電路與模擬電子技術(shù)原理第10章振蕩器課件

1、電路與模擬電子技術(shù)原理第十章正弦波振蕩器*1第10章 正弦波振蕩器10.1 正弦波產(chǎn)生原理10.2 選頻網(wǎng)絡(luò)10.3 典型正弦波振蕩器*210.1 正弦波產(chǎn)生原理放大器設(shè)計(jì)中，要避免正反饋，只有負(fù)反饋才能穩(wěn)定放大倍數(shù)。不過(guò)，到了波形發(fā)生電路中，正反饋卻成了必須實(shí)現(xiàn)的好東西。 10.1.1 正反饋的妙用10.1.2 正弦波振蕩器的組成*310.1.1 正反饋的妙用1無(wú)輸入的正反饋：輸出噪聲由于電路元件內(nèi)部始終存在著載流子的熱運(yùn)動(dòng)，所以即使沒(méi)有輸入信號(hào)，放大器的輸出也不會(huì)是零，而是輸出雜亂無(wú)章的噪聲信號(hào)。 *42選頻：只反饋特定頻率的信號(hào)根據(jù)傅立葉分析理論：噪聲包含了任意頻率正弦信號(hào)。*53起振：

2、振蕩的建立圖10-2中，各變量之間關(guān)系如下要使輸出信號(hào)的幅度增加到足夠大，必須確保起振條件AF1 ，即A+F=2n *6起振（續(xù)）*74穩(wěn)幅：振蕩的穩(wěn)定一旦輸出信號(hào)達(dá)到了期望的幅度，就不應(yīng)繼續(xù)增大；而信號(hào)的相位不應(yīng)發(fā)生變化，所以必需保證平衡條件AF=1 ，或A+F=2n *8穩(wěn)幅（續(xù)）*95自激振蕩：正弦波振蕩器的實(shí)質(zhì)正弦波振蕩器實(shí)際上是利用了自激振蕩的原理，而則被稱為自激振蕩的平衡條件，其中叫做自激振蕩的幅度平衡條件，A+F=2n叫做自激振蕩的相位平衡條件。 *1010.1.2 正弦波振蕩器的組成根據(jù)圖10-4可知，正弦波振蕩器的組成環(huán)節(jié)如下：放大環(huán)節(jié)A：利用放大器件實(shí)現(xiàn)xoAxi 選頻環(huán)節(jié)

3、F() ： xfF()xo 正反饋環(huán)節(jié)，包括兩個(gè)方面A+F=2n ：利用電容、電感等移相實(shí)現(xiàn)其次是能夠起振和穩(wěn)幅 ：利用放大器件的非線性特征自動(dòng)實(shí)現(xiàn) *11第10章 正弦波振蕩器10.1 正弦波產(chǎn)生原理10.2 選頻網(wǎng)絡(luò)10.3 典型正弦波振蕩器*1210.2 選頻網(wǎng)絡(luò)任何對(duì)特定頻率正弦信號(hào)表現(xiàn)出獨(dú)有特性的電路，都可以用來(lái)把特定頻率正弦信號(hào)從噪聲中分離出來(lái)，從而構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。*1310.2 選頻網(wǎng)絡(luò)10.2.1 RC串并聯(lián)選頻10.2.2 LC選頻10.2.3 石英晶體選頻*1410.2.1 RC串并聯(lián)選頻*15RC串并聯(lián)選頻（續(xù)）RC串并聯(lián)電路的特征頻率為當(dāng)信號(hào)頻率為特征頻率 f0時(shí)，電壓傳

