正弦波振蕩電路

1、 第六節(jié) 正弦波振蕩電路一、正弦振蕩的平衡條件一、正弦振蕩的平衡條件 二、二、RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 三、三、LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 四、石英晶體振蕩器四、石英晶體振蕩器 本節(jié)重點討論利用正反饋構成正弦波振蕩電本節(jié)重點討論利用正反饋構成正弦波振蕩電路的相位平衡條件和幅值平衡條件，路的相位平衡條件和幅值平衡條件，RCRC、LCLC正弦正弦波振蕩電路的組成及工作原理。波振蕩電路的組成及工作原理。一、正弦振蕩的平衡條件 +iUiXdXoXoUAFfXfidXXX0iX電路將輸出一個穩(wěn)定的正弦波。電路將輸出一個穩(wěn)定的正弦波。fXd,X圖中圖中如果如果而且而且幅度相等且相位相同時，幅

2、度相等且相位相同時，由此知，由此知，為：為：dfXX而由以上方框圖可得：而由以上方框圖可得：ofUFXd0XAU 由此由此為：為：1FA+iUiXdXoXoUAFfX：1FA此式可分解為：此式可分解為：(1)幅度平衡條件幅度平衡條件(2)相位平衡條件相位平衡條件1FA),2, 1 ,0(2FAnn電路的回路增益等于電路的回路增益等于1 1，相移為，相移為22的整數(shù)倍，反饋網絡必須是正反饋。的整數(shù)倍，反饋網絡必須是正反饋。振蕩電路達到并維持穩(wěn)幅振蕩的條件，振蕩電路達到并維持穩(wěn)幅振蕩的條件，滿足這一條件并不能使電路起振。滿足這一條件并不能使電路起振。1FA1FA 電路中出現(xiàn)微小的擾動例如電路中出現(xiàn)

3、微小的擾動例如，或者，或者，都可以成為振蕩電路的初始信號。都可以成為振蕩電路的初始信號。 這些擾動信號包含有很寬的頻率成分，但只這些擾動信號包含有很寬的頻率成分，但只有有f f= =f f0 0的頻率滿足相位平衡條件。的頻率滿足相位平衡條件。 振蕩電路具有振蕩電路具有“選擇頻率選擇頻率”的特性。振蕩電的特性。振蕩電路的組成除了必須有放大、反饋兩部分外，還必路的組成除了必須有放大、反饋兩部分外，還必須有須有“選頻網絡選頻網絡”。接下來，我們討論。接下來，我們討論?；倦娐方M成：基本電路組成：(1)：保證放大信號，并向電路提供能量。保證放大信號，并向電路提供能量。(2)：引入正反饋，使之滿足相位和

4、幅度平衡條件。引入正反饋，使之滿足相位和幅度平衡條件。(3)：選擇某一頻率，滿足起振條件，保證輸出為單一選擇某一頻率，滿足起振條件，保證輸出為單一 頻率的正弦波信號。頻率的正弦波信號。(4)：保證正弦波振蕩器輸出具有穩(wěn)定幅度的正保證正弦波振蕩器輸出具有穩(wěn)定幅度的正 弦波信號。弦波信號。判斷是否振蕩的方法：判斷是否振蕩的方法：是否具有正弦波振蕩電路的幾個基本組成部分是否具有正弦波振蕩電路的幾個基本組成部分, , 是否滿足相位條件，電路是否為正反饋。是否滿足相位條件，電路是否為正反饋。(2) 2) 放大電路的結構是否合理，有無放大能力，放大電路的結構是否合理，有無放大能力， 靜態(tài)工作點是否合適。靜

5、態(tài)工作點是否合適。(3) (3) 是否滿足幅度條件，檢驗是否滿足幅度條件，檢驗FA1FA1FA1FA不可能振蕩。不可能振蕩。能振蕩，但輸出波形明顯失真。能振蕩，但輸出波形明顯失真。能振蕩，穩(wěn)定后能振蕩，穩(wěn)定后1FA加上穩(wěn)幅措施，振蕩穩(wěn)定加上穩(wěn)幅措施，振蕩穩(wěn)定,輸出波形失真小。輸出波形失真小。按選頻網絡的元件類型按選頻網絡的元件類型 ：一、一、RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 二二、LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 三三、石英晶體振蕩器、石英晶體振蕩器 二、 RC正弦波振蕩電路( (一一) )RCRC串并聯(lián)電路的頻率特性串并聯(lián)電路的頻率特性+-+-U1U2C1R1R2C2定性分析定性分析當信號頻

