20正弦波振蕩電路

1、第第8章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 擴(kuò)音系統(tǒng)在使用中有時(shí)會發(fā)出刺耳的嘯擴(kuò)音系統(tǒng)在使用中有時(shí)會發(fā)出刺耳的嘯叫聲叫聲, 其形成的過程如圖所示。其形成的過程如圖所示。 擴(kuò)音機(jī)揚(yáng)聲器話筒自激振蕩現(xiàn)象自激振蕩現(xiàn)象 常見的自激振蕩現(xiàn)象常見的自激振蕩現(xiàn)象正弦波振蕩器的應(yīng)用與位置正弦波振蕩器的應(yīng)用與位置 1. 1.在信息傳輸系統(tǒng)的各種發(fā)射機(jī)中，就是在信息傳輸系統(tǒng)的各種發(fā)射機(jī)中，就是把主振器（振蕩器）所產(chǎn)生的載波，經(jīng)過放把主振器（振蕩器）所產(chǎn)生的載波，經(jīng)過放大、調(diào)制而把信息發(fā)射出去的。大、調(diào)制而把信息發(fā)射出去的。 2.2.在超外差式的各種接收機(jī)中，是由振蕩在超外差式的各種接收機(jī)中，是由振蕩器產(chǎn)生一個(gè)器產(chǎn)生一個(gè)

2、“本地振蕩本地振蕩”信號，送入混頻器，信號，送入混頻器，才能將高頻信號變成中頻信號。才能將高頻信號變成中頻信號。 3. 3.在研制、調(diào)測各類電子設(shè)備時(shí)，常在研制、調(diào)測各類電子設(shè)備時(shí)，常常需要信號源和各種測量儀器，在這些儀常需要信號源和各種測量儀器，在這些儀器中大多包含有振蕩器。器中大多包含有振蕩器。 例如高頻信號發(fā)生器、音頻信號發(fā)生例如高頻信號發(fā)生器、音頻信號發(fā)生器以及各種數(shù)字式測量儀表等。器以及各種數(shù)字式測量儀表等。 4.4.在工業(yè)生產(chǎn)中的高頻加熱、超聲焊在工業(yè)生產(chǎn)中的高頻加熱、超聲焊接以及電子醫(yī)療器械也都廣泛應(yīng)用振蕩器。接以及電子醫(yī)療器械也都廣泛應(yīng)用振蕩器。 可見正弦波振蕩器在電子技術(shù)領(lǐng)域

3、里可見正弦波振蕩器在電子技術(shù)領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用。有著廣泛的應(yīng)用。振蕩器的實(shí)質(zhì)振蕩器的實(shí)質(zhì)( (能量轉(zhuǎn)換器件能量轉(zhuǎn)換器件) ) 在在沒有外加信號沒有外加信號的情況下，的情況下，自動地自動地將將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為直流電源的能量轉(zhuǎn)換為一定波形的一定波形的交流振蕩能交流振蕩能量的裝置。量的裝置。 自激振蕩自激振蕩放大器的實(shí)質(zhì)放大器的實(shí)質(zhì)( (能量轉(zhuǎn)換器件能量轉(zhuǎn)換器件) ) 在在外加信號的激勵(lì)下外加信號的激勵(lì)下, ,將直流電源的能量將直流電源的能量轉(zhuǎn)換為交流能量。轉(zhuǎn)換為交流能量。 1. 1. “反饋式振蕩器反饋式振蕩器”和和“負(fù)阻式振蕩器負(fù)阻式振蕩器”兩大類兩大類 從所采用的分析方法和振蕩器的特性來

