項(xiàng)目七 正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)課件

第7章正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

7.1集成運(yùn)放電路概述7.2差分式放大電路7.3集成運(yùn)算放大電路的主要參數(shù)7.4集成運(yùn)算放大電路的應(yīng)用7.5正弦波振蕩電路7.6RC橋式振蕩電路7.7LC正弦波振蕩電路7.8石英晶體振蕩電路7.9正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)7.1集成運(yùn)算放大電路概述1集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)集成運(yùn)算放大器是一種具有很高放大倍數(shù)的多級(jí)直接耦合放大電路。是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛的一種模擬集成電路。集成電路分類模擬集成電路:數(shù)字集成電路集成運(yùn)算放大器、集成功率放大器、集成穩(wěn)壓電源、集成A/DD/A等。在集成電路工藝中難于制造電感元件；制造容量大于200pF的電容也比較困難，因而放大器各級(jí)之間都采（1）級(jí)間采用直接耦合方式用直接耦合，必須使用電容的場(chǎng)合，也大多采用外接的方法。（2）電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有對(duì)稱性集成電路中的電阻是由硅半導(dǎo)體的體電阻構(gòu)成，阻值大約為100~30K，且阻值精度不高，因此常常用晶體管恒流源代替電阻（動(dòng)態(tài)電阻）；必須使用直流高阻值的場(chǎng)合，也大多采用外接的方法。由于集成電路中的各個(gè)元件是通過(guò)同一工藝過(guò)程制作在同一硅片上，同一片內(nèi)的元件參數(shù)絕對(duì)值有同向的偏差，溫度均一性好（3）用有源器件代替無(wú)源器件u+輸入級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)偏置電路u-uO中間級(jí)：主要進(jìn)行電壓放大，一般由共發(fā)射極放大電路構(gòu)成，集電極電阻常采用晶體管恒流源代替，以提高電壓放大倍數(shù)。輸出級(jí)：采用互補(bǔ)對(duì)稱功放電路或射極輸出器，以便輸出足夠大的電流和功率，并降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路：一般是由恒流源電路組成，為以上三部分電路提供穩(wěn)定和合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。3、集成運(yùn)算放大器的符號(hào)

運(yùn)算放大器的符號(hào)中有三個(gè)引線端，兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。一個(gè)稱為同相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相同，用符號(hào)‘+’表示；另一個(gè)稱為反相輸入端，即該端輸入信號(hào)變化的極性與輸出端相反，用符號(hào)“-”表示。輸出端在輸入端的另一側(cè)，在符號(hào)邊框內(nèi)標(biāo)有‘+’號(hào)。運(yùn)算放大器外形圖注意：為什么只對(duì)直接耦合多級(jí)放大電路提出這一問(wèn)題呢？原來(lái)溫度的變化和零點(diǎn)漂移都是隨時(shí)間緩慢變化的，如果放大電路各級(jí)之間采用阻容耦合，這種緩慢變化的信號(hào)不會(huì)逐級(jí)傳遞和放大，問(wèn)題不會(huì)很嚴(yán)重。但是，對(duì)直接耦合多級(jí)放大電路來(lái)說(shuō)，輸入級(jí)的零點(diǎn)漂移會(huì)逐級(jí)放大，在輸出端造成嚴(yán)重的影響。特別時(shí)當(dāng)溫度變化較大，放大電路級(jí)數(shù)多時(shí)，造成的影響尤為嚴(yán)重。7.2.1差動(dòng)放大電路的工作原理(DifferentialAmplifier)1、電路組成特點(diǎn)：a.兩只完全相同的管子；b.兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端；c.元件參數(shù)對(duì)稱；（2）負(fù)電源VEE的作用。射極電阻Re越大，其抑制零點(diǎn)漂移的作用就越強(qiáng)，但Re取值太大會(huì)使其上直流壓降也增大，若僅靠VCC供電，就會(huì)使IC減小，使管子的靜態(tài)工作點(diǎn)下降，進(jìn)而導(dǎo)致管子動(dòng)態(tài)范圍減小，甚至影響放大電路正常工作。引入負(fù)電源VEE，可以補(bǔ)償Re上的直流管壓降，使電路有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，不會(huì)導(dǎo)致管子的動(dòng)態(tài)范圍太小，并且由于負(fù)電源VEE直接為兩管設(shè)置偏置電流，因此也可去掉偏置電阻Rb。（1）射極電阻Re的作用。引入直流負(fù)反饋，抑制每只管子產(chǎn)生的漂移，從而抑制溫度變化對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響，穩(wěn)定電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，并且Re越大，靜態(tài)工作點(diǎn)越穩(wěn)定。

