波形發(fā)生電路(自激振蕩電路)

1、第八章 波形發(fā)生電路（自激振蕩電路）8.1 正弦波發(fā)生電路原理8.2 RC正弦波振蕩電路8.3 LC正弦波振蕩器8.4 石英晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱(chēng)晶振)波形發(fā)生電路的基本類(lèi)型有兩種：正弦波發(fā)生電路與非正弦波發(fā)生電路。§8.1 正弦波發(fā)生電路原理正弦波發(fā)生電路通常稱(chēng)為正弦波振蕩器。是模擬電子電路的一種重要形式。特點(diǎn)是不需要外加任何輸入信號(hào)就能根據(jù)要求而輸出特定頻率的正弦波信號(hào)。這種特點(diǎn)稱(chēng)為“自激振蕩”。波形發(fā)生電路是非常典型的正反饋放大電路。一、 產(chǎn)生自激振蕩的條件假設(shè)圖示電路中：先通過(guò)輸入一個(gè)正弦波信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)，此時(shí)，以極快的速度使輸出信號(hào)，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)送到輸入端，且使反饋信號(hào)與

2、原輸入信號(hào)“一模一樣”，同時(shí)切斷原輸入信號(hào)，由于放大器本身不能識(shí)別此時(shí)的輸入究竟來(lái)自信號(hào)源，還是來(lái)自本身的輸出，既然切換前后的輸入信號(hào)“一模一樣”，放大器就一視同仁地給予放大，形成：輸出反饋輸入放大輸出反饋這是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，放大器就構(gòu)成了一個(gè)“自給自足”的自激振蕩器。上述假設(shè)指出：只有反饋到輸入端的信號(hào)與原輸入信號(hào)“一模一樣”。才能產(chǎn)生自激振蕩，“一模一樣”就是自激振蕩的條件亦稱(chēng)平衡條件。是正弦波，而描述正弦波的三要素是：振幅、頻率和相位。 振幅相等；相位相同（若相位總相同，則頻率和初相一定都相等）因?yàn)樽约ふ袷幨且粋€(gè)正反饋放大器，故可用反饋的概念來(lái)描述振蕩條件。當(dāng)時(shí)由于和都是復(fù)數(shù) 此式要

3、成立，則必有，（） 振幅平衡條件 （）相位平衡條件 （正反饋相移為0、2）要維持自激振蕩必須滿足這兩個(gè)條件：（可以用蕩秋千為例說(shuō)明兩個(gè)條件） 一要“順勢(shì)”（相位平衡條件） 二要用力足夠（振幅平衡條件）保證兩個(gè)條件，秋千才能等幅擺動(dòng)。其中“順勢(shì)”（更重要，順勢(shì)才能省力）* 回過(guò)來(lái)再看負(fù)反饋放大器中產(chǎn)生自激的情況：負(fù)反饋放大器中，為了改善電路的性能，引入的是負(fù)反饋，即） （深度負(fù)反饋的條件）一旦在多級(jí)放大電路的低頻或高頻段上，附加相移）使（深度負(fù)反饋條件下的自激條件）（中的） 負(fù)反饋?zhàn)兂闪苏答?）這種情況是要設(shè)法避免的。但我們?nèi)粢狗糯笃鳟a(chǎn)生振蕩時(shí)，就要有意識(shí)地將電路接成正反饋。* 振蕩的建立與

