篇6章正弦波發(fā)生電路新

1、第六章第六章 正弦波發(fā)生電路正弦波發(fā)生電路 2.6.1 產(chǎn)生正弦振蕩的條件產(chǎn)生正弦振蕩的條件 在在負(fù)反饋放大電路負(fù)反饋放大電路中，由于中，由于 附加相移的存在，在附加相移的存在，在通帶以通帶以 外外若形成正反饋，則可能引若形成正反饋，則可能引 起自激振蕩。起自激振蕩。 在在正弦振蕩電路正弦振蕩電路中，為得到中，為得到頻率頻率 一定一定、且、且幅值穩(wěn)定幅值穩(wěn)定的正弦波振蕩，的正弦波振蕩， 在在通帶內(nèi)通帶內(nèi)就要引入正反饋。就要引入正反饋。產(chǎn)生產(chǎn)生 穩(wěn)定振蕩的條件穩(wěn)定振蕩的條件: 0 . s X + iX . oX . fX . . A . F - + 自激振蕩的條件自激振蕩的條件: 1 . FA即

2、即 . fi XX 1 . FA 兩者其實是一致的，都是要求反饋信號能作為輸入信號。兩者其實是一致的，都是要求反饋信號能作為輸入信號。 . fi XX . FAXX i f 因為因為 所以所以 1 . FA 波形發(fā)生電路所產(chǎn)生的自激振蕩與負(fù)反饋放大電路所產(chǎn)生的自波形發(fā)生電路所產(chǎn)生的自激振蕩與負(fù)反饋放大電路所產(chǎn)生的自 激振蕩有什么不同？激振蕩有什么不同？ 這是兩種不同接法下，對振蕩條件的不同表示形式，其實質(zhì)都這是兩種不同接法下，對振蕩條件的不同表示形式，其實質(zhì)都 是要求凈輸入信號環(huán)繞一周后所得的信號應(yīng)與是要求凈輸入信號環(huán)繞一周后所得的信號應(yīng)與 完全相同，即完全相同，即 不僅相位相同，幅值也相等。

3、不僅相位相同，幅值也相等。 負(fù)反饋放大電路要求在通帶內(nèi)接成負(fù)反饋，負(fù)反饋放大電路要求在通帶內(nèi)接成負(fù)反饋， ，但在，但在 通帶外，由于附加相移的存在，就可能轉(zhuǎn)換為正反饋，對滿通帶外，由于附加相移的存在，就可能轉(zhuǎn)換為正反饋，對滿 足足 ， 條件的頻率點將產(chǎn)生自激振蕩。條件的頻率點將產(chǎn)生自激振蕩。 fsiXXX . 1 . FA 180 AF 在自激時，在自激時， ，所以要求，所以要求 ，從而得出產(chǎn)，從而得出產(chǎn) 生自激振蕩的條件為生自激振蕩的條件為 （ ），用于強(qiáng)調(diào)負(fù)），用于強(qiáng)調(diào)負(fù) 反饋轉(zhuǎn)變?yōu)檎答伈l(fā)生自激振蕩的條件。反饋轉(zhuǎn)變?yōu)檎答伈l(fā)生自激振蕩的條件。 0 . s X . ii fXFAXX

4、1 。 FA . fi XX . i X 0 . s X + iX . oX . fX . . A . F - + 波形發(fā)生電路為了產(chǎn)生所要求的波形，在通帶內(nèi)就接成正反饋，波形發(fā)生電路為了產(chǎn)生所要求的波形，在通帶內(nèi)就接成正反饋， ，為了產(chǎn)生自激，在為了產(chǎn)生自激，在 時，要求時，要求 所以自激條件為所以自激條件為 （ ）?？梢娺@是兩種不同接法下，）?？梢娺@是兩種不同接法下， 對振蕩條件的不同表示形式，其實質(zhì)都是要求凈輸入信號環(huán)繞對振蕩條件的不同表示形式，其實質(zhì)都是要求凈輸入信號環(huán)繞A A 和和F F電路一周后所得的信號應(yīng)與電路一周后所得的信號應(yīng)與 完全相同，即不僅相位相同，完全相同，即不僅相位相

