模电第10章-2

1、第第1010章章 正弦波振荡器正弦波振荡器电子科学与工程学院电子科学与工程学院模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-312本章知识点及要求（本章知识点及要求（4学时）学时）知识点一：知识点一：正弦波振荡的基本概念正弦波振荡的基本概念知识点二：知识点二：RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 知识点三：知识点三：LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路知识点四：知识点四：石英晶体振荡器石英晶体振荡器 1.1.掌握正弦波振荡电路的组成和振荡原理；掌握正弦波振荡电路的组成和振荡原理；2.2.掌握掌握RCRC桥式正弦波振荡电路的组成、工作原理；桥式正弦波振荡电路

2、的组成、工作原理；3.3.了解了解LCLC正弦波振荡电路组成、工作原理和性能特点；正弦波振荡电路组成、工作原理和性能特点； 4.4.了解石英晶体正弦波振荡电路的组成、工作原理和了解石英晶体正弦波振荡电路的组成、工作原理和 性能特点。性能特点。 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-313一、正反馈放大器基本方程一、正反馈放大器基本方程10-1 10-1 振荡的基本原理振荡的基本原理FAAXXAf 1io,1时时当当 FA0,i XAf没有输入信号时没有输入信号时, ,能够自行产生具有一定幅度能够自行产生具有一定幅度的某个频率信号的电路的某个

3、频率信号的电路。在正弦波振荡电路在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。中引入的是正反馈，且振荡频率可控。非正弦振荡电路：张弛振荡电路非正弦振荡电路：张弛振荡电路(产生方波、锯齿波等产生方波、锯齿波等)正弦振荡电路正弦振荡电路反馈型反馈型负阻型负阻型RC振荡器振荡器LC振荡器振荡器晶体振荡器晶体振荡器 ofioXXXX模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-314二、起振过程和平衡条件二、起振过程和平衡条件反馈型振荡器组成方框图反馈型振荡器组成方框图10-1 10-1 振荡的基本原理振荡的基本原理1 1起振条件起振条件 1uu FA

4、2FAn 1uu FA)(uuuuuuFAFA jjjeFAeFeAFAifUU 1uu FA2FAn 1uu FAifUU 2.2.平衡条件平衡条件模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-315 输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大、平衡，直至稳幅。率且幅值由小逐渐增大、平衡，直至稳幅。1uu FA1uu FA幅值很小幅值很小频率丰富频率丰富频率趋于单一频率趋于单一幅值逐渐增大幅值逐渐增大逐渐变为单一频逐渐变为单一频率的稳幅振荡率的稳幅振荡三、三、 稳幅稳幅10-1

5、 10-1 振荡的基本原理振荡的基本原理要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的 f0，且在合闸，且在合闸通电时通电时, 对于对于 f = f0 , 信号有从小到大，直至稳幅的过程。信号有从小到大，直至稳幅的过程。模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3161) 放大电路放大电路( (包括负反馈放大电路）包括负反馈放大电路）：放大作用：放大作用2) 正反馈网络正反馈网络：满足相位条件：满足相位条件3) 选频网络选频网络：确定：确定 f0，保证电路产生正弦波振荡，保证电路产生正弦波振荡4) 非线性非线性 (

6、 (稳幅稳幅) )环节环节：稳幅，即平衡：稳幅，即平衡 稳定稳定常常合合二二为为一一四、基本组成部分（环节）四、基本组成部分（环节）10-1 10-1 振荡的基本原理振荡的基本原理平衡有平衡有稳定平衡和不稳稳定平衡和不稳定平衡，振荡器定平衡，振荡器工作时要处于稳工作时要处于稳定平衡状态。定平衡状态。模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-317下面电路是否能产生正弦波振荡？下面电路是否能产生正弦波振荡？正反馈正反馈, , 但无选频网络但无选频网络有选频网络有选频网络, , 但无法精确选频但无法精确选频可以产生正弦波振荡可以产生正弦波振荡电压串

