南郵模電第十章正弦波振蕩電路

1、2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)1第十章第十章 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路（1）掌握正弦波振蕩電路的組成和振蕩原理。）掌握正弦波振蕩電路的組成和振蕩原理。（2）掌握）掌握RC橋式正弦波振蕩電路的組成、工作原理。橋式正弦波振蕩電路的組成、工作原理。（3）了解）了解LC正弦波振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩正弦波振蕩電路和石英晶體正弦波振蕩電路的組成、工作原理和性能特點。電路的組成、工作原理和性能特點。2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)210-1 振蕩的基本原理振蕩的基本原理一、反饋放大器的基本方程一、反饋放大器的基本方程二、起振過程和平衡條件二、起振過程和平衡條件10.2 RC正弦波振蕩

2、器正弦波振蕩器10.2.1 RC移相振蕩器移相振蕩器 10.2.2 RC選頻振蕩器選頻振蕩器2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)310.3 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器10.3.1 變壓器耦合反饋式振蕩器變壓器耦合反饋式振蕩器10.3.2 電容反饋式振蕩電路電容反饋式振蕩電路10.3.3 電感反饋式振蕩電路電感反饋式振蕩電路2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)410.4 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器10.4.1關(guān)于振蕩頻率的幾個指標(biāo)關(guān)于振蕩頻率的幾個指標(biāo)10.4.2 石英晶體的物理特性和電特性石英晶體的物理特性和電特性10.4.4 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器10.4.3 串聯(lián)

3、型石英晶體振蕩器串聯(lián)型石英晶體振蕩器2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)5文氏電橋振蕩電路文氏電橋振蕩電路LC并聯(lián)諧振回路的特性并聯(lián)諧振回路的特性LC正弦波振蕩電路分析正弦波振蕩電路分析穩(wěn)頻措施穩(wěn)頻措施串聯(lián)晶體振蕩器舉例串聯(lián)晶體振蕩器舉例附附 錄錄振蕩頻率的確定振蕩頻率的確定2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)6振蕩電路振蕩電路是指在沒有是指在沒有 輸入信號的條件下輸入信號的條件下, 能夠自能夠自行產(chǎn)生一定幅度、一定頻率的輸出信號的電路。行產(chǎn)生一定幅度、一定頻率的輸出信號的電路。張弛振蕩電路（產(chǎn)生方波、鋸齒波形等）張弛振蕩電路（產(chǎn)生方波、鋸齒波形等）正弦振蕩電路正弦振蕩電路反饋型反饋型負(fù)阻

4、型負(fù)阻型RC振蕩器振蕩器LC振蕩器振蕩器晶體振蕩器晶體振蕩器2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)7一、反饋放大器的基本方程一、反饋放大器的基本方程圖圖10.1 反饋放大器反饋放大器10-1 振蕩的基本原理振蕩的基本原理F oX fX iX A iX2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)8FAAXXAiof1稱振蕩或自激。稱振蕩或自激。F oX fX iX A iX,1時時當(dāng)當(dāng) FA, 0, ifXA2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)9二、起振過程和平衡條件二、起振過程和平衡條件圖圖10.1 反饋型振蕩器組成方框圖反饋型振蕩器組成方框圖F oU fU A iU2022年4月13日星期三模擬

5、電子技術(shù)101起振過程及起振條件起振過程及起振條件 1uuFAnFA21uuFA相位起振條件相位起振條件 幅度起振條件幅度起振條件 )(FAFAjuujujuuueFAeFeAFA2 , 1 , 0nifUUF oU fU A iU2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)112.平衡條件平衡條件1uuFA振幅平衡條件振幅平衡條件 相位平衡條件相位平衡條件 ifUU1uuFA)(FAFAjuujujuuueFAeFeAFAnFA22 , 1 , 0nF oU fU A iU2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)12起振起振平衡平衡1uuFA反饋振蕩器的振蕩過程反饋振蕩器的振蕩過程1uuFA2022

