模擬電路96節(jié)

1、9.6 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 n正弦波振蕩電路應(yīng)用十分廣泛，在科學(xué)研正弦波振蕩電路應(yīng)用十分廣泛，在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、通信等領(lǐng)域都要用究、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、通信等領(lǐng)域都要用到。只是在不同的使用場(chǎng)合，對(duì)正弦波的到。只是在不同的使用場(chǎng)合，對(duì)正弦波的頻率、功率要求會(huì)有很大差別。頻率、功率要求會(huì)有很大差別。n本節(jié)重點(diǎn)討論利用正反饋構(gòu)成正弦波振蕩本節(jié)重點(diǎn)討論利用正反饋構(gòu)成正弦波振蕩電路的相位平衡條件和幅值平衡條件，電路的相位平衡條件和幅值平衡條件，RC正弦波振蕩電路的組成及工作原理。正弦波振蕩電路的組成及工作原理。 9.6.1正弦振蕩的平衡條件正弦振蕩的平衡條件 n負(fù)反饋放大電路的自激條件負(fù)

2、反饋放大電路的自激條件 01FA1FAn振蕩電路的振蕩電路的振蕩平衡條件振蕩平衡條件 1FA1FA0argFAXdXo圖圖9.36 振蕩器的方塊圖振蕩器的方塊圖XfAF振蕩電路的組成振蕩電路的組成n放大環(huán)節(jié)放大環(huán)節(jié)n反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)n選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) (Frequency Selective Network) n通常振蕩電路的反饋網(wǎng)絡(luò)中含有參數(shù)合適的通常振蕩電路的反饋網(wǎng)絡(luò)中含有參數(shù)合適的電抗元件。這樣反饋網(wǎng)絡(luò)既能完成反饋信號(hào)電抗元件。這樣反饋網(wǎng)絡(luò)既能完成反饋信號(hào)的功能，又能實(shí)現(xiàn)的功能，又能實(shí)現(xiàn)“選頻選頻”的目的。的目的。n穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) n使振蕩器幅值穩(wěn)定且波形較好使振蕩器幅值穩(wěn)定且波形較好

3、 9.6.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 nRC正弦波振蕩電路是由放大電路和電阻、正弦波振蕩電路是由放大電路和電阻、電容構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)組成。電容構(gòu)成的反饋網(wǎng)絡(luò)組成。n本節(jié)主要介紹本節(jié)主要介紹RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，也稱為文氏橋也稱為文氏橋(Wien bridge)振蕩電路。振蕩電路。 1. RC串并聯(lián)電路的頻率特性串并聯(lián)電路的頻率特性n圖圖9.37所示即為所示即為RC串串并聯(lián)電路。并聯(lián)電路。 21121221222211222212111111RCRCjCCRRCjRCjRCjRCjRCjRUU_R2+U1C1C2R1_圖圖9.37 RC串并聯(lián)電路串并聯(lián)電路U

4、2n通常取通常取R1=R2=R，C1=C2=C RC10001231jUU20021231UU3tgargarg0012UU_R2+U1C1C2R1_圖圖9.37 RC串并聯(lián)電路串并聯(lián)電路U2n圖圖9.38示出了這種示出了這種RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性。性和相頻特性。 RC1031012UU0arg012UU001/3U1U2(a) 幅頻特性幅頻特性(b) 相頻特性相頻特性+90-9000U1U2arg圖圖9.38 RC串并聯(lián)電路的頻率特性串并聯(lián)電路的頻率特性2. RC串并聯(lián)橋式振蕩電路串并聯(lián)橋式振蕩電路n圖圖9.39為采用同相端輸入方式的集成運(yùn)算放大器為采用同相端輸

5、入方式的集成運(yùn)算放大器作為放大環(huán)節(jié)的作為放大環(huán)節(jié)的RC串并聯(lián)式振蕩電路。串并聯(lián)式振蕩電路。n若若R1=R2=R，C1=C2=C n則角頻率則角頻率0 ：RC10nRC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的輸出與輸入同相，不產(chǎn)生相與輸入同相，不產(chǎn)生相移。移。 滿足了相位平衡滿足了相位平衡條件條件 R2R1C2R2UoC1R1+_A圖圖9.39 橋式振蕩器原理電路橋式振蕩器原理電路n當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，n則滿足振幅條則滿足振幅條件件 ，要求：，要求：n即即 R22R1 3112fRRAA1FA3112UUFR2R1C2R2UoC1R1+_A圖圖9.39 橋式振蕩器原理電路橋式振蕩器原理電路n如何做到既能可靠起振

