第5章 振蕩電路

1、第第5 5章章 振蕩電路振蕩電路1、正弦波自激振蕩的基本原理、正弦波自激振蕩的基本原理2、RC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路3、LC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路4、石英晶體振蕩器、石英晶體振蕩器5、非正弦波發(fā)生電路、非正弦波發(fā)生電路第一節(jié)第一節(jié) RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器一、一、自激振蕩的基本原理自激振蕩的基本原理二、二、 RC串并聯(lián)選頻電路串并聯(lián)選頻電路三、三、文氏橋式文氏橋式RC振蕩器振蕩器要求：無外加信號(hào)，輸出一定頻率一定幅值的信號(hào)。要求：無外加信號(hào)，輸出一定頻率一定幅值的信號(hào)。 與負(fù)反饋放大電路振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電路中引入的是與負(fù)反饋放大電路振蕩的不同之處：在正弦波振蕩電

2、路中引入的是正反饋正反饋，且，且振蕩頻率可控振蕩頻率可控。在各種頻率都有的電擾動(dòng)下，對(duì)于某一特定頻率在各種頻率都有的電擾動(dòng)下，對(duì)于某一特定頻率f0的信號(hào)形成正反饋：的信號(hào)形成正反饋：oioXXX由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。穩(wěn)定在一定的幅值。一一. . 產(chǎn)生自激振蕩的原理產(chǎn)生自激振蕩的原理反饋信號(hào)代替了放大反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。電路的輸入信號(hào)。正弦波激振蕩正弦波激振蕩平衡條件平衡條件offidXFX ,XXoidoXAFXAX 1、正弦波自激振蕩、正弦波自激振蕩條件條件1F

3、A得得：基本放大基本放大電路電路 A反饋電路反饋電路FidXoXfX1)()( FA 振幅平衡條件振幅平衡條件n2)()(FA相位平衡條件相位平衡條件穩(wěn)幅電路：當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使穩(wěn)幅電路：當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從振幅平衡條件從AF1 回到回到AF= 1相位條件相位條件意味著振蕩電路必須是意味著振蕩電路必須是正反饋正反饋；振幅條件振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到?？梢酝ㄟ^調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。若若A()F() = 1，稱為等幅振蕩；，稱為等幅振蕩；若若A()F() 1，則稱為增幅振蕩；，則稱為增幅振蕩； 要獲得正弦自激振蕩，反饋回路中必須有

4、選頻電路。要獲得正弦自激振蕩，反饋回路中必須有選頻電路。起振與穩(wěn)幅：起振與穩(wěn)幅：輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅輸出電壓從幅值很小、含有豐富頻率，到僅有一種頻率且幅值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。值由小逐漸增大直至穩(wěn)幅。幅值很小幅值很小頻率豐富頻率豐富頻率趨于頻率趨于單一幅值單一幅值逐漸增大逐漸增大逐漸變?yōu)橹饾u變?yōu)閱我活l率的單一頻率的穩(wěn)幅振蕩穩(wěn)幅振蕩振蕩的建立和穩(wěn)定振蕩的建立和穩(wěn)定 振蕩電路是一個(gè)閉合的正反饋系統(tǒng)，正反饋使整個(gè)振蕩電路是一個(gè)閉合的正反饋系統(tǒng)，正反饋使整個(gè)電路的信號(hào)振幅不斷增長，而放大器的非線性則使信號(hào)電路的信號(hào)振幅不斷增長，而放大器的非線性則使信號(hào)振幅減小，信號(hào)最后

5、達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的幅度，從而形振幅減小，信號(hào)最后達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的幅度，從而形成一定幅度的穩(wěn)定振蕩。成一定幅度的穩(wěn)定振蕩。起振起振穩(wěn)幅穩(wěn)幅起振條件：起振條件：2. 起振和穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅1)()( FA問題問題1：如何起振？如何起振？Uo 是振蕩器的電壓輸出幅度，是振蕩器的電壓輸出幅度，UB是要求輸出的是要求輸出的幅度。起振時(shí)幅度。起振時(shí)Uo= 0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=UB。放大電路中存在內(nèi)部噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可放大電路中存在內(nèi)部噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量，其中也包括有分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。分量。滿足滿足|AF|1，即可起振。，即可