6、年4月13日星期三模擬電子技術(shù)1310.2 RC正弦波振蕩器正弦波振蕩器RC 電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器。振蕩頻率較低，電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器。振蕩頻率較低，一般在一般在幾十幾十kHz以下。以下。RC移相振蕩器移相振蕩器RC選頻振蕩器選頻振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)采用選頻網(wǎng)絡(luò)采用RC超前或滯后移相網(wǎng)絡(luò)。超前或滯后移相網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)采用選頻網(wǎng)絡(luò)采用RC串并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。串并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)1410.2.1 RC移相振蕩器移相振蕩器 ICRUoUiICRUoUi(a)(b) 圖圖10.17 RC串聯(lián)移相網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)移相網(wǎng)絡(luò) 超前移相網(wǎng)絡(luò)超前移相網(wǎng)絡(luò) 滯后移相網(wǎng)絡(luò)滯后移相網(wǎng)絡(luò) 202

7、2年4月13日星期三模擬電子技術(shù)1510.70C1450C90H()()圖圖10.18 RC串聯(lián)超前網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線串聯(lián)超前網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線 截止頻率截止頻率 = RC ioUUH2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)16RR1RfCCCRRUfUiUo圖圖10.19 RC超前移相網(wǎng)絡(luò)振蕩器超前移相網(wǎng)絡(luò)振蕩器 29611 RRRCfg 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)1710.2.2 RC選頻振蕩器選頻振蕩器UoRCCRUf(a)01RC13H(0(9090(b)(c)圖圖10.20 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)18UoRCCRUf(a)01RC1

8、3H(0(9090(b)(c)圖圖10.21 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線 RCo1ofUUH2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)19ARCCRUfUoRftUitR1ARCRfR1RC(a)(b)圖圖10.22 文氏電橋振蕩器文氏電橋振蕩器12fRRRCg12022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)2010.3 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器采用采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋式振蕩器稱為諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋式振蕩器稱為LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器?？梢援a(chǎn)生?？梢援a(chǎn)生幾十兆赫幾十兆赫以上的正弦波以上的正弦波信號。信號。 變壓器耦合反饋式變壓器耦合反饋式電感或電容反

9、饋式電感或電容反饋式2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)2110.3.1變壓器耦合反饋式振蕩器變壓器耦合反饋式振蕩器TrUfUoUi(a)(b)TrUfUoUiTrUfUoUi(c)圖圖10.23 三種不同接法的變壓器耦合反饋式振蕩器三種不同接法的變壓器耦合反饋式振蕩器 是否滿足正反饋判斷方法：是否滿足正反饋判斷方法：“射基（集）同名射基（集）同名”規(guī)則規(guī)則 (CE)(CB)(CB)CE：射基同名；射基同名；-CB：射集同名。射集同名。 CC：射基同名。射基同名。2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)22LC2cbeCICILUbUf Uo10.3.2. 電容反饋式振蕩電路電容反饋式振蕩電路

10、圖圖10.24電容反饋式振蕩器的交流通路（電容反饋式振蕩器的交流通路（CE） 12022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)2310.25電容反饋式振蕩器電矢量關(guān)系電容反饋式振蕩器電矢量關(guān)系 ILUoICUfLC2cbeCICILUbUf Uo12022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)24211211CCCjICjIUUFCLof21211CCCCLgLC2cbeCICILUbUf Uo12022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)25(a)RLC1C2CC1000 pFRE700 RB22 kCB0.033 FRB1*L1.3 H0.033 FEC(15 V)2000 pF圖圖10.25電容三點式振蕩器及

11、其交流通路（電容三點式振蕩器及其交流通路（CB） 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)26圖圖10.25電容三點式振蕩器及其交流通路（電容三點式振蕩器及其交流通路（CB） 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)2710.3.3 電感反饋式振蕩電電感反饋式振蕩電路路2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)28(b )UfUb UoIL ICRBRLcL1L2Cbe圖圖10.26電感反饋式振蕩電路及其交流通路電感反饋式振蕩電路及其交流通路 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)29)(11211LLCCLg 注：注：L1與與L2之間無互感。之間無互感。1212LLLjILjIUUFLcof(b)U

