第5章諧振放大器和正弦波振蕩器

第5章諧振放大器和正弦波振蕩器第一頁，共37頁。諧振放大器：具有選頻和放大功能的放大器。它是利用LC并聯(lián)回路的選頻特性，從一個(gè)頻帶中選出某一頻率進(jìn)行放大，而將其它頻率予以抑制。5.1諧振放大器諧振放大器寬頻帶放大器電路組成特點(diǎn)：采用LC并聯(lián)諧振回路作放大器的負(fù)載。應(yīng)用：無線電發(fā)射和接收設(shè)備。第二頁，共37頁。當(dāng)信號(hào)頻率f等于諧振頻率

時(shí)，LC并聯(lián)電路發(fā)生諧振，阻抗Z最大。（1）LC并聯(lián)回路的阻抗頻率特性5.1.1LC并聯(lián)回路的選頻特性（2）LC并聯(lián)回路的相位頻率特性當(dāng)f=f0時(shí)，v與i的相位差φ=0o，電路呈純電阻性。阻頻特性和相頻特性統(tǒng)稱為LC并聯(lián)電路的頻率特性。它說明了LC并聯(lián)電路具有區(qū)別不同頻率信號(hào)的能力，即具有選頻特性。LC并聯(lián)回路第三頁，共37頁。（3）阻頻特性與Q值關(guān)系品質(zhì)因數(shù)Q表征LC并聯(lián)電路選頻特性的好壞。實(shí)驗(yàn)和理論證明：R越小，Q值越大，曲線越尖銳，電路選頻能力越強(qiáng)；R越大，Q值越小，曲線越平坦，電路選頻能力越差。LC并聯(lián)電路的Q值，一般在幾十到一二百之間。第四頁，共37頁。5.1.2常用諧振放大器

（1）電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：放大管集電極負(fù)載由一個(gè)LC并聯(lián)回路構(gòu)成，電源經(jīng)電感線圈抽頭接入，其目的是使諧振回路有高的Q值，提高放大器的選擇性。

1.單回路諧振放大器（2）工作原理：輸入信號(hào)vi經(jīng)T1耦合到放大管V的基極，經(jīng)V放大后，由諧振回路選出f=f0的信號(hào)，由T2耦合輸出。（3）電路的通頻帶和選擇性：主要取決于諧振曲線，而它與理想的矩形諧振曲線相比相差甚遠(yuǎn)，因此，這種電路只能用于對(duì)通頻帶和選擇性要求不高的場合。第五頁，共37頁。2.雙回路調(diào)諧放大器電路組成特點(diǎn)：集電極負(fù)載采用兩個(gè)諧振回路，利用它們之間的耦合強(qiáng)弱來改善通頻帶和選擇性。（1）互感耦合雙回路調(diào)諧放大器電路特點(diǎn)：放大管集電極負(fù)載由兩個(gè)LC并聯(lián)回路構(gòu)成，它們之間采用互感耦合。調(diào)節(jié)L1、L2之間的距離或磁芯的位置，可改變耦合程度，從而改善電路的通頻帶和選擇性。工作原理：假定L1C1和L2C2調(diào)諧在信號(hào)頻率上，輸入信號(hào)vi通過T1送到V時(shí)，經(jīng)V放大的信號(hào)先由L1C1并聯(lián)回路選出f=f0的信號(hào)，并耦合到L2C2并聯(lián)回路進(jìn)一步選頻，最后在電感線圈L2的抽頭處產(chǎn)生最大的輸出電壓vo。第六頁，共37頁。電路特點(diǎn)是通過外接電容Ck實(shí)現(xiàn)兩個(gè)調(diào)諧回路之間的耦合，改變Ck的大小即可改變耦合程度，從而改善電路的通頻帶和選擇性。（2）電容耦合雙回路調(diào)諧放大器第七頁，共37頁。（3）選擇性和通頻帶與耦合程度的關(guān)系臨界耦合時(shí)，諧振曲線也呈單峰，但中心頻率f0處曲線較平坦，與理想的矩形諧振曲線很接近。弱耦合時(shí)，諧振曲線出現(xiàn)單峰；強(qiáng)耦合時(shí)，諧振曲線出現(xiàn)雙峰，中心頻率f0處下凹的程度與耦合強(qiáng)度成正比；雙回路調(diào)諧放大器有較好的通頻帶和選擇性，所以應(yīng)用廣泛。第八頁，共37頁。中心頻率：諧振放大電路的工作頻率，一般在幾百kHz到幾百M(fèi)Hz。5.1.3諧振放大器的主要性能指標(biāo)增益：指放大電路對(duì)有用信號(hào)的放大能力。通頻帶：指其電壓增益頻率響應(yīng)特性由最大值下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率寬度，通常以BW表示。選擇性：指對(duì)通頻帶之外干擾信號(hào)的衰減能力。噪聲系數(shù)：輸入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比之比值。工作穩(wěn)定性：指當(dāng)放大電路的工作狀態(tài)、元件參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)，放大器的主要性能的穩(wěn)定程度。第九頁，共37頁。5.2正弦波振蕩電路