6、起振。選頻網(wǎng)絡(luò)：選頻網(wǎng)絡(luò)： 把把滿足相位平衡條件的某一頻率滿足相位平衡條件的某一頻率 fo分量分量的噪聲信的噪聲信號(hào)被放大，成為振蕩電路的輸出信號(hào)。號(hào)被放大，成為振蕩電路的輸出信號(hào)。問題問題2：如何穩(wěn)幅？如何穩(wěn)幅？起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時(shí)若起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時(shí)若 |AF| 仍大于仍大于1，則輸出將會(huì)飽和失真。，則輸出將會(huì)飽和失真。穩(wěn)幅電路：當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使穩(wěn)幅電路：當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從振幅平衡條件從 AF 1 回到回到 AF = 1 振蕩電路是一個(gè)閉合的正反饋系統(tǒng)，正反饋使整個(gè)電路振蕩電路是一個(gè)閉合的正反饋系

7、統(tǒng)，正反饋使整個(gè)電路的信號(hào)振幅不斷增長，的信號(hào)振幅不斷增長，而放大器的非線性則使信號(hào)振幅減小而放大器的非線性則使信號(hào)振幅減小，信號(hào)最后達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的幅度，從而形成一定幅度的，信號(hào)最后達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的幅度，從而形成一定幅度的穩(wěn)定振蕩穩(wěn)定振蕩。3. 3. 正弦波振蕩電路基本組成部分正弦波振蕩電路基本組成部分1) 放大電路：放大作用放大電路：放大作用2) 正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件3) 選頻網(wǎng)絡(luò)：確定選頻網(wǎng)絡(luò)：確定f0，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩4) 非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)幅非線性環(huán)節(jié)（穩(wěn)幅環(huán)節(jié)）：穩(wěn)幅常合二為一常合二為一4. 4. 分類分類常用選頻

8、網(wǎng)絡(luò)所用元件分類。常用選頻網(wǎng)絡(luò)所用元件分類。1) RC正弦波振蕩電路：正弦波振蕩電路：1兆赫兆赫以下以下2) LC正弦波振蕩電路：幾百正弦波振蕩電路：幾百千赫千赫幾百幾百兆赫兆赫3) 石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定石英晶體正弦波振蕩電路：振蕩頻率穩(wěn)定二、二、RC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)低頻段低頻段高頻段高頻段在頻率從在頻率從0中必有一個(gè)頻率中必有一個(gè)頻率f0，F(xiàn)0。C 210Rf 諧振頻率為諧振頻率為UiU0UiU0UiU0Uo.Uf.I.U0UiUo.Uf.I.U0Ui900 0Ff，Uf0900 Ff，Uf0在頻率從在頻率從0中必有一個(gè)頻率中必有一個(gè)頻率

9、f0，F(xiàn)0。900 0Ff，Uf0900 Ff，Uf0R1C1 串聯(lián)阻抗：串聯(lián)阻抗：R2C2 并聯(lián)阻抗：并聯(lián)阻抗：R1C1R2C2uiuo111j1CRZ22222222j1j1j1CRRCRCRZ ) 1 ( j31RCRCFRC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)電壓傳輸系數(shù)F當(dāng)當(dāng) =1/RC 時(shí)，不但時(shí)，不但=0，且，且 最大，為最大，為1/3。FCRCRCRUUF j1 j1 j1ofUiU0UiU0RCf21RC1f200三、文氏橋式三、文氏橋式RC振蕩器振蕩器BARC 橋式正弦波振蕩電路（文氏橋振蕩器）橋式正弦波振蕩電路（文氏橋振蕩器）將將RC選頻電路選頻電路 接入接入 同

10、相比例運(yùn)算同相比例運(yùn)算電路。電路。1f2RR Foi1(1)RuuR當(dāng)當(dāng) f=f0時(shí)，時(shí)，=0，且且F最大，為最大，為1/3。Ui=UpUi=Up文氏橋振蕩器文氏橋振蕩器 以以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并、并引入同相引入同相比例運(yùn)算放大器比例運(yùn)算放大器，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路。，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成橋路。一對(duì)頂點(diǎn)作為接地及輸出電壓，一對(duì)頂點(diǎn)作為接地及輸出電壓，一對(duì)頂點(diǎn)作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋振蕩器。一對(duì)頂點(diǎn)作為放大電路的凈輸入電壓，就構(gòu)成文氏橋振蕩器。改進(jìn)型：頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器改進(jìn)型：頻率可調(diào)的文氏橋振蕩器 改變電容以粗調(diào)，改變電改變電容以粗調(diào)，