4、看，我從所采用的分析方法和振蕩器的特性來看，我們只討論們只討論反饋式振蕩器反饋式振蕩器。 2. 2. RC振蕩器、振蕩器、LC振蕩器、振蕩器、晶體振蕩器晶體振蕩器 按選頻網(wǎng)絡(luò)（元件組成）來看按選頻網(wǎng)絡(luò)（元件組成）來看 3. 3. 正弦波振蕩器正弦波振蕩器與非正弦波振蕩器與非正弦波振蕩器 按振蕩器所產(chǎn)生的波形來看按振蕩器所產(chǎn)生的波形來看 本書只介紹本書只介紹LC正弦波反饋式振蕩器正弦波反饋式振蕩器。主要討論正。主要討論正弦波振蕩器的基本原理，并弦波振蕩器的基本原理，并對幾種典型振蕩電路進(jìn)行對幾種典型振蕩電路進(jìn)行分析。分析。振蕩器的種類振蕩器的種類評價(jià)評價(jià)振蕩器性能的主要技術(shù)指標(biāo)？振蕩器性能的主要

5、技術(shù)指標(biāo)？（1）振蕩頻率）振蕩頻率（2）頻率穩(wěn)定度）頻率穩(wěn)定度不同類型的振蕩器所適宜的工作頻段不同類型的振蕩器所適宜的工作頻段1.1.放大電路放大電路常用三極管放大常用三極管放大2.2.正反饋電路正反饋電路3.3.選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)只對一個(gè)頻率滿足振蕩條件只對一個(gè)頻率滿足振蕩條件，從而獲得單一頻率的正弦波輸出。，從而獲得單一頻率的正弦波輸出。 常用的選頻網(wǎng)絡(luò)有常用的選頻網(wǎng)絡(luò)有RC選頻選頻和和LC選頻選頻4.4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)使電路易于起振又能穩(wěn)定振使電路易于起振又能穩(wěn)定振蕩，防止振蕩信號幅度變大。蕩，防止振蕩信號幅度變大。正弦波振蕩電路的組成正弦波振蕩電路的組成正弦波振蕩電路的基本概念正弦波振

6、蕩電路的基本概念正弦波振蕩產(chǎn)生的條件正弦波振蕩產(chǎn)生的條件兩個(gè)平衡條件兩個(gè)平衡條件1.1.相位平衡條件相位平衡條件反饋必須是正反饋反饋必須是正反饋 即即反饋到輸入端的反饋電壓（電流）必須反饋到輸入端的反饋電壓（電流）必須與輸入電壓（電流）同相。與輸入電壓（電流）同相。2.2.幅度平衡條件幅度平衡條件反饋量必須反饋量必須足夠大足夠大 如果從輸出端送回到輸入端的信號太弱，就不如果從輸出端送回到輸入端的信號太弱，就不會產(chǎn)生振蕩了。會產(chǎn)生振蕩了。 產(chǎn)生正弦波振蕩的條件產(chǎn)生正弦波振蕩的條件只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。Xi +f基本放大器基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FX+

7、ioXX如果：如果：,ifXX=則去掉則去掉,iX仍有信號輸出。仍有信號輸出。反饋信號代替了放大反饋信號代替了放大電路的輸入信號。電路的輸入信號。XoXii +f基本放大器基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)F+XXXiof基本放大器基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FXX反饋量要滿足電路需要反饋量要滿足電路需要起振過程起振過程振蕩器的初始激勵(lì)振蕩器的初始激勵(lì) 在電源開關(guān)閉合的在電源開關(guān)閉合的瞬間，電流的跳變在瞬間，電流的跳變在集電極集電極LC振蕩電路振蕩電路中激起振蕩。選頻網(wǎng)中激起振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)帶寬極窄，在回路絡(luò)帶寬極窄，在回路兩端產(chǎn)生正弦波電壓兩端產(chǎn)生正弦波電壓uo，并通過互感耦合，并通過互感耦合變壓器

8、反饋到基級回變壓器反饋到基級回路，這就是激勵(lì)信號。路，這就是激勵(lì)信號。 起始振蕩信號十起始振蕩信號十分微弱，但是由于不分微弱，但是由于不斷地對它進(jìn)行放大斷地對它進(jìn)行放大選頻選頻反饋反饋再放大再放大等多次循環(huán)，于是一等多次循環(huán)，于是一個(gè)與振蕩回路固有頻個(gè)與振蕩回路固有頻率相同的自激振蕩便率相同的自激振蕩便由小到大地增長起來由小到大地增長起來。起振條件和穩(wěn)幅原理起振條件和穩(wěn)幅原理1 1、被動：器件非線性、被動：器件非線性2 2、主動：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以、主動：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)放大電路的放大電路的增益增益穩(wěn)幅措施：穩(wěn)幅措施：起振過程起振過程Xdof基本放