5、同， 幅值也相等。幅值也相等。 負(fù)反饋放大電路中的自激是要防止的，要采取措施破壞自激條件；負(fù)反饋放大電路中的自激是要防止的，要采取措施破壞自激條件； 波形發(fā)生電路中的自激則是需要維持的，所以要在電路的組成上波形發(fā)生電路中的自激則是需要維持的，所以要在電路的組成上 和元件的選用上加以保證。和元件的選用上加以保證。 fsiXXX . 0 . s X . ii fXFAXX 1 。 FA . fi XX . i X 接成接成正反饋正反饋是放大電路構(gòu)成是放大電路構(gòu)成 振蕩器的首要條件。同時，振蕩器的首要條件。同時， 為了在無輸入信號下能為了在無輸入信號下能引起引起 自激自激，反饋電路的，反饋電路的環(huán)路

6、增益環(huán)路增益 應(yīng)大于應(yīng)大于1。 1|FA 產(chǎn)生振蕩的條件：產(chǎn)生振蕩的條件： n FAAF 2 幅值條件幅值條件 相位條件相位條件 1 . FA 穩(wěn)定振蕩的條件：穩(wěn)定振蕩的條件： 1|FA n FAAF 2 幅值條件幅值條件 相位條件相位條件 采取兩個措施：采取兩個措施： 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 使環(huán)路增益隨振蕩幅度的增大而自動使環(huán)路增益隨振蕩幅度的增大而自動 下降，并最終達(dá)到下降，并最終達(dá)到 （振蕩平衡（振蕩平衡 條件）的穩(wěn)定狀態(tài)。條件）的穩(wěn)定狀態(tài)。 1|FA 讓兩個振蕩條件只在某一特定頻讓兩個振蕩條件只在某一特定頻 率率 下滿足，而在其它頻率下滿足，而在其它頻率 下至少有一個不滿

7、足。選頻網(wǎng)絡(luò)下至少有一個不滿足。選頻網(wǎng)絡(luò) 可以包含在基本放大器中，也可可以包含在基本放大器中，也可 以設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)中。以設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)中。 0 ff 為了得到良好的正弦波形，要解決兩個問題：為了得到良好的正弦波形，要解決兩個問題： 產(chǎn)生唯一的頻率產(chǎn)生唯一的頻率 輸出無非線性失真輸出無非線性失真 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)為同相輸入的比例運算負(fù)反饋放大電路，為同相輸入的比例運算負(fù)反饋放大電路， 其中其中 為非線性元件，起穩(wěn)幅作用。為非線性元件，起穩(wěn)幅作用。 2 R 1 2 1 R R V V A i o v RC串并聯(lián)電路串并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋，同時又起選頻作用。構(gòu)成正反饋，同時又起選頻作用。 2.6.2

8、 RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 正反饋正反饋 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié) RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 0 A 1 11 1 11 11 Cj CRj Cj RZ 22 2 2 22 1 1 / CRj R Cj RZ 21 2 )( )( ZZ Z V V F o f 通常，通常，R1R2R C1C2C 3 1 1 1 1 1 21 2 )( RCj RCjRCj R Cj RCj RCj R ZZ Z F RC串并聯(lián)電路的頻率特性串并聯(lián)電路的頻率特性 令令 ，則，則 RC 1 0 0 0 )( 3 1 j F 1 Z 2 Z 0 0 )( 3 1 j F 幅頻特性表達(dá)式：幅頻特性表

9、達(dá)式： 相頻特性表達(dá)式：相頻特性表達(dá)式： 2 0 0 2 )( 3 1 | F 3 arctan 0 0 )( F 可以畫出頻率特性：可以畫出頻率特性： 當(dāng)當(dāng) 01/RC時，時， , ，滿足自激振蕩的相位條，滿足自激振蕩的相位條 件。所以只有在此時才能產(chǎn)生單一頻率的振蕩。件。所以只有在此時才能產(chǎn)生單一頻率的振蕩。 當(dāng)當(dāng) 0時，時，正反饋最強(qiáng)正反饋最強(qiáng)， 所以只有當(dāng)放大環(huán)節(jié)所以只有當(dāng)放大環(huán)節(jié)Af3時才能滿足振蕩的幅度條件。時才能滿足振蕩的幅度條件。 RC f 2 1 0 3/1| )( F 令令 ，則，則 RC 1 0 3/1 )( F 0 F 1|FA 而而 Af3 31 1 2 1 2 1

