模拟电子技术基础8振荡器及波

1、8/3/2021 7:39:05 AM 第8章 振荡器及波 形产生电路 8/3/2021 7:39:05 AM 基本要求基本要求 1)掌握正弦波振荡器的振荡条件、电路组成、 工作原理及分析方法；RC正弦波振荡器、LC 反馈式正弦波振荡器、LC三点式正弦波振荡 器以及石英晶体振荡器的电路组成、选频特 性、振荡频率及特点等； 了解非正弦波振荡器的电路组成及工作原理。 8/3/2021 7:39:06 AM 信号发生器按产生的波形特点可分为信号发生器按产生的波形特点可分为 正弦波信号发生器正弦波信号发生器 非正弦波信号发生器非正弦波信号发生器 信号发生器常称为振荡器信号发生器常称为振荡器 正弦波信号

2、发生器是按照自激振荡原理构成的。正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的。 8/3/2021 7:39:06 AM 8.1 正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件 8.1.1 振荡器的平衡振荡条件振荡器的平衡振荡条件 1产生正弦波自激振荡的平衡条件产生正弦波自激振荡的平衡条件 . 正正反馈网络反馈网络 放大环节放大环节 . Xo A F . Xid Xf 图8-1 正弦波振荡器的方框图 of XFX id o XAX ii idof XXFA XFAXFX若 则可以产生自激振荡则可以产生自激振荡 8/3/2021 7:39:06 AM 输入输入Xid . 反馈反馈Xf=FXo . . 输

3、出输出Xo= AXid . . 放大环节放大环节 A 正正反馈网络反馈网络 F 若满足若满足Xf=Xid . 可在输出端继续维持原有的输出信号可在输出端继续维持原有的输出信号 则为正反馈则为正反馈 8/3/2021 7:39:06 AM 振荡器的平衡振荡条件振荡器的平衡振荡条件 知电路产生自激振荡的平衡条件为知电路产生自激振荡的平衡条件为 由由 . idof AFXFXX 及及 idf XX 1 AF 幅值平衡条件幅值平衡条件： 1 FA （8-2） 相位平衡条件相位平衡条件： n2 FA 2 , 1 , 0n （8-3） 8/3/2021 7:39:06 AM 8.1.2 振荡器的起振条件和

4、稳幅振荡器的起振条件和稳幅 当振荡器稳定工作时，当振荡器稳定工作时， fi idXXX 若若 , ,则电路减幅振荡，最后停止振荡则电路减幅振荡，最后停止振荡 。 1 AF 振荡器的起振条件为：振荡器的起振条件为： 1 FA 幅值条件幅值条件： 1 FA （8-5） 相位条件相位条件： 2 FA n 2 , 1 , 0n （8-6） 8/3/2021 7:39:06 AM 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定 A 反馈特性反馈特性 幅度特性幅度特性 F太小太小 自激振荡电路的建立过程（自激振荡电路的建立过程（线性反馈）线性反馈） om U 0 fid UU id0 U id3 U id2 U id1

5、 U od0 U od1 U od2 U od3 U 8/3/2021 7:39:06 AM 幅度特性幅度特性 B 幅度特性幅度特性 非线性反馈非线性反馈 非线性反馈非线性反馈 om U 0 fid UU 8/3/2021 7:39:06 AM 8.1.3 振荡器的组成、分析和分类振荡器的组成、分析和分类 1振荡器的基本组成振荡器的基本组成 放大环节放大环节 正反馈网络正反馈网络 选频网络选频网络 稳幅环节稳幅环节 组成组成 8/3/2021 7:39:06 AM 2. 振荡器的分析振荡器的分析 一般步骤为： （1）检查振荡器是否具有振荡器的几个基本环节，即是否有 放大电路、正反馈网络、选频网

6、络、稳幅环节（选频网络常和 正反馈网络合而为一，有些振荡器没有单独的稳幅部分）。 （2）检查放大电路是否具有合适的静态工作点。 （3）判断振荡器是否满足正反馈自激振荡的相位平衡条件。 （4）判断振荡器是否满足幅值的起振条件和平衡条件， 并由此确定相关的放大电路和反馈网络的参数。 8/3/2021 7:39:06 AM 3.正弦波正弦波振荡器的分类振荡器的分类 根据选频网络所用元件分为根据选频网络所用元件分为 RC型振荡器型振荡器 LC型振荡器型振荡器 晶体振荡器晶体振荡器 文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路 移相式振荡电路移相式振荡电路 主要类型主要类型 双双T网络式振荡电路网络式振荡电路 8.