自激振蕩現(xiàn)象：擴(kuò)音系統(tǒng)在使用中有時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的嘯叫聲,其形成的過程如圖所示。自由振蕩——電容通過電感充放電，電路進(jìn)行電能和磁能的轉(zhuǎn)換過程。阻尼振蕩——在振蕩過程中，因損耗等效電阻R將部分電能轉(zhuǎn)換成熱能而出現(xiàn)的減幅振蕩。等幅振蕩——利用電源對(duì)電容充電，補(bǔ)充電容對(duì)電感放電過程中的能量損耗。vvVC第十頁，共37頁。5.2.1正弦波振蕩電路的組成框圖1.振蕩器振蕩器是一種無需外加信號(hào)，就能自動(dòng)將直流電能轉(zhuǎn)換成某一頻率的交流信號(hào)的電路。振蕩器與電壓放大器組成框圖的比較：振蕩器的組成部分：放大器和正反饋電路。第十一頁，共37頁。

正弦波振蕩器：具有單一工作頻率的自激振蕩電路。正弦波振蕩器組成：放大電路、選頻電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)。2.正弦波振蕩器放大器——維持振蕩器連續(xù)工作。選頻電路——保證電路僅對(duì)某個(gè)特定(單一）的頻率信號(hào)產(chǎn)生諧振。正反饋網(wǎng)絡(luò)——使電路產(chǎn)生自激振蕩。第十二頁，共37頁。

正弦波振蕩器與諧振放大器電路的比較：+VccVvf

開關(guān)S：擲“1”端，電路為諧振放大器；擲“2”端,電路為正弦波振蕩器。第十三頁，共37頁。

①相位平衡條件：反饋信號(hào)的相位與輸入信號(hào)的相位相同，即為正反饋，即=2n

（n為自然數(shù)）其中，φ為vf與vi的相位差，n是整數(shù)。

②振幅平衡條件：反饋信號(hào)幅度與原輸入信號(hào)幅度相等，即5.2.2正弦波振蕩器的振蕩條件2.振蕩的起振條件

①振幅起振條件：反饋信號(hào)幅度大于原輸入信號(hào)幅度，即1.振蕩的平衡條件②相位起振條件：=2n

（n為自然數(shù)）第十四頁，共37頁。5.2.3正弦波振蕩器的建立與穩(wěn)定過程初始信號(hào)由接通電源的瞬間產(chǎn)生，該信號(hào)包含一系列頻率不同的正弦分量。選頻電路放大器正反饋電路當(dāng)振蕩信號(hào)幅度較小時(shí)，放大管處于線性放大區(qū)，因AVF>1，振蕩信號(hào)被不斷放大，直到信號(hào)幅度增大到使振蕩管超出線性放大區(qū)時(shí)，即當(dāng)AVF=1時(shí)，電路變?yōu)榈确袷帯?VccVvf第十五頁，共37頁。石英晶體振蕩器（頻率穩(wěn)定度極高）并聯(lián)型串聯(lián)型RC振蕩電路(低頻振蕩)RC橋式振蕩電路變壓器耦合式LC振蕩電路(高頻振蕩)三點(diǎn)式電容式電感式正弦波振蕩器的分類根據(jù)選頻電路組成元件的不同共基極

