第4章 正弦波振蕩器

第4章

正弦波振蕩器振蕩器特點(diǎn)：1、不需要輸入信號(hào)；2、有電源就可以工作；3、可以產(chǎn)生各種波形。原理：振蕩器！第4章正弦波振蕩器作用：產(chǎn)生一定頻率和幅度的信號(hào)利用負(fù)阻器件的負(fù)阻效應(yīng)產(chǎn)生振蕩按振蕩波形不同分正弦波振蕩器非正弦波振蕩器按組成原理不同分負(fù)阻振蕩器反饋振蕩器利用正反饋原理構(gòu)成

反饋振蕩器

LC正弦波振蕩器

石英晶體振蕩器

RC正弦波振蕩器

本章內(nèi)容

1、掌握反饋振蕩器的分類(lèi)及工作原理

起振、穩(wěn)幅、幅度和相位條件

2、掌握LC正弦波振蕩器的組成原則

學(xué)習(xí)幾種著名的LC振蕩器（如三點(diǎn)式）；

學(xué)會(huì)判斷一個(gè)電路是否能振蕩。

3、了解石英晶體振蕩器的原理及特點(diǎn)

4、了解（回顧）RC正弦波振蕩器

本章要求4.1反饋振蕩器的原理主要要求：

掌握反饋振蕩器的組成和基本工作原理理解反饋振蕩器的起振條件和平衡條件，了解其穩(wěn)定條件。掌握反饋振蕩器能否振蕩的判斷方法。分類(lèi)：正弦波振蕩:非正弦波振蕩：RC振蕩器(1kHz~數(shù)百kHz)LC振蕩器(幾百kHz以上)石英晶體振蕩器(頻率穩(wěn)定度高)方波、三角波、鋸齒波等主要性能：輸出信號(hào)的幅度準(zhǔn)確穩(wěn)定輸出信號(hào)的頻率準(zhǔn)確穩(wěn)定4.1.1

反饋振蕩器的原理分析反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)RC橋式振蕩電路回顧選頻網(wǎng)絡(luò)放大電路起振：1、上電擾動(dòng)；2、內(nèi)部噪聲。選頻：1、頻率；2、相位。穩(wěn)幅：1、熱敏電阻；2、二極管。起振過(guò)程穩(wěn)定振蕩4.1.1

反饋振蕩器的原理分析一、反饋振蕩器的組成放大器Au反饋網(wǎng)絡(luò)FuUiUoUf正弦波振蕩器由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)組成無(wú)外加輸入信號(hào)二、反饋振蕩器的工作原理放大器Au反饋網(wǎng)絡(luò)FuUiUoUf要滿(mǎn)足起始信號(hào)來(lái)自電擾動(dòng)起振時(shí)要滿(mǎn)足輸出信號(hào)大小滿(mǎn)足要求時(shí)，要能自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓，實(shí)現(xiàn)，使電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出幅度和頻率都穩(wěn)定的信號(hào)。故要有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（正弦波還要有選頻網(wǎng)絡(luò)）。穩(wěn)幅外穩(wěn)幅內(nèi)穩(wěn)幅利用放大器件的非線性一.產(chǎn)生自激振蕩的條件fidXXX-=改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。4.1.2振蕩的平衡條件和起振條件+基本放大電路A反饋電路FiX+

–dXoXfX如果：,ifXX=則去掉,iX仍有信號(hào)輸入（出）。基本放大電路A反饋電路FdXoXfX反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào)。基本放大電路A反饋電路FiX+

+dXoXfX基本放大電路A反饋電路FdXoXfXAF=1Xd=Xf所以，自激振蕩條件也可以寫(xiě)成：自激振蕩的條件：（1）振幅條件：（2）相位條件：pjjnFA2=+n是整數(shù)因?yàn)椋?.起振條件二.

起振和穩(wěn)幅

#振蕩電路是單口網(wǎng)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？電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動(dòng)當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，就要限制它繼續(xù)增加（穩(wěn)幅），否則波形將出現(xiàn)失真。噪聲中，滿(mǎn)足相位平衡條件的某一頻率0的噪聲信號(hào)被放大，成為振蕩電路的輸出信號(hào)。穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從回到

為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)（或者稱(chēng)為濾波器）往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合而為一。選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。正弦波振蕩器的名稱(chēng)一般由選頻網(wǎng)絡(luò)來(lái)命名。二.