6、，又能保證輸出波形為較好的正如何做到既能可靠起振，又能保證輸出波形為較好的正弦波呢？弦波呢？ n可靠起振：可靠起振：n但如果但如果 過分大就會(huì)使輸出波形變壞。過分大就會(huì)使輸出波形變壞。n因此，設(shè)法使起振時(shí)，因此，設(shè)法使起振時(shí)，n即即 R22R1n平衡時(shí)，平衡時(shí)，n即即 R2=2R1 1FAA3A3Au通?？梢岳枚O管或穩(wěn)壓管的非線性特性、通常可以利用二極管或穩(wěn)壓管的非線性特性、場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻特性或者熱敏電阻等元件場(chǎng)效應(yīng)管的可變電阻特性或者熱敏電阻等元件的非線性特性來自動(dòng)幅。的非線性特性來自動(dòng)幅。 nRC串并聯(lián)振蕩電路存在的缺點(diǎn)：串并聯(lián)振蕩電路存在的缺點(diǎn)： n受受RC參數(shù)的影響，振蕩頻率較

7、低。參數(shù)的影響，振蕩頻率較低。小于小于1MHz。n原因原因：電路中存在分布電容。：電路中存在分布電容。n若提高振蕩頻率，可以采用若提高振蕩頻率，可以采用LC振蕩電路，振蕩電路，石英晶體振蕩電路。石英晶體振蕩電路。9.6.3 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 1.LC1.LC并聯(lián)回路的頻率特性并聯(lián)回路的頻率特性CRLAB1L(Rj L)j CCZ=11(Rj L)Rj( L)j CCCLQCQLQRCLZ0000100CL01LC設(shè)設(shè)諧振頻率：諧振頻率：00/1/QL RCR 2.2.變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路ReL1CRLRb1Rb2C1CeT+VCCL2L3 LC并聯(lián)諧振電路作

8、為并聯(lián)諧振電路作為三極管的負(fù)載。三極管的負(fù)載。反饋線圈反饋線圈L2與電感線圈與電感線圈L1相耦合相耦合,將反饋信號(hào)送將反饋信號(hào)送入三極管的輸入回路。入三極管的輸入回路。以使正反饋的條件得以以使正反饋的條件得以滿足。滿足。 2.2.變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路ReL1CRLRb1Rb2C1CeT+VCCL2L3變壓器反饋式振蕩電變壓器反饋式振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為諧振電路相同，為0112fLC 2.2.變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路ReL1CRLRb1Rb2C1CeT+VCCL2L3特點(diǎn)：特點(diǎn)： 易振，波形較好；易振，波形較好； 耦合不

9、緊密，損耗大，耦合不緊密，損耗大， 頻率穩(wěn)定性不高。頻率穩(wěn)定性不高。3.3. 三點(diǎn)式振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路C2C1132LL2L1132C（ L1 +L2 + 2M ）C 21fo =+VCCReL2L1Rb1Rb2電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路C1CeT132RLC3.3. 三點(diǎn)式振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路+VCCReL2L1Rb1Rb2電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路C1CeT132RLC特點(diǎn)：特點(diǎn)： 耦合緊密，耦合緊密，易振，振幅大，易振，振幅大，C用可調(diào)電容可用可調(diào)電容可獲得較寬范圍的獲得較寬范圍的振蕩頻率。波形振蕩頻率。波形較差，常含有高較差，常含有高次諧波。次諧波。 3.3.