4、穩(wěn)定實(shí)際上，振蕩不需要上述假設(shè)就可建立起來(lái)。接通電源的瞬間，總會(huì)有通電瞬間的電沖擊、電干擾、晶體管的熱噪聲等，盡管這些噪聲很微弱，也不是單一頻率的正弦波，但卻是由許多不同頻率的正弦波疊加組合而成的。在不斷放大反饋選頻放大反饋選頻的過(guò)程中，振蕩就可以自行建立起來(lái)。這個(gè)過(guò)程可簡(jiǎn)述為；電干擾放大選頻正反饋放大選頻正反饋顯然，建立過(guò)程中，每一次反饋回來(lái)的信號(hào)都比前一次大。那么，振蕩輸出會(huì)不會(huì)無(wú)休止的增長(zhǎng)呢？晶體管是一個(gè)非線性元件，只有在線性區(qū)才會(huì)有放大作用。開(kāi)始振蕩時(shí)，信號(hào)較小，工作在線性區(qū)，正常值，正反饋，使； 當(dāng)信號(hào)增大到進(jìn)入非線性區(qū)時(shí)，輸出信號(hào)產(chǎn)生削波失真，在信號(hào)的一個(gè)周期的部分時(shí)間內(nèi)才有放大作

5、用，平均放大量要減小，也隨之下降，當(dāng)降到時(shí)，輸出和反饋的振幅不再增長(zhǎng)，振蕩就穩(wěn)定下來(lái)了，可見(jiàn)，穩(wěn)幅的關(guān)鍵在于晶體管的非線性特性，所以：起振條件 穩(wěn)定條件（平衡條件）二、 正弦波振蕩器的組成和分析步驟組成：上述分析已經(jīng)指出：正弦波振蕩器必須包含這樣幾個(gè)組成部分：放大部分振蕩器的核心，將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)能量；補(bǔ)充振蕩過(guò)程中的能量損耗，以獲得連續(xù)的等幅正弦波。選頻部分從信號(hào)中選出所需的頻率。正反饋電路將選出來(lái)的所需頻率的信號(hào)送回到輸入端放大。穩(wěn)幅電路一般靠振蕩管自身的非線性穩(wěn)幅，要求高的振蕩器有專(zhuān)門(mén)的穩(wěn)幅電路。在實(shí)際應(yīng)用中，放大和穩(wěn)幅“三合一”；選頻和正反饋“二合一”。2、分析步驟（

6、1） 判斷能否產(chǎn)生正弦波振蕩， 組成是否完整，靜態(tài)工作點(diǎn)是否能夠保證放大電路正常工作；用瞬時(shí)極性法或電路特點(diǎn)判斷電路是否引入正反饋（是否滿足相位平衡條件）等。（2） 分析振蕩頻率和起振條件§8.2 RC正弦波振蕩電路由放大器和具有選頻正反饋特性的RC網(wǎng)絡(luò)所組成的。放大器+RC選頻反饋網(wǎng)絡(luò)。教材中介紹了三種RC振蕩電路：高低電橋振蕩器，相移式振蕩器，雙T型選頻網(wǎng)振蕩器。一、 RC網(wǎng)絡(luò)的選頻特性和傳輸特性1、單節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)電容上電流超前電壓；電阻上電流電壓相移為0，該網(wǎng)絡(luò)超前于一個(gè)，超前型具體分析以超前型單節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)為例：該網(wǎng)絡(luò)滯后于一個(gè)相角，稱(chēng)為滯后型。傳輸系數(shù) 模： 相角：可以看出：模

7、和相角都是角頻率的函數(shù)。討論：（1）w很小，使時(shí)， 輸出（2）w很小，使時(shí)， 輸出結(jié)論：?jiǎn)喂?jié)RC網(wǎng)絡(luò)在傳輸信號(hào)時(shí)，傳輸系數(shù)在01之間，相移在之間，輸出在之間。引伸：要滿足的相移要求，同時(shí)要滿足振幅平衡條件，一節(jié)不行，兩節(jié)也不行，必須要有三節(jié)才能滿足，且又有一定的傳輸量，故RC相移振蕩器由三節(jié)RC網(wǎng)絡(luò)和反相放大器組成。2、RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)其中： 討論L（1）頻率較低，使時(shí)，容抗大，從而使： 串聯(lián)部分： 忽略次要，突出主要 并聯(lián)部分： 電路被簡(jiǎn)化為：這是單節(jié)超前型RC網(wǎng)絡(luò)，（1）輸出超前于輸入一個(gè)相角（2）由于低頻時(shí)，很小，使很?。?） 頻率較高使時(shí)，容抗小，從而使 電路具有滯后型RC網(wǎng)絡(luò)的特征：輸出

