正弦波振蕩電路

1、第七章 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路是用來產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流信號的電子電路。它的頻率范圍可以從幾赫茲到幾百兆赫茲,輸出功率可能從幾毫瓦到幾十千瓦。廣泛用于各種電子電路中。在通信、廣播系統(tǒng)中,用它來作高頻信號源；電子測量儀器中的正弦小信號源,數(shù)字系統(tǒng)中的時鐘信號源。另外，作為高頻加熱設(shè)備以及醫(yī)用電療儀器中的正弦交流能源。正弦波振蕩電路是利用正反饋原理構(gòu)成的反饋振蕩電路，本章將在反饋放大電路的基礎(chǔ)上，先分析振蕩電路的自激振蕩的條件，然后介紹LC和RC振蕩電路，并簡要介紹石英晶體振蕩電路。第一節(jié) 振蕩電路概述在放大電路中，輸入端接有信號源后，輸出端才有信號輸出。如果一個放大電路當(dāng)輸入信號為

2、零時，輸出端有一定頻率和幅值的信號輸出，這種現(xiàn)象稱為放大電路的自激振蕩。一、 振蕩電路框圖圖7-1為正反饋放大器的方框圖，在放大器的輸入端存在下列關(guān)系： Xi=Xs+Xf (7-1)其中Xi為凈輸入信號，且 及 正反饋放大器的閉環(huán)增益最后得到 (7-2)如果滿足條件 |1-AF|=0，或AF=1 （7-3）則A ，這就表明，在圖7-1中如果有很小的信號Xs輸入，便可以有很大的信號Xo=AfXs輸出。如果使反饋信號與凈輸入信號相等，即Xf=Xi 圖7-1正反饋放大電路的方框圖 圖7-2自激振蕩方框圖那么可以不外加信號Xs而用反饋信號Xf取代輸入信號Xz。仍能確保信號的輸出，這時整個電路就成為一個

3、自激振蕩電路，自激蕩器的方框圖就可以繪成如圖7-2所示的形式。二、 自激振蕩的條件由上述分析可知，當(dāng)AF=1自激振蕩可維持振蕩。AF=1即為自激振蕩的平衡條件，其中A和F都是頻率的函數(shù)，可用復(fù)數(shù)表示： ， 則 即 （7-4）和 （7-5）式（7-4）稱為自激振蕩的振幅平衡條件，式（7-5）稱為自激振蕩的相位平衡條件。綜上所述，振蕩器就是一個沒有外加輸入信號的正反饋放大器，要維持等幅的自激振蕩，放大器必須滿足振幅平衡條件和相位平衡條件。上述振蕩條件如果僅對某一單一頻率成立時，則振蕩波形為正弦波，稱為正弦波振蕩器。三、 正弦波振蕩電路基本構(gòu)成正弦波振蕩電路一般包含以下幾個基本組成部分：1基本放大電

4、路 提供足夠的增益，且增益的值具有隨輸入電壓增大而減少的變化特性。2反饋網(wǎng)絡(luò) 它的主要作用是形成正反饋，以滿足相位平衡條件。3選頻網(wǎng)絡(luò) 它的主要作用是實現(xiàn)單一頻率信號的振蕩。在構(gòu)成上，選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)可以單獨構(gòu)成，也可合二為一。很多正弦波振蕩電路中，選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)在一起，選頻網(wǎng)絡(luò)由LC電路組成稱為LC正弦波振蕩電路，由RC正弦波振蕩電路，由石英晶體組成稱石英晶體正弦波振蕩電路。4穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 引入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可以使波形幅值穩(wěn)定，而且波形的形狀良好。四、 振蕩電路的起振過程振蕩電路剛接通電源時，電路中會出現(xiàn)一個電沖擊，從而得到一些頻譜很寬的微弱信號，它含有各種頻率的諧波分量。經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用

5、，使f=fo的單一頻率分量滿足自激振蕩條件，其他頻率的分量不滿足自激振蕩條件，這樣就將f=fo的頻率信號從最初信號中挑選出來。在起振時，除滿足相位條件（即正反饋）外，還要使AF>1，這樣，通過放大 輸出正反饋放大的循環(huán)過程，f=fo的頻率信號就會由小變大，其他頻率信號因不滿足自激振蕩條件而衰減下去。振蕩就建立起來。振蕩產(chǎn)生的輸出電壓幅度是否會無限制地增長下去呢？由于晶體管的特性曲線是非線性的，當(dāng)信號幅度增大到一定程度時，電壓放大倍數(shù)Au就會隨之下降，最后達到AF=1，振蕩幅度就會自動穩(wěn)定在某一振幅上。從AF>1到AF=1過程，就是振蕩電路看激振蕩的建立與穩(wěn)定的過程。第二節(jié) LC正弦