當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，兩管的參數(shù)發(fā)生變化，則差動(dòng)放大電路的兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)也發(fā)生變化。由于T1、T2兩管的特性和溫度特性完全相同，溫度變化相同，因此兩管的集電極電流變化相等，即ΔIC1＝ΔIC2，兩管的集電極電位變化也相等，即ΔUC1＝ΔUC2，則輸出電壓為Uo＝(UC1＋ΔUC1)－(UC2＋ΔUC2)＝0。因此，當(dāng)溫度變化時(shí)，輸出電壓仍為零，可有效抑制零點(diǎn)漂移。由以上分析可知，在理想情況下，由于電路的對(duì)稱性，輸出信號(hào)電壓采用從兩管集電極間提取的雙端輸出方式，對(duì)于無(wú)論什么原因引起的零點(diǎn)漂移，均能有效地抑制。為了更好地分析差分放大電路的特性，定義差分放大電路的輸入信號(hào)為兩種形式：差模信號(hào)和共模信號(hào)。差模信號(hào)：即在電路的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等、極性相反的信號(hào)，即ui1=?ui2；共模輸入：就是在電路的兩個(gè)輸入端加上一對(duì)大小相等、極性相同的信號(hào)，即ui1=ui2。設(shè)差分放大電路的兩個(gè)輸入信號(hào)分別為ui1和ui2，兩個(gè)單邊放大器的放大倍數(shù)分別為Au1、Au2，則兩個(gè)集電極之間的輸出電壓為uo=uo1?uo2=Au1ui1-Au2ui2由于電路對(duì)稱，Au1=Au2ui2=Au，因此 uo=Au(ui1?ui2) 表明，差分放大電路只放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)。差分放大電路也因此而得名。在差分放大電路中，無(wú)論是溫度變化還是電源電壓波動(dòng)，都會(huì)引起兩管集電極電流及相應(yīng)集電極電壓相同的變化，其效果相當(dāng)于在兩個(gè)輸入端加了共模信號(hào)，差分放大電路抑制共模信號(hào)，也就是抑制了零點(diǎn)漂移。