10、. R R R RR Af 1 2 2RR 自動穩(wěn)幅自動穩(wěn)幅 當(dāng)當(dāng)Af3時，電路就能起振。但一時，電路就能起振。但一 旦起振后。輸出幅度將不斷增大，旦起振后。輸出幅度將不斷增大， 并最終出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。因此需要并最終出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。因此需要 在放大器的負(fù)反饋支路中引入非線在放大器的負(fù)反饋支路中引入非線 性元件。性元件。 二極管二極管 場效應(yīng)管場效應(yīng)管 熱敏電阻熱敏電阻 當(dāng)輸出幅度增大時當(dāng)輸出幅度增大時 流過二極管的電流增大流過二極管的電流增大 二極管的動態(tài)電阻減小二極管的動態(tài)電阻減小 使使 減小減小, ,進(jìn)入穩(wěn)定振進(jìn)入穩(wěn)定振 蕩。蕩。 31 1 2 1 2 1 . R R R RR Af 起振

11、時起振時 . f A 熱敏電阻熱敏電阻 1 R 2 R 采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻 采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 1 2 1 2 1 . 1 R R R RR Af RC振蕩器中，因振蕩器中，因R的阻值和的阻值和C的電容量均不能的電容量均不能 取得很小，所以一般僅用來產(chǎn)生取得很小，所以一般僅用來產(chǎn)生1Hz1MHz的的 低頻信號，常用作低頻信號，常用作低頻信號源低頻信號源。 判斷一個電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩判斷一個電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩 應(yīng)先從反饋信號引入的端點入手，采用瞬時極性法判斷電路應(yīng)先從反饋信號引入的端點入手，采用瞬時極性法判斷電路 在通帶內(nèi)是否滿

12、足相位條件。然后檢查放大電路的直流通路在通帶內(nèi)是否滿足相位條件。然后檢查放大電路的直流通路 和交流通路是否合理，是否具有一定的放大能力，和交流通路是否合理，是否具有一定的放大能力， 在在 時是否滿足正弦波振蕩的幅值條件。時是否滿足正弦波振蕩的幅值條件。 0 ff 判斷圖判斷圖a電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩 Rb Rc R C C R ReCb e （+） （+） b c +VCC Rb Rc R C C R ReCb b （-） （- -） a +VCC Rb Rc R C C R ReCb b 先看交流通路，判斷電路在通帶內(nèi)是否滿足相位條件。交流通路先看交流通路，判斷電路在通

13、帶內(nèi)是否滿足相位條件。交流通路 時耦合電容時耦合電容Cb短接。先找到反饋信號引入點短接。先找到反饋信號引入點b，切斷反饋信號引，切斷反饋信號引 入端，入端，外加一個瞬時極性為外加一個瞬時極性為的輸入信號的輸入信號，因為是，因為是共射極接法，共射極接法， 所以集電極輸出的相位為（所以集電極輸出的相位為（- -），）， 在在 時時反饋信號瞬時極性也為（反饋信號瞬時極性也為（- -），可見反饋信號從相），可見反饋信號從相 位上不能滿足輸入信號的要求，相位條件不滿足。所以不能產(chǎn)生位上不能滿足輸入信號的要求，相位條件不滿足。所以不能產(chǎn)生 正弦波振蕩。正弦波振蕩。 要使電路能滿足振蕩的相位條件，可以將反饋

14、信號改接至要使電路能滿足振蕩的相位條件，可以將反饋信號改接至e點，點， 由瞬時極性法判斷此時滿足相位條件，再看放大電路的直流通路由瞬時極性法判斷此時滿足相位條件，再看放大電路的直流通路 和交流通路都合理。因為和交流通路都合理。因為RC串并聯(lián)電路的正反饋系數(shù)是串并聯(lián)電路的正反饋系數(shù)是1/3，調(diào)，調(diào) 節(jié)放大電路的增益大于節(jié)放大電路的增益大于3即可起振。即可起振。 0 ff +VCC Rb Rc R C C R ReCb b （-） （- -） Rb Rc R C C R ReCb e （+） （+） 2.6.3 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 LC正弦波振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是正弦波振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是LC

15、諧振回路。諧振回路。 w 由于電感的數(shù)值較小，其振蕩頻率較高（幾百由于電感的數(shù)值較小，其振蕩頻率較高（幾百KHz 以上），常用作以上），常用作高頻信號源高頻信號源。 w 由于振蕩頻率高，要求放大環(huán)節(jié)具有較高的上限頻由于振蕩頻率高，要求放大環(huán)節(jié)具有較高的上限頻 率，所以率，所以LC振蕩器常由分立元件構(gòu)成。振蕩器常由分立元件構(gòu)成。 形式：形式： w 變壓器反饋式變壓器反饋式 w 電感三點式電感三點式 w 電容三點式電容三點式 LC并聯(lián)諧振回路的頻率特性并聯(lián)諧振回路的頻率特性 LjR Cj LjR Cj LjR Cj Z 1 )( 1 / 1 R為回路的總損耗電阻為回路的總損耗電阻 并聯(lián)回路一般由電