6、波振蕩電路 采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)作選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為LC振蕩電路。LC振蕩電路通常采用電壓正反饋。按反饋電壓取出方式不同，可分為變壓器反饋式，電感三點式、電容三點式，三種典型電路。三種電路的共同特點是采用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。一、 LC回路的頻率特性。 一個LC并聯(lián)回路如圖73所示，其中R表示電感線圈和回路其他損耗總的等效電阻。其幅頻特性和相頻特性如圖74所示。 (a)幅頻特性 (b)相頻特性 圖73 LC并聯(lián)回路 圖74 LC并聯(lián)回路的頻率特性（Q1>Q2）當(dāng)LC并聯(lián)回路發(fā)生諧振時，諧振頻率為 （7-6）電路阻抗Z達到最大，其值為 （7-7）式（7-7）中Q為回路品質(zhì)因數(shù)，其值

7、為 （7-8）由圖7-4可知，當(dāng)外加信號頻率f等于LC回路的固有頻率f0(f=f0)時，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，阻抗Z達到最大值Z0，相位角=0，電路呈純電阻性，當(dāng)f偏離f0時由于Z將顯著減小， 不再為零，在f<fo時，電路呈感性；f>f0時，電路呈容性，利用LC并諧振時呈高阻抗這一特點，來達到選取信號的目的，這就是LC并聯(lián)諧振回路的選頻特性?？梢宰C明品質(zhì)因數(shù)越高，選擇性愈好，但品質(zhì)因數(shù)過高，傳輸?shù)男盘枙д?。因此，采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路，只能輸出f=f0的正弦波，其振蕩頻率為 （7-9）當(dāng)改變LC回路的參數(shù)L或C時，就可改變輸出信號的頻率。二、 變壓器反饋式振蕩電路在變

8、壓器反饋振蕩電路中，其諧振回路接在共發(fā)射極電路的集電極的稱為共射調(diào)集振蕩電路，類似的還有共射調(diào)基振蕩電路和共基調(diào)射振蕩電路。下面以共射調(diào)集變壓器反饋式LC振蕩電路為例進行分析。1、 電路組成圖7-5電路就是共射調(diào)集變壓器反饋式LC振蕩電路，它由放大電路、LC選頻網(wǎng)絡(luò)和變壓器反饋電路三部分組成。線圈L與電容C組成的并聯(lián)諧振回路作為晶體管的集電極負載，直選頻作用，由變壓器副邊繞組來實現(xiàn)反饋，所以稱變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路，輸出的正弦波通過L1耦合給負載，CB為基極耦合電容。圖7-5 變壓器反饋式振蕩電路2、振蕩的建立與穩(wěn)定首先按圖7-5所示反饋線圈L2的極性標(biāo)記，根據(jù)同名端和用“瞬時極性法”

9、判別可知，符合正反饋要求，滿足振蕩的相位條件。其次，當(dāng)電源接通后瞬間，電路中會存在各種電的擾動，這些擾動都是具有諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓，通過反饋線圈回路送到放大器的輸入端進行放大。經(jīng)放大和反饋的反復(fù)循環(huán)，頻率為f0的正弦電壓的振幅就會不斷地增大，于是振蕩就建立起來。由于晶體管的輸出特性是非線性的，放大器增益將隨輸入電壓的增大而減小，直到AF=1，振蕩趨于穩(wěn)定，最后電路就穩(wěn)定在某一幅度下工作，維持等幅振蕩。2、 振蕩頻率 （7-10）4、電路的優(yōu)缺點變壓器反饋式振蕩電路通過互感實現(xiàn)耦合和反饋，很容易實現(xiàn)阻抗匹配和達到起振要求，所以效率較高，應(yīng)用很普遍?？梢栽贚C回路中裝置可變電容器來調(diào)節(jié)振蕩

10、頻率，調(diào)頻范圍較寬，一般在幾千赫茲幾百千赫茲，為了進一步提高振蕩頻率，選頻放大器可改為共基極接法。該電路在安裝中要注意的問題是反饋線圈的極性不能接反，否則就變成負反饋而不能起振，若反饋線圈的連接正確仍不能起振，可增加反饋線圈的匝數(shù)。三、電感三點式振蕩電路三點式振蕩電路有電容三點式電路和電感三點式電路，它們的共同點是諧振回路的三個引出端點與三極管的三個電極相連接（指交流通路），其中，與發(fā)射極相接的為兩個同性質(zhì)電抗，與集電極和基極相接的是異性質(zhì)電抗。這種規(guī)定可作為三點式振蕩電路的組成法則，利用這個法則，可以差別三點式振蕩電路的連接是否正確。1、 電路組成電感三點式振蕩電路，也稱為哈脫萊振蕩電路，電