共發(fā)射極

5.3常用正弦波振蕩器第十六頁，共37頁。5.3.1LC振蕩器1.變壓器耦合式LC振蕩器電路組成特點(diǎn)：

用變壓器耦合方式把反饋信號(hào)送到輸入端。（1）共發(fā)射極變壓器耦合LC振蕩器LC振蕩器：利用LC選頻回路進(jìn)行選頻的振蕩器。LC振蕩器用來產(chǎn)生頻率為幾千赫~十幾兆赫的高頻信號(hào)。LC振蕩器分為變壓器耦合式振蕩器和三點(diǎn)式振蕩器兩大類。（2）共基極變壓器耦合LC振蕩器第十七頁，共37頁。①振蕩條件：電路能滿足相位平衡條件和振幅平衡條件。（1）共發(fā)射極變壓器耦合LC振蕩器假設(shè)的瞬時(shí)電壓極性。反饋信號(hào)的瞬時(shí)電壓極性。交流通路假設(shè)基極的瞬時(shí)電壓極性為負(fù)。從反饋線圈L3-4送回基極的瞬時(shí)電壓極性也為負(fù)，與假設(shè)的瞬時(shí)電壓極性相同，電路為正反饋。LC選頻電路21第十八頁，共37頁。

②工作原理：初始信號(hào)經(jīng)LC選頻回路產(chǎn)生頻率為fo的振蕩信號(hào)，其中一部分信號(hào)經(jīng)L3-4正反饋回到振蕩管基極，由放大器放大后，再選頻，再放大，不斷地循環(huán)，振蕩由弱到強(qiáng)逐漸建立，當(dāng)信號(hào)幅度增大到使振蕩管超出線性放大區(qū)時(shí)，電路自動(dòng)滿足振幅平衡條件AVF=1，電路作等幅振蕩。③

振蕩頻率電路的振蕩頻率為LC并聯(lián)回路的固有振蕩頻率，即

調(diào)節(jié)LC并聯(lián)回路中的電感量L或電容量C，均可改變電路的振蕩頻率fo。21第十九頁，共37頁。

（2）電路不滿足相位平衡條件。由圖中標(biāo)出的瞬時(shí)電壓極性可知，電路為負(fù)反饋。[例]判斷如下電路能否產(chǎn)生自激振蕩。（1）電路不滿足振幅起振條件。因三極管的基極被反饋線圈Lf短路接地，使V處于截止?fàn)顟B(tài)。+Vcc

解：判斷一個(gè)振蕩電路是否能產(chǎn)生振蕩的一般步驟是：①檢查電路的直流通路是否正確，即振蕩管能否處于放大狀態(tài)；②檢查電路的交流通路是否存在正反饋。第二十頁，共37頁。[例]判斷電路能否產(chǎn)生自激振蕩。解：電路滿足振幅起振條件和相位平衡條件，能產(chǎn)生自激振蕩。+Vcc

第二十一頁，共37頁。（2）共基極變壓器耦合LC振蕩器1①電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：L與C組成選頻回路；C1為旁路電容，使基極交流接地；C2為隔直耦合電容，將選頻回路中的一部分振蕩信號(hào)反饋到振蕩管的發(fā)射極；L1為反饋線圈，將放大后的信號(hào)送回到選頻回路，以補(bǔ)充回路中的能量損耗。

②振蕩條件：電路滿足振幅平衡和相位平衡條件，能產(chǎn)生自激振蕩。③振蕩頻率第二十二頁，共37頁。電路滿足相位條件；適當(dāng)選擇L２和L１的比值，使AVF>1，電路滿足振幅條件，電路即能產(chǎn)生振蕩，其振蕩頻率為：2.三點(diǎn)式LC振蕩電路電路特點(diǎn)：LC振蕩回路的三個(gè)端點(diǎn)與三極管的三個(gè)電極相連。(1)電感三點(diǎn)式振蕩器+Vcc_其中M是L１與L２之間的互感系數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率很高，一般可達(dá)到幾十兆赫。缺點(diǎn)：波形失真較大。第二十三頁，共37頁。(2)電容三點(diǎn)式振蕩器相位條件：當(dāng)振蕩管基極為“－”時(shí)，線圈1端電位為“＋”，3端電位為“－”，電路形成正反饋，滿足相位條件。振幅條件：適當(dāng)?shù)倪x擇C１、C２的數(shù)值，使電路具有足夠大的放大倍數(shù)，電路可產(chǎn)生振蕩。電路的振蕩頻率為電路特點(diǎn)：頻率較高，可達(dá)100MHz以上。優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)頻率不方便。+Vcc?第二十四頁，共37頁。1.RC

