开关电容电路构成的正弦振荡器电路图详解

信息来源: 时间:2021-3-19

开关电容电路构成的正弦振荡器电路图详解

1、开关电容正弦振荡器

由双二阶开关电容电路(图5.3-12c)构成的正弦振荡器如图6.2-3所示。图中运放A1、A2与电容CA、CB、CC、CD、CE和CH等组成稳定的高Q双二阶开关电容电路。若节点N1上是一方波信号,则由于双二阶电路的滤波作用,在A1或A2输出端得到正弦信号。运放image.png和开关电容image.png构成正反馈通路,使电路产生振荡。为说明其振荡原理,将运放A3输出端与节点N1新开。这时若在节点N1端加上一信号源电压,此电压与运放A1输出端V1电压相位相同,V1电压再经运放A2(比较器)同相放大,在其输出端为限幅的方波电压,此电压远大于N1节点上的输入信号源电压,故正反馈的环路增益大于1。因此,N1节点与A3输出端相连后,必定产生荡振,且N1节点上的电压是方波电压,其正、负电平为A3输出的限幅电平。设A3输出限幅电平是image.png,则N1节点上的电压是幅值为土image.png/的方波电压。开关电容正弦振荡器。下面来推导输出电压V1、V2的表示式。为了便于分析,将A3输出端与节点N1断开,并在节点N1上接入幅度为1的方波电压Vin图中的开关电容image.png分别用等效电阻image.png和T/Cc来表示。这样,由图6.2-3可以得到如下关系式:

开关电容正弦振荡器

开关电容正弦振荡器

由上式得二阶带通滤波器的传递函数

开关电容正弦振荡器

而标准形式的二阶带通传递函数为

image.png

令(6.2-6)式与(6.2-7)式相等,分别求得中心角频率ωo、Q以及ωo时的增益Ao

开关电容正弦振荡器

由傅里叶分析可知,电压幅度为image.png的方波,其基波的幅度为image.png。因此,在ωo时,运放A1输出电压V1可写为

开关电容正弦振荡器

由(6.2-5)式可以求得image.png的传递函数为

开关电容正弦振荡器

上式是二阶低通滤波器的传递函数,其极点频率ωo、Q值表示式与(6.2-8)式相同。在ωo时,运放A2输出电压V2表示为

开关电容正弦振荡器

运放image.png输出端与节点N1相连后,由于构成正反馈回路,在节点N1上得到幅值为土image.png的方波电压,此电压经高Q带通、低通滤波后,在A1输出端和A2输出端分别得到频率为ωo的正弦信号,其幅值大小由(6.2-9)式和(6.2-11)式表示。下面讨论V1、V2电压的谐波分量。

由(6.2-6)式和(6.2-10)式可求得,V1和V2在谐波频率为nωo时的表示式:

开关电容正弦振荡器

(6.2-12)式与(6.2-9)式、(6.2-13)式与(6.2-11)式相比,n次谐波输出电压与基波输出电压之间关系为

开关电容正弦振荡器

由(6.2-14)式和(6.2-15)式可知,V2输出电压谐波分量是V1输出电压谐波分量的1/n倍,因而正弦信号的输出端为V2。对于三次谐波分量,在Q=10的条件下,V1输出电压的谐波分量为-39分贝,而V2输出电压的谐波分量为-48.6分贝。

2、开关电容正弦振荡器的改进形式

以上讨论了图6.2-3电路的工作原理,分析其正弦信号的输出幅度、频率和谐波分量。(6.2-8~11)式提供了该电路的设计公式。由(6.2-9)和(6.2-11)式可知,正弦信号的输出幅度取决于运放A3的输出限幅电平image.png。为获得稳定的输出幅值,image.png可由基准电压来代替。此外,图6.2-3电路往往由于运放电压失调等原因,出现停振现象,为克服这一缺点,引入保证起振的非限幅正反馈回路。经过上述改进后,其电路形式如图6.2-4所示。电路刚开始工作时,场效应管M1截止,C3与C3串联构成正反馈通路,以保证电路起振。若起振,运放A3将A1的输出电压V1进行限幅,使其成为方波,此电压经过反相器,分别得到image.png和信号。image.pngimage.png与二极管连接的增强型NMOS管M2、M3、M4和M5组成全波整流电路,将正电荷馈入M1栅极对地的寄生电容,使M1导通,切断image.png的正反馈通路。由image.png的作用,又通过直流参考电压image.png、电容CH和输入电路开关,形成另一正反馈通路。电路振荡期间,image.png与V1同相,与V1反相。对于V1>0,image.png(高电乎),电容CH 显反相连接方式,若image.png,CH在每个时钟周期间隔向电容image.png馈送负电荷image.png。使V1进一步升高。同样,对于V1<0,image.png,CH呈同相连接方式,CH将向image.png馈送正电荷image.png,使V1进一步下降。显然,它是一个正反馈回路。此外,image.png为负反馈回路,以限制振荡幅度。取样保持电路M6、C1为正反馈回路提供一个时钟周期的延时,以防止寄生振荡。由于image.png采用基准电压,图6.2-4电路的输出信号幅值将十分稳定。以上分析可知,它与图6.2-3电路的工作原理没有什么区别。对于图6.23-3电路的各种关系式((6.2-6)~(6.2-15)式)同样适用于图6.2-4电路。

如果image.png中含有调制信号,那么图6.2-4振荡电路也能产生调幅正弦波。若改变图中的image.png值,即可控制振荡频率,以实现频移键控(FSK)和可编程频率振荡等。

开关电容正弦振荡器

联系方式:邹先生

联系电话:0755-83888366-8022

手机:18123972950

QQ:2880195519

联系地址:深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1

请搜微信公众号:“KIA半导体”或扫一扫下图“关注”官方微信公众号

请“关注”官方微信公众号:提供  MOS管  技术帮助

推荐文章