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將555計時器當作振盪器使用

振盪器. 16-1. 將555計時器當作振盪器使用. 16-6. 回授振盪器. 16-2. RC 回授電路振盪器. 16-3. LC 回授電路振盪器. 16-4. 弛緩振盪器. 16-5. 16-1 　振盪器. 是一個只需要輸入直流電源電壓，就能在輸出端產生週期性波形的電路。除了在某些應用電路需要施加同步的振盪信號，它並不需要輸入週期信號。. 圖 16-1 　基本振盪器顯示三個常見的輸出波形： 正弦波、方波和鋸齒波。. 回授振盪器 (Feedback Oscillators)

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將555計時器當作振盪器使用

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  1. 振盪器 16-1 將555計時器當作振盪器使用 16-6 回授振盪器 16-2 RC回授電路振盪器 16-3 LC回授電路振盪器 16-4 弛緩振盪器 16-5

  2. 16-1　振盪器 • 是一個只需要輸入直流電源電壓，就能在輸出端產生週期性波形的電路。除了在某些應用電路需要施加同步的振盪信號，它並不需要輸入週期信號。 圖16-1　基本振盪器顯示三個常見的輸出波形： 正弦波、方波和鋸齒波。

  3. 回授振盪器 (Feedback Oscillators) • 它將輸出信號的一部分，在沒有淨相移的情況下，回授到輸入端，以便增強輸出信號。在振盪開始之後，為了保持振盪狀態，迴路增益維持在1.0。回授振盪器是由具有增益效果的放大器 (可以是個別的電晶體或運算放大器) ，和產生相移(phase shift)以及提供衰減(attenuation)的正回授電路所組成。

  4. 弛緩振盪器 (Relaxation Oscillators) • 振盪器的第二種類型為弛緩振盪器使用RC計時電路(RC timing circuit) 取代回授來產生波形，產生的波形通常是方波或其它非正弦波的波形。弛緩振盪器會使用史密特觸發電路或其它裝置，這類電路透過一個電阻，交替地對電容進行充電和放電。弛緩振盪器將於第16-5節中進行討論。

  5. 圖16-2　回授振盪器的基本元件。

  6. 16-2　回授振盪器 • 正回授 (Positive Feedback) • 特徵為放大器的部分輸出電壓，在沒有淨相移的條件下，同相地回授到輸入端，使輸出信號產生增強的作用。 圖16-3　正回授產生振盪現象。

  7. 振盪條件 (Conditions for Oscillation) 圖16-4　維持振盪的一般條件。

  8. 1.回授迴路的相移實質上必須為0°。 2.封閉回授迴路的電壓增益 (迴路增益) 必須等於 1 (單位增益) 。 電壓增益Acl，放大器增益Av和回授電路衰減率B。

  9. 啟動的條件 (Start-Up Conditions) 圖16-5　當振盪在時開始進行，Acl >1的條件使正弦波輸出 電壓的振幅增長到所需要的位準。然後Acl減少到1，並使 輸出維持此振幅。

  10. 16-3RC回授電路振盪器 • 韋恩電橋振盪器 (Wien-bridge oscillator) • 是正弦波回授振盪器中的一種，基本部分是領前─滯後電路 (lead-lag circuit)。 圖16-6　領前─滯後電路與它的頻率響應曲線。

  11. 基本電路 (The Basic Circuit) 圖16-7　以兩個不同但等效的電路圖表示韋恩電橋振盪器。

  12. 振盪的正回授條件 (Positive Feedback Conditions for Oscillation) 圖16-8　維持振盪所需的條件。

  13. 啟動條件 (Start-Up Conditions) 圖16-9　啟動和維持振盪的條件。

  14. 圖16-10　使用兩個背靠背齊納二極體的自發式韋恩電橋振盪器。圖16-10　使用兩個背靠背齊納二極體的自發式韋恩電橋振盪器。

  15. 圖16-11　在負回授迴路中使用接面場效電晶體的圖16-11　在負回授迴路中使用接面場效電晶體的 自發式韋恩電橋振盪器。

  16. 例題　16-1 • 試求圖16-12中韋恩電橋振盪器的頻率。同樣地，當振盪穩定時，假設接面場效電晶體內部的汲極-源極電阻r'ds為500，試計算Rf值。 圖16-12

  17. 例題　16-1 • 解 • 在領前─滯後電路中R1＝ R2＝ R＝10 kΩ且C1＝ C2＝C＝ 0.01 F。所以諧振頻率為 • 閉環路增益必須為3.0以維持振盪現象。對反相放大器而言，其增益的表示式和非反相放大器一樣。

