模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第九講 正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路

1、2021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 9.1 正弦波振蕩器的振蕩條件 9.2 RC正弦波振蕩器 9.3 LC正弦波振蕩器 9.4 非正弦波振蕩器基本要求: 1 掌握正弦波振蕩的相位平衡條件、幅度平衡條件 2 理解RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路、LC振蕩器的工作原理 3 掌握RC和LC振蕩電路能否自激的判別及振蕩頻率的計(jì)算 9 正弦波信號(hào)產(chǎn)生電路1 / 45正弦波振蕩電路沒(méi)有輸入信號(hào)，依靠自激振蕩產(chǎn)生正弦波輸出信號(hào)的電路組成：放大電路正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 9.1 正弦波振蕩器的振蕩條件2 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2021/9/12電子技術(shù)

2、基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1 振蕩條件 正反饋框圖如圖示。（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）若環(huán)路增益則去掉仍有穩(wěn)定的輸出又所以振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件更關(guān)鍵3 / 45電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1 振蕩條件振幅平衡條件 相位平衡條件思考？ 與自激振蕩條件有何異同？常據(jù)相位平衡條件，利用瞬時(shí)極性法判斷電路可否振蕩。振蕩條件自激振蕩幅值條件 自激振蕩條件自激振蕩相位條件pwjwj)12()()(fa+=+n4 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)要使電路自行振蕩，需滿足起振條件思考？ 振蕩電路是單口網(wǎng)

3、絡(luò)，無(wú)須輸入信號(hào)就能起振，起振的信號(hào)源來(lái)自何處？電路的電磁波干擾振幅平衡條件相位平衡條件是平衡條件，電路處于穩(wěn)態(tài)振蕩 2 起振條件5 / 45頻率成分豐富的隨機(jī)噪聲信號(hào)中恰好有0=2f0，使起振條件得以滿足（選頻網(wǎng)絡(luò)），產(chǎn)生增幅振蕩，自激在幅值不斷增大的輸出信號(hào)發(fā)生失真之前，要采取措施加以限制（限幅、穩(wěn)幅），增幅振蕩等幅振蕩起振穩(wěn)幅 3 起振與穩(wěn)幅6 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(2)反饋網(wǎng)絡(luò)（構(gòu)成正反饋的）(3)選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個(gè)頻率。經(jīng)常與反饋 網(wǎng)絡(luò)合二為一。）(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（電路易于起振并逐步穩(wěn)幅振蕩

4、，使波形失真?。?1)放大電路（包括負(fù)反饋放大電路）4 正弦波振蕩電路的基本組成常用的選頻網(wǎng)絡(luò)有RC選頻（1兆以下低頻信號(hào)）和LC選頻（1兆以上高頻信號(hào)）7 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 9.2 RC正弦波振蕩器1. 電路原理圖2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性3. 振蕩的建立與穩(wěn)定4. 振蕩頻率與振蕩波形5. 穩(wěn)幅措施8 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò),為正反饋。Z1、Z2、R1、Rf構(gòu)成一個(gè)四臂電橋放大電路Av為電壓串聯(lián)負(fù)反饋，具有Ri高，Ro低的特點(diǎn)

5、Av為同相比例運(yùn)算電路1. 電路原理圖9 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性反饋系數(shù)幅頻響應(yīng)又且令則相頻響應(yīng)10 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值相頻響應(yīng)11 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)此時(shí)若放大電路的電壓增益為用瞬時(shí)極性法判斷可知，則振蕩電路滿足振幅平衡條件當(dāng)時(shí)，(+)(+)(+)(+)Av3. 振蕩的建立與穩(wěn)定電路滿足相位平衡條件12 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電路滿足相位平衡條件因時(shí)，(+)(+)(+)(+)

6、Av 所以，振蕩頻率為 RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于 1 MHz 的正弦波4. 振蕩頻率與振蕩波形 若適當(dāng)調(diào)整負(fù)反饋的強(qiáng)弱，使Av的值在起振時(shí)略大于3，達(dá)到穩(wěn)幅時(shí)Av=3，則，輸出頻率為 的正弦波。 13 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)5. 穩(wěn)幅措施 采用非線性元件自動(dòng)調(diào)整反饋的強(qiáng)弱從而穩(wěn)幅。(1)熱敏元件熱敏電阻起振時(shí)，即負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的作用穩(wěn)幅思考？ 可否采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻？應(yīng)怎樣連接？14 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)采用非線性元件(2)工作在可變電阻區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅整流濾波T 壓控

7、電阻一般只要調(diào)節(jié)RP3、RP415 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)采用非線性元件(3)正反并聯(lián)二極管輸出電壓的幅值：當(dāng)vo很小，D1、D2截止起振當(dāng)vo較大，D1、D2之一導(dǎo)通，R3變小，且vo增大RD減小，直至Vom，Av趨于3當(dāng)Av3時(shí)16 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)T2例如文氏橋典型電路+-+17 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)+VccCeCRe1RC2Rb1T1RC1Re2RT2RC例9-1：根據(jù)相位平衡條件，利用瞬時(shí)極性法判斷以下電路能否振蕩+-+-不滿足相位平衡條件，不能振蕩18 /

