成振荡。 振荡频率为L1C1的并联谐振频率。 10/18/2019 10/18/2019

2. 电感三点式振荡电路(哈特莱振荡器) φa=π、φf=π、φc=0 并联谐振频率下带通滤波器分压比 振荡频率 旧图 (a) 两电感之间无互感 (b) 两电感之间有互感 (哈特莱振荡器 178页图2.5-5/ 参考书1 图10.2.3 电感三点式振荡电路 Hartley Oscillator) φa=π、φf=π、φc=0 并联谐振频率下带通滤波器分压比 振荡频率 旧图 10/18/2019

(科比兹振荡器，Colpitts Oscillator) 3. 电容三点式振荡电路(科比兹振荡器) (a) 小功率振荡器 (b) 中功率振荡器 178页图2.5-6/图10.2.1电容三点式振荡电路 (科比兹振荡器，Colpitts Oscillator) φa=π、φf=π、φc=0 旧图 并联谐振频率下带通滤波器分压比： 振荡频率： 10/18/2019

2.5.4 石英晶体振荡电路 石英晶体理解为感性 φa=π、φf=π、φc=0， φa=π、φf=0、φc=π 179页图2.5-9 2.5.4 石英晶体振荡电路 石英晶体理解为感性 179页图2.5-9 φa=π、φf=π、φc=0， φa=π、φf=0、φc=π 179页图2.5-10 10/18/2019

2.5.5 各种正弦波振荡电路的使用场合 10/18/2019

2.5.6 方波、三角波、锯齿波振荡器 图2.5-12 图10.5.1 图2.5-14 图10.5.6 10/18/2019

振荡频率受电压控制的振荡器称为压控振荡器。 2.5.7 压控振荡器 振荡频率受电压控制的振荡器称为压控振荡器。 压控振荡器种类 控制电压类型 输出脉冲电压种类 典型用途 直流电压 正弦波电压 电调谐 方波电压 调频振荡器 双频振荡器 锯齿波电压 扫频振荡器 扫描 10/18/2019

压控方波振荡器 图2.5-16 振荡频率 受电压Ui控制。 10/18/2019

振荡频率 受电压Ui控制。 10/18/2019

uo3=-(uo1+uo2)=-(ui12+ui22) uo4=uo2 uo4=-uo3=(ui12+ui22) 反馈电阻R2外端接在哪里并不要紧，只要所接中间电路能提供电流通路，而且中间电路不变号，那么关系Uo1=-R2/R1Ui就依然存在！ 10/18/2019

谢谢大家！