7、联负反馈电压串联负反馈模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3181) RC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百KHz以下以下2) LC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百KHz几百几百MHz3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定六、正弦波振荡电路分类六、正弦波振荡电路分类根据选频网络不同根据选频网络不同10-1 10-1 振荡的基本原理振荡的基本原理1) 是否存在四个主要组成部分（环节）；是否存在四个主要组成部分（环节）；2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的放大电路能否正常工作，即是否

8、有合适的Q点，点， 信号是否可能正常传递，没有被短路或断路；信号是否可能正常传递，没有被短路或断路；3) 是否满足相位条件，即是否存在是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡，是否可能振荡 ；4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。五、分析方法五、分析方法模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-31910.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 以以 RC 电路作为选频网络的振荡器。电路作为选频网络的振荡器。振荡频率较低，振荡频率较低，一般在一般在几百几百kHz以下。以下。选频网络为选频网络为RC超前或滞后

9、移相网络超前或滞后移相网络选频网络为选频网络为RC串并联谐振网络串并联谐振网络1. RC移相振荡器移相振荡器模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3110RC串联超前、滞后网络的频率特性曲线串联超前、滞后网络的频率特性曲线 截止频率截止频率 c=1/ = RC ioUUH 10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3111超前移相网络振荡器超前移相网络振荡器 29611 RRRCfg , 且采用且采用, 因而输出因而输出波形失真大波形失真大, 频率稳定度

10、低频率稳定度低, 只能用于要求不高的设备。只能用于要求不高的设备。 RC相移振荡器分析相移振荡器分析模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-31122. RC选频振荡器选频振荡器RCRC串串并并联联网网络络 )1( j31j1j1 j1)(ofRCRCCRCRCRUUjH )(j31)(1ooo jHRC则则，令令)(31arctan)( j91|oo2oo H10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器!,o谐振谐振呈纯阻性呈纯阻性网络网络时时 RC 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-31

11、13133.3.基本基本RC桥式振荡器桥式振荡器网络呈纯阻性）网络呈纯阻性）（RCRC1o 根据根据 AF 1，而谐振时，而谐振时F=1/3，则则 振幅起振条件：振幅起振条件：A 3 振幅平衡条件：振幅平衡条件：A = 310.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器 （在（在oUiUo oUfUiU与与同相同相同相，同相，处）处）, 则则与与满足相位条件。满足相位条件。与与同相，同相，fU模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3114通过非线性器件通过非线性器件Rf自动调整反馈强弱。自动调整反馈强弱。 If Rf 功耗功耗 A 1fo1:1:RR

12、ARCg 同同相相放放大大器器的的增增益益振振荡荡器器的的工工作作频频率率 4.文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器11f2, 1)1(311RRRRAFAFf 得得即即根根据据起起振振幅幅度度条条件件：10.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器热敏电阻热敏电阻Rf :！或热敏电阻或热敏电阻R1:！多用于产生多用于产生20Hz20Hz200kHz200kHz的低频信号发生器。的低频信号发生器。 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3115(c)不满足正反馈条件不满足正反馈条件试用相位平衡条件判断哪个电路可能振荡试用相位平衡条件判断哪个电路可能振荡?

13、?(a)V1和和V2的作用的作用: 易于起振易于起振,自动稳幅。自动稳幅。R2+R32R1。(b)A=1, F=1/3, AF1, 不能起振。不能起振。模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3116图（图（a）由反相放大器和两节）由反相放大器和两节RC超前型移相网络组成，不满足相位平衡条件。超前型移相网络组成，不满足相位平衡条件。图（图（b）由）由T1基极同基极同T2集电极组成同相放大器和三节集电极组成同相放大器和三节RC超前网络组成，每节超前网络组成，每节移相移相60，为负反馈，不满足相位平衡条件。，为负反馈，不满足相位平衡条件。图（图（

14、c）三节）三节RC超前型移相网络相移超前型移相网络相移180，满足相位平衡条件，可以振荡。，满足相位平衡条件，可以振荡。图（图（d）T1和和T2组成同相放大器，和一节组成同相放大器，和一节RC串并联移相网络组成，但反馈到串并联移相网络组成，但反馈到T1射极，为负反馈，不满足相位平衡条件。射极，为负反馈，不满足相位平衡条件。 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3117电路如图所示电路如图所示.1.保证电路振荡，保证电路振荡，求求RP的最小值；的最小值；2.求振荡频率求振荡频率fo 的的调节范围。调节范围。解：为解：为RC文氏桥振荡器，根据