12、fUb UoIL ICRBRLcL1L2Cbe2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)30電感或電容反饋式振蕩器電感或電容反饋式振蕩器是否滿足是否滿足正反饋判斷方法正反饋判斷方法“射同基反射同基反”規(guī)則規(guī)則 EB,EC:同性質(zhì)同性質(zhì)電抗元件電抗元件; BE,BC:異性質(zhì)異性質(zhì)電抗元件電抗元件. 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)31例例1 在振幅條件已滿足的前提下，用相位條件去判斷在振幅條件已滿足的前提下，用相位條件去判斷如下振蕩器是否能震蕩？如下振蕩器是否能震蕩？ C L L1 C1 C2 C3 (b) (a) 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)3210.4 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩

13、器10.4.1關(guān)于振蕩頻率的幾個指標(biāo)關(guān)于振蕩頻率的幾個指標(biāo)1. 頻率的準(zhǔn)確性頻率的準(zhǔn)確性 0iii2. 頻率的穩(wěn)定性頻率的穩(wěn)定性000中波廣播發(fā)射機：中波廣播發(fā)射機：10-5； 電視發(fā)射機：電視發(fā)射機：10-7測量值測量值 設(shè)計值設(shè)計值 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)3310.4.2 石英晶體石英晶體的物理特性和電特性的物理特性和電特性1. 石英諧振器的物理特性石英諧振器的物理特性1) 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)：把機械能轉(zhuǎn)化成電能。正壓電效應(yīng)：把機械能轉(zhuǎn)化成電能。 2）反壓電效應(yīng)）反壓電效應(yīng)反壓電效應(yīng)：把電能轉(zhuǎn)化成機械能。反壓電效應(yīng)：把電能轉(zhuǎn)化成機械能。 2022年4月13日星

14、期三模擬電子技術(shù)34交變電場交變電場 機械形變振動機械形變振動.通常機械振動振幅和外加交變電場的振幅都非常通常機械振動振幅和外加交變電場的振幅都非常微小。只有在外加交變電壓的頻率為某一微小。只有在外加交變電壓的頻率為某一 特定頻特定頻率時，振幅才突然增加，機械振動最強，電路里率時，振幅才突然增加，機械振動最強，電路里高頻電流最大，此現(xiàn)象稱為高頻電流最大，此現(xiàn)象稱為壓電諧振壓電諧振。通常說石。通常說石英晶體就是指石英諧振器。英晶體就是指石英諧振器。諧振在晶體的諧振在晶體的基音基音(Fundamental)或或奇次泛音奇次泛音(Overtone)(3、5、7次泛音次泛音) 。2022年4月13日星

15、期三模擬電子技術(shù)35(a)(b)晶體C0Cq1rq1Lq1Cq3rq3Lq3圖圖10.30 石英晶體的等效電路和電抗特性石英晶體的等效電路和電抗特性(a)晶體符號；晶體符號；(b)某振動模式的電等效電路某振動模式的電等效電路2. 石英諧振器的電特性石英諧振器的電特性(a)(b)頻率豐富的諧振系統(tǒng)頻率豐富的諧振系統(tǒng)支架電容支架電容幾個幾個pF亨利亨利0.001pF百歐百歐2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)36(c)(d )C0CqrqLq3Z(j)Xe0sp 圖圖10.30 (c)某一頻率等效電路；某一頻率等效電路； (d)電抗特性電抗特性其它支路失諧，近似開路其它支路失諧，近似開路2022

16、年4月13日星期三模擬電子技術(shù)37(c)(d )C0CqrqLq3Z(j)Xe0sp qqsCL1 qqqpCCCCL 001 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)38)11(0 CCqssp 02CCqs 其值約為其值約為10-3量級量級 (c)(d )C0CqrqLq3Z(j)Xe0sp 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)3910.4.3 串聯(lián)型石英晶體振蕩器串聯(lián)型石英晶體振蕩器圖圖10.31串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器T1 T2 R1 R2 R3 R4 R5R6 晶體晶體 +VCC C uo 串聯(lián)型石英晶體振蕩器把石英晶體用作串聯(lián)型石英晶體振蕩器把石英晶體用作選頻短路線選頻短路

