《電路與電子技術(shù)》課件第12章

第12章正弦波振蕩器12.1振蕩器的組成及工作原理12.2

RC橋式正弦波振蕩器12.3

LC正弦波振蕩器12.4石英晶體正弦波振蕩器習(xí)題12

正弦波振蕩器也稱(chēng)為自激正弦波振蕩器，是一種不需要外加輸入信號(hào)就能輸出正弦信號(hào)的電路，廣泛應(yīng)用于廣播、通信、測(cè)量?jī)x器和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

本章首先討論正弦波振蕩器電路的組成、起振條件和分析方法，然后介紹幾種常見(jiàn)的振蕩電路。

1.振蕩器的概念

正弦波振蕩器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)沒(méi)有外加輸入信號(hào)的正反饋放大器。自激振蕩原理如圖12.1所示。在放大電路的輸入端輸入正弦信號(hào)，在它的輸出端可輸出正弦輸出信號(hào)。如果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)引入正反饋信號(hào)，使的相位和幅度都和

相同，

，那么這時(shí)即使去掉輸入信號(hào)，電路仍能維持輸出正弦信號(hào)。這種用代替的方法構(gòu)成了振蕩器的自激振蕩原理。12.1振蕩器的組成及工作原理

圖12.1自激振蕩原理

2.自激振蕩條件

由圖13.1可以看出：

所以

(12.1)

上式是產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件。也可把式(12.1)分解為振幅平衡條件和相位平衡條件。

(1)振幅平衡條件為

(12.2)

該條件表明放大器的放大倍數(shù)與正反饋網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)的乘積應(yīng)等于1，即反饋電壓的大小必須和輸入電壓相等。

(2)相位平衡條件為

jA＋jF=2nπ (12.3)

式中，n=0，1，2，…；jA為基本放大器輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差，jF為反饋網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差。式(12.3)表示基本放大器的相位移與反饋網(wǎng)絡(luò)的相位移的和等于0或2π的整倍數(shù)，即電路必須引入正反饋。

3.起振與穩(wěn)定條件

實(shí)際上振蕩器開(kāi)始建立振蕩時(shí)，并不需要借助于外加輸入信號(hào)，它本身就能起振，但電路由自行起振到穩(wěn)定需要一個(gè)建立的過(guò)程。例如，當(dāng)電路接通電源時(shí)，噪聲和干擾信號(hào)會(huì)使電路產(chǎn)生初始的微弱輸出信號(hào)，經(jīng)正反饋和放大器的多次循環(huán)放大，輸出信號(hào)的幅度便由小到大直至輸出穩(wěn)定的正弦波信號(hào)。

為了保證電路能自行起振，要求Xf>Xi，即

AF>1 (12.4)

式(12.4)即為振蕩器的起振振幅條件。

總之，振蕩電路建立振蕩時(shí)，必須滿足起振振幅條件AF>1和相位條件jA＋jF=2nπ；振幅恒定的條件是AF=1。

4.振蕩器的組成

通過(guò)以上對(duì)振蕩器的分析和認(rèn)識(shí)，可以看出正弦波振蕩器必須由放大器、正反饋和選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路組成。

RC正弦波振蕩器是用RC電路作為正反饋和選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩器，根據(jù)RC電路的形式可分為RC橋式、RC移相式以及雙T網(wǎng)絡(luò)式正弦波振蕩器。RC正弦波振蕩器產(chǎn)生的振蕩頻率較低，一般在幾百千赫茲左右。本節(jié)僅介紹應(yīng)用比較多的RC橋式正弦波振蕩器。12.2

RC橋式正弦波振蕩器

圖12.2

RC橋式正弦波振蕩器原理電路

1.工作原理

圖12.2是RC橋式正弦波振蕩器的原理電路，它由三部分構(gòu)成：RC串并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)放、R1與Rf組成的負(fù)反饋穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)放接成同相輸入方式，即jA=0。當(dāng)信號(hào)頻率為RC網(wǎng)絡(luò)的固有振蕩頻率時(shí)，f=f0=1/(2πRC)，反饋網(wǎng)絡(luò)的相移為0，jF=0，此時(shí)滿足自激振蕩的相位平衡條件(jA＋jF=0)。

圖12.3

RC串并聯(lián)反饋與選頻電路

2.RC串并聯(lián)選頻電路的選頻特性

RC串并聯(lián)電路如圖13.3所示。其中為反饋與選頻電路的輸入電壓，也是放大器的輸出電壓；為電路的輸出電壓，也是放大器的反饋電壓。正反饋與選頻電路的反饋系數(shù)為

(12.5)

令ω0=1/(RC)，則上式變?yōu)?/p>

(12.6)

幅頻特性

(12.7)

相頻特性

(12.8)

由式(12.7)和式(12.8)可以畫(huà)出RC串并聯(lián)電路的頻率特性曲線，如圖12.4所示。從圖中可看出，當(dāng)ω=ω0時(shí)，反饋系數(shù)的幅值最大，為F=1/3，即輸出電壓U2最大，并且與輸入電壓U1同相位，j(ω0)=0。而當(dāng)ω≠ω0時(shí)，輸出均被大幅衰減，即RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。ω0稱(chēng)為RC串并聯(lián)電路的固有頻率。