3.動(dòng)態(tài)分析4.主要技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算（1）差模電壓放大倍數(shù)Aud。若輸入為差模信號(hào)，即，則因一只管子的電流增加，另一只管子的電流減小，在電路對(duì)稱的情況下，iC1的增加量等于iC2的減少量，所以流過(guò)Re電阻的電流ie不變，，故其交流通路如圖所示。當(dāng)從兩管集電極作雙端輸出時(shí)，其差模電壓放大倍數(shù)與單管放大電路的電壓放大倍數(shù)相同，即（3）共模抑制比差動(dòng)放大器的差模放大倍數(shù)與共模放大倍數(shù)的比值定義為共模抑制比，即KCMR越大，表明電路抑制共模信號(hào)的能力越強(qiáng)。在理想情況下，基本差分放大電路如由雙端輸出，Auc=0，KCMR=∞。實(shí)際上差分放大電路很難做到完全對(duì)稱，即，其共模抑制比KCMR為60dB～80dB。若采用單端輸出時(shí)，輸出信號(hào)中將既有差模信號(hào)，又有共模信號(hào)。此時(shí)基本差分放大電路主要依靠公共發(fā)射極電阻Re引入負(fù)反饋，來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，減小零點(diǎn)漂移，達(dá)到提高共模抑制比的目的。7.2.2具有恒流源的差動(dòng)放大電路基本差分放大電路引入Re后，可以提高共模抑制比，Re的阻值越大，對(duì)共模信號(hào)的負(fù)反饋?zhàn)饔镁驮綇?qiáng)，共模抑制比越大。但是Re上的直流壓降也隨著Re阻值的增加而增大，在管子和元件確定后，阻值增加，必然使管子的靜態(tài)工作點(diǎn)降低，若要保證管子的靜態(tài)工作點(diǎn)不變，則必須加大電源電壓VEE。這樣做在實(shí)際中很不經(jīng)濟(jì)，而且在集成電路中不易制作高阻值的電阻。為此，人們希望有一種可變電阻來(lái)替代Re，這種電阻應(yīng)具有直流電阻小，而交流電阻大的特點(diǎn)。由晶體管構(gòu)成的恒流源電路正好具有這個(gè)特性，如圖7-6所示為帶恒流源的差分放大電路。IC3為恒流源的輸出電流，當(dāng)VEE、R1、R2、R3、VT3選定后，IC3就恒定，恒流源的輸出電阻Ro3就等效于Re。3．輸入失調(diào)電壓UIO要使輸出電壓為零，必須在輸入端加一個(gè)很小的補(bǔ)償電壓，它就是輸入失調(diào)電壓，一般為幾毫伏，理想集成運(yùn)放的UIO為零。4．輸入失調(diào)電流IIO輸入信號(hào)為零時(shí)，流入集成運(yùn)放兩輸入端靜態(tài)基極電流之差，一般在零點(diǎn)零幾微安級(jí)，IIO越小越好。5．輸入偏置電流IIB輸入信號(hào)為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)基極電流的平均值，稱為輸入偏置電流。6．最大共模輸入電壓UICM允許加在輸入端的最大共模輸入電壓。當(dāng)實(shí)際的共模信號(hào)大于UICM時(shí)，將使輸入級(jí)工作不正常，共模抑制比顯著下降。7．最大差模輸入電壓UIDM兩個(gè)輸入端間所允許加的最大電壓差值稱為最大差模輸入電壓。如果差模輸入信號(hào)超過(guò)UIDM，將引起輸入管反向擊穿而使運(yùn)放不能正常工作。8．共模抑制比KCMR主要取決于輸入級(jí)差動(dòng)電路的共模抑制比。7.4、理想運(yùn)算放大電路的應(yīng)用1．理想運(yùn)算放大電路的主要條件開(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)無(wú)窮大Auo

，差模輸入電阻無(wú)窮大

rid，開(kāi)環(huán)輸出電阻為零Ro0，共模抑制比無(wú)窮大

KCMR2．運(yùn)算放大器傳輸特性與基本工作方式+Uo(sat)–Uo(sat)線性區(qū)理想特性實(shí)際特性飽和區(qū)O

u+–u–

uo3.理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的兩條分析依據(jù)1)由于Auo→∞，而輸出電壓uo是一個(gè)有限的數(shù)值++∞uou–u+i+i––uo

=Auo(u+–

u–

)稱為“虛短”。2)rid→∞，且u+－u-≈0輸入電流約等于0，即i+=i–0，稱“虛斷”Auo越大，運(yùn)放的線性范圍越小，必須加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。7.4.2基本運(yùn)算電路集成運(yùn)算放大器引入適當(dāng)?shù)姆答?，可以使輸出和輸入之間具有某種特定的函數(shù)關(guān)系，如比例、加法、減法、積分、微分、對(duì)數(shù)與反對(duì)數(shù)、乘除等運(yùn)算。一、比例運(yùn)算1．反相輸入比例運(yùn)算電路

以后如不加說(shuō)明，輸入、輸出的另一端均為地()。uoRFuiR2R1++––++–

因要求靜態(tài)時(shí)u+、u–對(duì)地電阻相同，所以平衡電阻R2=R1//RFifiii–i+uoRFuiR2R1++––++–反相比例運(yùn)算因虛短,所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”因虛斷，i+=i–=0，

