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=== 第十一章 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 11-6 555 計時器振盪電路

第 11 章 基本振盪電路

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11-1 正弦波產生電路

振盪器（ oscillator ）（又稱為波形產生電路）的功 能是將電路中的直流信號轉換為交流信號，如正弦 波、方波、脈波、三角波、鋸齒掃描波及階梯波等 ，如圖 11-1 所示。因為實際應用以正弦波、方波 、脈波及三角波的應用最多，所以本章節將探討此 類波形產生電路，至於其他波形，則請參閱相關書 籍說明。

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

圖 11-5 為回授網路採 RC 回授式的韋恩電橋振盪 器（ Wien-bridge oscillator ），由回授網路，即頻率 選擇網路（ frequency-selective network ），利用基 本電學之分壓定理，可得回授因數：

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

採 RC 回授式網路的韋恩電橋振盪電路與相移振盪 電路，因電阻會消耗能量，所以最高振盪頻率大約 在數百 kHz 左右，為得到更高之振盪頻率，則回授 網路應改用 LC 回授式，如考畢子振盪電路與哈特 萊振盪電路。

11-1 正弦波產生電路

　 ₁ 考畢子振盪電路

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

　 ₂ 哈特萊振盪電路

11-1 正弦波產生電路

11-1 正弦波產生電路

LC 回授式的高頻振盪電路常因電感、電容元件特 性的改變，造成振盪頻率不穩定，而目前能提供最 穩定與最高精準度的振盪元件為石英晶體振盪器， 其結構符號、振盪原理及特性說明如下：

11-1 正弦波產生電路

石英晶體（簡稱晶體）基本上為二氧化矽的結晶體 ，若將一塊切割好的石英晶體（外觀像是一片很薄 的玻璃片）兩邊塗上導電銀薄膜並各銲上一根導線 ，再加以金屬外殼封裝，即構成石英晶體振盪器， 如圖 11-9 分別為石英晶體封裝後之外觀、內部物 理結構及電路符號。 　 ₁ 石英晶體振盪器的物理結構與電路符號 1

11-1 正弦波產生電路

石英晶體的振盪原理是，利用壓電效應 （ piezoelectric effect ），使晶體產生共振現象。當 在石英晶體的兩端加上電場時，晶體會產生機械變 形，相反地，若在石英晶體的兩端施以壓力時，晶 體則會在其對應方向產生電場，這種物理現象稱為 壓電效應，如圖 11-10 所示。 　 ₂ 石英晶體的壓電效應 2

11-1 正弦波產生電路

利用石英晶體的壓電效應，在晶體的兩端加上交流 電壓時，晶體即會產生機械振動，同時晶體的振動 又會產生交變的電壓，當外加交流電壓頻率與晶體 機械共振頻率相同時，即產生壓電共振特性，此時 機械的振動與交流電壓幅度都會達到最大，這種現 象稱為壓電諧振，其與基本電學所學的 LC 諧振現 象非常相似。石英晶體的諧振頻率與晶體從石英結 晶塊切下來時的切割方式、方向、形狀及尺寸大小 皆有關。

11-1 正弦波產生電路

圖 11-11(a) 為石英晶體的等效電路，其中： 1. 並聯電容 C_p 為晶體不振動時之等效平板電容值 ，其值約為數 pF ～數十 pF 。 2. 電阻 R 等效於晶體振動時，因摩擦而造成的損耗 ，其值約為 100 。 3. 電感 L 等效於晶體振動慣性，其值約為數十 mH ～數百 mH 。 　 ₃ 石英晶體的等效電路與振盪頻率 3

11-1 正弦波產生電路

4. 串聯電容 C_s 等效於晶體振動彈性，其值約為 0.0002pF ～ 0.1pF 。

11-1 正弦波產生電路

圖 11-12(a) 為基本石英晶體振盪電路，電路中的電 容 C 可微調輸出振盪頻率。若將考畢子振盪電路內 的電感改用諧振時具有電感性的石英晶體，稱為皮 耳斯（ Pierce ）振盪電路，如圖 11-12(b) 所示。實 用的石英晶體振盪電路，其振盪頻率主要與晶體的 諧振頻率有關，與外接的電路元件無關。 　 ₄ 石英晶體振盪電路的應用 4

