20正弦波振荡电路

1、第第8章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声叫声, 其形成的过程如图所示。其形成的过程如图所示。 扩音机扬声器话筒自激振荡现象自激振荡现象 常见的自激振荡现象常见的自激振荡现象正弦波振荡器的应用与位置正弦波振荡器的应用与位置 1. 1.在信息传输系统的各种发射机中，就是在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。大、调制而把信息发射出去的。 2.2.在超外差式的各种接收机中，是由振荡在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个器产生一个

2、“本地振荡本地振荡”信号，送入混频器，信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。才能将高频信号变成中频信号。 3. 3.在研制、调测各类电子设备时，常在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多包含有振荡器。器中大多包含有振荡器。 例如高频信号发生器、音频信号发生例如高频信号发生器、音频信号发生器以及各种数字式测量仪表等。器以及各种数字式测量仪表等。 4.4.在工业生产中的高频加热、超声焊在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。 可见正弦波振荡器在电子技术领域

3、里可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。有着广泛的应用。振荡器的实质振荡器的实质( (能量转换器件能量转换器件) ) 在在没有外加信号没有外加信号的情况下，的情况下，自动地自动地将将直流电源的能量转换为直流电源的能量转换为一定波形的一定波形的交流振荡能交流振荡能量的装置。量的装置。 自激振荡自激振荡放大器的实质放大器的实质( (能量转换器件能量转换器件) ) 在在外加信号的激励下外加信号的激励下, ,将直流电源的能量将直流电源的能量转换为交流能量。转换为交流能量。 1. 1. “反馈式振荡器反馈式振荡器”和和“负阻式振荡器负阻式振荡器”两大类两大类 从所采用的分析方法和振荡器的特性来

4、看，我从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，我们只讨论们只讨论反馈式振荡器反馈式振荡器。 2. 2. RC振荡器、振荡器、LC振荡器、振荡器、晶体振荡器晶体振荡器 按选频网络（元件组成）来看按选频网络（元件组成）来看 3. 3. 正弦波振荡器正弦波振荡器与非正弦波振荡器与非正弦波振荡器 按振荡器所产生的波形来看按振荡器所产生的波形来看 本书只介绍本书只介绍LC正弦波反馈式振荡器正弦波反馈式振荡器。主要讨论正。主要讨论正弦波振荡器的基本原理，并弦波振荡器的基本原理，并对几种典型振荡电路进行对几种典型振荡电路进行分析。分析。振荡器的种类振荡器的种类评价评价振荡器性能的主要技术指标？振荡器性能的主要

5、技术指标？（1）振荡频率）振荡频率（2）频率稳定度）频率稳定度不同类型的振荡器所适宜的工作频段不同类型的振荡器所适宜的工作频段1.1.放大电路放大电路常用三极管放大常用三极管放大2.2.正反馈电路正反馈电路3.3.选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。，从而获得单一频率的正弦波输出。 常用的选频网络有常用的选频网络有RC选频选频和和LC选频选频4.4.稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振使电路易于起振又能稳定振荡，防止振荡信号幅度变大。荡，防止振荡信号幅度变大。正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路的基本概念正弦波振

6、荡电路的基本概念正弦波振荡产生的条件正弦波振荡产生的条件两个平衡条件两个平衡条件1.1.相位平衡条件相位平衡条件反馈必须是正反馈反馈必须是正反馈 即即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。与输入电压（电流）同相。2.2.幅度平衡条件幅度平衡条件反馈量必须反馈量必须足够大足够大 如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不会产生振荡了。会产生振荡了。 产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。Xi +f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+

7、ioXX如果：如果：,ifXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。XoXii +f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络F+XXXiof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX反馈量要满足电路需要反馈量要满足电路需要起振过程起振过程振荡器的初始激励振荡器的初始激励 在电源开关闭合的在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在瞬间，电流的跳变在集电极集电极LC振荡电路振荡电路中激起振荡。选频网中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压两端产生正弦波电压uo，并通过互感耦合，并通过互感耦合变压器

8、反馈到基级回变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。路，这就是激励信号。 起始振荡信号十起始振荡信号十分微弱，但是由于不分微弱，但是由于不断地对它进行放大断地对它进行放大选频选频反馈反馈再放大再放大等多次循环，于是一等多次循环，于是一个与振荡回路固有频个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便率相同的自激振荡便由小到大地增长起来由小到大地增长起来。起振条件和稳幅原理起振条件和稳幅原理1 1、被动：器件非线性、被动：器件非线性2 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节调节放大电路的放大电路的增益增益稳幅措施：稳幅措施：起振过程起振过程Xdof基本放