7、2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 8/3/2021 7:39:06 AM 8.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 8.2.1.1 RC串并联网络的频率特性串并联网络的频率特性 o U f U 1 R 2 R 1 C 2 C 图8-3 RC串并联网络 Z1 Z2 C1 R1Z w wj 1 1 C2 R2Z w w j 1 / 2 8/3/2021 7:39:06 AM o U f U 1 R 2 R 1 C 2 C 图8-3 RC串并联网络 Z1 Z2 当角频率较低时当角频率较低时 1 1 1 R C w 2 2 1 R C w o U f U 2 R 1 C F o 90 0 w w F 8/

8、3/2021 7:39:06 AM 当角频率较高时当角频率较高时 1 1 1 R C w 2 2 1 R C w o U f U 1 R 2 R 1 C 2 C 图8-3 RC串并联网络 Z1 Z2 o U f U 2 C 1 R F o 90 w w F 0 0 8/3/2021 7:39:06 AM 由图由图8-3有：有： 2 211 2 2 21 2 o f j 1 /j j 1 / C RCR C R ZZ Z U U F w w w ) 1 ( j)1 ( 1 12 21 1 2 2 1 CR CR C C R R w w 为了方便调节振荡频率，一般取 RRR 21 CCC 21 令

9、 RC 1 0 w 则有则有 )( j3 1 ) 1 ( j3 1 0 0 w w w w w w RC RC F（8-7） 8/3/2021 7:39:06 AM 其幅频特性和相频特性分别为：其幅频特性和相频特性分别为： 20 0 2 )(3 1 w w w w F （8-8） )( 3 1 arctan 0 0 F w w w w （8-9） F F o 90 1 1 o 90 图8-6 RC串并联网络的频率特性 3/ 1 0.110 0.110 （a) 幅频特性（b) 相频特性 0 w w 0 w w (a) (b) RC 1 0 ww 时时 3 1 max FF o F 0 时时 0

10、ww o F 90 幅频幅频 特性特性 曲线曲线 相频相频 特性特性 曲线曲线 8/3/2021 7:39:06 AM 8.2.1.2 RC串并联正弦波振荡器串并联正弦波振荡器 选频网络选频网络 反馈网络反馈网络 放大电路放大电路 + - A o U f U R 1 R C t R R C A F 图8-7 RC串并联正弦波振荡器 1. .电路组成电路组成 8/3/2021 7:39:06 AM 2. 工作原理工作原理 的幅值最大的幅值最大Uf =/ 3 Uo Uf 与与同相位同相位Uo Uf (1) 当当f = 时时 0 f (2) 当当 3 时，满足振荡条件。时，满足振荡条件。 2 21

11、R RR A (3) 振荡频率振荡频率 RC f 2 1 0 8/3/2021 7:39:06 AM 稳幅措施稳幅措施 + - A o U f U R 3 R C 4 R R C 1 D 2 D 5 R 图8-8 利用二极管稳幅的文式桥振荡器 选频网络选频网络 反馈网络反馈网络 限幅网络限幅网络 图图8-8是利用二极管的是利用二极管的 非线性自动实现稳幅的非线性自动实现稳幅的 电路。电路。 8/3/2021 7:39:06 AM 8.2.2 移相式移相式RC振荡器振荡器 8/3/2021 7:39:07 AM + - A o U f U 1 R 2 R 1 C 2 C R 3 C f R 图8

12、-9 RC移相式正弦波振荡器 在图8-9中，第三级 RC网络的电阻是放大 器的输入电阻。 321 RRR 通常取 321 CCC 由相位平衡条件和幅值平衡条件推得： RC f 32 1 0 振荡频率振荡频率 振幅条件振幅条件 RR12 f 8/3/2021 7:39:07 AM 8.2.3 双双T选频网络选频网络RC振荡器振荡器 图8-10 双T网络正弦波振荡器 + - A o U f U R 3 R C C2 R f R R C 双T选频网络RC 振荡器电路原理图 如图8-10所示。 RC f 5 1 0 当 0 ff 时，双 T 网络的相位移 o F 180，而反相比例放 大电路的相移 o