6、率足夠低時當信號頻率足夠低時22111,1RCRC超前超前 , 電路近似等效為：電路近似等效為：+-+-U1U2C1R2當信號頻率足夠高時當信號頻率足夠高時22111,1RCRC滯后滯后 , 電路近似等效為：電路近似等效為：+-+-U1U2C2R1結論結論超前網絡超前網絡滯后網絡滯后網絡在高頻與低頻之間存在一個頻率在高頻與低頻之間存在一個頻率fo，其相位關系即不是超前也不是滯，其相位關系即不是超前也不是滯后，輸出電壓后，輸出電壓 與輸入電壓與輸入電壓 相位一致。相位一致。2U1U1U2U1U2U定量分析定量分析+-+-U1U2C1R1R2C22221122222112212j1j1j1j1/j

7、1j1/CRRCRCRRCRCRCRUU整理后得整理后得12212112121j11CRCRRRCCUU通常取通常取R1=R2=R,C1=C2=C則則 oo12j31UU其中其中RC1o即即RCf21o幅頻幅頻特性特性2oo21231 UU相頻相頻特性特性oo31arctan幅頻幅頻特性特性RC/1o相頻相頻特性特性oo31arctan可見，當可見，當時時達到最大值，且等于達到最大值，且等于13，而相移，而相移12/UU3/1000o90o9012/argUU2oo21231 UU12UU0(二二)RC串并聯(lián)橋式振蕩電路串并聯(lián)橋式振蕩電路 其放大電路為同相比例電路。反饋網絡和選頻網其放大電路為

8、同相比例電路。反饋網絡和選頻網絡由串并聯(lián)電路組成。絡由串并聯(lián)電路組成。-+ AUoC1R1C2R2R2R112/UU3/1101 . 010o90o900o01 . 0110相位條件相位條件 由由RC串并聯(lián)網絡的選頻特性知串并聯(lián)網絡的選頻特性知RC/1o0,Fn2FAAF放大器相移放大器相移)360(0ooA或或 放大電路選用同相輸入方式的集成運放或兩級共射分放大電路選用同相輸入方式的集成運放或兩級共射分立元件放大電路等。立元件放大電路等。起振條件起振條件1FAooofj31UUF311fRRA1f2RR 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施 利用二極管和穩(wěn)壓管的非線性特性、場效應管的可變電利用二極管和穩(wěn)壓管的非

9、線性特性、場效應管的可變電阻特性及熱敏電阻元件的非線性特性，自動地穩(wěn)定振蕩器阻特性及熱敏電阻元件的非線性特性，自動地穩(wěn)定振蕩器輸出的幅度。輸出的幅度。1.選擇負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為反饋電阻選擇負溫度系數(shù)的熱敏電阻作為反饋電阻Rf， Rf功耗增大功耗增大oU它的溫度上升它的溫度上升Rf阻值下降阻值下降 放大倍數(shù)下降放大倍數(shù)下降 輸出電壓輸出電壓 oU下降。下降。 2.選擇正溫度系數(shù)的熱敏電阻作為反饋電阻選擇正溫度系數(shù)的熱敏電阻作為反饋電阻Rf，RC振蕩電路形式振蕩電路形式(1)串并聯(lián)網絡式串并聯(lián)網絡式(2)移相式移相式(3)雙雙T網絡式網絡式 RC振蕩電路特點振蕩電路特點1.振蕩頻率取決于振蕩

10、頻率取決于RC乘積，要求振蕩頻率乘積，要求振蕩頻率較高時，較高時，RC值必然很小。值必然很小。 2.普通集成運放帶寬較窄，限制了振蕩普通集成運放帶寬較窄，限制了振蕩頻率的提高。頻率的提高。3.工作頻率低，在工作頻率低，在1MHz以下。以下。幅值增加幅值增加三、 LCLC正弦波振蕩電路(一一)LC并聯(lián)電路的頻率特性并聯(lián)電路的頻率特性CLRAB LC正弦波振蕩電路是以正弦波振蕩電路是以LC諧振電路作為選頻諧振電路作為選頻網絡的振蕩電路，常用來產生頻率比較高的振蕩。網絡的振蕩電路，常用來產生頻率比較高的振蕩。CLRCLCLRLCLRCLRCZ1j1jjj1jj1jj1CLoo1LC1oLCf21of