10、 三點(diǎn)式振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路ReC2C1RCRb1Rb2電容三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路CbCeLT132+VCCRL特點(diǎn)：特點(diǎn)：波形好，振蕩頻波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，率調(diào)整范圍小，適用于頻率固定適用于頻率固定的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。 電感電感L和電容和電容C1、 C2構(gòu)成的諧振回路成為放大構(gòu)成的諧振回路成為放大電路的負(fù)載，電容電路的負(fù)載，電容C2兩端的電壓作為反饋信號(hào)，兩端的電壓作為反饋信號(hào)，在放大器的輸入端引入了正反饋。在放大器的輸入端引入了正反饋。 選取適當(dāng)?shù)撵o態(tài)值和元件參數(shù)，使得諧振回路選取適當(dāng)?shù)撵o態(tài)值和元件參數(shù)，使得諧振回路諧振時(shí)，諧振時(shí)，AF1。電路自激振蕩。電路自激振蕩AF=1

11、時(shí)，振蕩穩(wěn)定。時(shí)，振蕩穩(wěn)定。振蕩頻率近似等于振蕩頻率近似等于LC諧振回路的振蕩頻率：諧振回路的振蕩頻率：C1 C2C1 + C2L21fo o = = 電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式電路比較：電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式電路比較：電容三點(diǎn)式電路：電容三點(diǎn)式電路： 反饋電壓中，高次諧波份量較小，反饋電壓中，高次諧波份量較小，波形好。波形好。電容三點(diǎn)式電路：電容三點(diǎn)式電路： 反饋系數(shù)隨頻率變化。反饋系數(shù)隨頻率變化。 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路并聯(lián)一個(gè)電容并聯(lián)一個(gè)電容C3 ，諧諧振回路的總電容：振回路的總電容：改變改變C3，即可改變即可改變fo C3ReC2C1RCRb1Rb2改進(jìn)的電容三點(diǎn)

12、式振蕩電路改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩電路CbCeLT132+VCCRL31212CC C /(CC )9.6.4 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器n石英晶體石英晶體(Crystal)是一種各向異性的結(jié)晶體，化學(xué)成分是一種各向異性的結(jié)晶體，化學(xué)成分是二氧化硅是二氧化硅(SiO2)。從一塊晶體上接一定的方位角切下的。從一塊晶體上接一定的方位角切下的薄片稱為晶片，然后在晶片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面上涂敷銀層并薄片稱為晶片，然后在晶片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面上涂敷銀層并裝上一對(duì)金屬板，就構(gòu)成石英晶體產(chǎn)品若提高振蕩頻率，裝上一對(duì)金屬板，就構(gòu)成石英晶體產(chǎn)品若提高振蕩頻率，可以采用可以采用LC振蕩電路，石英晶體振蕩電路。振蕩電路，石英晶

13、體振蕩電路。n1.石英晶體的壓電效應(yīng)及其等效電路石英晶體的壓電效應(yīng)及其等效電路n石英晶片具有壓電效應(yīng)石英晶片具有壓電效應(yīng)(Piezoelectric Effect)。疊在石英。疊在石英晶片的兩個(gè)相對(duì)的面上加一個(gè)電壓，晶片便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變晶片的兩個(gè)相對(duì)的面上加一個(gè)電壓，晶片便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。相反，在晶片上施加機(jī)械壓力形。相反，在晶片上施加機(jī)械壓力(或拉力或拉力)，則晶片會(huì)在，則晶片會(huì)在相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。相應(yīng)的方向上產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 n當(dāng)在晶片的兩個(gè)面上加交變電壓時(shí)，晶片便因反當(dāng)在晶片的兩個(gè)面上加交變電壓時(shí)，晶片便因反復(fù)的機(jī)械變形而產(chǎn)生振動(dòng)，而這種機(jī)械振動(dòng)又

14、會(huì)復(fù)的機(jī)械變形而產(chǎn)生振動(dòng)，而這種機(jī)械振動(dòng)又會(huì)反過來產(chǎn)生交變電壓反過來產(chǎn)生交變電壓 。n在一般情況下，晶片的機(jī)械振動(dòng)及其所產(chǎn)生的交在一般情況下，晶片的機(jī)械振動(dòng)及其所產(chǎn)生的交變電壓都非常小，但在外加電壓的頻率為某個(gè)特變電壓都非常小，但在外加電壓的頻率為某個(gè)特定數(shù)值時(shí)，機(jī)械振動(dòng)和它所產(chǎn)生的交變電壓都會(huì)定數(shù)值時(shí)，機(jī)械振動(dòng)和它所產(chǎn)生的交變電壓都會(huì)顯著增大。這一現(xiàn)象稱為壓電諧振。顯著增大。這一現(xiàn)象稱為壓電諧振。n上述特定頻率稱為石英晶片的固有頻率或諧振頻上述特定頻率稱為石英晶片的固有頻率或諧振頻率。率。 n石英揩振器在電路圖中的符號(hào)如圖石英揩振器在電路圖中的符號(hào)如圖9.40(a)所示，所示，中間是石英晶片