所以iiif

3、加法運(yùn)算（1）反相加法運(yùn)算R3=R1//R2//RfiF

i1+i2若Rf=R1=R2

則uO=

(uI1+uI2)R2//R3//R4

=R1//Rf若R2=R3=R4，則

uO=uI1+uI2

Rf=2R1

（2）同相加法運(yùn)算法1：利用疊加定理uI2=0uI1使：uI1=0uI2使：一般R1=R1；Rf=RfuO=uO1+uO2

=Rf/R1(uI2

uI1)法2：利用虛短、虛斷uo=Rf/R1(uI2

uI1)減法運(yùn)算實(shí)際是差分電路3減法運(yùn)算【例7-1】

電路如圖7-15所示，已知R1=R2=Rf1=30kΩ，R3=R4=R5=R6=Rf2=10kΩ，試求輸出電壓uo與三輸入電壓ui1、ui2、ui3之間的關(guān)系，并說(shuō)明該電路實(shí)現(xiàn)了什么運(yùn)算功能。圖7-15例7-1圖解：從電路圖可知，運(yùn)放的第一級(jí)為反相加法運(yùn)算電路，第二級(jí)為減法運(yùn)算電路。圖7-16積分運(yùn)算電路該電路實(shí)現(xiàn)了加法運(yùn)算。4.積分電路輸出電壓uo為輸入電壓ui對(duì)時(shí)間t的積分，即實(shí)現(xiàn)了積分運(yùn)算。

積分電路除了可作積分運(yùn)算外，還可用作波形變換，如將方波信號(hào)變換為三角波信號(hào)。積分電路輸入—輸出波形仿真的結(jié)果如圖7所示。圖中示波器屏幕上的波形清晰地顯示出，當(dāng)方波信號(hào)輸入積分電路時(shí)，輸出為三角波信號(hào)。6.微分電路輸出電壓uo取決于輸入電壓ui對(duì)時(shí)間t的微分，即實(shí)現(xiàn)了微分運(yùn)算。微分電路的應(yīng)用是很廣泛的，在線性系統(tǒng)中，除了可作微分運(yùn)算外，在脈沖數(shù)值電路中，常用作波形變換，如將方波信號(hào)變換為尖頂脈沖波。微分電路輸入—輸出波形仿真的結(jié)果如圖所示。圖中示波器屏幕上的波形清晰地顯示出，當(dāng)方波信號(hào)輸入微分電路時(shí)，輸出為尖頂脈沖信號(hào)。7.5正弦波振蕩電路振蕩器：不需要外加激勵(lì)信號(hào)就能將直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為交流信號(hào)的電子設(shè)備。分類：正弦波振蕩器；非正弦波振蕩器1、條件

基本放大電路Ao反饋電路F自激振蕩的條件：而即（為保證起振，通常要求）幅度條件：相位條件：

（n=0，±1，±2，±3，…）因?yàn)椋夯痉糯箅娐稟o反饋電路F2、組成基本放大器；反饋網(wǎng)絡(luò)；選頻網(wǎng)絡(luò)（為了獲得單一頻率）；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（為了產(chǎn)生穩(wěn)幅振蕩）； 若選頻網(wǎng)絡(luò)由RC元件構(gòu)成——RC正弦波振蕩器；若選頻網(wǎng)絡(luò)由LC元件構(gòu)成——LC正弦波振蕩器；由同一電路組成由同一電路組成基本放大電路Ao反饋電路F三、分析方法1、判斷能否產(chǎn)生振蕩（1）檢查電路是否具備振蕩電路的組成部分；（2）檢查放大電路的Q點(diǎn)是否能夠保證放大器正常工作；（3）分析電路是否滿足振蕩條件。主要是分析相位條件，至于幅度條件一般容易滿足。2、求振蕩頻率和起振條件 振蕩頻率由相位條件決定； 起振條件由幅度條件求得；（1）如何起振？Uo是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時(shí)Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。3、說(shuō)明基本放大電路Ao反饋電路F2：如何穩(wěn)幅？起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時(shí)若|AF|仍大于1，則輸出將會(huì)飽和失真。四、說(shuō)明基本放大電路Ao反饋電路F達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。具體方法將在后面具體電路中介紹。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：1電路組成

