Transcript 電子學ch11教案

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
11-1
正弦波產生電路
………………………………………………………………………….…
1. 振盪器之定義
節目錄
(1) 功能：將直流型式電能轉換為交流型式電能。
(2) 結構：包含一增益放大器及可產生相移及衰
減的正回授電路。
節目錄
2. 正回授效應
節目錄
(1) 正回授效應：回授訊號與原輸入訊號同相位，
則此放大器將有提高增益的功
能。
(2)
公式： A vf 
Av
1  βA v
1  βA v  0
(3) 構成振盪器條件
βA v  1
 βA v  0
節目錄
3. 振盪條件
(1) 維持振盪狀態條件
回授環路的相移必須
為0°。
閉回授環路的Acl必須
等於1。
節目錄
(2) 巴克豪生準則： β A  1
(3) 一般設計振盪器，都使
v
βA v
值略大於1
(約略大5%，視元件特性而異)。
(4) 除了上述的正回授、巴克豪生準則外，一個
實用的振盪器尚需注意下列各項。
需要有一交流漣波甚低的穩定直流電源，
同時不使振盪電流流入電源迴路中(可以加
裝反交連電路)。
需要有一高效率放大器，以補充足夠的能
量以維持振盪。
需要有一選擇振盪頻率的控制電路(可以採
用R-C，L-C或石英晶體)。
節目錄
4. 低頻振盪器
(1) 相移振盪器
場效電晶體式相移振盪器
節目錄
A.結構：採用三節RC相移網路，設計每
節相移60°，三節共相移180°，構
成正回授後再配合巴克豪生準則
即可振盪。
f 
f 
1
2 π 3R C
1
(領先型回授網路
，如圖11-6，較
常用型)
(落後型回授網路)
2π 6RC
B.公式
f 
(完全未考慮負載
效應，且滿足R1C1
=R2C2=R3C3=RC)
6
2 πR C
1
β
29
A v  29
節目錄
運算放大器組成的相移振盪器
A.結構：輸出經三節RC相移網路相移180°
以得到正回授。
f 
B.公式
1
2π 6RC
Av 
Rf
Ri
 29
節目錄
(2) 韋恩電橋振盪器
正回授：由R1、C1、R2、C2組成  產生振
盪，形成頻率調整。
節目錄
負回授：由R3、R4組成  決定回授電壓，
以穩定輸出訊號的振幅。
f 
1
2 π R 1 R 2 C 1C 2
若選擇R1=R2=R，C1=C2=C，則
公式
f 
R3
R4
β
1
2 πR C
 2  R 3 =2R 4
1
3
若 R1  R，
C1  C 2 時，f 
2
1
2 π R 1 R 2 C 1C 2
1
，β =
1+
C2
C1
領先-落後網路有一共振頻率fr，在共振
頻率時，其網路之相位移為0°，衰減率為
1
3
+
R1
，Av 
R2
。
節目錄
1
β
5. 高頻振盪器
(1) 基本組態
電路：由LC振盪電路組成。
優點：頻率選擇性高，廣泛應用在無線電
發射機與接收機中。
節目錄
公式
X 1  X 2  X 3 =0
gm 
X2
rd X 1
節目錄
(2) 哈特萊振盪器
場效電晶體式
節目錄
A.正回授：在儲能電路之線圈設一中間抽
頭，利用線圈來完成。
B.特點
電路簡單。
易產生振盪。
調節儲能電路中C，可改變頻率。
fo 
C.公式
gm 
β=
1
2 π L eq C
X2
rd X 1
X1
X1 +X 3

L
eq
 L1  L 2  2M 
L2
rd L 1
=　
X1
X2
=
ω L1
ωL 2
=
L1
L2
D. X L 與 X C 均為共軛阻抗，每節相移90°，
兩節即可達成180°的相移。
節目錄
運算放大器式
A.OPA提供了所需要的基本放大作用。
B.振盪頻率由LC回授網路決定。
fo 
C.公式
1
2 π L eq C
L eq  L 1  L 2  2M
β =
L1
L2
Av =
1
β
=
L2
L1
節目錄
(3) 考畢子振盪器
場效電晶體式
節目錄
A.正回授：將儲能電路之電容分成兩個，
利用電容來完成。
fo 
B.公式
1
2 π L C eq
(C eq 
gm 
C1  C 2
C1  C 2
X2
rd X 1