16、流源激勵并聯(lián)回路一般由電流源激勵 當(dāng)當(dāng) 時產(chǎn)生諧振，所以時產(chǎn)生諧振，所以 C L 0 0 1 LC f 2 1 0 諧振時的阻抗最大：諧振時的阻抗最大： C L Q C Q LQ RC L Z 0 0max0 Q稱為稱為品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù) CRR L C L R Q 0 0 11 Q越大，選頻特性越好。越大，選頻特性越好。 LR 通常有通常有 C LjR CL Z 1 / Q值大 CQIZIVO 0 . max0 . /| . 0 . IQVCI OO | . IIO 諧振時諧振時 通常通常Q1,Q1,所以所以 ，可見諧振時，可見諧振時,LC,LC并聯(lián)回路的電流并聯(lián)回路的電流 比輸入電流比輸入電

17、流 大得多，即大得多，即 的影響可忽略。的影響可忽略。 + - . O V | . O I | . I| . I 一、變壓器反饋式一、變壓器反饋式LC正弦振蕩器正弦振蕩器 變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩器增振蕩器增 益條件非常容易滿足，主益條件非常容易滿足，主 要是判斷相位條件是否為要是判斷相位條件是否為 正反饋即可。正反饋即可。 在分析在分析LCLC振蕩電路時，要注意掌握好以下幾點：振蕩電路時，要注意掌握好以下幾點： （1 1） 在分析自激振蕩條件時，可先畫出振蕩電路的交流在分析自激振蕩條件時，可先畫出振蕩電路的交流 通路。此時，電源通路。此時，電源 、耦合電容和旁路電容應(yīng)作短路處理，、耦

18、合電容和旁路電容應(yīng)作短路處理， 但諧振電容不能短接，它在數(shù)值上一般也遠(yuǎn)小于耦合電容和但諧振電容不能短接，它在數(shù)值上一般也遠(yuǎn)小于耦合電容和 旁路電容。由于它和旁路電容。由于它和L L發(fā)生諧振，才使諧振回路呈現(xiàn)電阻性。發(fā)生諧振，才使諧振回路呈現(xiàn)電阻性。 當(dāng)分析相位平衡條件時，由于振蕩器無外加輸入信號，所以當(dāng)分析相位平衡條件時，由于振蕩器無外加輸入信號，所以 應(yīng)將與反饋信號相連的輸入端視作外加信號注入端，然后再應(yīng)將與反饋信號相連的輸入端視作外加信號注入端，然后再 依次分析輸出信號、反饋信號的相位。為滿足自激振蕩條件，依次分析輸出信號、反饋信號的相位。為滿足自激振蕩條件， 反饋信號的瞬時極性必須與注入

19、端信號一致，為此，需調(diào)整反饋信號的瞬時極性必須與注入端信號一致，為此，需調(diào)整 變壓器同名端位置或反饋信號注入點的位置。變壓器同名端位置或反饋信號注入點的位置。 （2 2） 晶體管的直流偏置處于放大態(tài)是振蕩器工作的基礎(chǔ)。晶體管的直流偏置處于放大態(tài)是振蕩器工作的基礎(chǔ)。 為分析直流工作條件，宜將電路畫成直流通路分析，此時，為分析直流工作條件，宜將電路畫成直流通路分析，此時， 所有電容可視作開路，電感視作短路。所有電容可視作開路，電感視作短路。 CC V 二、三點式二、三點式LC正弦振蕩器正弦振蕩器 圖中略去直流偏置圖中略去直流偏置 Z1、Z2和和Z3分別為組成諧分別為組成諧 振回路的三個電抗元件振回

20、路的三個電抗元件 可以證明：當(dāng)可以證明：當(dāng)Z1、Z2同為電感同為電感(電容電容)，Z3為為 電容電容(電感電感)時，電路滿足產(chǎn)生自激振蕩的時，電路滿足產(chǎn)生自激振蕩的 相位條件。相位條件。 beb cec ZIV ZIV . . 由上兩式得：由上兩式得： ce be cb Z Z VV . 可見，只有可見，只有 、 的電抗性質(zhì)相同時，的電抗性質(zhì)相同時， 和和 的極性的極性 才會相反。才會相反。 be Z ce Z . c V . b V 電感三點式電感三點式 CMLLLC f )2(2 1 2 1 21 0 電感三點式振蕩器的優(yōu)點是電路電感三點式振蕩器的優(yōu)點是電路容易起振容易起振，缺點，缺點 是

