正弦波振蕩電路原理

1、正弦波發(fā)生電路正弦波發(fā)生電路 不需要外加激勵(lì)信號(hào)，電路就能產(chǎn)生輸出信號(hào)的電路稱為信號(hào)發(fā)生電路或波形振蕩器。其中能產(chǎn)生正弦波輸出信號(hào)的電路稱為正弦波發(fā)生電路或正弦振蕩器。一、自激振蕩原理一、自激振蕩原理 信號(hào)發(fā)生電路能產(chǎn)生各種波形的輸出信號(hào)，都是基于自激振蕩原理。自激振蕩原理的方框圖如圖1所示：基本放大器A反饋網(wǎng)絡(luò)F+iXdXfXoX 它是由基本放大器A和正反饋網(wǎng)絡(luò)F組成的閉合正反饋環(huán)路。圖1（X為電量：電壓或電流）A和F分別為基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的正向傳輸函數(shù)，即：dXXA00XXFf+圖1中的 為相加器，fidXXX因此圖1的輸出： oifidXAFXAXXAXAX)(0ioXAFAX1（1

2、）（2）（3） 由于自激振蕩是一種沒(méi)有輸入（ ）,仍有一定大小輸出（ 非零值）的電路，因此，由式（3）必須有： 0iXoX01 AF1AF或（4）即: 1、自激振蕩器是由放大器A和反饋網(wǎng)絡(luò)F組成的閉合環(huán)路，其 能形成自激振蕩須滿足：1AF稱 為自激振蕩條件。 1AF由于A,F為復(fù)數(shù)形式，故自激振蕩條件又可以表示為：1AFnAF2及 n=0,1,2 Z為整數(shù) 上式中第一項(xiàng)為自激振蕩的幅度條件，第二項(xiàng)為自激振蕩的相位條件。 相位條件是產(chǎn)生自激振蕩的必要條件，即反饋信號(hào) 必須與放大器A的輸入信號(hào) 同相（正反饋），幅度條件則是自激產(chǎn)生的充分條件，兩者缺一不可。 2、環(huán)路增益函數(shù)T 由A 和 F組成的閉

3、合環(huán)路，若在環(huán)路中的某一處斷開(kāi)，分別作為環(huán)路的輸入和輸出，它們的比值就是環(huán)路增益函數(shù)，即：ioXXToXiX圖2 由于是閉合環(huán)路，原則上在哪處斷開(kāi)都可以。對(duì)于圖1所示的方框圖，由于 ，若取相加處為環(huán)路的起始和終點(diǎn)，則有：0iXFAAXXFXXToodf（6） 所以自激振蕩條件又可用環(huán)路增益函數(shù)表示：或 1TnTT21（7） 式（6）（7）說(shuō)明：當(dāng)反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出 從相位和幅度大小上完全等同于放大器輸入 時(shí)，自激振蕩形成，電路有輸出 。fXdX0X3、正弦波發(fā)生電路的輸出是單一頻率的正弦波，因此由圖1電路實(shí)現(xiàn)正弦振蕩的條件是滿足式（5）或式（7）的頻率應(yīng)該是唯一的所以閉合環(huán)路中的反饋網(wǎng)絡(luò)F通常為具

4、有選頻特性的。選頻特性的Q值越高，則電路產(chǎn)生的正弦波越純、越好。利用式（5）或式（7），我們可以分析求解出正弦波發(fā)生電路的振蕩頻率和起振條件。二、自激振蕩的建立和形成二、自激振蕩的建立和形成 1、由閉合環(huán)路組成的自激振蕩器，其振蕩產(chǎn)生的起始信號(hào)來(lái)自于電路中的各種起伏和外來(lái)擾動(dòng)，例如電路接通電源瞬間的電沖擊、電子器件的噪聲電壓等等，這些電信號(hào)中含豐富的頻率成分，經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)選出某頻率的信號(hào)輸送至放大器A放大后，經(jīng)F網(wǎng)絡(luò)反饋后再放大，反復(fù)循環(huán)直至電路的輸出Xo由小至大。最后建立和形成穩(wěn)定的波形輸出。 2、為使振蕩器的輸出穩(wěn)定在一定的幅度，放大器A必須為具有非線形傳輸特性的，如圖3(a)所示。一般，反

5、饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性為線形的，如圖3(b)。 oXdXOAfXoXFO圖3(a)圖3(b) 由于自激振蕩器是閉合環(huán)路，F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的輸入Xo就是A放大器的輸出，F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的輸出Xd就是A的輸入，因此，可以將圖3(a)和(b)合并畫在同一個(gè)圖上，如圖（4），這樣便于分析閉合環(huán)路中放大、反饋、放大的反復(fù)循環(huán)過(guò)程。1oXoBX2oX1dX2dX3dX圖（4）fdXXoXAF1 由圖4可以看到，放大器輸入Xd1，經(jīng)A放大得Xo1，Xo1經(jīng)F網(wǎng)絡(luò)得到Xf1 =Xd2，Xd2經(jīng)F網(wǎng)絡(luò)得到Xf2 =Xd3，最后到達(dá)|A|和1/|F|的交點(diǎn) B，振蕩形成。稱B點(diǎn)為振蕩形成的平衡點(diǎn)，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出XoB為振蕩形成的輸出大小。