11、改變電位器滑動(dòng)端以微調(diào)。位器滑動(dòng)端以微調(diào)。電位器電位器三、三、LC LC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 1 1. LC. LC并聯(lián)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性網(wǎng)絡(luò)的選頻特性 理想理想LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在諧振時(shí)呈純阻性在諧振時(shí)呈純阻性,且電且電阻達(dá)到最大阻達(dá)到最大。LCf 210諧振頻率為諧振頻率為選頻放大電路LCff 210諧振頻率為諧振頻率為構(gòu)成正弦波振蕩電路最簡單的做法是通過構(gòu)成正弦波振蕩電路最簡單的做法是通過變壓器反饋式、電感反饋?zhàn)儔浩鞣答伿?、電感反饋式式、電容反饋電容反饋式式?理想理想LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在諧振在諧振時(shí)呈純阻性時(shí)呈純阻性,且電阻達(dá)到最且電阻達(dá)到最大大。2 2. . 變壓器反饋

12、式變壓器反饋式電路電路)(0iffUfU特點(diǎn)：特點(diǎn)： 易振，波形較好；易振，波形較好；耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。耦合不緊密，損耗大，頻率穩(wěn)定性不高。必須有合適的同必須有合適的同名名端！端！LCLC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩頻率振蕩頻率: :LCf210適用于頻率約為幾十適用于頻率約為幾十kHz到幾到幾MHz的情況。的情況。 二、電感二、電感反饋式反饋式振蕩器振蕩器反饋信號(hào)反饋信號(hào)uf 來自線圈來自線圈L2上的電壓，故稱為電感反饋式振蕩器上的電壓，故稱為電感反饋式振蕩器。 LCLC并聯(lián)諧振回路的電感線圈的三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)電極相連，所并聯(lián)諧振回路的電感線圈的三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的

13、三個(gè)電極相連，所以又稱為電感三點(diǎn)式振蕩器。以又稱為電感三點(diǎn)式振蕩器。電感電感反饋式反饋式振蕩器工作原理振蕩器工作原理)(0iffU振蕩頻率振蕩頻率: :CMLLf)2(21210式中式中 M 是線圈是線圈 L1和和 L2之間的互感系數(shù)。之間的互感系數(shù)。該電路振蕩頻率中該電路振蕩頻率中等，一般可達(dá)到幾等，一般可達(dá)到幾十十MHz。 特點(diǎn)：耦合緊密，易振，振幅大，特點(diǎn)：耦合緊密，易振，振幅大，C 用可調(diào)電容用可調(diào)電容可獲得較寬范圍的振蕩頻率?？色@得較寬范圍的振蕩頻率。波形較差，常含有高次諧波。波形較差，常含有高次諧波。反饋信號(hào)反饋信號(hào)uf來自電容來自電容C2 的電壓，故稱為電容反饋式振蕩器。的電壓，

14、故稱為電容反饋式振蕩器。 LC并聯(lián)諧振回路的電容的三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)電極相連，所以并聯(lián)諧振回路的電容的三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)電極相連，所以又又稱為電容三點(diǎn)式振蕩器。稱為電容三點(diǎn)式振蕩器。三、電容反饋式振蕩器三、電容反饋式振蕩器電容反饋式（電容三點(diǎn)式）電路電容反饋式（電容三點(diǎn)式）電路工作原理工作原理iUfU特點(diǎn)：特點(diǎn)：波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場合。波形好，振蕩頻率調(diào)整范圍小，適于頻率固定的場合。)(2121210CCCCLfLCfCCCC21 021，則且若與放大電路參數(shù)無關(guān)與放大電路參數(shù)無關(guān)這種電路振蕩頻率較高，一般這種電路振蕩頻率較高，一般可達(dá)到可達(dá)到10010

15、0MHz以上。以上。 石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖及符號(hào)四、石英晶體振蕩器四、石英晶體振蕩器 1 1、石英晶體的基本特性、石英晶體的基本特性正效應(yīng)：正效應(yīng)：在石英晶片的兩極加一電場，晶片將產(chǎn)生在石英晶片的兩極加一電場，晶片將產(chǎn)生機(jī)械變形。機(jī)械變形。壓電諧振：壓電諧振：晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定晶片上外加交變電壓的頻率為某一特定頻率時(shí)，振幅突然增加。頻率時(shí)，振幅突然增加。石英晶體最基本的特性是具有石英晶體最基本的特性是具有壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)。逆效應(yīng)：逆效應(yīng)：若在晶片上施加機(jī)械壓力，在晶片相應(yīng)的方若在晶片上施加機(jī)械壓力，在晶片相應(yīng)的方向上會(huì)產(chǎn)生一定的電場。向上