圖7-21RC橋式振蕩電路下一頁(yè)上一頁(yè)

7.6RC橋式振蕩電路

圖7-21所示為由運(yùn)算放大器構(gòu)成的RC橋式振蕩電路，圖中RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)算放大器的輸出端和反向輸入端之間，構(gòu)成負(fù)反饋。正反饋電路與負(fù)反饋電路構(gòu)成一文氏電橋電路，運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端分別跨接在電橋的對(duì)角線上，所以，把這種振蕩電路稱為RC橋式振蕩電路。2.RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)由相同的RC組成的串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)如圖7-22所示，Z1為RC串聯(lián)電路，Z2為RC并聯(lián)電路。+

-+-CRCRZ1Z2圖7-22RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)由圖7-22可得RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為下一頁(yè)上一頁(yè)當(dāng)時(shí)，達(dá)到最大值并等于1/3，相位移為，輸出電壓與輸入電壓相同，所以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。

下一頁(yè)上一頁(yè)(a)幅頻特性(b)相頻特性圖7-23RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)幅頻特性和相頻特性4穩(wěn)幅措施R++∞RF2R1CRC–uO–+VD1VD2RF1穩(wěn)幅環(huán)節(jié)利用二極管的正向伏安特性的非線性自動(dòng)穩(wěn)幅。在起振之初，由于uo幅值很小,尚不足以使二極管導(dǎo)通，正向二極管近于開(kāi)路此時(shí)，RF>2R1。隨著振蕩幅度的增大，正向二極管導(dǎo)通，其正向電阻逐漸減小，直到RF=2R1，振蕩穩(wěn)定。

圖7-25RC正弦波振蕩電路仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果5輸出頻率的調(diào)整：通過(guò)調(diào)整R或/和C來(lái)調(diào)整頻率。C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。K：雙聯(lián)波段開(kāi)關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。_+RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3【例7-2】

在圖7-26所示電路中，已知電容的取值分別為0.02F、0.2F、2F和20F，電阻R=100，電位器RW=20k。試求f0的調(diào)節(jié)范圍。

解由于，所以f0的最小值為f0的最大值為f0的調(diào)節(jié)范圍為0.79Hz～79.6kHz。7.7LC正弦波波振蕩電路

RC振蕩電路產(chǎn)生的頻率一般在1MHz以下，要產(chǎn)生更高頻率的正弦波，則可采用LC正弦波振蕩電路。LC正弦波振蕩電路最高可產(chǎn)生1

000MHz以上的正弦波。由于普通運(yùn)算放大器的頻率上限不高，而高速集成運(yùn)放價(jià)格較高，所以LC正弦波振蕩電路一般采用分立元件。LC正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)為L(zhǎng)C反饋網(wǎng)絡(luò)。LC振蕩電路分為變壓器反饋式LC振蕩電路、電感三點(diǎn)式LC振蕩電路、電容三點(diǎn)式LC振蕩電路。7.7.1LC選頻電路

LC選頻放大電路中，經(jīng)常使用的諧振回路是如圖7-27所示的LC并聯(lián)諧振電路。圖中R表示回路和回路所帶負(fù)載的等效總損耗電阻。

圖7-27LC并聯(lián)電路

在圖7-27所示圖中，當(dāng)頻率很低時(shí)，電容的容抗很大，電感的感抗很小，故并聯(lián)電路阻抗主要取決于電感支路，即總阻抗為感性，且隨著頻率的降低，阻抗值愈來(lái)愈?。划?dāng)頻率很高時(shí)，并聯(lián)電路阻抗主要取決于電容支路，即總阻抗為容性，隨著頻率的升高，阻抗值也愈來(lái)愈小。頻率特性如圖7-28所示。圖7-28LC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的的頻率特性