8、 45作業(yè)P312 9.2.1 9.2.2 9.2.4 9.2.519 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 9.3 LC正弦波振蕩器9.3.1 LC選頻放大電路9.3.2 變壓器反饋式LC振蕩電路9.3.3 三點(diǎn)式LC振蕩電路20 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)等效損耗電阻一般有則當(dāng) 時(shí)，電路諧振。為諧振頻率諧振時(shí)阻抗最大，且為純阻性，容抗等于感抗，其中為品質(zhì)因數(shù)(幾十幾百)同時(shí)有即1. 并聯(lián)諧振回路9.3.1 LC選頻放大電路 9.3 LC正弦波振蕩器21 / 452021/9/

9、12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)當(dāng)Z僅局限于0附近時(shí)，近似有=0, -0=相對(duì)失諧量偏離0的程度Z0為諧振阻抗感性容性22 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1. 電路結(jié)構(gòu)2. 相位平衡條件3. 幅值平衡條件4. 穩(wěn)幅5. 選頻 通過(guò)選擇高值/gm和R的BJT、FET和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足 ,電路可以起振。 BJT/FET進(jìn)入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達(dá)到穩(wěn)幅目的。 雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的Q值很高，選頻特性好，所以仍能選出0= 的正弦波信號(hào)。即振蕩頻率為9.3.2 變壓器反饋式LC振蕩電路VDDdsTggCgR23

10、/ 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)反饋滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件反饋24 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A. 若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端 相位相反。1. 三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式 中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系B. 若首端或尾端交流接地，則其他兩 端相位相同。適當(dāng)選取L2/L1可起振對(duì)高次諧波阻抗大，輸出諧波分量大，波形不理想適當(dāng)選取C2/C1可起振對(duì)高次諧波阻抗小，輸出波形好9.3.3 LC三點(diǎn)式振蕩電路

11、25 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2. 電感三點(diǎn)式振蕩電路振蕩頻率:中間點(diǎn)交流接地，首端與尾端相位相反26 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3. 電容三點(diǎn)式振蕩電路諧振頻率27 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)例9-2：根據(jù)相位平衡條件，利用瞬時(shí)極性法判斷以下電路能否振蕩?若能，寫(xiě)出振蕩頻率表達(dá)式諧振頻率+-+28 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件+29 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)例：根據(jù)相位平衡條件，利

12、用瞬時(shí)極性法判斷以下電路能否振蕩滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件30 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（1）檢查電路是否具備正弦波振蕩器的基本組成部分，即基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)，并且有選頻環(huán)節(jié)。（2）檢查放大器的偏置電路，看靜態(tài)工作點(diǎn)是否能確保放大器正常工作。（3）分析振蕩器是否滿足振幅平衡條件和相位平衡條件(主要看是否滿足相位平衡條件，即用瞬時(shí)極性法判別是否存在正反饋) 。 分析三種LC正弦波振蕩電路能否正常工作的步驟可歸納如下：31 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)+VCCC2C1ReRb2Rb1CeCbLT例9-3：根據(jù)相位平衡條

13、件，利用瞬時(shí)極性法判斷以下電路能否振蕩不滿足相位平衡條件+-32 / 459.4 石英晶體振蕩電路33 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。1. 頻率穩(wěn)定問(wèn)題頻率穩(wěn)定度一般由 來(lái)衡量頻率偏移量。振蕩頻率。LC振蕩電路 Q =數(shù)百石英晶體振蕩電路 Q =10000 50000034 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2. 石英晶體的基本特性與等效電路結(jié)構(gòu)：極板間加電場(chǎng)極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)壓電效應(yīng)：交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻

14、率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率 = 固有頻率時(shí)，振幅最大壓電諧振35 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)L機(jī)械振蕩的慣性10102mH C晶片的彈性10-410-1PF R晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗 102 2. 石英晶體的基本特性與等效電路等效電路A. 串聯(lián)諧振特性:2個(gè)諧振頻率 晶體等效阻抗為純阻性B. 并聯(lián)諧振通常所以當(dāng)f高于fs，R、L、C支路呈感性，與Co并聯(lián)諧振R、L、C支路串聯(lián)諧振C0靜態(tài)電容(兩極板之間的電容，幾PF幾十PF)36 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2. 石英晶體的基本特性與等效電路實(shí)際使用時(shí)外

15、接一小電容Cs則新的諧振頻率(標(biāo)稱頻率)為由于由此看出調(diào)整37 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3. 石英晶體振蕩電路(1)并聯(lián)晶體振蕩電路工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)，晶振作為電容三點(diǎn)式LC選頻網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)元件（代替L）。 (2)串聯(lián)晶體振蕩電路工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，石英晶體作為一個(gè)正反饋通路元件。(呈阻性) 38 / 452021/9/12電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 串聯(lián)型晶體振蕩器 石英晶體接在T1、T2組成的兩極放大器的正反饋網(wǎng)絡(luò)中，起到選頻和正反饋?zhàn)饔?。?dāng)電路調(diào)諧到石英晶體的串聯(lián)諧振頻率s時(shí)，石英晶體阻抗最小(相當(dāng)于短路)，電路的正反饋?zhàn)顝?qiáng)，且相移為零，滿足振蕩條件。而對(duì)其它頻率的信號(hào)，晶體阻抗很大，正反饋很弱，電路不能起振?？梢?jiàn)這種電路的振蕩頻率0是由石英晶體的串聯(lián)諧振頻率s所決定的，即： 0 = s而不取決于振蕩回路。 由晶體電抗特性可知，當(dāng)=s時(shí)，晶體相當(dāng)于一個(gè)“短路”元件，