9、大器基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FXX 電源接通瞬間，由于電源電電源接通瞬間，由于電源電流的波動，這一電流波動中含流的波動，這一電流波動中含有頻率范圍很寬的噪聲，這其有頻率范圍很寬的噪聲，這其中必有一個(gè)頻率等于選頻電路中必有一個(gè)頻率等于選頻電路的諧振頻率，這一信號被選出的諧振頻率，這一信號被選出來后，由振蕩器電路放大并產(chǎn)來后，由振蕩器電路放大并產(chǎn)生正反饋，信號幅度愈來愈大，生正反饋，信號幅度愈來愈大，形成振蕩信號，從而完成振蕩形成振蕩信號，從而完成振蕩器的起振過程。器的起振過程。 由于晶體管由于晶體管特性的非線性，特性的非線性，振幅會自動穩(wěn)定振幅會自動穩(wěn)定到一定的幅度。到一定的幅度。因此振蕩的

10、幅度因此振蕩的幅度不會無限增大。不會無限增大。振蕩的幅度會不會無振蕩的幅度會不會無止境增長下去？止境增長下去？第二節(jié)第二節(jié) 正弦波振蕩電路分析正弦波振蕩電路分析（1）檢查電路是否具有放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)）檢查電路是否具有放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。（2）檢查放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是否能保證放大電路）檢查放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是否能保證放大電路正常工作。正常工作。（3）分析電路是否滿足自激振蕩條件。）分析電路是否滿足自激振蕩條件。 振蕩的判斷：振蕩的判斷：首先檢查相位平衡條件，判斷方法首先檢查相位平衡條件，判斷方法用瞬時(shí)極性法判別是否為正反饋，而振幅平衡條件用瞬時(shí)極性

11、法判別是否為正反饋，而振幅平衡條件一般比較容易滿足，若不滿足，在測試調(diào)整時(shí)可以一般比較容易滿足，若不滿足，在測試調(diào)整時(shí)可以改變放大電路的放大倍數(shù)改變放大電路的放大倍數(shù)|A|或反饋系數(shù)或反饋系數(shù)|F|，使電路，使電路滿足幅度條件滿足幅度條件. Q Q為諧振回路的品為諧振回路的品質(zhì)因數(shù)，質(zhì)因數(shù)，Q Q值越大，值越大，曲線越陡越窄，選曲線越陡越窄，選頻特性越好。頻特性越好。LC并聯(lián)諧振回路的幅頻特性曲線并聯(lián)諧振回路的幅頻特性曲線o |Z|Q小小Q大大2. 選頻放大電路選頻放大電路 選頻放大器原理選頻放大器原理 由于由于LC并聯(lián)電路具有選頻能力，因此在如圖所示并聯(lián)電路具有選頻能力，因此在如圖所示的電路

12、中，對于頻率的電路中，對于頻率f =f0的輸入信號，并聯(lián)電路呈現(xiàn)的輸入信號，并聯(lián)電路呈現(xiàn)最大的阻抗，其兩端有最大的輸出電壓。對于偏離最大的阻抗，其兩端有最大的輸出電壓。對于偏離f0的信號，并聯(lián)電路呈現(xiàn)小的阻抗，故電路兩端輸出電的信號，并聯(lián)電路呈現(xiàn)小的阻抗，故電路兩端輸出電壓很小。由于這種放大電路只對諧振頻率壓很小。由于這種放大電路只對諧振頻率f0的信號有的信號有放大作用，所以這種放大電路被稱為選頻放大電路。放大作用，所以這種放大電路被稱為選頻放大電路。選頻放大電路的工作特性選頻放大電路的工作特性變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路 工作原理：工作原理：三極管共射放大器。三極管共射放大器