17、線2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)4010.4.4 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器(a)RLC1RERB2CBRB1LCECCCC2(b)RELqrqRLCqC0C1C2晶體Le圖圖10.32 并聯(lián)型石英晶體振蕩器并聯(lián)型石英晶體振蕩器(a)原理電路原理電路; (b)交流通路交流通路并聯(lián)型石英晶體振蕩器把石英晶體用作并聯(lián)型石英晶體振蕩器把石英晶體用作電感元件電感元件 2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)41(b)RELqrqRLCqC0C1C2晶體LeqqqgCCCCL 001 212100CCCCCC 其中其中LCCCCC 21212022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)42圖

18、圖10.32 并聯(lián)型晶體振蕩器振蕩頻率的圖解確定并聯(lián)型晶體振蕩器振蕩頻率的圖解確定 Xe p g1 C1C2C1C2 s+晶體的標(biāo)稱頻率晶體的標(biāo)稱頻率CL2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)43作業(yè)題作業(yè)題 10.1 10.510.610.910.112022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)44文氏電橋振蕩電路文氏電橋振蕩電路A+-fRRRCC1RuFuAoU2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)45A+-RRCCfR1R文氏電橋文氏電橋多用于產(chǎn)生多用于產(chǎn)生20HZ200kHZ的低頻信號發(fā)的低頻信號發(fā)生器中。生器中。2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)461. 振蕩頻率振蕩頻率RCfosc2

19、1因為振蕩電路的相位條件為因為振蕩電路的相位條件為,0FA圖中，圖中，0A0F所以所以2. 起振條件起振條件1uuFA即即31uuFA)31(uF3.引入引入1RRf、構(gòu)成的串聯(lián)電壓負(fù)反饋構(gòu)成的串聯(lián)電壓負(fù)反饋電路，能起到電路，能起到穩(wěn)定穩(wěn)定輸出幅度輸出幅度的作用。提高了的作用。提高了輸入電阻輸入電阻，減小了，減小了輸出輸出電阻電阻。2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)4731111RRRRRAffuA+-fRRRCC1RuFuAoU12 RRf2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)48LC并聯(lián)諧振回路的特性并聯(lián)諧振回路的特性oUCrL電路圖ZsI2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)49)1

20、(11)(CLjrCLCjLjrCjLjrZ)1(1220rLjrCL)(1200rLjrCL令LC102022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)50一一 諧振時回路參數(shù)諧振時回路參數(shù)1.諧振角頻率諧振角頻率 （固有角頻率）（固有角頻率）LC102.品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)rCrLQ0013.諧振阻抗諧振阻抗CQCrLZ002022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)51;0QrLrL002二二 LC并聯(lián)回路的頻率特性并聯(lián)回路的頻率特性并令并令0考慮考慮 附近情況，則可認(rèn)為附近情況，則可認(rèn)為00；則則0021jQZ)(1200rLjrCLZ2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)52|Z|0Z1Q0(b)幅頻特性

21、幅頻特性z2Q21QQ 2Q01Q感性感性容性容性(c)相頻特性相頻特性200)2(1QZZ012QtgZ2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)53考察不同的值時頻率特性，考察不同的值時頻率特性，Q越大，越大，幅頻特性幅頻特性越尖銳越尖銳，說明選頻特性越好。，說明選頻特性越好。0，0ZZ 時，時，純阻性純阻性00Z時，時，Z顯容性，顯容性，0Z0時，時， Z顯感性，顯感性，2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)54LC正弦波振蕩電路分析正弦波振蕩電路分析一一 電感反饋式電感反饋式(電感三點式電感三點式)+CCV圖圖1 電感反饋式振蕩器電感反饋式振蕩器1BREC2BRERBCCLR2312022