13、 A 180， 因此可以满足振荡的相位条件。 8/3/2021 7:39:07 AM 8.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 8.3.1 LC并联网络的频率特性并联网络的频率特性 C L r U I Z 图8-11 LC并联电路 如图8-11所示是一个LC并联电路， 其中r是电感和电路中其他损耗的总等 效电阻。 并联LC电路的等效阻抗表达式为： Lr C Lr C Lr C I U Z w w w w w w j j 1 )j( j 1 )j/( j 1 8/3/2021 7:39:07 AM 通常rL w，上式可写成： ) 1 ( j) 1 ( j j j 1 C Lr C L C Lr L

14、C Z w w w w w w （8-13） 当 C L w w 1 时， 阻抗Z为实数， 即纯电阻性。 电压 U和 电流源 I同相， 发生了并联谐振。 谐振时的角频率为： LC 1 0 w LC f 2 1 0 8/3/2021 7:39:07 AM 谐振时的阻抗为 Cr L Z 0 定义谐振时的品质因素 C L rCrr L Q 11 0 0 w w 阻抗一般表达式可写为 )(j1)(j1 0 0 0 0 0 0 f f f f Q Z Q Z Z w w w w 8/3/2021 7:39:07 AM 其幅频特性和相频特性分别为 20 0 2 0 )(1 f f f f Q Z Z )(

15、arctan 0 0 f f f f Q Z 1 0 f f Q大 Q小 o 90 10 f f o 90 Q大 Q小 8/3/2021 7:39:07 AM 8.3.2 变压器反馈式振荡器变压器反馈式振荡器 如图8-13所示为变压器反馈式正弦波振荡器。 8/3/2021 7:39:07 AM a. a. 用用LCLC并联谐振回路作为选频网络并联谐振回路作为选频网络 b. b. 主要用来产生主要用来产生1 MHz1 MHz以上的高频信号以上的高频信号 主要特点主要特点 c. c. 频率稳定性较好频率稳定性较好 8/3/2021 7:39:07 AM i U f U 2 R b C 1 R C

16、e R T e C L R 1 N L 2 N 3 N CC U 图8-13 变压器反馈式LC振荡器 C D B A 首先判断电路是否满足振荡的相位平衡条件。 LC f 2 1 0 断开反馈回路断开反馈回路 A F 2 FA 满足相位平衡条件满足相位平衡条件 8/3/2021 7:39:07 AM (a) (b) V/ CE u t 图3-14 振荡的建立、稳定与稳幅 0 0 mA/ C i V/ BE u 1 Q 2 Q 0 V/ BE u t mA/ C i 0 t mA/ C i 0 CE U C I CC U V/ CE u 8/3/2021 7:39:07 AM 8.3.3 电感三点

17、式振荡器电感三点式振荡器 i U f U 2 R b C 1 R C e R T e C L R 1 L 2 L 3 N 1 3 2 CC U 图8-15 电感三点式振荡器 A 8/3/2021 7:39:07 AM 振荡电路的交流通路振荡电路的交流通路 T L2 R1/R2 L1 C C + T + N1 N2 E R L2 L1 1 R b C 2 R e C CC U 8/3/2021 7:39:07 AM 忽略忽略R1/R2 简化的交流通路简化的交流通路 线圈的三个端子分别与线圈的三个端子分别与T的三个电极的三个电极B、C、E 相连接，故称之为电感三点式振荡电路。相连接，故称之为电感三

18、点式振荡电路。 T L2 L1 C T L2 R1/R2 L1 C 8/3/2021 7:39:07 AM 8/3/2021 7:39:08 AM 振荡频率取决于LC并联谐振回路的谐振频率 CMLLLC f )2(2 1 2 1 21 0 （8-22） 振荡电路的起振条件 )( )( 2 1be MLR MLr （8-23） 电路特点电路特点 a. 电感电感L1与与L2之间耦合很紧，容易起振。之间耦合很紧，容易起振。 b. 输出波形中含有高次谐波，波形较差。输出波形中含有高次谐波，波形较差。 8/3/2021 7:39:08 AM 8.3.4 电容三点式振荡器电容三点式振荡器 L 2 R b