可以證明，只有在中間某一個(gè)頻率ｆ=時(shí)，電路發(fā)生并聯(lián)諧振。此時(shí)阻抗為純阻性，且等效阻抗接近達(dá)到最大值，幅值恒定的電流源激勵(lì)出最大的電壓響應(yīng)，電感和電容支路的電流都達(dá)到最大值。但由于和大小相等，相位相反，它們相互抵消，比諧振回路的輸入電流大得多，即諧振回路的外界影響可以忽略。此外，幅頻特性表明，當(dāng)外加電流源頻率偏離諧振頻率時(shí)，選頻電路的等效阻抗迅速減小，表示幅值恒定的電流源所激勵(lì)出的電壓響應(yīng)，將隨著頻率的偏離而迅速減小。幅頻特性愈尖銳，選頻性能愈好。1電路組成

變壓器反饋式正弦波振蕩電路如圖7-29（a）所示，圖（b）為振蕩器的交流通路。

圖7-29變壓器反饋LC振蕩電路

7.7.2變壓器反饋式LC振蕩電路

2振蕩頻率和起振條件

相位平衡條件：在圖7-29（b）中,共發(fā)射極放大器反相180°，即φA=180°。變壓器同名端如圖中所示，所以L2繞組又引入180°的相移，即φF=180°。因此，φA+φF=360°，電路滿足相位平衡條件。合理選擇變壓器的變比，很容易滿足振幅條件。所以電路滿足振蕩條件。

變壓器反饋式振蕩電路易于產(chǎn)生振蕩，輸出電壓的失真不大。由于輸出電壓與反饋電壓靠磁路耦合，因而損耗較大。振蕩頻率的穩(wěn)定性不高。振蕩頻率幾十K~幾MHz。

從分析相位平衡條件的過(guò)程中可以看出，只有在諧振頻率ｆ0時(shí)，電路才滿足振蕩條件，所以振蕩頻率就是LC回路的諧振頻率，即：1234初級(jí)線圈次級(jí)線圈同名端1234+–+–

在LC振蕩器中，反饋信號(hào)通過(guò)互感線圈引出互感線圈的極性判別-+uiLCfu7.7.3電感三點(diǎn)式振蕩電路

電感三點(diǎn)式振蕩電路，就是與發(fā)射極相連接兩個(gè)電抗元件同為電感，另一個(gè)電抗元件為電容。即X1與X2為電感，X3為電容。電路如圖7-30所示。圖7-30電感三點(diǎn)式振蕩電路（1）相位條件，設(shè)從反饋線的b點(diǎn)處斷開(kāi)，同時(shí)輸入vb為（+）極性的信號(hào)。由于在純電阻負(fù)載的條件下，共射電路具有倒相作用，因而集電極電位瞬時(shí)極性為（?），又因2端交流接地，因此3端的瞬時(shí)電位極性為（+），即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，故為正反饋，滿足相位平衡條件。

2.振蕩條件分析

（3）振蕩頻率當(dāng)振蕩回路的Q值很高時(shí)，振蕩頻率近似等于LC并聯(lián)諧振回路的固有頻率，即：

式中L=L1+L2+2M（2）幅度條件。從圖7-30（b）可以看出，反饋電壓是取自電感L2兩端，加到晶體管的輸入端，因而改變線圈抽頭的位置，即改變L2的大小，就可調(diào)節(jié)反饋電壓的大小。當(dāng)滿足的條件時(shí)，電路便可起振

3電路特點(diǎn)由于反饋電壓取自電感L2兩端，對(duì)高次諧波的電抗很大，不能將高次諧波濾除，因此輸出波形中含有高次諧波，振蕩器的輸出波形較差。若改變電感抽頭，即改變L2/L1的比值，可以獲得滿意的正弦波輸出，且幅度較大。調(diào)節(jié)頻率方便。采用可變電容，可以得到較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍。一般用于產(chǎn)生幾十兆赫茲以下頻率的信號(hào)。由于電感三點(diǎn)式振蕩器的輸出波形較差，且頻率穩(wěn)定度不高，因此通常用于要求不高的設(shè)備中。7.7.4電容三點(diǎn)式振蕩電路