11、o稱為諧振頻率稱為諧振頻率諧振時回路等效阻抗呈現(xiàn)純阻抗性質，且達到最大值，稱為諧振時回路等效阻抗呈現(xiàn)純阻抗性質，且達到最大值，稱為諧振阻抗諧振阻抗ZCLQCQLQRCLZ1ooCLRCRRLQ11o0Q值稱為品質因數(shù)，它是值稱為品質因數(shù)，它是LC并聯(lián)回路的重要指標并聯(lián)回路的重要指標。Q的物理意義的物理意義 諧振電路在工作過程中所儲藏的能量（儲藏在電抗諧振電路在工作過程中所儲藏的能量（儲藏在電抗中）與消耗的能量（消耗在電阻中）之比。損耗電阻中）與消耗的能量（消耗在電阻中）之比。損耗電阻R越越小，小，Q值越大，值越大，Q的典型值約為幾十到幾百。的典型值約為幾十到幾百。LC并聯(lián)回路諧振時的輸入電流為

12、并聯(lián)回路諧振時的輸入電流為LQUZUIoo流過電感的電流為流過電感的電流為LUIoL所以所以IQIL通常通常Q1所以所以IIILC 諧振時，諧振時，LC并聯(lián)回路的回路電流比輸入電流大得多，此并聯(lián)回路的回路電流比輸入電流大得多，此時諧振回路外界的影響可忽略。時諧振回路外界的影響可忽略。結論結論 諧振時諧振時|Z|值最大值最大,0。Q值越大，值越大，|Z|曲線越尖，曲線越尖，曲線曲線在在o附近越陡，選頻特性越好，組成振蕩器時，頻率穩(wěn)定性越附近越陡，選頻特性越好，組成振蕩器時，頻率穩(wěn)定性越好。好。CLRCRRLQ11o0頻率特性頻率特性Z1Q0ff2Q0fo90o901Q2Q利用利用LCLC并聯(lián)諧振

13、回路組成的振蕩器并聯(lián)諧振回路組成的振蕩器, ,其選頻網絡常其選頻網絡常常就是放大器的負載。放大電路的增益具有選頻特性。常就是放大器的負載。放大電路的增益具有選頻特性。在諧振時在諧振時, ,LCLC電路呈現(xiàn)純電阻性電路呈現(xiàn)純電阻性, ,對放大電路相移對放大電路相移 的分析與電阻負載時相同。的分析與電阻負載時相同。 AQ1 Q2(二二)變壓器反饋式振蕩電路變壓器反饋式振蕩電路 振蕩電路的放大環(huán)節(jié)采用特征頻率高的分立的晶體管來實現(xiàn)，避免采用運放組件。產生頻率較高的正弦波。 CRb2VccL1L2C1Rb1ReCeRLL3 變壓器的原邊繞組變壓器的原邊繞組L1和副邊繞組和副邊繞組L2各有一端交各有一端

14、交流接地，其它兩端的相流接地，其它兩端的相位關系是：位關系是：這個這個電路的反饋是通過電路的反饋是通過L1和和L2之間的變壓器耦合來實現(xiàn)的。之間的變壓器耦合來實現(xiàn)的。反饋極性的判斷反饋極性的判斷CRb2VccL1L2C1Rb1ReCeRLL3 (1)(1)在反饋信號的引入處假設在反饋信號的引入處假設一個輸入信號的瞬時極性，一個輸入信號的瞬時極性，將反饋先斷開。將反饋先斷開。(+) (2) (2)依次判別出電路各處的電依次判別出電路各處的電壓極性。壓極性。(-)(+)(+)fU如果反饋電壓如果反饋電壓輸入信號的極性一致輸入信號的極性一致,則為則為正反正反饋饋,且滿足相位條件的要求。如且滿足相位條

15、件的要求。如不滿足不滿足,可十分方便的改變變壓可十分方便的改變變壓器同名端的連接器同名端的連接,使之滿足振蕩使之滿足振蕩器的相位條件器的相位條件. 的極性與假設的極性與假設fU起振的振幅條件起振的振幅條件ifUU 只要變壓器的匝數(shù)比設計恰當，一般都可滿足。只要變壓器的匝數(shù)比設計恰當，一般都可滿足。振蕩頻率振蕩頻率CLf1o21CL1o1穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施 LCLC正弦波振蕩電路的穩(wěn)幅措施是利用放大電正弦波振蕩電路的穩(wěn)幅措施是利用放大電路的非線性實現(xiàn)的。路的非線性實現(xiàn)的。(三三)三點式振蕩電路三點式振蕩電路 LC并聯(lián)諧振電路三個端子分別接至晶體管并聯(lián)諧振電路三個端子分別接至晶體管的的e, b, c