11、路如圖7-6所示。由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋回路組成。選頻網(wǎng)絡(luò)是由帶中間抽頭的電感線圈L1、L2與電容C組成，將電感線圈的三個端點首端、中間抽頭和尾端分別與放大電路相聯(lián)。對交流通路而言，電感線圈的三個端點分別與三極管的三個極相聯(lián)，其中與發(fā)身極相接的是L1和L2。線圈L2為反饋元件，通過它將反饋電壓送到輸入端。C1、C2及CE對交流視作為短路。圖7-6 電感三點式振蕩電路2、振蕩的相位平衡條件根據(jù)“瞬時極性法”和同名端差別可知，當(dāng)輸入信號瞬時極性為時，經(jīng)過三極管倒相輸出為 ，即 =180°，整個閉環(huán)相移 即反饋信號與輸入信號同相，電路形成正反饋，滿足相位平衡條件。3、振蕩的振幅平衡條

12、件只要晶體三極管的值足夠大，該電路就能滿足振蕩的振幅平衡條件。L2越大，反饋越強，振蕩輸出越大，電路越容易起振，只要求用較小的晶體管就能夠使振蕩電路起振。3、 振蕩頻率 （7-11）式（7-11）中M為耦合線圈的互感系數(shù)。通過改變電容C可改變輸出信號頻率。5、電路優(yōu)缺點（1）電路較簡單，易聯(lián)接。（2）耦合緊，同名端不會接錯，易起振。（3）采用可變電容器，能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率，振蕩頻率一般為幾十赫茲至幾十兆赫茲。（4）高次諧波分量大，波形較差。四、電容三點式振蕩電路1、電路組成電容三點式振蕩電路又稱為考畢茲電路，電路如圖7-7所示，反饋電壓取自C1、C2組成的電容分壓器。晶體管VT為放大器

13、件，Rb1、Rb2、RC、Re用來建立直流通路和合適的工作點電壓，Cb為耦合電容，Ce為旁路電容，L、C1、C2并聯(lián)回路組成選頻反饋網(wǎng)絡(luò)。與電感三點式振蕩電路的情況相似，這樣的聯(lián)接也能保證實現(xiàn)正反饋，產(chǎn)生振蕩。 圖7-7 電容三點式振蕩電路 圖7-8 改進型電容三點式振蕩電路2、振蕩頻率 （712）式（712）中 3、電路優(yōu)缺點（1）反饋電壓從電容C2兩端取出，頻率越高，容抗越小，反饋越弱，減少了高次諧波分量，從而輸出波形好，頻率穩(wěn)定性也較高。（2）振蕩頻率較高，可達100MHz以上。（3）要改變振蕩頻率，必須同時C1和C2調(diào)節(jié)不方便，并將導(dǎo)致振蕩穩(wěn)定性變差。4、克拉潑振蕩電路為了方便地調(diào)節(jié)電

14、容三點式振蕩電路的振蕩頻率，通常在線圈L上串聯(lián)一個容量較小的可變電容C3，電路如圖7-8所示。例7-1 標(biāo)出圖7-9所示電路中變壓器的同名端，使之滿足產(chǎn)生振蕩的相位條件。解 運用“瞬時極性法”，欲使電路滿足相位條件，則應(yīng)符合圖中標(biāo)識的極性，那么，與是同名端，與是同名端。 圖7-9 例7-1的圖 圖7-10 例7-2的圖例72 電路如圖76所示，L1=0.3mH，L2=0.2mH，M=0.1mH，電容C在33pF到330pF范圍內(nèi)可調(diào)，求：（1）畫出交流通路（2）振蕩頻率f的變化范圍。解 交流通路如圖7-10所示。答：振蕩頻率f在331.31kHz1.048MHz范圍內(nèi)可調(diào)。第三節(jié) RC振蕩電路

15、LC振蕩電路的振蕩頻率過低時，所需的L和C就很大，這將使振蕩電路結(jié)構(gòu)不合理，經(jīng)濟不合算，而且性能也變壞，在幾百千赫茲以下的振蕩電路常采用RC振蕩電路。由RC元件組成的選頻網(wǎng)絡(luò)有RC稱相型，RC串并聯(lián)型，RC雙T型等結(jié)構(gòu)。這里主要介紹RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)組成的振蕩電路，即RC橋式正弦波振蕩電路。一、RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC橋式電路如圖7-11所示，設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C，則反饋系數(shù)令 ，即 （713）則式（7-13）可寫為其頻率特性曲線如圖7-12（a）、（b）所示。從圖中可看出，當(dāng)信號頻率f=f0時，uf與u0同相，且有反饋系數(shù) 為最大。 (a)幅頻特性 (b)相頻特性 圖711