19、C 1 R e R T e C 1 C c R 2 C CC U 图8-16 电容三点式振荡器 i U A f U 3 2 1 电容三点式振荡器如图8-16所示。 电容器的电容器的 三个端子分别三个端子分别 与与T的三个电的三个电 极相连接，故极相连接，故 称之为电容三称之为电容三 点式振荡电路。点式振荡电路。 8/3/2021 7:39:08 AM 交流通路交流通路 21b /RRR L 2 C 1 C C R T b R L 2 C 1 C T 简化的交流通路简化的交流通路 8/3/2021 7:39:08 AM 振荡频率振荡频率 021 0 111 1 2 1 2 1 CCC L LC

20、f （8-26） 电路特点：电路特点： a. 容易起振；容易起振； c. 输出波形中高次谐波少，波形好；输出波形中高次谐波少，波形好； d. 改变电容时，容易停振。改变电容时，容易停振。 b. 振荡频率高；振荡频率高； 8/3/2021 7:39:08 AM 8.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1. 石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性 (a) 各向异性各向异性 (b) 具有具有压电效应压电效应 (1) 压电效应压电效应 a. 石英晶体的基本特性石英晶体的基本特性 晶片 涂银层 引线 图8-18 石英晶体的结构和符号 （a) 结构 （b) 电路符号 8/3/2021 7:39:08 AM 压

21、电效应压电效应 在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。 在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。 当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率 时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。 当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会 产生机械变形振动。产生机械变形振动。 压电谐振压电谐振 8/3/2021 7:39:08 AM 2. 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路 r 等效晶片振动时内部的摩擦损

22、耗等效晶片振动时内部的摩擦损耗 等效电路等效电路 C0 两金属电极间形成的静电电容两金属电极间形成的静电电容 L 等效晶片振动时的惯性等效晶片振动时的惯性 C 等效晶片振动时的弹性等效晶片振动时的弹性 L r C 0 C (a) 符号符号 8/3/2021 7:39:08 AM 电路特点：电路特点： a. L很大，很大，C和和r很小；很小； b . Q很高，达很高，达104106； c. 频率稳定度（频率稳定度（f /f0）很高。）很高。 三种振荡电路的频率稳定度三种振荡电路的频率稳定度 RC振荡器振荡器 102 LC振荡振荡 103 104 石英晶体振荡石英晶体振荡 1091011 8/3/

23、2021 7:39:08 AM 忽略r的影响，图8-19b所示可得石英晶体的等效阻抗。 )( 1 j 1 jj 1 j ) 1 jj ( 1 j 0 2 0 2 0 0 CLCCC LC C L C C L C Z ww w w w w w w w 当当f fs时，时，X fs时，时，X 0，电路呈感性。电路呈感性。 a. 当当 1w w2LC = =0 时时，X=0电路发生串联谐振电路发生串联谐振 串联谐振频率串联谐振频率 LC f 2 1 s 8/3/2021 7:39:08 AM 并联谐振频率并联谐振频率 X = b. b. 当当jw w (C0+Cw w2LCC0 ) = = 0 0时

24、时 电路发生并联谐振电路发生并联谐振 CC CC L f 0 0 p 2 1 )(j 1 0 2 0 2 LCCCC LC X w ww w w w s f p f f X 0 感 性 容性 容性 8/3/2021 7:39:08 AM 8.4.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 8.4.3.1 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 2 R b C 1 R e R T e C 1 C c R 2 C 1 2 3 CC U 图8-20 并联型石英晶体振荡器 X 谐振频率谐振频率 CCC CCC L f 0 0 0 )( 2 1 p0s fff 由于由于 )( 0 CCC 0时时 电容电容C充电