11-1 正弦波產生電路

11-2 多諧振盪器

多諧振盪電路（ multivibrator ）可產生方波信號與 脈波信號，此類信號常應用於控制電路中。 多諧振盪器屬於弛張振盪器（ relaxation oscillator ） ，其振盪原理是利用電容充放電的特性，改變輸出 （ Hi ， Lo ）狀態，此與正弦波振盪電路利用諧振 原理產生振盪的方式不同。

11-2 多諧振盪器

多諧振盪器依功能區分，可分為三類： 1. 雙穩態多諧振盪器（ bistable multivibrator ）：此 種振盪器具有兩個穩定的輸出狀態，即 Hi 狀態或 Lo 狀態。若欲改變原來狀態至另一狀態時，需要 輸入觸發信號，且改變狀態後不會自動回復原狀態 ，具有記憶性，除非再加入另一觸發信號才會再改 變狀態，其功能可應用於正反器或記憶性電路。 2. 無（不、非）穩態多諧振盪器（ astable multivibrator ）：此種振盪器不需要輸入任何觸發信 號，即能自發振盪出週期性的方波信號，其功能可 應用於時脈（ clock ）產生電路。

11-2 多諧振盪器

3. 單穩態多諧振盪器（ monostable multivibrator ） ：此種振盪器在加入觸發信號後，可改變原狀態至 另一暫時狀態，且經過一段時間後，會自動回復到 未觸發前之原狀態，其功能可產生脈波信號應用於 定時控制電路。

11-2 多諧振盪器

11-2 多諧振盪器

11-3 施密特觸發器

在第 10 章運算放大器的討論中，我們已瞭解運算 放大器在未接負回授網路時，其功能為比較器特性 ，即：

11-3 施密特觸發器

相較於一般比較器的比較參考電壓只有一個狀態值 ，本小節將介紹的施密特觸發器屬於進階比較器應 用電路，其比較參考電壓有兩個狀態電壓值，分別 由輸出的正負飽和值電壓經正回授網路產生。 輸出經由回授網路接至非反相輸入端即為正回授 網路。 施密特觸發器依輸入信號端的不同，可分為反相施 密特觸發器與非反相施密特觸發器，分述如下。

11-3 施密特觸發器

綜合以上分析比較，可知上臨界電壓與下臨界電壓 為對稱相等（即 V_UT = −V_LT ），其完整電路及輸入 －輸出轉移特性曲線，如圖 11-18(c) 所示。因為反 相施密特觸發器之轉移特性曲線為封閉性的遲滯效 應（ hysteresis effect ），所以稱為遲滯曲線，且曲 線變化方向為順時針旋轉，其中 V_H 定義為遲滯電 壓又稱遲滯寬度，其值為：

11-3 施密特觸發器

當輸入 V_s 為一弦波信號或其他非方波信號時，若 輸入信號電壓大小可超過上或下臨界電壓（ V_UT 或 V_LT ）時，其輸出信號為方波，故施密特觸發器又稱 波形整形電路，其功能特性可應用於方波產生電路 。

11-3 施密特觸發器

11-3 施密特觸發器

若將反相施密特觸發器之正回授接地端與 OPA 反 相輸入信號端互換，即形成非反相施密特觸發器， 如圖 11-19(a) 、 (b) 所示，其工作原理說明如下：

11-3 施密特觸發器

其上臨界電壓： 圖 11-20(b) 為輸出負飽和時，其等效電路與輸入－ 輸出轉移特性曲線。 綜合以上分析比較，可知上臨界電壓與下臨界電壓 為對稱相等（即 V_UT = −V_LT ），其完整電路及輸入 －輸出轉移特性曲線如圖 11-20(c) 所示。非反相施 密特觸發器之轉移特性曲線，其遲滯曲線變化方向 為逆時針旋轉。

11-3 施密特觸發器

11-3 施密特觸發器

若將反相施密特觸發器中的正回授接地端，改接一 個偏壓 V_R 時，即為加偏壓之反相施密特觸發器，如 圖 11-21(a) 所示，其工作原理說明如下： 　 ₁ 加偏壓之反相施密特觸發器 1