起振和穩(wěn)幅

“噪聲中，滿(mǎn)足相位平衡條件的某一頻率0的噪聲信號(hào)被放大，成為振蕩電路的輸出信號(hào)?！比绾巫龅剑喝?電路的組成和起振的判斷（1）.放大電路Au（2）.正反饋網(wǎng)絡(luò)Fu（3）.選頻網(wǎng)絡(luò)—實(shí)現(xiàn)單一頻率的振蕩（4）.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)—使振蕩穩(wěn)定、波形好組成:4.1.2

振蕩的平衡條件和起振條件再次重溫：??????由于由可得又由于環(huán)路增益故又得放大器Au反饋網(wǎng)絡(luò)FuUiUoUf還是重溫：n=0,1,2…振幅平衡條件相位平衡條件即正反饋振幅條件和相位條件必須同時(shí)滿(mǎn)足。相位平衡條件確定振蕩頻率；振幅平衡條件確定振蕩輸出信號(hào)的幅值。4.1.2

振蕩的平衡條件和起振條件振蕩的平衡條件n=0,1,2…振蕩的起振條件n=0,1,2…振幅起振條件相位起振條件4.1.2

振蕩的平衡條件和起振條件

4.1.3

振蕩電路舉例——LC互感耦合振蕩器

下圖是一個(gè)LC振蕩器的實(shí)際電路,圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由L和L1間的互感M擔(dān)任,因而稱(chēng)為互感耦合式的反饋振蕩器,或稱(chēng)為變壓器耦合振蕩器。正弦波振蕩器由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)組成

變壓器反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為:工作原理LC+–+–CBE變壓器反饋式振蕩器交流通路N1N2M+–工作原理起振時(shí)放大器工作于甲類(lèi)，T>1。隨著振蕩幅度的增大，放大器進(jìn)入非線性狀態(tài)，且由于自給偏置效應(yīng)進(jìn)入乙類(lèi)或丙類(lèi)非線性工作狀態(tài)（進(jìn)入飽和區(qū)，增益下降），使T減小，直至T=1，進(jìn)入平衡狀態(tài)LC+–+–CBE變壓器反饋式振蕩器交流通路N1N2M+–－在回路諧振頻率上構(gòu)成正反饋，滿(mǎn)足了振蕩的相位條件。振蕩條件的分析LC+–+–CBE變壓器反饋式振蕩器交流通路N1N2M+–為集電極電流基波分量；

Z為回路對(duì)基波電流呈現(xiàn)的阻抗。三、振蕩條件的分析LC+–+–CBE變壓器反饋式振蕩器交流通路N1N2M+–

Yfe

為晶體管的正向傳輸導(dǎo)納三、振蕩條件的分析LC+–+–CBE變壓器反饋式振蕩器交流通路N1N2M+–

r為電感線圈L的等效損耗電阻。忽略r時(shí)，。如互感為全耦合，則說(shuō)明忽略r時(shí)，為實(shí)數(shù)，fe＝0；且為常數(shù)。三、振蕩條件的分析LC+–+–CBE變壓器反饋式振蕩器交流通路N1N2M+–故即在小信號(hào)時(shí)為常數(shù)，在大信號(hào)非線性工作狀態(tài)時(shí)，隨振蕩幅度增大而減小，故能滿(mǎn)足T的頻率特性要求。三、振蕩條件的分析實(shí)際電路中，fe

和f都很小，故相位平衡條件可近似為可得該振蕩器相位平衡條件為因此采用LC諧振回路作選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器，其振蕩頻率約等于回路諧振頻率。當(dāng)LC回路調(diào)諧于f0上時(shí)，即可滿(mǎn)足此條件。例題試分析下圖電路是否可能產(chǎn)生振蕩解：該電路由共基放大電路和LC反饋選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，在LC回路的諧振頻率上構(gòu)成正反饋，滿(mǎn)足相位平衡條件。而共基放大電路具有較大增益，又具有內(nèi)穩(wěn)幅作用，因此合理選擇電路參數(shù)可滿(mǎn)足振幅起振和平衡調(diào)節(jié)，故此電路可能產(chǎn)生振蕩。關(guān)鍵是判斷是否形成正反饋同相放大器共基極放大電路§4.2LC振蕩器(LCOscillatorCirCuits)一構(gòu)成LC振蕩器的基本原則二電容反饋三端式振蕩器三電感三端式振蕩器四兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器§4.2.1LC振蕩器的組成原則IIIII依據(jù)共射極的原理來(lái)說(shuō)明二、一些常見(jiàn)振蕩器的高頻電路。圖4─7幾種常見(jiàn)振蕩器的高頻電路射同余異§4.2.2電容反饋三點(diǎn)式振蕩器