電容三點(diǎn)式振蕩器，就是與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電容，另一個(gè)電抗元件為電感。即X1、X2為電容，X3為電感。電路如圖7-31所示。圖7-31電容三點(diǎn)式振蕩電路

（1）相位條件，電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式一樣，都具有LC并聯(lián)回路，因此，電容C1、C2中的3個(gè)端點(diǎn)的相位關(guān)系與電感三點(diǎn)式也相似。斷開(kāi)反饋，輸入vb為（+）極性的信號(hào)，判斷出C2上所獲得的反饋電壓的極性與輸入電壓相同，滿足相位條件，各點(diǎn)瞬時(shí)極性如圖7-31（a）所示。

2.振蕩條件分析

（3）振蕩頻率由于總電容C是C1、C2串聯(lián)得到的，即，所以振蕩頻率為

（2）幅度條件。由圖7-31的電路可看出，反饋電壓取自電容C2兩端，因此適當(dāng)?shù)剡x擇C1、C2的數(shù)值，并使放大器有足夠的放大量，電路便可起振。3電路特點(diǎn)由于反饋電壓取自C2兩端，因?yàn)殡娙菔歉咄ㄔ?，?duì)高次諧波的電抗很小，所以輸出波形中的高次諧波分量小，振蕩器輸出的電壓波形比電感三點(diǎn)式好。因?yàn)殡娙軨1、C2的容量可以選得很小，并將放大管的極間電容也計(jì)算到C1、C2中去，因此振蕩頻率較高，一般可以達(dá)到100MHz以上。對(duì)于振蕩頻率的調(diào)節(jié)，若用改變C1或C2的方法，會(huì)影響反饋的強(qiáng)弱，這是不可取的。通常是固定C1、C2，另外用一個(gè)可變電容并接在電感L的兩端，以調(diào)節(jié)，此時(shí)，回路的總電容量為C1與C2串聯(lián)再與并接在L上的可變電容并聯(lián)。三點(diǎn)式振蕩電路實(shí)際上就是將電路中三極管的3個(gè)電極分別接到諧振回路的3個(gè)端點(diǎn)上，三點(diǎn)式電路的交流通路的一般形式如圖7-32所示。圖7-32中，用X1、X2、X3分別表示諧振回路的3個(gè)電抗元件。電感三點(diǎn)式X1、X2都是感抗，電容三點(diǎn)式X1、X2都是容抗?？梢宰C明，三點(diǎn)式振蕩電路的相位平衡條件判斷法則如下所述。圖7-32三點(diǎn)式振蕩器的一般組成

由于放大器的輸出電壓與輸入電壓反相，因而要滿足起振的相位條件，必須要求(即為)與反相。根據(jù)上式可見(jiàn)，X1與X2應(yīng)為同性質(zhì)電抗，而X3就必須是異性電抗，才能滿足回路所有電抗總和為零的要求。這就是三點(diǎn)式電路的組成法則。綜上所述，三點(diǎn)式振蕩器的相位條件判斷法則為：X1與X2為同性電抗元件，或者說(shuō)，與發(fā)射極相連接的為同性電抗X3與X1、X2互為異性電抗，或者說(shuō)，不與發(fā)射極相連接的為異性電抗?！纠?-3】

試用相位平衡條件判斷圖7-33電路是否滿足振蕩條件，若滿足，指出它屬于哪種類型的振蕩電路，并計(jì)算其振蕩頻率f0。圖7-33例7-3圖圖7-34圖7-33的交流通路解：在如圖7-33所示電路中，Cb、Ce的容量遠(yuǎn)大于C1、C2，故為旁路電容，對(duì)交流信號(hào)可視為短路，電源也視為短路，忽略直流偏置電阻，得到它的交流通路，如圖7-34所示。顯然該電路屬于電容三點(diǎn)式振蕩電路，滿足相位平衡條件。振蕩頻率可根據(jù)式（7-31）求出，即