4、輸特性達(dá)到最大值（1/3），且呈現(xiàn)純電阻特性。 *1610.2.2 LC選頻利用LC諧振電路在諧振頻率上所表現(xiàn)出的特性，即可構(gòu)成選頻電路。 *171LC串聯(lián)選頻電路*18LC串聯(lián)選頻電路（續(xù)）LC串聯(lián)諧振時(shí)，對(duì)外阻抗為零，且呈現(xiàn)純電阻特性。LC串聯(lián)電路僅對(duì)于頻率為f0的信號(hào)阻抗為零，對(duì)其余頻率信號(hào)的阻抗則很大。 *19LC串聯(lián)選頻電路（續(xù)）*20LC串聯(lián)選頻電路（續(xù)）LC串聯(lián)選頻電路如圖10-6(c)所示。因?yàn)長(zhǎng)C串聯(lián)環(huán)節(jié)僅僅對(duì)頻率為f0的正弦波阻抗為零，所以信號(hào)us中的頻率為f0的正弦電壓將不受任何阻礙地通過(guò)LC串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出到RL負(fù)載上；其余頻率的電壓則被LC串聯(lián)環(huán)節(jié)所阻，從而無(wú)法輸出到負(fù)載

5、上。 *212LC并聯(lián)選頻電路*22LC并聯(lián)選頻電路（續(xù)）LC并聯(lián)諧振時(shí)，對(duì)外導(dǎo)納為零，且呈現(xiàn)純電導(dǎo)特性。LC并聯(lián)電路僅對(duì)于頻率為f0的信號(hào)導(dǎo)納為零，對(duì)其余頻率信號(hào)的導(dǎo)納則很大。 導(dǎo)納越大意味著導(dǎo)通能力越強(qiáng)，導(dǎo)納越小意味著導(dǎo)通能力越弱，導(dǎo)納為零意味著根本就不能通過(guò)。 *23LC并聯(lián)選頻電路（續(xù)）頻率為f0的信號(hào)導(dǎo)納為零，不能通過(guò)LC并聯(lián)電路，所以能夠到達(dá)負(fù)載。*2410.2.3 石英晶體選頻LC選頻電路的諧振頻率取決于L、C的值，但是作為分立元件，L、C的值在溫度、電源電壓波動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生漂移，這會(huì)導(dǎo)致LC諧振頻率變得不穩(wěn)定，從而影響LC選頻電路的穩(wěn)定性。LC選頻電路的振蕩波頻率不夠穩(wěn)定。*251

6、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)機(jī)械形變使晶體表面帶電打火機(jī)、話筒逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng) ）壓電晶體在電場(chǎng)作用下將發(fā)生機(jī)械形變聲波發(fā)生器*262壓電晶體的諧振頻率某些晶體、陶瓷以及木材、生物骨骼等都具有壓電效應(yīng)，每種材料都具有不同的頻率特性。利用石英晶體實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換的效果并不好，但是溫度變化時(shí)，石英晶體的諧振頻率卻非常穩(wěn)定，利用這個(gè)特性，就可獲得高穩(wěn)定度的選頻電路。 *273石英晶體的阻抗特性*28石英晶體的阻抗特性（續(xù)）石英晶體阻抗的頻率特性中，有兩個(gè)極值點(diǎn)，頻率fs對(duì)應(yīng)的阻抗最小值，頻率fp對(duì)應(yīng)的阻抗最大值。 *29石英晶體串聯(lián)諧振頻率阻抗在頻率fs達(dá)到最小值，意味著頻率fs的電流最容易流過(guò)石

7、英晶體，所以只要我們把石英晶體串聯(lián)到輸入端口和輸出端口之間，就可以在輸出端得到頻率為fs的信號(hào)，如圖10-8(c)所示，所以頻率fs被稱為串聯(lián)諧振頻率。 *30石英晶體并聯(lián)諧振頻率阻抗在頻率fp達(dá)到最大值，意味著頻率fp的電流最難流過(guò)石英晶體（其他頻率的信號(hào)則更容易流過(guò)），所以只要我們把石英晶體并聯(lián)到輸入端口和輸出端口之間，就可以在輸出端得到頻率為fp的信號(hào)，如圖10-8(d)所示，所以頻率fp被稱為并聯(lián)諧振頻率。 *31石英晶體選頻電路*32第10章 正弦波振蕩器10.1 正弦波產(chǎn)生原理10.2 選頻網(wǎng)絡(luò)10.3 典型正弦波振蕩器*3310.3 典型正弦波振蕩器把放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)按照?qǐng)D10-