  18. 例題　16-1 • 解 • Ri由R3(源極電阻) 和r'ds所組成。代入後， • 重新整理並解出Rf，

  19. 相移振盪器 (The Phase-Shift Oscillator) 圖16-13　相移振盪器。

  20. 例題　16-2 (a)在圖16-14電路中，試求讓電路的操作方式像振盪器所需的Rf值。 (b)試求振盪頻率。 圖16-14

  21. 例題　16-2 • 解 • (a) Acl＝ 29，且B＝1/29＝ R3 /Rf。所以， • (b) R1＝ R2＝ R3＝R和C1＝ C2＝C3＝C。因此，

  22. 雙T振盪器 (Twin-T Oscillator) 圖16-15　雙T振盪器和雙T濾波器的頻率響應。

  23. 16-4LC回授電路振盪器 • 一般而言適合頻率可高至1 MHz左右的應用電路，但是回授元件通常可以使用於振盪器需要更高振盪頻率的情況。 • 因為大部分運算放大器的頻率限制 (較低的單位增益頻率) ，所以通常會使用個別的電晶體 (雙極接面電晶體或是場效電晶體) 當作振盪器中的增益元件。

  24. 考畢子振盪器 (The Colpitts Oscillator) 圖16-16　使用BJT當作增益元件的 基本考畢子振盪器。

  25. 振盪和啟動條件 (Conditions for Oscillation and Start-Up) 圖16-17　諧振電路的衰減率 等於諧振電路的輸出 (Vf ) 除 以諧振電路的輸入(Vout)。 B＝ Vf/ Vout＝C2/ C1。 為使AvB>1，Av必須大於 C2/ C1。

  26. 回授電路的負載對振盪頻率的影響 (Loading of the Feedback Circuit Affects the Frequency of Oscillation) 圖16-18　放大器的Zin對回授電路 形成負載效應，並降低其Q值，進 而降低了諧振頻率。

  27. 基本FET考畢子振盪器 圖16-19

  28. 圖16-20　振盪器的負載效應。

  29. 例題　16-3 (a)試求圖16-21中振盪器的頻率。假設回授電路的負載效應很小，因此可以忽略，而且Q大於10。 (b)如果振盪器的負載效應使Q值下降到8，試求此時的振盪頻率。

  30. 例題　16-3 圖16-21

  31. 例題　16-3 • 解 • (a) • (b)

  32. 克拉普振盪器 (The Clapp Oscillator)

  33. 圖16-22　基本克拉普振盪器。 圖16-23　基本哈特萊振盪器。

  34. 哈特萊振盪器 (The Hartley Oscillator)

  35. 阿姆斯壯振盪器 (The Armstrong Oscillator) 圖16-24　基本阿姆斯壯振盪器。

  36. 晶體控制振盪器 (Crystal-Controlled Oscillators) • 壓電效應 (The Piezoelectric Effect) • 石英是一種自然界中天然形成的結晶物質，具有一種稱為壓電效應 (Piezoelectric effect) 的特性。當晶體受到變動機械應力的影響而發生振動，因此產生電壓的頻率等於此機械振動的頻率。相反地，當晶體兩端施加交流電壓，它會在該輸入電壓的頻率下振動。

  37. 圖16-25　石英晶體。

  38. 晶體的振盪模式 (Modes of Oscillation in the Crystal) 圖16-26　基本晶體振盪器。

  39. 16-5　弛緩振盪器 • 三角波振盪器 (A Triangular-Wave Oscillator) 圖16-27　基本三角波振盪器。

  40. 實際的三角波振盪器 (A Practical Triangular-Wave Oscillator) 圖16-28　使用兩個運算放大器的三角波振盪器。

  41. 圖16-29　圖16-28電路的輸出波形。

  42. 例題　16-4 • 試求圖16-30中電路的振盪頻率。R1值必須為多少才能使輸出頻率成為20 kHz？ 圖16-30

  43. 例題　16-4 • 解 • 要使f＝20 kHz，

  44. 電壓控制的鋸齒波振盪器 ( A Sawtooth Voltage-Controlled Oscillator, VCO) 圖16-31　電壓控制鋸齒波振盪器的工作原理。

  45. 例題　16-5 (a)試求圖16-32中鋸齒波輸出電壓的振幅和頻率。假設PUT順向電壓VF約等於1 V。 (b)試繪出其輸出波形。

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