8、滯后輸入一個(gè)相角，由于頻率高 很小，使很小，（3）當(dāng)頻率時(shí)，串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性： （當(dāng)取 時(shí)） 討論：當(dāng)時(shí)， 模有最大值，相角為0， 時(shí)，模值都下降，相角不為0結(jié)論：RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在 時(shí)，相移為0，且有最大傳輸系數(shù) ，這就是RC串聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)的選頻反饋特性，所以高氏電橋振蕩器由同組放大器和一個(gè)串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)組成。§8.3 LC正弦波振蕩器用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器。*分析此類(lèi)振器的方法學(xué)會(huì)作振蕩信號(hào)等效電路,其原則:將電源、小電阻、大電容，固有頻率遠(yuǎn)離振蕩頻率的并聯(lián)諧振回路，固有頻率等于振蕩頻率的串聯(lián)諧振回路流看作短路；將恒流源、大電阻、大電感，固有頻率等于振蕩頻率的并聯(lián)諧振

9、回路；固有頻率遠(yuǎn)離振頻率的串聯(lián)諧振回路流看作是開(kāi)路；根據(jù)等效電路或電路組成判斷相位條件。根據(jù)等效電路估算振蕩頻率和振蕩條件。*LC振蕩器與RC振蕩器的區(qū)別。由電感和電容組成選頻網(wǎng)絡(luò)的LC振蕩器，適用于振蕩頻率較高的場(chǎng)合。（一般情況下）高頻振蕩器由電阻和電容組成選頻網(wǎng)絡(luò)的RC振蕩器，適用于振蕩頻率較低的場(chǎng)合。（一般情況下）低頻振蕩器二者不能兼用，RC用于高頻振蕩，則R和C的值要求很小，LC用于低頻振蕩，則L和C的值要求很大，在制造上和電路實(shí)現(xiàn)上都會(huì)造成較大的困難。LC振蕩器根據(jù)反饋電壓取出的方式不同，分為變壓反饋式、電感和電容三點(diǎn)式三種。一、變壓器反饋式振蕩電路將偏置電阻視為開(kāi)路。將視為短路，振

10、蕩信號(hào)等效電路如圖。1、用瞬時(shí)極性法判斷，為正反饋。滿足相位一平衡條件。2、振蕩頻率3、振蕩條件為L(zhǎng)的損耗和的損耗折合到原邊的（即諧振回路中）的等效總損耗電阻；M：互感系數(shù)據(jù)， R：耦合系數(shù)根據(jù)振蕩條件可知：愈小，M愈大（耦合越緊），值愈容易滿足要求，愈易振蕩。事實(shí)上，振蕩條件對(duì)三極管的值要求并不高，很容易滿足，相位條件最重要。二、電感三點(diǎn)式振蕩電路將視為開(kāi)路將視為短路得到振蕩信號(hào)等效電路 電路突出的特點(diǎn)：管子的三個(gè)電極分接回路的三條引線；反饋電壓取自和的分壓。，取自?xún)啥?，故稱(chēng)電感三點(diǎn)式。曖時(shí)極性法判斷：正反饋，滿足相位平衡條件。振蕩頻率，LC回路的諧振頻率振蕩條件三、電容三點(diǎn)式振蕩器將視為開(kāi)