13、。利用互感線圈的同利用互感線圈的同名端引入正反饋名端引入正反饋 滿足相位條件。滿足相位條件。振蕩頻率振蕩頻率:LCf210+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU判斷是否是滿足判斷是否是滿足相位條件相位條件相相位平衡法：位平衡法：+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU 斷開反饋到放大斷開反饋到放大器的輸入端點(diǎn)，假設(shè)器的輸入端點(diǎn)，假設(shè)在輸入端加入一正極在輸入端加入一正極性的信號，用瞬時(shí)極性的信號，用瞬時(shí)極性法判定反饋信號的性法判定反饋信號的極性。若反饋信號與極性。若反饋信號與輸入信號同相，則滿輸入信號同相，則滿足相位條件；否則不足相位條件；否則不滿足。滿足。(+)(-)(+)電感三

14、點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路振蕩頻率：振蕩頻率：CMLLLCf)2(2121210 = = = VRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（ +）（ +）（ -）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（ +）（ +）（ +）電感三點(diǎn)式振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)是電感三點(diǎn)式振蕩電路的優(yōu)點(diǎn)是，容易起振，輸出電壓幅度較大，改變電容可以使振蕩頻率在較大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。電感三點(diǎn)式振蕩電路的缺點(diǎn)是電感三點(diǎn)式振蕩電路的缺點(diǎn)是，反饋電壓uf取自電感L2上，L2對高次諧波（相對f0而言）阻抗大，因而引起振蕩回路輸出諧波分量增大，輸出波形不理想。因而這種電路常用于對波形要求不高的場合。電感三點(diǎn)式振蕩電路的特點(diǎn)電感三點(diǎn)式

15、振蕩電路的特點(diǎn)8.2.3 電容三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路 振蕩頻率：振蕩頻率：212102121CCCCLLCf = = = V2eRRRb1CCcceb2c1RbCCL（ +）（ +）（ -）電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是，由于反饋電壓取自電容C2的兩端，它對高次諧波的阻抗小，因而可將高次諧波濾除掉，所以輸出波形好；C1和C2可以選擇很小的值，因而振蕩頻率可以很高，一般可達(dá)100MHz以上。電容三點(diǎn)式振蕩器的缺點(diǎn)是電容三點(diǎn)式振蕩器的缺點(diǎn)是，電容量的大小既與振蕩頻率有關(guān)，又與反饋量有關(guān)，即與起振條件有關(guān)。為了保持反饋系數(shù)F不變，滿足起振條件，在調(diào)節(jié)頻率時(shí)必須同時(shí)改變C1

16、和C2，很不方便。電容三點(diǎn)式振蕩器的特點(diǎn)電容三點(diǎn)式振蕩器的特點(diǎn)一、串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器一、串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器 克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器C1C2CiCoLC1C2CiCoLC31 1、如果、如果C C1 1、C C2 2過大，則振蕩過大，則振蕩幅度就太低。幅度就太低。2 2、當(dāng)減小、當(dāng)減小C3C3來提高振蕩頻率來提高振蕩頻率f f0 0 時(shí)，振蕩幅度顯著下降；當(dāng)時(shí)，振蕩幅度顯著下降；當(dāng)C3C3減小到一定程度時(shí)，可能停振。減小到一定程度時(shí)，可能停振。因此，限制了因此，限制了f f0 0 的提高。的提高。3 3、用作頻率可調(diào)的振蕩器時(shí)，、用作頻率可調(diào)的振蕩器時(shí)，振蕩幅度隨頻率增加而下降

17、，振蕩幅度隨頻率增加而下降，在頻段范圍內(nèi)幅度不平穩(wěn)，頻在頻段范圍內(nèi)幅度不平穩(wěn)，頻率覆蓋系數(shù)不大，約為率覆蓋系數(shù)不大，約為1.2-1.2-1.31.3。二、并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器二、并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器 西勒振蕩器西勒振蕩器C1C2CiC0LCC3另外，另外，西勒電路頻率定性好，振蕩頻率可以較高。西勒電路頻率定性好，振蕩頻率可以較高。因此，在短波、超短波通信機(jī)，電視接收機(jī)等高因此，在短波、超短波通信機(jī)，電視接收機(jī)等高頻設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。頻設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。電容三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式 （考畢茲）（考畢茲）電感三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式 （哈特萊）（哈特萊）反饋電壓取自反饋電壓取自反饋元件對高反饋