16、上，滿足相位平衡條件和振幅平衡條件，上，滿足相位平衡條件和振幅平衡條件，這樣組成的振蕩電路稱為三點式振蕩電路。這樣組成的振蕩電路稱為三點式振蕩電路。CLL1L2C2123123C1振蕩頻率：CMLL)2(121oCRLL1L2MCeRb2VccC1Rb1Re123一、分析相位條件一、分析相位條件瞬時極性法瞬時極性法若電感的中間抽頭交流接地，則首端與尾端的相位相反。若電感的中間抽頭交流接地，則首端與尾端的相位相反。若電感的首端與尾端交流接地，則電感其他兩個端點的相若電感的首端與尾端交流接地，則電感其他兩個端點的相位相同。位相同。反饋流向反饋流向(+)(-)(+)電感中電感中間抽頭間抽頭交流接交流

17、接地，故地，故1端與端與3端相位端相位相反。相反。反饋是從電感反饋是從電感L L2 2端端(1(1端端) )接回到基極中去的，所接回到基極中去的，所以稱為電感三點式振蕩電路，也叫哈特來電路。以稱為電感三點式振蕩電路，也叫哈特來電路。二、幅值條件二、幅值條件 電感三點式正弦波振蕩電路幅值條件很容易滿足。只電感三點式正弦波振蕩電路幅值條件很容易滿足。只要滿足相位條件，即可起振。要滿足相位條件，即可起振。三、振蕩頻率三、振蕩頻率正弦波振蕩電路振蕩頻率為正弦波振蕩電路振蕩頻率為CLf21oMLLL221是諧振回路的等效電感。是諧振回路的等效電感。MM是繞組是繞組N N1 1與與N N2 2之間的互感。

18、之間的互感。CL1oCRLL1L2MCeRb2VccC1Rb1Re123CeRb2CbRb1ReLC2123C1RLVccLRc 一、分析相位條件一、分析相位條件(+)(-)(+)由瞬時極性法判斷可由瞬時極性法判斷可見滿足相位條件。見滿足相位條件。二、幅值條件二、幅值條件電路參數(shù)合適，便可電路參數(shù)合適，便可滿足幅值條件。滿足幅值條件。三、振蕩頻率三、振蕩頻率2121o11CCCCLLC2121o21CCCCLf四、電路特點四、電路特點 (1)(1) (2)(2)五、改進電路五、改進電路CeRb2CbRb1ReC2C1VccRLRcC3L改變改變C C3 3電容量，從而電容量，從而改變電路的振蕩

19、頻率改變電路的振蕩頻率改變改變C C3 3，可改變電路，可改變電路的振蕩頻率。但不影的振蕩頻率。但不影響響C C1 1和和C C2 2的比值，不影的比值，不影響反饋系數(shù)。響反饋系數(shù)。 這個電路的頻率這個電路的頻率調節(jié)范圍較小調節(jié)范圍較小。注意注意1.首先通過直流通路檢查首先通過直流通路檢查LC振蕩電路，確保振蕩電路，確保晶體管正常工作所必需的直流工作條件。晶體管正常工作所必需的直流工作條件。2.把諧振回路中的電容與作為耦合或旁路的把諧振回路中的電容與作為耦合或旁路的電容區(qū)分開。電容區(qū)分開。 3.用瞬時極性法判斷是否滿足相位平衡條件，用瞬時極性法判斷是否滿足相位平衡條件，判斷各點在同一瞬時對地的

20、極性。判斷各點在同一瞬時對地的極性。 4.振幅平衡條件，只要放大器有一定的放大振幅平衡條件，只要放大器有一定的放大倍數(shù)，通常是可以滿足的。倍數(shù)，通常是可以滿足的。 四、石英晶體振蕩器(一一) 石英晶體的壓電效應及其等效電路石英晶體的壓電效應及其等效電路石英晶體是一種各向異性的結晶體，化學成分是二氧化石英晶體是一種各向異性的結晶體，化學成分是二氧化硅硅(SiO2)。從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片，。從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片稱為晶片，在晶片的兩個對應表面上涂敷銀層并裝上一對金屬板，就構成在晶片的兩個對應表面上涂敷銀層并裝上一對金屬板，就構成石英晶體產品，用金屬或玻璃殼封裝。石英晶體產品，用金屬或玻璃殼封裝。壓電效應壓電效應 若在石英晶片兩極加一電壓，晶片就會產生機械變形。若在石英晶片兩極加一電壓，晶片就會產生機械變形。相反，若在晶片上施加機械壓力，則在晶片相應方向上會產相反，若在晶片上施加機械壓力，則在晶片相應方向