(ColpittsOscillators)右上圖分析起振的相位條件（諧振回路純阻）-V’b+§4.2.3電感三點(diǎn)式振蕩器(HartlyOscillators)I+VC--Vb+I兩種振蕩器電路比較：（1）電容反饋型電路的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：由于輸出端和反饋電路是電容，對(duì)高次諧波電抗小，振蕩波形更接近正弦波。振蕩頻率可較高。缺點(diǎn)：用兩個(gè)電容調(diào)節(jié)頻率不方便（電感做好后不易調(diào)節(jié)）。（2）電感反饋型電路的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：用一個(gè)電容可方便調(diào)節(jié)頻率。缺點(diǎn)：由于反饋電路是電感，振蕩波形含有高次諧波多。振蕩頻率不高。電容反饋型三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩波形更接近正弦波。振蕩頻率可較高。有什么問(wèn)題？反饋系數(shù)F則只有一段范圍內(nèi)較合適。F過(guò)小，反饋不足，回路能量的補(bǔ)充不足以彌補(bǔ)回路的損耗，使振蕩最終不能建立；F過(guò)大，輸入電路與回路耦合過(guò)緊，使Q值降低，增益減小，環(huán)路負(fù)載過(guò)重，振蕩也難以發(fā)生。晶體管的輸出輸入電容影響振蕩頻率。晶體管的等效電阻、影響回路的Q值，從而影響振蕩。影響反饋系數(shù)F與振蕩頻率的因素都是和。改進(jìn)辦法：把決定振蕩頻率的主要元件與決定反饋系數(shù)F的主要元件分開(kāi)。振蕩頻率不受晶體管的輸出輸入電容影響?！?.2.4兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器§4.2.4兩種改進(jìn)型的電容反饋振蕩器確定振蕩頻率f0的LC諧振回路。E1648簡(jiǎn)介集成電路振蕩器

E1648是產(chǎn)生高頻正弦波振蕩的專(zhuān)用集成塊。只需接入簡(jiǎn)單的外圍元件，即可產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻正弦波。E1648構(gòu)成的高頻振蕩器

E1648的振蕩頻率由下式計(jì)算+5VE164813578101214L1C1C40.1μFC30.1μFRL1kΩvo1

E1648的最高振蕩頻率可達(dá)200MHz。C3是濾波電容。C4是濾波電容。f0=————2π1L1C1f0=————2π1L1C1E1648增加輸出幅度的接法集成電路振蕩器E1648構(gòu)成的高頻振蕩器0.1μF+9VL2C2R+5VE164813578101214L1C1C40.1μFC30.1μFRL1kΩvo1vo2

E1648的振蕩頻率由下式計(jì)算

E1648的最高振蕩頻率可達(dá)200MHz。一般，振蕩器從3腳輸出振蕩信號(hào)vo1。但有時(shí)為了提高輸出幅度，也可以從1腳輸出振蕩信號(hào)vo2

。通常振蕩信號(hào)從IC的3腳輸出。有時(shí)，為了增加輸出的幅度，也可從IC的1腳輸出振蕩信號(hào)。

E1648是產(chǎn)生高頻正弦波振蕩的專(zhuān)用集成塊。只需接入簡(jiǎn)單的外圍元件，即可產(chǎn)生穩(wěn)定的高頻正弦波。在1腳輸出時(shí)，應(yīng)接上一諧振頻率與fo相同的LC回路并接入電源，才能增加輸出幅度。4.5石英晶體振蕩器

4.5.1石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度石英晶體振蕩器之所以能獲得很高的頻率穩(wěn)定度,由第2章可知,是由于石英晶體諧振器與一般的諧振回路相比具有優(yōu)良的特性,具體表現(xiàn)為:(1)石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。