15、振荡条件，文氏桥振荡器，根据振荡条件，1| FA31max F)1(1RRRApf 3 . 5)1(KRp HzCRRf)1590145()(21)2(320 ， 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-311810.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器采用采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为。可以产生。可以产生几十兆赫几十兆赫以上的正弦波以上的正弦波信号信号变压器耦合反馈式变压器耦合反馈式、电感或电容反馈式电感或电容反馈式。图图10.23 10.23 三种接法三种接法) )CECBCB模拟电子技术

16、基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3119 a. 判断判断Uf和和Ui是否同相是否同相 b. 判断是否为正反馈判断是否为正反馈 LMrr cbeLCf 210 相位条件：相位条件： 起振条件：起振条件：振荡频率：振荡频率：10.3.1 变压器耦合反馈式振荡器变压器耦合反馈式振荡器当当 f =f0时，发生并联谐振，时，发生并联谐振，电压放大倍数的数值最大，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为且附加相移为0。结构简单，易起振，输出幅度大，调节方便。结构简单，易起振，输出幅度大，调节方便。变压器反馈式振荡变压器反馈式振荡：模拟电子技术基础模拟电子技术基础

17、正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-312010.3.2 10.3.2 三点式振荡器三点式振荡器 X1, X2, X3 组成并联组成并联 LC 谐振谐振网络。谐振网络中的三个引网络。谐振网络中的三个引出点分别接至三极管的三个出点分别接至三极管的三个极，称为极，称为。X1, X2, X3 应为何种电应为何种电 抗元件，才能满足相位条件？抗元件，才能满足相位条件？为了满足相位条件为了满足相位条件, Uf 应应与与Uo呈反相关系呈反相关系:0/of UU设设LC 回路有电流回路有电流 I 流动流动, 则谐振时：则谐振时： jX1+jX2+jX3=0, 即即 X1+X2+X3=

18、0 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3121由于由于 X1+X2+X3=0 故故X1与与X3的电抗特性相同，且二的电抗特性相同，且二者与者与X2的电抗特性相反。的电抗特性相反。 CLLg211 21211CCCCLg 10.3.2 10.3.2 三点式振荡器三点式振荡器 001313of XXjXjXUU模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3122三点式振荡器三点式振荡器电容反馈式振荡电容反馈式振荡器器电感反馈式振荡电感反馈式振荡器器满足相位条件的原则满足相位条件的原则：射极接的

19、是相同性质的电抗元件射极接的是相同性质的电抗元件, ,而基极接的是而基极接的是相反性质的电抗元件。相反性质的电抗元件。10.3.2 10.3.2 三点式振荡器三点式振荡器 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3123下面电路振荡频率下面电路振荡频率 g 满足何满足何种条件种条件, 电路才能振荡？电路才能振荡？(a)(b)(c)不能振荡不能振荡10.3.2 10.3.2 三点式振荡器三点式振荡器 02 g 01 g min( 01 , 02)模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3124

20、图例中三个谐振回路振荡图例中三个谐振回路振荡器交流等效电路的参数：器交流等效电路的参数：(1) L1C1 = L2C2 L2C2 L3C3 电路能否起振电路能否起振? 若能起振若能起振, 应属哪种类型振荡电路应属哪种类型振荡电路?其振荡频率与各回路固有其振荡频率与各回路固有谐振频率之间的关系？谐振频率之间的关系？1111CL 满足满足X1+X2+X3=0的角频率为的角频率为 0 , 且满足相位平且满足相位平衡条件，故电路可能振荡在衡条件，故电路可能振荡在 0上。此时上。此时, X1和和X2 呈现感抗呈现感抗, X3呈现容抗呈现容抗电感三点式振荡。电感三点式振荡。 2221CL 3331CL 满