8、2接成正反饋形式，就可以構(gòu)成正弦波振蕩器。 10.3.1 文氏橋振蕩器10.3.2 LC振蕩器10.3.3 石英晶體振蕩器*3410.3.1 文氏橋振蕩器*35并聯(lián)深度負(fù)反饋的虛斷文氏橋（Wien-Bridge）振蕩器，以同相比例放大電路作為放大器，以RC串并聯(lián)電路作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)。*36振蕩原理（判斷能否振蕩）根據(jù)正弦波振蕩器的組成首先，考慮選頻特性。其次，考慮正反饋條件中的相位平衡條件。 再次，考慮正反饋條件中的幅度平衡條件。 最后，考慮起振條件。 *37首先，考慮選頻特性根據(jù)RC串并聯(lián)電路的傳輸特性可知，當(dāng)時(shí)，反饋電壓uf達(dá)到最大值，所以其選擇的頻率為 *38其次，考慮相位平衡條件其次

9、，考慮正反饋條件中的相位平衡條件。因?yàn)楫?dāng)=0時(shí)，反饋電壓uf與輸出電壓uo同相，即反饋網(wǎng)絡(luò)相移F=0；又因?yàn)橥喾糯箅娐返妮敵鲭妷簎o與輸入電壓ui同相，即放大電路的相移A=0，所以A+F=0，滿足相位平衡條件。 *39再次，考慮幅度平衡條件*40最后，考慮起振條件*41首先，考慮選頻特性根據(jù)RC串并聯(lián)電路的傳輸特性可知，當(dāng)時(shí)，反饋電壓uf達(dá)到最大值，所以其選擇的頻率為 *42其次，考慮相位平衡條件因?yàn)楫?dāng)=0時(shí)，反饋電壓uf與輸出電壓uo同相，即反饋網(wǎng)絡(luò)相移F=0；又因?yàn)橥喾糯箅娐返妮敵鲭妷簎o與輸入電壓ui同相，即放大電路的相移A=0，所以A+F=0，滿足相位平衡條件。 *43再次，考慮幅

10、度平衡條件因?yàn)楫?dāng)=0時(shí)，反饋系數(shù)，為確保，必須保證。又因?yàn)橥啾壤糯箅娐返姆糯蟊稊?shù)欲使，必須要求R2=2R1。 *44最后，考慮起振條件為保證電路起振，應(yīng)該使放大器最初的放大倍數(shù)，等到輸出電壓達(dá)到期望值后，再使放大倍數(shù)。為此還應(yīng)設(shè)計(jì)起振環(huán)節(jié)，例如用二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、熱敏電阻等可變電阻替代R1或R2，具體電路從略。 *45RC振蕩電路的缺點(diǎn)除了失真問(wèn)題之外，RC振蕩電路的輸出頻率還要受到集成運(yùn)放頻率特性的限制，通常最高可以產(chǎn)生1MHz的正弦波。在更高頻率要求的場(chǎng)合，通常采用LC振蕩器。 *4610.3.2 LC振蕩器LC振蕩器采用LC諧振電路作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)，而且通常采用晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管作為