串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性5.3.2RC正弦波振蕩電路RC正弦波振蕩器是利用電阻和電容組成選頻電路的振蕩器。一般用來產(chǎn)生頻率在200HZ以下的低頻正弦信號(hào)。

（1）電路組成：RC串并聯(lián)電路如圖所示。第二十五頁，共37頁。（2）選頻特性

①幅頻特性：當(dāng)輸入信號(hào)頻率為0時(shí)，C1

、C2開路，輸出電壓vo為0。隨著輸入信號(hào)頻率f的增加，C1與C2的容抗逐漸減小，電路中出現(xiàn)電流，輸出電壓vo逐漸增大，在輸入信號(hào)頻率為無窮大的情況下，C1、C2短路，輸出電壓vo又為0。當(dāng)輸入信號(hào)頻率f=fo

時(shí)，輸出電壓最大，即

。其幅頻特性曲線描述了這個(gè)變化過程。第二十六頁，共37頁。

②相頻特性：當(dāng)輸入信號(hào)頻率為0時(shí)，輸出電壓v0超前于輸入電壓vi90o；當(dāng)輸入信號(hào)頻率為

fo時(shí)，輸出電壓

與輸入電壓同相位；當(dāng)輸入信號(hào)頻率為無窮大時(shí)，輸出電壓落后于輸入電壓90o。綜上所述，只有當(dāng)f=fo時(shí)，фF=0，且此時(shí)輸出電壓達(dá)到最大。由此可見，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。第二十七頁，共37頁。2.RC橋式振蕩器電路如圖所示，其中RC串并聯(lián)電路起正反饋和選頻作用，放大部分由同相放大電路組成。R3、R9是本級(jí)電流串聯(lián)負(fù)反饋電阻。Rf是級(jí)間電壓串聯(lián)負(fù)反饋電阻，它們的作用是減小失真、穩(wěn)定輸出。由于RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和Rf、R3組成電橋電路，所以這種電路又稱為RC橋式振蕩電路。（1）由分立元件構(gòu)成的RC橋式振蕩器第二十八頁，共37頁。電路如圖所示。其中，放大元件由集成運(yùn)放LM741承擔(dān)，它與R1、RP、R2、R3、V1、V2組成同相放大器，V1，V2起穩(wěn)幅作用；R4、C1、R5、C2組成RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，在電路中起正反饋?zhàn)饔?。?）由集成運(yùn)放構(gòu)成的RC橋式振蕩器第二十九頁，共37頁。（4）振蕩頻率（5）電路的優(yōu)缺點(diǎn)該電路頻率調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)范圍寬。由于電路引入了負(fù)反饋，所以工作穩(wěn)定，波形較好。目前，音頻（低頻）振蕩器多采用這種電路。在RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)中，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，則振蕩頻率為（3）電路的起振蕩條件只要同相放大器的放大倍數(shù)AV≥3，即有AVF≥1，電路即滿足起振蕩條件。第三十頁，共37頁。石英晶體諧振器是在晶片的兩個(gè)對(duì)面上噴涂一對(duì)金屬極板，引出兩個(gè)電極，加以封裝所構(gòu)成。5.3.3石英晶體振蕩器電路優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高，可達(dá)10－６～10－１１量級(jí)。1.石英晶體的基本特性及其等效電路第三十一頁，共37頁。壓電效應(yīng)：晶片在電壓產(chǎn)生的機(jī)械壓力下，其表面電荷的極性隨機(jī)械拉力而改變的一種現(xiàn)象。壓電諧振：外加交變電壓的頻率等于晶體固有頻率時(shí)，回路發(fā)生串聯(lián)諧振，電流振幅最大的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生壓電諧振時(shí)的振蕩頻率稱為晶體諧振器的諧振頻率。(１)壓電效應(yīng)第三十二頁，共37頁。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可用靜態(tài)電容C0來等效；當(dāng)晶體振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來等效；晶片的彈性可用電容C來等效；晶片振動(dòng)時(shí)的損耗用R來等效。（2）符號(hào)和等效電路石英晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)104~106，加之晶體的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān)，所以，由石英晶體諧振器組成振蕩電路，可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。第三十三頁，共37頁。由于