9、大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX 电源接通瞬间，由于电源电电源接通瞬间，由于电源电流的波动，这一电流波动中含流的波动，这一电流波动中含有频率范围很宽的噪声，这其有频率范围很宽的噪声，这其中必有一个频率等于选频电路中必有一个频率等于选频电路的谐振频率，这一信号被选出的谐振频率，这一信号被选出来后，由振荡器电路放大并产来后，由振荡器电路放大并产生正反馈，信号幅度愈来愈大，生正反馈，信号幅度愈来愈大，形成振荡信号，从而完成振荡形成振荡信号，从而完成振荡器的起振过程。器的起振过程。 由于晶体管由于晶体管特性的非线性，特性的非线性，振幅会自动稳定振幅会自动稳定到一定的幅度。到一定的幅度。因此振荡的

10、幅度因此振荡的幅度不会无限增大。不会无限增大。振荡的幅度会不会无振荡的幅度会不会无止境增长下去？止境增长下去？第二节第二节 正弦波振荡电路分析正弦波振荡电路分析（1）检查电路是否具有放大电路、反馈网络、选频网）检查电路是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。络和稳幅环节。（2）检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路）检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作。正常工作。（3）分析电路是否满足自激振荡条件。）分析电路是否满足自激振荡条件。 振荡的判断：振荡的判断：首先检查相位平衡条件，判断方法首先检查相位平衡条件，判断方法用瞬时极性法判别是否为正反馈，而振幅平衡条件用瞬时极性

11、法判别是否为正反馈，而振幅平衡条件一般比较容易满足，若不满足，在测试调整时可以一般比较容易满足，若不满足，在测试调整时可以改变放大电路的放大倍数改变放大电路的放大倍数|A|或反馈系数或反馈系数|F|，使电路，使电路满足幅度条件满足幅度条件. Q Q为谐振回路的品为谐振回路的品质因数，质因数，Q Q值越大，值越大，曲线越陡越窄，选曲线越陡越窄，选频特性越好。频特性越好。LC并联谐振回路的幅频特性曲线并联谐振回路的幅频特性曲线o |Z|Q小小Q大大2. 选频放大电路选频放大电路 选频放大器原理选频放大器原理 由于由于LC并联电路具有选频能力，因此在如图所示并联电路具有选频能力，因此在如图所示的电路

12、中，对于频率的电路中，对于频率f =f0的输入信号，并联电路呈现的输入信号，并联电路呈现最大的阻抗，其两端有最大的输出电压。对于偏离最大的阻抗，其两端有最大的输出电压。对于偏离f0的信号，并联电路呈现小的阻抗，故电路两端输出电的信号，并联电路呈现小的阻抗，故电路两端输出电压很小。由于这种放大电路只对谐振频率压很小。由于这种放大电路只对谐振频率f0的信号有的信号有放大作用，所以这种放大电路被称为选频放大电路。放大作用，所以这种放大电路被称为选频放大电路。选频放大电路的工作特性选频放大电路的工作特性变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 工作原理：工作原理：三极管共射放大器。三极管共射放大器

13、。利用互感线圈的同利用互感线圈的同名端引入正反馈名端引入正反馈 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:LCf210+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU判断是否是满足判断是否是满足相位条件相位条件相相位平衡法：位平衡法：+ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU 断开反馈到放大断开反馈到放大器的输入端点，假设器的输入端点，假设在输入端加入一正极在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与极性。若反馈信号与输入信号同相，则满输入信号同相，则满足相位条件；否则不足相位条件；否则不满足。满足。(+)(-)(+)电感三

14、点式振荡电路电感三点式振荡电路振荡频率：振荡频率：CMLLLCf)2(2121210 = = = VRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（ +）（ +）（ -）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（ +）（ +）（ +）电感三点式振荡电路的优点是电感三点式振荡电路的优点是，容易起振，输出电压幅度较大，改变电容可以使振荡频率在较大范围内连续可调。电感三点式振荡电路的缺点是电感三点式振荡电路的缺点是，反馈电压uf取自电感L2上，L2对高次谐波（相对f0而言）阻抗大，因而引起振荡回路输出谐波分量增大，输出波形不理想。因而这种电路常用于对波形要求不高的场合。电感三点式振荡电路的特点电感三点式