)
C1
rd C 2
1
β 
X1
X2
=
ω C1
1
=
C2
C1
ωC 2
節目錄
運算放大器式
節目錄
A.OPA提供了所需要的放大作用。
B.振盪頻率由LC回授網路決定。
C.由於C1、C2為可調，所以振盪頻率及回
授量的可調範圍較廣，其振盪較哈特萊
式安定。
fo 
D.公式
1
2 π LC eq
C eq 
β =
C1  C 2
C1  C 2
C2
C1
Av =
1
β
=
C1
C2
節目錄
(4) 克拉普振盪器
節目錄
電路：為考畢子振盪器的改良型。
CT 
公式
1
1

C1
fr
≒
1
C2
1
2π LC T

1
C3
Q
> 10 
假若 C3 遠小於 C1 及 C2 ，則共振頻率 fr 幾乎
完全由 C3 控制。
fr
≒
1
2π LC 3
節目錄
(5) 石英晶體振盪器
節目錄
壓電效應
對晶體表面施加機械應力時
，在晶體的兩對應面間會產
生電位差。
對晶體施加電壓時，則晶體
的表面會發生變形而產生機
械應力。
為一種機械能與電能的互換。
晶體的Q值很高，所以晶體的振盪頻率非
常穩定。
節目錄
符號及交流等效電路
A.晶體的等效電路為一串、並聯的RLC
網路，並且能夠操作於串聯共振或是
並聯共振。
節目錄
串聯共振與並聯共振
節目錄
A.串聯共振
(A)特性：感抗被容抗抵消，RS決定晶
體的阻抗，支路的阻抗最小
(等於RS)。
(B)公式： f S 
1
2π L S C S
B.並聯共振
(A)特性：整個電路的阻抗最大(等於QRS)
，RS、LS、CS串聯電路的感
抗等於並聯的容抗(Xcm)。
fP 
(B)公式
1
2π L S C eq
C eq 
CS  Cm
CS  Cm
節目錄
基本晶體振盪器
節目錄
節目錄
11-2
多諧振盪器
………………………………………………………………………….…
1. 定義： 將主動元件工作於非線性區域內，使兩
個放大元件交替工作於飽和與截止狀態，
使輸出造成嚴重的失真，致使輸出波形
中富含諧波，謂之為多諧振盪器。
2. 分類
無穩態多諧振盪器(astable multivibrator)
或稱為自激多諧振盪器(free-running
multivibrator)，此種振盪器不需外加
激發訊號，只要設計妥當，便可以提
供一連串的脈波輸出。
節目錄
單穩態多諧振盪器(monostable
multivibrator)或稱為單擊多諧振盪器
(one-shot multivibrator)，它只有在輸
入端每次接收到觸發脈波時，才產生
出一個單觸的矩形輸出脈波，其寬度
(脈波延續時間)的大小為電路元件(RC值)
的函數。
雙穩態多諧振盪器(bistable multivibrator)
或稱為正反器(flip-flop)，該電路有兩個穩
定狀態，若電路的輸入端獲得一外來觸發
訊號，將使整個工作狀態反轉，並維持在
此一狀態直至再獲得另一外來觸發訊號。
節目錄
3. 無穩態多諧振盪器
(1)555計時IC
結構：此IC是由線性比較器與數位正反器
組合而成。
2
比較器輸入端的參考位準設定在
V

3
1
及 V 。
CC
3
CC
節目錄
(2) 利用555計時IC所組成的無穩態多諧振盪器
節目錄
(續)
節目錄
T1 ≒ 0.7(R 1  R 2 )C
T 2 ≒ 0.7R 2 C
公式
T  T1  T 2
f 
1
T
≒
1.44
(R 1  2R 2 )C
工作週期 % 
T1
T1  T 2
 100%
節目錄
(3) 工作週期為50%之555計時IC無穩態多諧振
盪器。
節目錄
方法
公式
在圖11-28(a)中，使R2>> R1，即T2≒ T1。
如圖11-31所示。
T1 ≒ 0.7 R C
T 2≒ 0.7 R C
T = T1 + T 2
≒ 2  0.7 R C 
= 1.4 R C
節目錄
4. 單穩態多諧振盪器
節目錄
(續)
(1) 工作原理：當觸發輸入訊號為負向時，它就
觸發了單穩態電路而使接端的
輸出為高態。
(2) 輸出在高態停留的時段為TH=1.1RC
節目錄
5. 雙穩態多諧振盪器
節目錄
(1) 功能：它能在高態與低態中維持穩定，所以
可應用作記憶電路。
(2) 在數位邏輯中是正反器的基本電路。
(3) 圖11-34中，將第2腳（觸發腳）與第6腳（臨
界腳）接在一起當作輸入端，以改變輸出狀
態。
(4) Vo－Vi 轉移特性曲線類似於反相施密特觸發
器。
節目錄
11-3
施密特觸發器
………………………………………………………………………….…
1. 整形作用
節目錄
(1) 特性：參考電壓 VUT 與 VLT 兩點作比較，可使
電路避免於錯誤動作或交換過於頻繁。
(2) 功能：將一不規則雜波輸入，整型成為等幅
方波或矩形波輸出。
(3) OPA組成的電路動作較電晶體式快，電路也
比較簡單。
節目錄
2. 反相施密特觸發器
節目錄
(1) 遲滯現象：使輸入由小變大時，相對的參考
電壓有較大值，而輸入由大變小
時，參考電壓變為較小值。此兩
個高低之參考電壓VUT與VLT是由
圖11-36(a)所示之正回授(R1、R2
組成)而得。
VUT 
(2) 公式
V LT 
R2
R1  R 2
R2
R1  R 2