7.8石英晶體振蕩電路

1．石英晶體的基本特性和等效電路石英晶體的主要成分是SiO2，是一種各向異性的結(jié)晶體，它是礦物質(zhì)硅石的一種，也可以人工制造，其化學(xué)、物理性質(zhì)都相當(dāng)穩(wěn)定。從一塊晶體上按一定的方位角切下的薄片，稱為晶體片（有時(shí)也切成棒狀），再在晶體片的兩個(gè)對(duì)應(yīng)表面上鍍銀并引出兩個(gè)金屬電極，最后用金屬外殼封裝而成。石英晶體的外形、結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)（a）外形；（b）結(jié)構(gòu)；（c）電路符號(hào)石英晶體是靠壓電效應(yīng)產(chǎn)生諧振的。所謂壓電效應(yīng)，即在石英晶體的極板間施加電場(chǎng)，能使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形；反之，在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)在相應(yīng)的方向形成電場(chǎng)。如果在極板之間加一交變電場(chǎng)，則會(huì)在晶體內(nèi)產(chǎn)生與電場(chǎng)頻率相同的機(jī)械變形振動(dòng)；同樣，機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)引起石英切片表面產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在用石英晶體構(gòu)成回路時(shí)，回路中若有交變電流流過(guò)石英晶體，則晶體機(jī)械變形的振幅與此電流的頻率有關(guān)。在一般情況下，這個(gè)機(jī)械變形的振幅及交變電場(chǎng)的振幅都很微小，只有當(dāng)外加電壓頻率與晶體的固有頻率相等時(shí)，機(jī)械變形的振幅才能達(dá)到最大，回路交變電流也達(dá)到最大值，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振。當(dāng)石英晶體不振動(dòng)時(shí)，可等效為一個(gè)平板電容C0，稱為靜態(tài)電容，其值取決于晶體的幾何尺寸和電極面積，一般為幾到幾十皮法（pF）；當(dāng)晶體產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性等效為電感L，其值為幾毫亨到幾十毫亨（mH），晶體的彈性等效為電容C，其值僅為0.000

2～0.1pF，因此，。晶片的摩擦損耗等效為電阻R，其值約100。圖7-35（a）所示是晶體的等效電路。由于晶體的等效電感L很大，C很小，R也很小，所以回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)104～106。因此，可以組成振蕩頻率穩(wěn)定度很高的振蕩電路。圖7-35石英晶體的等效電路和電抗頻率特性（a）石英晶體的等效電路；（b）電抗頻率特性由等效電路可知，石英晶體有兩個(gè)諧振頻率：R、L、C串聯(lián)支路發(fā)生諧振時(shí)的串聯(lián)諧振頻率fs和R、L、C串聯(lián)支路與C0組成的并聯(lián)回路發(fā)生諧振時(shí)的并聯(lián)諧振頻率fp。當(dāng)忽略損耗電阻R時(shí)，有（7-32）（7-33）由如圖7-35（b）所示石英晶體電抗特性曲線可知，當(dāng)f=fs時(shí)，阻抗為0，相當(dāng)于短路；當(dāng)f=fp時(shí)，電路為電阻性，阻抗很高；fs＜f＜fp時(shí)，等效為電感性；當(dāng)f在fs與fp之外，電路則呈電容性。（1）并聯(lián)型石英晶體振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩器實(shí)際上是用一個(gè)石英晶體代替了電容三點(diǎn)式電路中的電感，其交流通路如圖（b）所示。石英晶體諧振器在電路中雖然作為電感元件使用，但它的振蕩頻率主要取決于石英晶體的振蕩頻率，這時(shí)因?yàn)槭⒕w的等效電容C遠(yuǎn)小于電容C1和C2，所以C1和C2對(duì)f0的影響是非常小的。