21、是波形不太好波形不太好。 也稱也稱 Hartley振蕩器振蕩器 反饋電壓取自反饋電壓取自L2，類似于自，類似于自 耦變壓器耦變壓器振蕩器振蕩器，滿足振蕩，滿足振蕩 的相位條件。的相位條件。 改畫為交流通路分析相位條改畫為交流通路分析相位條 件，耦合電容、旁路電容短件，耦合電容、旁路電容短 接，但諧振電容（小）不能接，但諧振電容（?。┎荒?短接，和短接，和L產(chǎn)生諧振，才使諧產(chǎn)生諧振，才使諧 振回路呈電阻性。振回路呈電阻性。 改畫為直流通路分析直流工改畫為直流通路分析直流工 作條件。作條件。 Rb2 Rb1 Rc L1 L2 C Rb2 Rb1 VCC 諧振時，回路電流遠(yuǎn)比外電路電流大，諧振時，回

22、路電流遠(yuǎn)比外電路電流大，1 1、3 3兩端近似呈現(xiàn)純兩端近似呈現(xiàn)純 電阻特性。可推出：電阻特性。可推出：當(dāng)選取中間抽頭（當(dāng)選取中間抽頭（2 2）為參考電位（交流）為參考電位（交流 地電位）時，首（地電位）時，首（1 1）尾（）尾（3 3）兩端的電位極性相反；當(dāng)選取）兩端的電位極性相反；當(dāng)選取 一端（一端（3 3）為參考電位（交流地電位）時，另一端（）為參考電位（交流地電位）時，另一端（1 1）和中）和中 間抽頭（間抽頭（2 2）的電位極性相同。）的電位極性相同。 看一下電路中電容看一下電路中電容Cb和和Cc的作用的作用 電容三點式電容三點式 21 21 0 2 1 2 1 CC CC L LC

23、 f 電容三點式振蕩器的優(yōu)點是電容三點式振蕩器的優(yōu)點是波形較好波形較好（因電容（因電容C2 濾去高次諧波），缺點是電路濾去高次諧波），缺點是電路不易起振不易起振。 也稱也稱 Colpitts振蕩器振蕩器 反饋電壓取自反饋電壓取自C2，滿足振，滿足振 蕩的相位條件。蕩的相位條件。 【例】【例】 分析圖中分析圖中LCLC三點式振蕩器的振蕩工作條件。三點式振蕩器的振蕩工作條件。 （a）為電感三點式振蕩電路，三極管接成共基電）為電感三點式振蕩電路，三極管接成共基電 路形式。路形式。 （b）為電容三點式振蕩電路，三極管接成共射電）為電容三點式振蕩電路，三極管接成共射電 路形式。路形式。 （a） （b）

24、石英晶體是利用石英晶體是利用SiO2結(jié)晶體的壓電效應(yīng)制成的一種結(jié)晶體的壓電效應(yīng)制成的一種 諧振器件。諧振器件。 2.6.4 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 外形外形結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)等效電路等效電路電路符號電路符號 w 石英晶體特性：石英晶體特性： 在石英晶體的兩電極之間加一電場，晶片會產(chǎn)生機(jī)在石英晶體的兩電極之間加一電場，晶片會產(chǎn)生機(jī) 械變形；反之，在晶體兩側(cè)加機(jī)械壓力時，則在晶械變形；反之，在晶體兩側(cè)加機(jī)械壓力時，則在晶 體內(nèi)部垂直方向上產(chǎn)生電場。體內(nèi)部垂直方向上產(chǎn)生電場。 w 壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)： 在石英晶體的兩電極之間加在石英晶體的兩電極之間加交變電壓交變電壓，晶片將產(chǎn)生，晶片將產(chǎn)生 機(jī)械振動；同時，振動又會產(chǎn)生交變電場。稱為石機(jī)械振動；同時，振動又會產(chǎn)生交變電場。稱為石 英晶體的壓電效應(yīng)。英晶體的壓電效應(yīng)。 w 壓電諧振：壓電諧振： 當(dāng)石英晶體所加交變電壓的頻率為一特定頻率時，當(dāng)石英晶體所加交變電壓的頻率為一特定頻率時， 其振動幅度和電場幅度明顯增大，稱為壓電諧振其振動幅度和電場幅度明顯增大，稱為壓電諧振 （與（與LC諧振回路相似）。諧振頻率由晶體的切割諧振回路相似）。諧振頻率由晶體