16、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 圖712 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性二、RC橋式振蕩電路1、電路組成圖7-13所示電路是文氏電橋振蕩電路的原理圖，它由同相放大器及反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。圖中RC串并聯(lián)電路組成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，電阻Rf、R是同相放大器中的負反饋回路，由它決定放大器的放大倍數(shù)。2、 RC橋式振蕩電路的起振條件同相放大器的輸出電壓與輸入電壓同相，即，從分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性知，當(dāng)輸入RC網(wǎng)絡(luò)的信號頻率f=f0時，與同相，即，整個電路的相移，即為正反饋，滿足相位平衡條件。放大器的放大倍數(shù)，從分析RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性知，在R1=R2=R，C1=C2=C的條件下，當(dāng)f=f0時，反饋系數(shù)F=1/3達到最大

17、，此時，只要放大器的電壓放大倍數(shù)略大于連（即Rf2R），就能滿足AF1的條件，振蕩電路能自行建立振蕩。 圖7-13 文氏電橋振蕩電路的原理圖 圖7-14 穩(wěn)幅的振蕩電路3、穩(wěn)幅方法根據(jù)振蕩幅度的變化來改變負反饋的強弱是常用的自動穩(wěn)幅措施。如圖714所示電路就是一個穩(wěn)幅的文氏振蕩電路。圖中R1、R2、C1、C2構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，結(jié)型場效應(yīng)管3DJ6作可變電阻的穩(wěn)幅電路，這種電路使場效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，使其成為壓敏電阻。D和S兩端的等效阻抗隨柵壓而變，以控制反饋通路的反饋系數(shù)，從而穩(wěn)定振幅。第四節(jié) 晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。在晶體的兩個電極上加交

18、流電壓時，晶體就會產(chǎn)生機械振動，而這種機械振動反過來又會產(chǎn)生交變電場，在電極上出現(xiàn)交流電壓，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果外中交變電壓的頻率與晶片本身的固有振動頻率相等，振同明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電振蕩，稱該晶體為石英晶體振蕩器，簡稱晶振，它的諧趣振頻率僅為晶片的外形尺寸與切割方式等有關(guān)。一、石英晶體的頻率特性石英晶體的符號和等效電路如圖7-15（a）、（b）所示。從石英晶體振蕩器的等效電路可知，他有串聯(lián)諧趣振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp。（1）當(dāng)LCR支路發(fā)生串聯(lián)諧振時，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗），諧振頻率為 （714）（2）當(dāng)頻率高于fs時，LCR支路呈感性，可與

19、電容CO發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振頻率為 （715）由于CC0，因此fs和fp非常接近。根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性的畫出它的電抗曲線，如圖715（d）所示，當(dāng)頻率ffs或ffp 時，石英晶體呈容性；當(dāng)fsffp時，石英晶體呈感性。 （a） （b） （c） （d） 圖7-15 石英晶體的符號、等效電路和電抗頻率特性通常，石英晶體產(chǎn)品給出的標(biāo)稱頻率不是fs也不是fp，而是串接一個負載小電容CL時的校正振蕩頻率，如圖7-15（c）所示。利用CL可使得石英晶體的諧振頻率在一個小范圍內(nèi)（即fsfp之間）調(diào)整。CL值應(yīng)比C大。二、石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路的形式是多種多樣的，但其基本電路只有兩類，即并聯(lián)

20、晶體振蕩器和串聯(lián)晶體振蕩器?，F(xiàn)以圖7-16所示的并聯(lián)晶體諧振器的原理圖為例作簡要介紹。圖716 并聯(lián)型晶體振蕩電路圖7-16所示電路是石英晶體以并聯(lián)諧振電路的形式出現(xiàn)，從圖中可看出，該電路是電容三點式LC振蕩電路，晶體在此起電感的作用。諧振頻率f在fs與fp之間，由C1、C2、C3和石英晶體等效電感L決定，由于C1C3和C2C3，所以振蕩頻率主要取決于石英晶體與C3諧振頻率。石英晶振的頻率相對偏移率為10-910-11，RC振蕩器在10-3以上，LC振蕩器在10-4左右。晶振的頻率穩(wěn)定度遠高于后兩者，一般用在對頻率穩(wěn)定要求較高的場合，如用在數(shù)字電路和計算機中的時鐘脈沖發(fā)生器等。習(xí)題七7-1產(chǎn)生自激蕩的振幅平衡條件和相位平衡條件是什么？滿足穩(wěn)定振蕩條件是什么？7-2正弦波振蕩電路一般包括哪幾個組成部分？各部分的作用是什么？7-3簡述變壓器反饋式振蕩電路的組成，振蕩原理。7-