15、振荡电路的特点8.2.3 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 振荡频率：振荡频率：212102121CCCCLLCf = = = V2eRRRb1CCcceb2c1RbCCL（ +）（ +）（ -）电容三点式振荡器的优点是电容三点式振荡器的优点是，由于反馈电压取自电容C2的两端，它对高次谐波的阻抗小，因而可将高次谐波滤除掉，所以输出波形好；C1和C2可以选择很小的值，因而振荡频率可以很高，一般可达100MHz以上。电容三点式振荡器的缺点是电容三点式振荡器的缺点是，电容量的大小既与振荡频率有关，又与反馈量有关，即与起振条件有关。为了保持反馈系数F不变，满足起振条件，在调节频率时必须同时改变C1

16、和C2，很不方便。电容三点式振荡器的特点电容三点式振荡器的特点一、串联改进型电容三点式振荡器一、串联改进型电容三点式振荡器 克拉泼振荡器克拉泼振荡器C1C2CiCoLC1C2CiCoLC31 1、如果、如果C C1 1、C C2 2过大，则振荡过大，则振荡幅度就太低。幅度就太低。2 2、当减小、当减小C3C3来提高振荡频率来提高振荡频率f f0 0 时，振荡幅度显著下降；当时，振荡幅度显著下降；当C3C3减小到一定程度时，可能停振。减小到一定程度时，可能停振。因此，限制了因此，限制了f f0 0 的提高。的提高。3 3、用作频率可调的振荡器时，、用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率增加而下降

17、，振荡幅度随频率增加而下降，在频段范围内幅度不平稳，频在频段范围内幅度不平稳，频率覆盖系数不大，约为率覆盖系数不大，约为1.2-1.2-1.31.3。二、并联改进型电容三点式振荡器二、并联改进型电容三点式振荡器 西勒振荡器西勒振荡器C1C2CiC0LCC3另外，另外，西勒电路频率定性好，振荡频率可以较高。西勒电路频率定性好，振荡频率可以较高。因此，在短波、超短波通信机，电视接收机等高因此，在短波、超短波通信机，电视接收机等高频设备中得到广泛的应用。频设备中得到广泛的应用。电容三点式电容三点式 （考毕兹）（考毕兹）电感三点式电感三点式 （哈特莱）（哈特莱）反馈电压取自反馈电压取自反馈元件对高反馈

18、元件对高次谐波呈现的次谐波呈现的阻抗特性阻抗特性输出波形输出波形振荡频率振荡频率优点优点造成频率不稳定的因素造成频率不稳定的因素1.1.客观原因：客观原因： 外界温度变化，使外界温度变化，使LCLC参数、晶体管参数参数、晶体管参数 不稳定；不稳定； 电源不稳定，引起振荡器工作点变化、电源不稳定，引起振荡器工作点变化、 晶体管参数变化。晶体管参数变化。2. 2. 主观原因：主观原因： 电路结构本身的不稳定（如：哈特莱振电路结构本身的不稳定（如：哈特莱振荡器的频率稳定性不如考毕兹振荡器）荡器的频率稳定性不如考毕兹振荡器）1.1.振荡器置于恒温箱内；振荡器置于恒温箱内； 或屏蔽振荡器；或使之远离干扰

19、源。或屏蔽振荡器；或使之远离干扰源。2.2.采用良好的稳压电源供电采用良好的稳压电源供电3.3.提高振荡回路的品质因数提高振荡回路的品质因数4.4.减小负载（或下一级电路）对振荡器减小负载（或下一级电路）对振荡器的影响的影响 方法：振荡器后加缓冲级方法：振荡器后加缓冲级5.5.采用稳定性好的振荡电路采用稳定性好的振荡电路稳频措施稳频措施Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。8.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器8.3.1 正弦波振荡电路的频率稳定问题正弦波振荡电路的频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。

20、振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 500000000f|fffffS=8.3.2 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路1. 石英晶体的压电效应极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应：压电效应：交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大固有频率时，振幅最大 VV晶片晶片敷银层敷银层符号符号VV压电谐振压

21、电谐振2. 石英晶体的符号和等效电路石英晶体的符号和等效电路等效电路：等效电路：LCf 21s= =（1）串联谐振）串联谐振频率特性：频率特性： 晶体等效纯阻且阻值晶体等效纯阻且阻值00p121CCLCf = = （2）并联谐振）并联谐振通常通常0CC 0s1CCf = =所以所以很很接接近近与与 psffuu石英晶体uuLCCoRfX感性感性0fsfp容性容性8.3.3 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。振荡电路。1. 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s与与fp p之间，相当一个大电感，与之间，相当一个大电感，与C C1 1、C C2 2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