調諧放大器和正弦波振蕩器

調諧放大器和正弦波振蕩器第一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五本章學習目標理解調諧放大器的工作原理，了解基本調諧放大電路的構成和工作原理。理解自激振蕩的原理，掌握自激振蕩的條件，了解自激振蕩的建立過程，掌握判別電路是否產(chǎn)生自激振蕩的方法。理解變壓器耦合式LC振蕩器的構成和工作原理。第二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五了解三點式LC振蕩器的分類，清楚這些振蕩器的工作原理，理解三點式振蕩器的特點。了解石英晶體的基本特性、符號、等效電路及諧振頻率的基本知識。理解石英體振蕩電路的構成和工作原理，了解石英晶體在不同類型的振蕩電路中的作用。了解用集成運放電路組成的LC振蕩電路的工作原理。第三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五6.1調諧放大器6.1.1調諧放大器的工作原理6.1.2兩種基本的調諧放大電路第四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五6.1.1調諧放大器的工作原理調諧放大器：具有選頻放大能力的放大電路。電路特點：LC諧振回路作負載。應用：無線電發(fā)射和接收設備。第五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五一、LC并聯(lián)電路R為并聯(lián)電路損耗電阻。阻抗頻率特性表示了LC并聯(lián)電路的阻抗Z與信號頻率f之間的變化關系。當f=f0時，LC并聯(lián)電路發(fā)生諧振，阻抗最大。當f<f0或f>f0時，電路失諧，阻抗很小。因此，f0稱為諧振頻率，又稱固有頻率，即可見，元件L、C取定值時，諧振頻率f0是一個常數(shù)。第六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五可見，LC并聯(lián)電路隨信號頻率的變化呈現(xiàn)不同的性質。

2．相位頻率特性表示了LC并聯(lián)電路兩端電壓v和流進并聯(lián)電路電流I之間的相位角之差與信號頻率f之間的變化關系。當f=f0時，

=0，電路呈純阻性；當f<f0時，

>0，電路呈感性；當f>f0時，<0，電路呈容性；第七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五3．選頻特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)別不同頻率信號的能力，即具有選頻特性。品質因數(shù)它表征了LC并聯(lián)電路選頻特性的好壞。實驗和理論證明：R越小，Q值越大，曲線越尖銳，電路選頻能力越強；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。

第八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五4．選頻放大器電路特點是利用LC并聯(lián)電路作為負載，因此，放大電路具有選頻放大能力。工作原理：當信號頻率等于諧振頻率時，即f=f0，放大器輸出電壓最大；放大倍數(shù)AV0最大。這種表示選頻放大器的放大倍數(shù)與信號頻率關系的曲線，稱為調諧放大器的諧振曲線。第九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五6.1.2兩種基本的調諧放大電路一、單回路調諧放大器工作原理：輸入信號vi經(jīng)T1通過Cb和Ce送到晶體管的b、e極之間，放大后的信號經(jīng)LC諧振電路選頻由T2耦合輸出。電感抽頭和變壓器的作用是減少外界對諧振回路的影響，保證有高的Q值。單回路調諧放大器的通頻帶和選擇性取決于諧振曲線，與理想的矩形諧振曲線比相差甚遠，因此這種電路只能用于通頻帶和選擇性要求不高的場合。電路優(yōu)點：調整方便、工作穩(wěn)定；缺點：失真大。第十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五二、雙回路調諧放大器電路特點是集電極負載采用兩個諧振回路，利用它們之間的耦合強弱來改善通頻帶和選擇性。1．互感耦合：電路特點是雙調諧回路依靠互感實現(xiàn)耦合。調節(jié)L1、L2之間的距離或磁心的位置，改變耦合程度，從而改善通頻帶和選擇性。

工作原理：假定L1C1和L2C2調諧在信號頻率上，輸入信號vi通過T1送到V時，集電極信號電流經(jīng)L1C1產(chǎn)生并聯(lián)諧振。此時，由于互感耦合，L1中的電流在L2C2回路電感的抽頭處產(chǎn)生很大的輸出電壓vo。第十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五2．耦合：電路特點是通過外接電容Ck實現(xiàn)兩個調諧回路之間的耦合，改變Ck的大小就可改變耦合程度，從而改善通頻帶和選擇性。第十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五3．選擇性和通頻帶與耦合程度的關系：（3）臨界耦合時，諧振曲線也呈單峰，但中心頻率f0處曲線較平坦。（1）弱耦合時，諧振曲線出現(xiàn)單峰；（2）強耦合時，諧振曲線出現(xiàn)雙峰，中心頻率f0處下凹的程度與耦合強度成正比；可見，諧振曲線在臨界耦合時，與理想的矩形諧振曲線很接近。結論，雙回路調諧放大器有較好的通頻帶和選擇性，所以應用廣泛。第十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五6.2正弦波振蕩器6.2.1自激振蕩的工作原理6.2.2LC振蕩器6.2.3石英晶體振蕩器6.2.4用集成運算放大器組成的振蕩電路第十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.1自激振蕩的工作原理正弦波振蕩器：一種不需外加信號作用，能夠輸出不同頻率正弦信號的自激振蕩電路。一、LC回路中的自由振蕩自由振蕩——電容通過電感充放電，電路進行電能和磁能的轉換過程。阻尼振蕩——因損耗等效電阻R將電能轉換成熱能而消耗的減幅振蕩。等幅振蕩——利用電源對電容充電，補充電容對電感放電的振蕩過程。第十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五這種等幅正弦波振蕩的頻率稱LC回路的固有頻率，記作第十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五二、自激振蕩的條件1．相位平衡條件其中，為vf與vi的相位差，n是整數(shù)。vi、vo、vf的相互關系如圖所示。2．振幅平衡條件反饋信號幅度與原輸入信號幅度相等，即反饋信號的相位與輸入信號相位相同，即為正反饋，相位差是180o