11-3 施密特觸發器

11-3 施密特觸發器

若將非反相施密特觸發器中的 OPA 反相輸入端接 地，改接一個偏壓 V_R 時，即成為加偏壓之非反相 施密特觸發器，如圖 11-22(a) 所示，其工作原理說 明如下： 　 ₂ 加偏壓之非反相施密特觸發器 2

11-3 施密特觸發器

11-4 方波產生電路

在 11-2 小節裡已介紹過可產生方波（無穩態）和 脈波（單穩態）之電晶體多諧振盪電路，本小節將 探討應用 OPA 施密特觸發振盪之方波產生電路與 脈波產生電路。 圖 11-23(a) 為利用 OPA 施密特觸發振盪之方波產 生電路（無穩態多諧振盪電路），圖中輸出信號藉 由充放電迴路，回授至反相施密特觸發電路的輸入 端，進而改變輸出狀態。圖 11-23(b) 為電容電壓 V_C 對應輸出電壓 V_o 之波形圖，其工作原理說明如下：

11-4 方波產生電路

11-4 方波產生電路

將 OPA 方波產生電路之電容並接一個二極體，而且 在 OPA 非反相輸入端並接上一個可以觸發接地信號 的開關 SW ，即形成 OPA 脈波產生電路，如圖 11-24(a) 所示，圖 11-24(b) 為其電容電壓 V_C 對應輸出 電壓 V_o 之波形，工作原理說明如下：

11-4 方波產生電路

11-5 三角波產生電路

應用非反相施密特觸發器結合積分器產生之三角波 產生電路，簡稱為施密特－積分三角波產生電路， 如圖 11-25(a) 所示。圖 11-25(b) 為 V_o1 對應 V_o2 之 波形，工作原理說明如下：

11-5 三角波產生電路

11-5 三角波產生電路

圖 11-26 為加上雙向稽納截波電路作為限幅之施密 特－積分三角波產生電路，其中電阻 R_x 為稽納導通 時之輸出限流電阻，其振盪週期同一般施密特－積 分三角波產生電路，唯一不同的是輸出振幅改變為 ：

11-5 三角波產生電路

11-6 555 計時器振盪電路

編號 555 的 IC 是一顆可用於計時／計數的通用 IC ，它常應用於產生方波與脈波信號，其內部構造如 圖 11-27 所示，其組成元件的功能分別為：

11-6 555 計時器振盪電路

555 IC 的各接腳功能分別為： 1. 接地（ ground, GND ）腳。 2. 觸發（ trigger, TR ）信號輸入腳，即下比較器反相 輸入腳。 3. 輸出（ output, OUT ）腳，可輸出 Hi = V_CC 或 Lo = 0V 。 4. 重置（ reset, RST ）電路腳，使輸出為 0V 。

11-6 555 計時器振盪電路

5. 控制電壓（ control voltage, CV ）輸入腳，可改變 上、下比較器之參考電位 V_UT 、 V_LT ，進而改變輸 出振盪頻率，達到電壓控制振盪的功能。 6. 臨界（ threshold, TH ）信號輸入腳，即上比較器 之非反相輸入腳。 7. 放電（ discharge, DIS ）迴路輸入腳。 8. 電源（ V_CC ）腳，一般 V_CC 操作電壓約 5V ～ 15V 。

11-6 555 計時器振盪電路

圖 11-28(a) 係利用 555 計時器作為施密特觸發電路 的接線圖，其中將臨界腳與觸發腳接在一起當作輸 入信號端，以改變輸出 Hi 、 Lo 狀態，而接在控制 電壓腳上的電容稱為反交連電容，其功能為濾除電 源雜訊對參考電位 V_UT 及 V_LT 的影響，其值一般為 0.01 µF 。

11-6 555 計時器振盪電路

整理上述說明，可得圖 11-29(a) 、 (b) 所示之真值 表與輸入 - 輸出轉移特性曲線，其轉移特性曲線類 似反相施密特觸發電路。

11-6 555 計時器振盪電路

11-6 555 計時器振盪電路

11-6 555 計時器振盪電路

11-6 555 計時器振盪電路

圖 11-32(a) 為 555 計時器作為脈波產生電路的接線 圖，圖 11-32(b) 為簡化電路，圖 11-32(c) 為電容電 壓 V_C 對應輸出電壓 V_o 之波形，由圖分析其動作原 理如下：

11-6 555 計時器振盪電路