25、充电 uo=+UZ t uo, uC uo uC 0 UZ UZ FUZ FUZ + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 图8-22 矩形波发生器 u iC 8/3/2021 7:39:08 AM 0 t uo, uC UZ UZ uo、uC波波 形图形图 b. 当当uCFUZ 时时 U+= FUZ uo= UZ uO uC FUZ FUZ + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 图8-22 矩形波发生器 u iC 8/3/2021 7:39:08 AM t uo, uC c. 当当uo= UZ时时 U+= FUZ uC按指数规律下降按指

26、数规律下降 电容电容C放电放电 + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 图8-22 矩形波发生器 u iC uo uC 0 UZ UZ FUZ FUZ uC充电充电 uC放电放电 8/3/2021 7:39:08 AM c. 当当uo= UZ时时 U+= FUZ uo uC 0 t uo, uC UZ UZ FUZ FUZ uC按指数规律下降按指数规律下降 电容电容C放电放电 + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 图8-22 矩形波发生器 u iC uC充电充电 uC放电放电 8/3/2021 7:39:08 AM d. 当当uC FU

27、Z 时时 U+=FUZ uo=UZ uo uC 0 t uo, uC UZ UZ FUZ FUZ + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 图8-22 矩形波发生器 u iC uC充电充电 uC放电放电 8/3/2021 7:39:08 AM e. 当当uo=+UZ时时 U+=FUZ uC又按指数规律上升又按指数规律上升 电容电容C又充电又充电 0 t uO, uC UZ UZ FUZ FUZ uo uC + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 图8-22 矩形波发生器 u iC uC充电充电 uC放电放电 8/3/2021 7:39:08

28、 AM uo uC 0 t uo, uC UZ UZ FUZ FUZ uo为方波为方波 8/3/2021 7:39:08 AM 8.5.1.2 振荡周期和频率振荡周期和频率 电容充电、放电过程可以用方程表示为 t uuutu e)()0()()( cccc 充放电时间 )()( )0()( ln cc cc tuu uu t 矩形波的周期矩形波的周期 )21ln(2 2 1 LH R R RCTTT 矩形波的频率矩形波的频率 T f 1 占空比占空比 %50 H T T q 8/3/2021 7:39:08 AM 8.5.1.3 占空比可调的矩形波发生器占空比可调的矩形波发生器 T U T U

29、 Z U Z U 0 0 o u t t 图8-25 占空比可调的矩形波发生器波形 L T H T 1 t 2 t 3 t + - A 2 R C 1 R 3 R Z D R o u c u 图8-24 占空比可调的矩形波发生器 1w R 2w R w R 1 D 2 D 8/3/2021 7:39:08 AM 8.5.2 三角波发生器三角波发生器 1. 电路组成电路组成 2 R 3 R Z D 1o u C 1 R 4 R o u 5 R 图8-26 三角波发生器 + - A1 + - A2 c u u 迟滞比较器迟滞比较器 积分器积分器 8/3/2021 7:39:08 AM 2. 工作原

30、理工作原理 0t时 0 co uu 由叠加定理可得滞回比较器的同相端的电压为 o 21 2 1o 21 1 u RR R u RR R u （8-44） O 21 2 Z 21 1 )U(u RR R RR R 8/3/2021 7:39:08 AM 输出电压输出电压 电容电容 C充电充电 uo随时间线性下降随时间线性下降 设设uC(0)=0 tu RC u tt t d 1 1OO D D t RC U D D Z (1) 当当 时时 ZO1 Uu 2 R 3 R Z D 1o u C 1 R 4 R o u 5 R 图8-26 三角波发生器 + - A1 + - A2 c u u t uo , uo1 0 uo uo1 UZ 8/3/2021 7:39:08 AM 得得uo1翻转时的输出电压翻转时的输出电压 (2) 当当 时时0 B u Zo1 Uu 令令 0 O 21 2 Z 21 1 + u RR R U RR R u Z 2 1 o U R R u 2 R 3 R Z D 1o u C 1 R 4 R o u 5 R 图8-26 三角波发生器 + - A1 + - A2 c u u t uO , uO1 0 uO uO1UZ UZ 21Z /RRU 8/3/2021 7:39:08 AM (3) 当当 uB0时时 得得uo1翻转时的输出电压翻