16、會(huì)產(chǎn)生一定的電場。SiO2結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。結(jié)晶體按一定方向切割的晶片。壓電效應(yīng)和壓電振蕩：機(jī)械變形和電場的關(guān)系壓電效應(yīng)和壓電振蕩：機(jī)械變形和電場的關(guān)系固有頻率只決定于其幾何尺寸，故非常穩(wěn)定固有頻率只決定于其幾何尺寸，故非常穩(wěn)定。容性容性感性感性2 2、石英晶體的特點(diǎn)石英晶體的特點(diǎn)3 3、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路工作原理、并聯(lián)型石英晶體振蕩電路工作原理iU振蕩頻率：振蕩頻率：s021fLCf 這時(shí)石英晶體起電感的作用這時(shí)石英晶體起電感的作用4、串聯(lián)型晶體振蕩器工作原理、串聯(lián)型晶體振蕩器工作原理石英晶體連接在石英晶體連接在共基放大器共基放大器T1的射極與的射極與T2的射極跟隨器的射的射極

17、跟隨器的射極之間極之間作為正反饋電路作為正反饋電路，工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，其振蕩頻率，工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，其振蕩頻率為為 f1，此時(shí)晶體振蕩器表現(xiàn)為電阻性。，此時(shí)晶體振蕩器表現(xiàn)為電阻性。振蕩頻率：振蕩頻率：五、非正弦波發(fā)生電路五、非正弦波發(fā)生電路1、常見的非正弦波、常見的非正弦波2、矩形波發(fā)生電路、矩形波發(fā)生電路3、三角波發(fā)生電路、三角波發(fā)生電路4、鋸齒波發(fā)生電路、鋸齒波發(fā)生電路（1 1）常見的非正弦波）常見的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波鋸齒波鋸齒波矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過波形變換得到其它波形。矩形波是基礎(chǔ)波形，可通過波形變換得到其它波形。尖頂波尖頂波（2）矩形波發(fā)生電路）矩形波發(fā)生電路 輸

18、出無穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫態(tài)輸出無穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫態(tài)；若輸出為高電平時(shí)定義為；若輸出為高電平時(shí)定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。1. 1. 基本組成部分基本組成部分 （1）輸出電路）輸出電路：因?yàn)檩敵鲋挥懈唠娖胶偷碗娖絻煞N情況，：因?yàn)檩敵鲋挥懈唠娖胶偷碗娖絻煞N情況，即兩個(gè)暫態(tài)；故采用電壓比較器。即兩個(gè)暫態(tài)；故采用電壓比較器。 （2）反饋網(wǎng)絡(luò)）反饋網(wǎng)絡(luò)：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時(shí)孕育翻：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時(shí)孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。 （3）延遲環(huán)節(jié)）延遲環(huán)節(jié)：要使兩個(gè)暫態(tài)均維持一定的時(shí)間，故采：要使兩

19、個(gè)暫態(tài)均維持一定的時(shí)間，故采用用RC環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)，從而決定振蕩頻率，從而決定振蕩頻率 。2. 2. 電路組成電路組成Z211TURRRU正向充電：正向充電： uO（+UZ）R3C地地反向充電：反向充電： 地地C R3 uO（UZ）RC 回路回路ZU滯回比較器滯回比較器ZU3. 3. 工作原理工作原理：分析方法分析方法初次合閘通電時(shí)電容上電壓為初次合閘通電時(shí)電容上電壓為0，uO上升，則產(chǎn)生正反饋過程：上升，則產(chǎn)生正反饋過程：uO uP uO ，直至直至 uOUZ， uP+UT，為為第一暫態(tài)。第一暫態(tài)。第一暫態(tài)第一暫態(tài)：uOUZ， uP+UT。Z211TURRRU電容正向充電，電容正向充電，t uN，當(dāng)當(dāng)uN +UT時(shí)，再時(shí)，再繼續(xù)繼續(xù)增大，增大， uN大于大于uP ，uO從從+ UZ躍變?yōu)檐S變?yōu)閁Z， uPUT，電路進(jìn)入電路進(jìn)入第二暫態(tài)第二暫態(tài)。電容反向充電，電容反向充電，t uN，當(dāng)當(dāng)uN UT時(shí)，再時(shí)，再繼續(xù)繼續(xù)減小，減小， uN小于小于uP ，uO從從 UZ躍變?yōu)檐S變?yōu)?UZ， uP+UT，電路電路返回第一暫態(tài)返回第一暫態(tài)。第一暫態(tài)第一暫態(tài)：u