的偶數(shù)倍，即=2n第十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五三、自激振蕩建立過程自激振蕩器：去掉信號源，把開關S和2端相連所組成的電路。自激振蕩建立過程：電路接通電源瞬間，輸入端產(chǎn)生瞬間擾動信號vi，振蕩管V產(chǎn)生集電極電流iC，因iC具有跳變性，它包含著豐富的交流諧波。第十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五經(jīng)LC并聯(lián)電路選出頻率為f0的信號，由輸出端輸出vo，同時通過反饋電路回送到輸入端，經(jīng)過放大、選頻、正反饋、再放大不斷地循環(huán)過程，將振蕩由弱到強的建立起來。當信號幅度進入管子非線性區(qū)域后，放大器的放大倍數(shù)降低到AVF=1時，振幅不再增加，自動維持等幅振蕩。第十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五(2)相位條件采用瞬時極性法，設V基極電位為“正”，根據(jù)共射電路的倒相作用，可知集電極電位為“負”，于是L同名端為“正”，根據(jù)同名端的定義得知，Lf同名端也為“正”，則反饋電壓極性為“負”。顯然，電路不能自激振蕩。[例6.2.1]判斷電路能否產(chǎn)生自激振蕩。解：圖(a)：(1)振幅條件因V基極偏置電阻Rb2被反饋線圈Lf短路接地，使V處于截止狀態(tài)，故電路不能起振。圖(b)：因隔直電容Cb避免了Rb2

被反饋線圈Lf短路，同時反饋電壓極性為“正”，電路滿足振幅平衡和相位平衡條件，所以電路能產(chǎn)生自激振蕩。第二十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.2LC振蕩器一、變壓器耦合式LC振蕩器電路特點：用變壓器耦合方式把反饋信號送到輸入端。常用的有以下兩種。1．共發(fā)射極變壓器耦合LC振蕩器(1)電路結構圖中V為振蕩放大管，電阻R1、R2、R3

為分壓式穩(wěn)定工作點偏置電路，C1、C2為旁路電容，LC并聯(lián)回路為選頻振蕩回路，L3-4為反饋線圈，L7-8為振蕩信號輸出端，電位器RP和電容C1組成反饋量控制電路。

動畫變壓器耦合LC振蕩器第二十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五(2)工作原理交流通路。對頻率f=f0的信號，LC選頻振蕩回路呈純阻性，此時vo和vf反相，即1=180o。輸出電壓vo再通過反饋線圈L3-4，使4端為正電位，即vf與vo的φ2=180o。于是φ1+φ2=180o+180o

=360o，保證了正反饋，滿足了相位條件。如果電路具有足夠大的放大倍數(shù)，滿足振幅條件，電路就能振蕩。調節(jié)RP可改變輸出幅度。第二十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五圖中V為振蕩放大管，電阻R1、R2、R3為分壓式穩(wěn)定工作點偏置電路，C1為基極旁路電容，C2為隔直耦合電容，L2為反饋線圈，L與C串聯(lián)組成選頻振蕩電路。2．共基極變壓器耦合LC振蕩器(1)電路結構第二十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五(2)工作原理交流通路如圖所示。接通電源瞬間，LC回路振蕩電壓加到管子基射極之間，形成輸入電壓，經(jīng)V放大后，輸出信號經(jīng)反饋線圈L2與L之間的互感耦合反饋到管子基射之間，若形成正反饋。在滿足振幅平衡條件下，電路產(chǎn)生振蕩。綜上分析可見，變壓器反饋電路的反饋強度，可通過L2與L1之間的距離來調節(jié)。變壓器耦合振蕩電路的振蕩頻率為若調節(jié)L、C，可改變振蕩頻率。第二十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五二、三點式LC振蕩電路相位條件：當線圈1端電位為“+”時，3端電位為“-”，此時2端電位低于１端而高于3端，即vf