(2)石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小,一般為10-3~10-4。

(3)石英晶體諧振器具有非常高的Q值。4.5.2晶體振蕩器電路

晶體振蕩器的電路類(lèi)型很多,但根據(jù)晶體在電路中的作用,可以將晶體振蕩器歸為兩大類(lèi):并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。

（區(qū)分串、并聯(lián)主要看晶體與三極管的關(guān)系）

圖4─17皮爾斯振蕩器1．并聯(lián)型晶體振蕩器CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC0皮爾斯振蕩器的工作頻率應(yīng)由C1、C2、C3及晶體構(gòu)成的回路決定,即由晶體電抗Xe與外部電容相等的條件決定,設(shè)外部電容為CL,則(4─52)(4─53)晶體自身的諧振頻率圖4─20密勒振蕩器

2．串聯(lián)型晶體振蕩器在串聯(lián)型晶體振蕩器中,晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間,通常接在反饋電路中。圖4─23示出了一串聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線路和等效電路。圖4─23一種串聯(lián)型晶體振蕩器

(a)實(shí)際線路;(b)等效電路4.7RC振蕩器

RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性比LC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性差，因此常采用負(fù)反饋來(lái)提高電路的選頻特性。其原理是電路中除了有產(chǎn)生自激振蕩所需的正反饋外，還同時(shí)加有負(fù)反饋?？偟姆答佇Ч?在振蕩頻率，正反饋超過(guò)負(fù)反饋，并滿(mǎn)足自激條件，偏離自激頻率時(shí)，力求使負(fù)反饋超過(guò)正反饋，以抑制不需要的頻率，從而改善輸出波形。

根據(jù)RC網(wǎng)絡(luò)的不同構(gòu)成，RC振蕩器可分為相移振蕩器和橋式振蕩器兩大類(lèi)，我們先回顧一下RC網(wǎng)絡(luò)的特性，然后再討論RC振蕩器。4.7.1RC網(wǎng)絡(luò)

1．超前型移相網(wǎng)絡(luò)圖4-35(a)示出了RC超前型移相網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為其模值和相角分別為式中ω0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-35(b)、(c)所示。幅頻特性和相頻特性曲線

2．滯后型移相網(wǎng)絡(luò)圖4-36(a)示出了RC滯后型移相網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為其模值和相角分別為式中ω0=1/(RC)。幅頻特性和相頻特性分別如圖4-36(b)、(c)所示。

3.串并聯(lián)型選頻網(wǎng)絡(luò)圖4-37(a)示出了RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)。傳輸系數(shù)為式中ω0=1/RC，其模和相角分別為相應(yīng)的幅頻特性和相頻特性如圖4-37(b)、(c)所示。14.7.2RC振蕩器圖4-38(a)和(b)分別示出了由晶體管以及由集成運(yùn)放構(gòu)成的反相放大器所組成的超前型RC振蕩器。它們都可以提供180°的相移，相移網(wǎng)絡(luò)也必須提供180°相移。圖4-38超前型RC振蕩器缺點(diǎn)：頻率不能太高，否則無(wú)法提供足夠的相移。由圖（a）：三級(jí)超前相移網(wǎng)絡(luò)，最多可提供90*3=270的相移。4.7.3文氏橋振蕩器文氏橋正弦波振蕩器的原理電路如圖4-39所示，它是正弦波振蕩器的一種最常用的電路。橋形RC網(wǎng)絡(luò)接在輸出端與同相輸入端之間，則起振條件應(yīng)當(dāng)是相移等于零，故此電路又稱(chēng)零相移橋式振蕩器。圖4-39文氏橋振蕩器現(xiàn)在要求Uf和Uo之間相移在某個(gè)頻率上等于零，則上式的虛部等于零，于是有根據(jù)上式可以求出滿(mǎn)足幅度平衡條件的運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益等于3。為了便于起振，要求Rf

/R3略大于2。取R1=R2=R，C1=C2=C，則振蕩頻率為起振后的穩(wěn)幅？采用非線性元件穩(wěn)幅措施熱敏元件熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅Rf

不能太大，否則正弦波將變成方波應(yīng)使：??該熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，若熱敏電阻具有