22、年4月13日星期三模擬電子技術(shù)55C123(b)交流電路交流電路2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)561.相位平衡條件相位平衡條件A( LC回路呈純阻性回路呈純阻性,即滿足該條件即滿足該條件 )F( 同名端設(shè)置正確同名端設(shè)置正確 )2FA2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)572.起振條件和振蕩頻率起振條件和振蕩頻率21RrMLMLbe，beurRA,12MLMLFu為折合到為折合到L1兩端的等效并聯(lián)總電阻。兩端的等效并聯(lián)總電阻。LCCMLLfo21)2(2121其中其中MLLL221M為互感。為互感。R2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)583.缺點缺點波形較差。因為反饋取自電感波形

23、較差。因為反饋取自電感IMLj)(2越高，反饋越強，越高，反饋越強，反饋和輸出信號中含高次諧波。反饋和輸出信號中含高次諧波。2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)59二二.電容反饋式振蕩電路電容反饋式振蕩電路(電容三點式電容三點式)oUV12F01. 0F01. 0F15. 0F10F047. 0F50133AXk7 . 4k10k8 . 6mH50)10(kHz2C1C圖圖10-14 SMB-10示波器中示波器中LC振蕩器振蕩器原理圖原理圖2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)601C2CL(b)交流通路交流通路cbVfV2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)61LCCCCCLffoosc2

24、12121212121CCCCC 優(yōu)點：波形較好。因為反饋取自電容優(yōu)點：波形較好。因為反饋取自電容2CICj21反饋和輸出信號中諧波分量小。反饋和輸出信號中諧波分量小。2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)62一一 影響頻率穩(wěn)定度的主要因素影響頻率穩(wěn)定度的主要因素1.電源電壓或溫度變化，使振蕩管的工作點變化，導(dǎo)電源電壓或溫度變化，使振蕩管的工作點變化，導(dǎo)致諧振回路等效電阻值變化，另外使管子的發(fā)射結(jié)和致諧振回路等效電阻值變化，另外使管子的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)等效電容改變，它們都引起集電結(jié)等效電容改變，它們都引起振蕩頻率的變化。振蕩頻率的變化。2.回路回路L、C元件的老化，引起振蕩頻率的變化。元件的老化

25、，引起振蕩頻率的變化。3.負(fù)載變化引起振蕩頻率的變化。負(fù)載變化引起振蕩頻率的變化。穩(wěn)頻措施穩(wěn)頻措施2022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)63二二 穩(wěn)頻措施穩(wěn)頻措施1.采用穩(wěn)定電源，穩(wěn)定直流工作點，以減小極間電容變化。采用穩(wěn)定電源，穩(wěn)定直流工作點，以減小極間電容變化。2.在負(fù)載和振蕩電路間加緩沖級，隔離負(fù)載對振蕩的影響。在負(fù)載和振蕩電路間加緩沖級，隔離負(fù)載對振蕩的影響。3.對決定振蕩頻率的元件要保證其精確度和穩(wěn)定性。對決定振蕩頻率的元件要保證其精確度和穩(wěn)定性。4.采用高采用高Q值值 LC振蕩電路，振蕩電路，Q越高，選頻特性越好。越高，選頻特性越好。實際實際LC回路的回路的Q值最高僅達數(shù)百，頻率穩(wěn)定度很難值最高僅達數(shù)百，頻率穩(wěn)定度很難突破突破 數(shù)量級。石英晶體振蕩電路頻率穩(wěn)定度可數(shù)量級。石英晶體振蕩電路頻率穩(wěn)定度可達達 左右，甚至左右，甚至 。510861010111010102022年4月13日星期三模擬電子技術(shù)64例題例題 對圖對圖10-19晶體振蕩器，已知晶體串聯(lián)諧振頻晶體振蕩器，已知晶體串聯(lián)諧振頻率為率為10MHz.(1) 說明該電路屬于哪種形式的晶體振蕩電