圖12.4

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性(a)幅頻特性；(b)相頻特性當(dāng)ω=ω0時(shí)，反饋系數(shù)F=1/3，只要同相運(yùn)算放大器的電壓放大倍數(shù)滿足A≥3，就可滿足振幅平衡條件AF≥1。

R1、Rf組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，其作用是穩(wěn)定輸出信號(hào)的幅度，改善波形，減小非線性失真。在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)常利用二極管、穩(wěn)壓管、熱敏電阻等元件的非線性特性自動(dòng)穩(wěn)定振蕩幅度。

LC振蕩器利用LC并聯(lián)回路作為正反饋選頻電路，該電路產(chǎn)生的振蕩頻率較高，可以達(dá)到幾十兆赫茲以上。LC振蕩電路按照反饋方式的不同可分為變壓器反饋式、電容三點(diǎn)式、電感三點(diǎn)式等幾種類(lèi)型。下面首先分析LC并聯(lián)諧振電路的選頻特性。

12.3

LC正弦波振蕩器1.LC并聯(lián)回路的諧振特性

LC并聯(lián)回路如圖12.5所示，回路中的電阻R為電感線圈及回路其它損耗的等效電阻。電路的等效阻抗為

(12.9)

通常R很小(R<<ωL)，上式近似為

(12.10)圖12.5

LC并聯(lián)回路

幅頻特性為

(12.11)

當(dāng)信號(hào)頻率為某一特定頻率f0時(shí)，LC回路產(chǎn)生諧振，復(fù)阻抗最大，即要求

得到

(12.12)

ω0為L(zhǎng)C并聯(lián)回路的諧振頻率，或用f0表示為

(12.13)

2.變壓器反饋式LC正弦波振蕩器

1)工作原理

圖12.6所示是變壓器反饋式LC振蕩器，它由共發(fā)射極放大器、LC并聯(lián)諧振電路和變壓器反饋電路三部分組成。LC電路由電容C與變壓器初級(jí)線圈L1組成。諧振時(shí)，LC并聯(lián)回路呈電阻性，在f=f0時(shí)，放大器的輸出與輸入信號(hào)反相，即jA=180°。變壓器次級(jí)線圈L3是反饋線圈，利用變壓器的耦合作用，反饋線圈產(chǎn)生反饋電壓。因?yàn)樽儔浩魍说碾妷簶O性相同，所以反饋電壓與輸出電壓反相，jF=180°，即諧振時(shí)滿足相位平衡條件。調(diào)節(jié)變壓器的變比系數(shù)，可改變反饋量的大小，一般都能滿足振蕩器的起振條件。

圖12.6變壓器反饋式LC振蕩器

2)諧振頻率

該電路的振蕩頻率近似等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率，即

(12.14)

式中，L是諧振回路的等效電感。

3)振幅的穩(wěn)定

振幅的穩(wěn)定是利用三極管的非線性特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在振蕩的初期，輸出信號(hào)和反饋信號(hào)都很小，基本放大器工作在線性放大區(qū)，使輸出電壓的幅度不斷增大。

圖12.7電感三點(diǎn)式振蕩電路當(dāng)幅度達(dá)到某一數(shù)值后，基本放大器的工作狀態(tài)進(jìn)入飽和區(qū)，使得iC失真，其基波分量減小，再經(jīng)過(guò)LC并聯(lián)回路選頻，輸出穩(wěn)定的正弦波信號(hào)。

變壓器反饋式LC振蕩電路的特點(diǎn)是電路容易起振，改變電容可調(diào)整諧振頻率，但輸出波形不好，常用于對(duì)波形要求不高的設(shè)備中。

3.電感三點(diǎn)式正弦波振蕩器

三點(diǎn)式振蕩電路是由LC并聯(lián)回路的三個(gè)端點(diǎn)與三極管的三個(gè)電極連接，構(gòu)成的反饋式振蕩電路。這種振蕩電路可分為電感三點(diǎn)式(也稱(chēng)哈特萊電路)和電容三點(diǎn)式(也稱(chēng)考畢茲電路)。

1)工作原理

電感三點(diǎn)式振蕩電路如圖12.7所示。電路由一個(gè)帶抽頭的電感線圈和電容器組成LC并聯(lián)回路，該回路作為選頻與反饋網(wǎng)絡(luò)，它的三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)極相連。其中L2為反饋線圈，作用是實(shí)現(xiàn)正反饋(可用瞬時(shí)極性法判斷)。

反饋量的大小可以通過(guò)改變線圈抽頭的位置來(lái)調(diào)整。為了有利于起振，通常反饋線圈L2的匝數(shù)占總匝數(shù)的1/8~1/4。圖12.7電感三點(diǎn)式振蕩電路

2)振蕩頻率

電感三點(diǎn)式電路的振蕩頻率為

(12.15)