11、路將視為短路得振蕩信號(hào)等效電路 電路特點(diǎn)：管子三個(gè)電極分別接LC回路的三條引線，反饋電壓取自和分壓，取自?xún)啥耍史Q(chēng)電容三點(diǎn)式。曖時(shí)極性法判斷：正反饋，滿足相位平衡條件。振蕩頻率： 振蕩條件：改進(jìn)型電容三點(diǎn)式：串聯(lián)型電容三點(diǎn)式振蕩器，在電感支路上串聯(lián)一個(gè)小電容，則并聯(lián)型電容三點(diǎn)式：在電感兩端再并聯(lián)一個(gè)小電容由于和均可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍更寬，與串聯(lián)型電容三點(diǎn)式一樣，使都幾乎與無(wú)關(guān)。*三點(diǎn)式振蕩器組成原則：由于三點(diǎn)式振蕩器的諧振回路是由三個(gè)分屬于電感和電容兩種不同性質(zhì)的電抗元件所組成。若用X表示電抗（即可以是感抗，也可以是容抗），則等效電路的一般表示形成如右圖。諧振時(shí)，總電抗為0，即（這意味著至少有一個(gè)電

12、抗為異類(lèi)異號(hào)）亦應(yīng)為，即（這意味和性質(zhì)必須相同，方保 “射同集（基）反”§8.4 石英晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振）石英晶體振蕩器是一個(gè)特殊的LC振蕩器，是一種高頻振蕩器。特點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度極高。*何謂頻率穩(wěn)定度？頻率穩(wěn)定度是衡量頻率相對(duì)變化量的值。頻率相對(duì)變化量用表示。其大小取決于LC諧振回路的品質(zhì)因素Q，Q值愈大，幅頻特性曲線愈尖銳選頻特性愈好，相對(duì)于諧振頻率的頻率變化量愈小，頻率的穩(wěn)定度愈高。指實(shí)際頻率偏離振蕩頻率的大小。一、石英晶體的特點(diǎn)1、主要成分：天然的石英晶體有六個(gè)側(cè)面，呈六棱雙角錐形。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)那懈?，可獲得石英晶體薄片晶片。不同切向得到的晶片特性不同固有諧振頻率不同。2、主要特

13、性：壓電效應(yīng)在晶片上加電場(chǎng)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，加交變電場(chǎng)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)機(jī)械振蕩，同時(shí)，它的機(jī)械振蕩又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。換句話說(shuō)，晶片能實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。這種能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程與LC并聯(lián)諧振回路中：電感的磁場(chǎng)能與電容的電場(chǎng)能相互轉(zhuǎn)換的情況相類(lèi)似。晶片的這種物理特征稱(chēng)為“壓電效應(yīng)”。當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，石英晶體振蕩的振幅會(huì)突然增加，晶體呈現(xiàn)出純電阻性質(zhì)，損耗極小，Q值極高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“壓電諧振”，所以石英晶體實(shí)際上是一種電機(jī)械的諧振子。3、電路符號(hào)及等效電路電路符號(hào)： 中間表示石英晶片，晶片表面鍍一層金屬膜，焊上金屬電極。其等效電路分為靜態(tài)等效電路和動(dòng)態(tài)等效

14、電路。靜態(tài)時(shí)：石英晶體相當(dāng)于一個(gè)平板電容器，晶片相當(dāng)于介質(zhì)，金屬膜相當(dāng)于兩個(gè)極板，等效電路為：晶體的靜態(tài)電容，PF數(shù)量級(jí)動(dòng)態(tài)時(shí)：石英晶體相當(dāng)于一個(gè)振蕩電路，其等效電路為：L：晶體電感，反映晶體的慣性，C：晶體電容，反映晶體的彈性，R：晶體的損耗電阻，幾歐幾百歐。分析：由于L很大，C、R很小，所以這樣大的值是一般的LC回路所做不到的。4、兩種諧振頻率從等效電路可以看出。串聯(lián)諧振狀態(tài)：諧振頻率并聯(lián)諧振狀態(tài)：諧振頻率從數(shù)量級(jí)上看，因此，和兩個(gè)頻率非常接近。石英晶體的電抗頻率特性曲線。 在頻率區(qū)間內(nèi)，晶體呈感性； 在其余的頻率區(qū)間內(nèi)，晶體呈容性。二、石英晶體振蕩器因?yàn)槭⒕w具有兩種電抗特性，串聯(lián)和并聯(lián)，所以1、并聯(lián)型晶振這類(lèi)晶振的等效