15、，兩邊是兩塊金屬夾板及相應(yīng)引中間是石英晶片，兩邊是兩塊金屬夾板及相應(yīng)引出線。它的壓電現(xiàn)象可以用圖出線。它的壓電現(xiàn)象可以用圖9.40(b)所示等效電所示等效電路來模擬。路來模擬。BABCoLCR(a) 符號(hào)符號(hào)(b) 等效電路等效電路圖圖9.40 石英振蕩器石英振蕩器An當(dāng)晶片不振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)平板電容當(dāng)晶片不振動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)平板電容Co；當(dāng)晶；當(dāng)晶片振動(dòng)時(shí)，有一個(gè)機(jī)械振動(dòng)的慣性，用電感片振動(dòng)時(shí)，有一個(gè)機(jī)械振動(dòng)的慣性，用電感L來等來等效；而晶片的彈性一般以電容效；而晶片的彈性一般以電容C來等效；晶片振動(dòng)來等效；晶片振動(dòng)時(shí)的內(nèi)部摩擦損耗則用時(shí)的內(nèi)部摩擦損耗則用R來等效。來等效。n電路中電路中L

16、、C、R和和Co等參數(shù)決定于晶片的幾何尺等參數(shù)決定于晶片的幾何尺寸和切割方式，電路的諧振頻率為諧振器的固有寸和切割方式，電路的諧振頻率為諧振器的固有頻率。頻率。 n由于等效電路的參數(shù)只決定于晶體的幾何尺寸，由于等效電路的參數(shù)只決定于晶體的幾何尺寸，所以是十分穩(wěn)定的，因此電路的諧振頻率也十分所以是十分穩(wěn)定的，因此電路的諧振頻率也十分穩(wěn)定。穩(wěn)定。 f = f s 時(shí)：（時(shí)：（X = 0） 石英晶體呈阻性石英晶體呈阻性f f s 或或 f f p 時(shí)：時(shí)： 石英晶體呈容性石英晶體呈容性f s f f p 時(shí)：時(shí)： 石英晶體呈感性石英晶體呈感性 根據(jù)等效電路可畫根據(jù)等效電路可畫出石英晶體的電抗頻率出石

17、英晶體的電抗頻率特性曲線。特性曲線。2.石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路n石英晶體振蕩電路可以歸結(jié)石英晶體振蕩電路可以歸結(jié)為兩類，一類稱為并聯(lián)式，一為兩類，一類稱為并聯(lián)式，一類稱為串聯(lián)式。類稱為串聯(lián)式。 fs為石英諧振為石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率，稱器的串聯(lián)諧振頻率，稱fp為石為石英諧振器的并聯(lián)諧振頻率。英諧振器的并聯(lián)諧振頻率。n并聯(lián)式：石英晶體的阻抗呈并聯(lián)式：石英晶體的阻抗呈電感性，與外接電容器構(gòu)成并電感性，與外接電容器構(gòu)成并聯(lián)諧振，振蕩頻率在聯(lián)諧振，振蕩頻率在fs和和fp之之間間 。n串聯(lián)式石英晶體發(fā)生串聯(lián)諧串聯(lián)式石英晶體發(fā)生串聯(lián)諧振，它呈純阻性，振蕩頻率就振，它呈純阻性，振蕩頻率就等于等于fs。 n由由C1、C2和石英晶體構(gòu)成和石英晶體構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，這時(shí)石英晶并聯(lián)諧振電路，這時(shí)石英晶體相當(dāng)于電感，諧振頻率必體相當(dāng)于電感，諧振頻率必然處于石英諧振器的然處于石英諧振器的fs和和fp之間之間 。n由于由于C1Cs，C2Cs，所，所以振蕩頻率主要取決于石英以振蕩頻率主要取決于石英晶體與晶體與Cs的