6、 上述分析表明：、對(duì)圖4中，B點(diǎn)以下的部分有 FA1O即|AF|1，這時(shí)電路中的任何擾動(dòng)都會(huì)經(jīng)過(guò)閉合環(huán)路的多次循環(huán)放大，變得越來(lái)越大。 在B點(diǎn)有 ，即|AF|=1，滿足自激振蕩的幅度條件。 FA1B點(diǎn)以上的部分，有 ，即|AF|0 為電感 若X0，以及電阻因此式（9）中須有 。即X1和X3必須是同類電抗。031XX而為滿足（8）式，可知X2必須為和X1、X3的相反類電抗。例如X1、X3為電感時(shí)X2必須為電容。通常分析時(shí)，由式（8）解得三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率，由式（9）求得電路的起振條件。 4、電容三點(diǎn)式振蕩器X1和X3取電容，X2取電容，如圖9所示。圖92321111CXLXCX由式（8）得

7、01121LCC振蕩頻率 210111CCL由式（9）得電路的起振條件 122111CCRCCRgDDm5、電感三點(diǎn)式振蕩器 X1和X3取電容，X2取電感，如圖10所示。 圖10振蕩頻率 21011LLC由式（9）得電路的起振條件 21LLRgDm6、由雙極型晶體管（BJT）構(gòu)成的三點(diǎn)式振蕩器分析 圖11（a） 圖11（a）為交流電路，圖11（b）為晶體管用低頻等效電路替代的交流等效電路，其中設(shè)eierh0bbr采用圖11(b)進(jìn)行分析的時(shí)，若能忽略hie的分流作用，即 3Xhie則圖11（b）電路分析與圖8電路完全相同，其結(jié)論完全適用圖11。所以通常由BJT構(gòu)成的三點(diǎn)式振蕩器時(shí)，大多要求滿足

8、 圖11(b)3Xhie五、石英晶體振蕩器五、石英晶體振蕩器1、石英晶體諧振器的阻抗特性 利用石英晶體的壓電效應(yīng)制作的具有高Q值諧振特性的器件，其符號(hào)及等效電路如圖12（a）所示，其中圖12（a）圖12（b）C0靜態(tài)等效電容，幾pF幾十pFC1彈性慣性的等效電容10-210-4pF L機(jī)械振動(dòng)慣性等效電感 幾十mH幾百H R振動(dòng)時(shí)摩擦等效電阻，其值很小，幾十歐姆以下，?？珊雎浴膱D12（b）可求出石英晶體的端口等效阻抗：10111CjLjCjjZjY120112011LCCCLCCj0112120111CCLCLCCjjZ即: 通常定義兩種諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率 11LCs并聯(lián)諧振頻率 101

9、01CCCCLp由于C0C1,可以有 :01010101011CCCCCCCCCLLCsp即p略大于s，但兩者十分接近。將p、s代入Z(j)式中： jXCjjZps22220111式（10）由式（10）畫得X()曲線：從圖13有：當(dāng)sp時(shí)，X()0 石英晶體呈容性阻抗 當(dāng)=s時(shí)， X()=0當(dāng)s0 石英晶體呈感性阻抗 當(dāng)p時(shí)，X()0 石英晶體呈容性阻抗 從上述阻抗特性說(shuō)明： 圖13當(dāng)=s時(shí)，石英晶體阻抗為零（忽略R時(shí)，若計(jì)及R的影響，則為很小的電阻值）。jXspo當(dāng)sp時(shí)，石英晶體相當(dāng)于一個(gè)高Q值電感。 利用上述的兩個(gè)特性，可以組成兩類石英晶體正弦振蕩器。2、石英晶體振蕩器 利用Z(j)呈高Q值電感特性，替代LC三點(diǎn)式振蕩器中的電感，組成振蕩頻率為石英晶體并聯(lián)諧振頻率p的正弦振蕩器。如圖14（a）和（b）。圖14（a）圖14（b）利用Z(j)=0的阻抗特性，使石英晶體成為選頻反饋網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)反饋元件，用以控制反饋量|Vf|的大小，使=s時(shí)才滿足振蕩要求的幅度條件，形成正弦振蕩。故0=s。圖15為在電容三點(diǎn)式電路中加入了由Re與石英晶體組成的正反饋支路，使原來(lái)由C1 和C2