式中，M是線圈L1和L2的互感系數(shù)。

該電路的特點(diǎn)是：由于存在互感，因而電路更易起振；改變電容C可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率，一般從幾百千赫茲到幾十兆赫茲，但輸出波形較差。

4.電容三點(diǎn)式正弦波振蕩器

1)工作原理

電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖12.8(a)所示。由C1、C2和L組成并聯(lián)選頻與反饋網(wǎng)絡(luò)。正反饋電壓取自電容C2的兩端。諧振時(shí)，選頻網(wǎng)絡(luò)呈電阻性，滿足自激振蕩的相位條件。由于三極管的β值足夠大，通過(guò)調(diào)節(jié)C1、C2的比值可得到合適的反饋電壓，從而使電路滿足振幅平衡條件。一般電容的比值取為C1/C2=0.01~0.5。

2)振蕩頻率

電容三點(diǎn)式電路的振蕩頻率為

(12.16)

該頻率近似等于LC并聯(lián)回路的諧振頻率。

電容三點(diǎn)式振蕩電路的特點(diǎn)是：電路的反饋電壓取自C2的兩端，高次諧波分量小，振蕩輸出波形較好；C1和C2較小時(shí)，電路的振蕩頻率較高，一般可達(dá)100MHz以上；振蕩頻率的調(diào)節(jié)范圍小，通常用容量較小的可變電容與電感線圈串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。

為了方便地調(diào)節(jié)頻率和提高振蕩頻率的穩(wěn)定性，可把圖12.8(a)中的選頻網(wǎng)絡(luò)變成圖12.8(b)所示的形式，該選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率為

(12.17)

式(12.17)中，。由于C1>>C，C2>>C，因此f0主要由LC決定。通過(guò)調(diào)節(jié)C可以方便地調(diào)節(jié)振蕩頻率。

圖12.8電容三點(diǎn)式振蕩電路(a)電路；(b)選頻網(wǎng)絡(luò)

在實(shí)際應(yīng)用中，一般對(duì)振蕩頻率的穩(wěn)定度要求較高。例如在無(wú)線電通信中，為了減小各電臺(tái)之間的相互干擾，頻率的穩(wěn)定度必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。頻率的穩(wěn)定度通常以頻率的相對(duì)變化量來(lái)表示，即Δf0/f0，其中f0為頻率的標(biāo)稱(chēng)值，Δf0為頻率的絕對(duì)變化量。12.4石英晶體正弦波振蕩器

在LC振蕩電路中，頻率的穩(wěn)定度相對(duì)較差。利用石英晶體代替LC諧振回路就構(gòu)成了晶體振蕩器，它可使振蕩頻率的穩(wěn)定度提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。石英晶體振蕩器是一種高穩(wěn)定性的振蕩器，目前已廣泛應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)及雷達(dá)、導(dǎo)航等電子設(shè)備中。

常用的石英晶體振蕩電路分為兩類(lèi)：一類(lèi)是石英諧振器在電路中以并聯(lián)諧振形式出現(xiàn)的，稱(chēng)為并聯(lián)型晶體振蕩電路；另一類(lèi)是石英諧振器在電路中以串聯(lián)諧振形式出現(xiàn)的，稱(chēng)為串聯(lián)型晶體振蕩電路。

1.并聯(lián)型晶體振蕩電路

并聯(lián)型石英晶體振蕩電路如圖12.9所示。石英諧振器呈感性，可把它等效為一個(gè)電感。選頻網(wǎng)絡(luò)由晶體與外接電容C1、C2組成。振蕩器實(shí)質(zhì)上可看作是電容三點(diǎn)式振蕩電路。

由運(yùn)算放大器、晶體諧振器和外接電容組成的三點(diǎn)式振蕩電路如圖12.10所示，其中Cs為可調(diào)電容，調(diào)節(jié)Cs可微調(diào)振蕩頻率。

圖12.9并聯(lián)型石英晶體振蕩電路圖12.10運(yùn)算放大器構(gòu)成的并聯(lián)型石英晶體振蕩電路

2．串聯(lián)型晶體振蕩電路

圖12.11所示為一種串聯(lián)型晶體振蕩電路。圖中V1和V2組成兩級(jí)放大器，放大器的輸出與輸入電壓反相，經(jīng)石英諧振器和RE及可變電阻RP形成正反饋。可變電阻RP的作用是調(diào)節(jié)反饋量的大小，使電路既能起振，又能輸出良好的正弦波信號(hào)。

圖12.11串聯(lián)型晶體振蕩電路

1．電路如題圖12.1所示，試用相位平衡條件判斷哪個(gè)電路可能振蕩，哪個(gè)不能?并簡(jiǎn)述理由。

題圖12.1習(xí)題12

2．試用相位平衡條件判斷題圖12.2所示電路能否產(chǎn)生自激正弦振蕩。若不能，請(qǐng)修改電路使之振蕩起來(lái)。

題圖12.2

3．RC橋式正弦波振蕩電