18、元件對高次諧波呈現(xiàn)的次諧波呈現(xiàn)的阻抗特性阻抗特性輸出波形輸出波形振蕩頻率振蕩頻率優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)造成頻率不穩(wěn)定的因素造成頻率不穩(wěn)定的因素1.1.客觀原因：客觀原因： 外界溫度變化，使外界溫度變化，使LCLC參數(shù)、晶體管參數(shù)參數(shù)、晶體管參數(shù) 不穩(wěn)定；不穩(wěn)定； 電源不穩(wěn)定，引起振蕩器工作點(diǎn)變化、電源不穩(wěn)定，引起振蕩器工作點(diǎn)變化、 晶體管參數(shù)變化。晶體管參數(shù)變化。2. 2. 主觀原因：主觀原因： 電路結(jié)構(gòu)本身的不穩(wěn)定（如：哈特萊振電路結(jié)構(gòu)本身的不穩(wěn)定（如：哈特萊振蕩器的頻率穩(wěn)定性不如考畢茲振蕩器）蕩器的頻率穩(wěn)定性不如考畢茲振蕩器）1.1.振蕩器置于恒溫箱內(nèi)；振蕩器置于恒溫箱內(nèi)； 或屏蔽振蕩器；或使之遠(yuǎn)離干擾

19、源?；蚱帘握袷幤?；或使之遠(yuǎn)離干擾源。2.2.采用良好的穩(wěn)壓電源供電采用良好的穩(wěn)壓電源供電3.3.提高振蕩回路的品質(zhì)因數(shù)提高振蕩回路的品質(zhì)因數(shù)4.4.減小負(fù)載（或下一級電路）對振蕩器減小負(fù)載（或下一級電路）對振蕩器的影響的影響 方法：振蕩器后加緩沖級方法：振蕩器后加緩沖級5.5.采用穩(wěn)定性好的振蕩電路采用穩(wěn)定性好的振蕩電路穩(wěn)頻措施穩(wěn)頻措施Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。8.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器8.3.1 正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題正弦波振蕩電路的頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由頻率穩(wěn)定度一般由 來衡量來衡量頻率偏移量。頻率偏移量。f 0f振蕩頻率。

20、振蕩頻率。LC振蕩電路振蕩電路 Q 數(shù)百數(shù)百石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 Q 10000 500000000f|fffffS=8.3.2 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體的基本特性與等效電路1. 石英晶體的壓電效應(yīng)極板間加電場極板間加電場極板間加機(jī)械力極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：交變電壓交變電壓機(jī)械振動機(jī)械振動交變電壓交變電壓機(jī)械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高。機(jī)械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高。當(dāng)交變電壓頻率當(dāng)交變電壓頻率 = 固有頻率時(shí)，振幅最大固有頻率時(shí)，振幅最大 VV晶片晶片敷銀層敷銀層符號符號VV壓電諧振壓

21、電諧振2. 石英晶體的符號和等效電路石英晶體的符號和等效電路等效電路：等效電路：LCf 21s= =（1）串聯(lián)諧振）串聯(lián)諧振頻率特性：頻率特性： 晶體等效純阻且阻值晶體等效純阻且阻值00p121CCLCf = = （2）并聯(lián)諧振）并聯(lián)諧振通常通常0CC 0s1CCf = =所以所以很很接接近近與與 psffuu石英晶體uuLCCoRfX感性感性0fsfp容性容性8.3.3 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成LC振蕩電路。振蕩電路。1. 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器 石英晶體工作在石英晶體工作在fs s與與fp p之間，相當(dāng)一個(gè)大電感，與之間，相當(dāng)一個(gè)大電感，與C C1 1、C C2 2組成電容三點(diǎn)式振蕩器。由于石英晶體的組成電容三點(diǎn)式振蕩器。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾值很高，可達(dá)到幾千以上，所以電路可以獲得很高的振蕩