11、放大環(huán)節(jié)，以擺脫集成運(yùn)放頻率特性的限制。 *471阿姆斯特朗振蕩器采用變壓器（反饋線圈）耦合實(shí)現(xiàn)正反饋?zhàn)兓愋秃芏唷?48首先，考慮選頻特性由于反饋網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)C并聯(lián)電路，可知所選頻率為 *49其次，考慮相位平衡條件因?yàn)榉糯蟓h(huán)節(jié)為共發(fā)射極放大電路，其輸出電壓與輸入電壓相位相反，可知放大電路的相移A=180。 反饋網(wǎng)絡(luò)的相移由LC并聯(lián)電路的相移與變壓器相移兩部分組成， 在LC并聯(lián)電路部分，因?yàn)楫?dāng)f=f0時(shí)，LC并聯(lián)電路呈現(xiàn)純電阻特性，所以其相移為零； *50考慮相位平衡條件（續(xù)）在變壓器部分，由于線圈L1和L2的同名端相反，所以變壓器的相移原邊和副邊繞組上的信號(hào)相位相反，即變壓器帶來(lái)的相移是180，

12、所以反饋網(wǎng)絡(luò)的總相移F=180。 由此可知A+F=0，滿足相位平衡條件。 *51瞬時(shí)極性法判斷相位平衡條件 用瞬時(shí)極性法判斷相位平衡條件更方便，圖10-10中演示。*52再次，考慮幅度平衡條件可以通過(guò)配置三極管放大電路中各電阻阻值來(lái)改變放大倍數(shù)A，以及通過(guò)改變線圈L1和L2的匝數(shù)比來(lái)改變反饋系數(shù)F，從而滿足AF=1的幅度平衡條件。 *53最后，考慮起振條件為滿足起振條件，可以首先使AF略大于1，隨著信號(hào)幅度的增大，三極管放大倍數(shù)逐漸下降，從而變?yōu)锳F=1。 *54相位平衡條件的重要性總之，如果已經(jīng)滿足相位平衡條件，幅度平衡條件和起振條件總可以通過(guò)配置元件參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以后文將僅僅討論相位平衡條

13、件，不再討論幅度平衡條件和起振條件。 *552考畢茲振蕩器（電容三點(diǎn)式 ）阿姆斯特朗振蕩器的反饋網(wǎng)絡(luò)必須使用變壓器，使得其體積較大，考畢茲振蕩器克服了這個(gè)缺點(diǎn)。 *56考畢茲振蕩器的選頻原理*57考畢茲振蕩器的諧振頻率考畢茲振蕩器的諧振頻率取決于諧振回路中的總電感和總電容。其中CT為諧振回路總電容（C1和C2的串聯(lián)）*58相位平衡條件諧振時(shí)的反饋系數(shù)為畫(huà)出各點(diǎn)電壓的瞬時(shí)極性可知，該電路滿足正反饋的相位平衡條件。*593哈特萊振蕩器（電感三點(diǎn)式 ）哈特萊振蕩器利用電感反饋，這使得它的高頻特性不是很好；考畢茲振蕩器利用電容反饋，高頻特性要好得多，但是卻很容易受到晶體管自身電容的影響， *60哈特萊振蕩器的諧振頻率哈特萊振蕩器的諧振頻率為其中，LT為諧振回路總電感LTL1L2 *6110.3.3 石英晶體振蕩器RC振蕩器存在失真和振蕩頻率不夠高的問(wèn)題，只能用來(lái)產(chǎn)生普通的正弦波。如果要減小失真和提高振蕩頻率，可以采用LC振蕩器，但由于電感、電容元件本身的缺點(diǎn)，使得LC振蕩器的振蕩頻率不夠穩(wěn)定。如果要求更高的穩(wěn)定性，就必須采用更加穩(wěn)定的石英晶體振蕩器。 *621串聯(lián)型石英晶體振蕩器*63串聯(lián)型石英晶體振蕩器（續(xù)）當(dāng)工作在串聯(lián)諧振頻率fs時(shí)，石英晶體相當(dāng)于一個(gè)小電阻，每個(gè)電容都將帶來(lái)90的相移，所以反饋網(wǎng)絡(luò)的總相移為180，從而確保了正反饋的相位平衡條件。因?yàn)轭l率fs時(shí)，石英晶體的阻抗達(dá)到