  V o  m ax   β   V o  m ax 

  V o  m ax   β    V o(m ax) 
其 中  V o  m ax    V sat
≒
 V C C ，  V o  m ax    V sat≒  V C C
V H Y S  V U T  V LT
(3) 轉換特性曲線在第Ⅱ、Ⅳ象限變化。
節目錄
(4) 施密特觸發器之遲滯作用
節目錄
(續)
節目錄
3. 反相施密特觸發器(附加參考電壓VREF，簡稱VR)
節目錄
(1) 特性
若VR > 0時，則 VUT 與 VLT 皆往右移
（表示 VUT 增加，│VLT│減少）。
若VR < 0時 ，則 VUT 與 VLT 皆往左移
（表示 VUT 減少，│VLT│增加）。
若VR = 0時，則 VUT 與 VLT 正壓、負
壓左右對稱。
VU T =
(2) 公式
V LT =
+ V o  m ax  R 2 + V R R 1
R 1 +R 2
 Vo  m ax  R 2 +V R R 1
R 1 +R 2
R2
V H Y S =V U T  V LT    Vo(m ax)    Vo(m ax)   

 R R
1
2
(3) VHYS的值不隨參考電壓VR而改變。
節目錄
4. 同相施密特觸發器
節目錄
(1) 公式
V U T   VC C 
R2
V LT   V C C 
R2
R1
R1
= + VC C  β
=  VC C  β
V H Y S  V U T  V LT
(2) 特性
當Vi為正壓且Vi > VUT時，Vo = +Vo(max)
≒+VCC，特性曲線在第一象限變化。
當Vi為負壓且Vi < VLT時，Vo =－Vo(max)
≒－VCC，特性曲線在第三象限變化。
節目錄
5. 用相施密特觸發器（附加參考電壓VREF，簡稱VR）
(1) 公式
VU T = VR 
R 1 +R 2
V LT = V R 
R 1 +R 2
R1
R1
+ β  Vsat
 β  Vsat
V H Y S = V U T  V LT = 2V sat 
(2) 特性
R2
R1
 2 V sat  β
Vi  V U T 時 ， Vo = + Vsat
Vi  V U T 時 ， V o =  Vsat
節目錄
方波產生電路
11-4
………………………………………………………………………….…
1. 電路：將反相施密特觸發電路應用於當方波
產生器。
2. 於電容器 C 的兩端可得到鋸齒波，輸出端則
為方波（V1為Vo之分壓，V1亦為方波）。
3. V1（V+）與VC（V－）同電位失效。
節目錄
節目錄
4. 如同無穩態多諧振盪器，產生自激振盪。
t 1  R C ln (1  β )
t 2  R C ln (
1
1 β
)
T1  t 1  t 2  R C ln (1 
5. 公式
2R 2
)
R1
若 T 2  T1 ， 為 對 稱 方 波 波 形
T  T1  T 2  2 R C ln (1 
f 
1
)
R1
1

T
2R 2
2 R C ln (1 
2R 2
)
R1
6. Vo為方波（在 ±VCC = ±Vsat 之範圍），VC
為鋸齒波（受限於VUT與VLT之範圍）。
7. 正回授量
β
R2
R 1 +R 2
節目錄
11-5
三角波產生電路
………………………………………………………………………….…
節目錄
1. 圖11-50中，由同相施密特觸發器的Vo1提供±Vsat變
化的方波當為積分器的輸入，積分器因此產
生反相直線的三角波輸出。
R
決定正回授  值
2. R1與R2功能
VU T 
V LT 
2
R1
R2
R1
   VC C 
   VC C 
決定Vo2三角波的振幅
3. R與C功能：決定週期和頻率。
4. 公式
T = T1 + T 2 = 4 t 1 = 4R C 
f 
1
T

R2
= 4R C  β
R1
1
4RC  β
5. Vo1為方波(在±Vsat之範圍)，Vo2為三角波
(在VUT與VLT之範圍)。
節目錄
節目錄