與vo反相，經(jīng)倒相放大后，形成正反饋，即滿足相位條件。電路特點：LC振蕩回路三個端點與晶體管三個電極相連。1．電感三點式振蕩器振幅條件：適當選擇L２和L１的比值。使AV

F>1，滿足振幅條件。電路就能振蕩。第二十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五由于反饋電壓vf取自L２兩端，故改變線圈抽頭位置，可調節(jié)振蕩器的輸出幅度。L２越大，反饋越強，振蕩輸出越大，反之，L2越小，反饋越小，不易起振。電路振蕩頻率為

其中M是L１與L２之間的互感系數(shù)。

優(yōu)點：振蕩頻率很高，一般可達到幾十兆赫；缺點：波形失真較大。第二十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五2．電容三點式振蕩器電路交流通路相位條件：當線圈1端電位為“+”時，3端電位為“-”。此電壓經(jīng)C1、C2分壓后，2端電位低于1端而高于3端，即vf與vo反相，經(jīng)V倒相放大后，使1端獲“+”電位，形成正反饋，滿足相位條件。振幅條件：適當?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。電路振蕩頻率為

而電路特點：頻率較高，可達100MHz以上。優(yōu)點：輸出波形好。缺點：調節(jié)頻率不方便。第二十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五3．改進的電容三點式振蕩器Ci和Co分別是三極管的輸入和輸出電容，其數(shù)值隨溫度而變化，直接影響LC回路的振蕩頻率。取C1>>Co，C2>>Ci，以減小Ci和Co對振蕩頻率的影響，提高其穩(wěn)定性。由于C1、C2的增大，會導致Q值下降，且調節(jié)振蕩頻率時，必須同時改變C1、C2，實屬困難。為此，在LC回路中的電感支路串入一小電容C3，得到改進的電容三點式振蕩器。第二十八頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五取C3<<C1，C3<<C2。這樣，振蕩頻率f0與C1、C2、Ci、Co基本無關，只取決于C3和L。振蕩頻率為優(yōu)點：振蕩波形好，頻率比較穩(wěn)定。缺點：調節(jié)C3時，輸出信號幅度會隨頻率增大而降低。第二十九頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.3石英晶體振蕩器電路特點：頻率穩(wěn)定度高，可達10-11~10-6量級。一、石英晶體的基本特性及其等效電路石英晶體諧振器是在晶片的兩個對面上噴涂一對金屬極板，引出兩個電極，加以封裝所構成的器件。第三十頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五1．壓電效應

壓電效應：晶片在電壓產(chǎn)生的機械壓力下，其表面電荷的極性隨機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，回路發(fā)生串聯(lián)諧振，電流振幅最大的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生壓電諧振時的振蕩頻率稱晶體諧振器的諧振頻率。第三十一頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五2．符號和等效電路當晶體不振動時，可用靜態(tài)電容C0來等效，一般約為幾皮法到幾十皮法；當晶體振動時，機械振動的慣性可用電感L來等效，一般為10-3~10-2H；晶片的彈性可用電容C來等效，一般為10-2~10-1pF；晶片振動時的損耗用R來等效，阻值約為102?？芍?，品質因數(shù)Q很大，可達104~106。加之晶體的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關，其精度高而穩(wěn)定。所以，采用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。第三十二頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五它有兩個諧振頻率（1）當L、C、R支路串聯(lián)諧振時，等效電路的阻抗最小，串聯(lián)諧振頻率為（2）當?shù)刃щ娐凡⒙?lián)諧振時，并聯(lián)諧振頻率為由于C<<C0，因此fs和fp兩個頻率非常接近。第三十三頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五3．電抗頻率特性石英諧振器在fs和fp之間為感性，在此區(qū)域之外為容性。第三十四頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五二、石英晶體振蕩電路振蕩頻率在晶體諧振器的fs與fp之間。由于回路電容是C1和C2串聯(lián)后與Co并聯(lián)，再與C串聯(lián)，則回路電容為1．并聯(lián)型晶體振蕩電路

振蕩回路由C1、C2和晶體組成。其中，晶體起電感L的作用。等效電路：第三十五頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五振蕩回路的諧振頻率為由于C<<C0+C，則諧振頻率近似為可見，振蕩頻率基本上取決于晶體的固有頻率fs。故其頻率穩(wěn)定度高。第三十六頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五2．串聯(lián)型晶體振蕩電路晶體與電阻R串聯(lián)構成正反饋電路。當振蕩頻率等于晶體的固有頻率fs時，晶體阻抗最小，且為純電阻，電路滿足自激振蕩條件而振蕩，其振蕩頻率為f0=fs。否則不能振蕩。調節(jié)電阻R可獲得良好的正弦波輸出。第三十七頁，共四十三頁，編輯于2023年，星期五6.2.4用集成運算放大器組成的振蕩電路

L和C構成選頻網(wǎng)絡與電阻R3組成正反饋支路；R1和R2組成負反饋支路。當電源接通后，集成運放輸出信號經(jīng)選頻網(wǎng)絡選出頻率