21、足满足X1+X2+X3=0的角频率为的角频率为 I和和 II , 但只有但只有 II满足相位平衡条件满足相位平衡条件, 电路只可振荡在电路只可振荡在 II上。此时上。此时, X1和和X2呈容抗呈容抗, X3呈感抗呈感抗电容三点式振荡。电容三点式振荡。 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-312510.3.2 电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路211211CCCjICjIUUFCLof ILUoICUf21211CCCCLg 211CCCUUFof 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10

22、-312610.3.3 电感反馈式振荡电路电感反馈式振荡电路交流通路交流通路 电感反馈式振荡电电感反馈式振荡电路路)(11211LLCCLg 注：注：L1与与L2之间无互感。之间无互感。1212LLLjILjIUUFLCof 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3127)(oifU fU )(oifU fU高次谐波成份小高次谐波成份小, 波形波形好好; 调节频率影响反馈系数调节频率影响反馈系数, 适适于频率固定的场合。于频率固定的场合。1212C CCCC电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路LCo/1 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路

23、波形较差，常含有高次波形较差，常含有高次谐波谐波; 耦合紧耦合紧, 易起振易起振, 振幅大振幅大,调节频率不影响反馈系数。调节频率不影响反馈系数。122LLLM10.3.2 10.3.2 三点式振荡器三点式振荡器 必要吗？必要吗？of/UUF 21/CC ofUUF/ )/()(12MLML LCo/1 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3128 (1)(1)根据性能指标选择电路根据性能指标选择电路 (2) 振荡管选择：振荡管选择：fmax 3fosc 特征频率：特征频率： fT (210)fosc(3) 回路参数回路参数: C 尽可能

24、大，尽可能大，L 不宜过小，一般采用电容部分接不宜过小，一般采用电容部分接 入方法。入方法。(4) 静态工作点：软激励状态静态工作点：软激励状态 IEQ(15)mA(5) 选择合适的选择合适的 kfv ：一般变压器耦合：一般变压器耦合LC振荡器振荡器 三点式振荡器三点式振荡器 kfv= 0.10.4选择电路选择电路 osc osc / osc变压器耦合变压器耦合几十几十kHz几十几十MHz10-4电感三点式电感三点式几十几十 kHz几十几十MHz10-4电容三点式电容三点式几几MHz100MHz以上以上10-410-5改进型三点式改进型三点式几几MHz几百几百MHz10-510-6eofefv

25、1RyLMk 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3129反馈系数反馈系数F 的计算：的计算：图中图中, B、C、E 分分别表示晶体管的三别表示晶体管的三个电极个电极0UUFf 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-313010.4 石英晶体振荡石英晶体振荡器器10.4.1关于振荡频率的几个指关于振荡频率的几个指标标1.1.频率的准确性频率的准确性 2.2.频率的稳定性频率的稳定性中波广播发射机：中波广播发射机：1010-5-5； 电视发射机：电视发射机：1010-7-7测量值测量值

26、设计值设计值 iioi ooo 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-313110.4.2 石英晶体的物理特性和电特性石英晶体的物理特性和电特性1.1.石英谐振器的石英谐振器的1)1)正压电效应：把机械能转化成电能。正压电效应：把机械能转化成电能。 2)2)反压电效应：把电能转化成机械能。反压电效应：把电能转化成机械能。 交变电场交变电场 机械形变振机械形变振动动通常通常, 机械振动振幅和外加交变电场的振幅都非常微小机械振动振幅和外加交变电场的振幅都非常微小,只有外加交变电压的频率为某一只有外加交变电压的频率为某一 特定频率时特定频率时,

27、振幅才突振幅才突然增加然增加, 机械振动最强机械振动最强, 电路高频电流最大电路高频电流最大, 此现象称为此现象称为压电谐振压电谐振。通常说石英晶体就是指石英谐振器。通常说石英晶体就是指石英谐振器。石英谐振器可谐振在晶体的石英谐振器可谐振在晶体的基音基音（Fundamental）或或奇次泛音奇次泛音（Overtone, 3、5、7、次泛音）上次泛音）上 。模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-31322.2.石英谐振器的电特石英谐振器的电特性性(a)晶体符号晶体符号(b)电等效电路电等效电路(C)某一频率等效电路某一频率等效电路电抗特性电抗

28、特性qqsCL1 qqqpCCCCL 001 )11(0 CCqssp 02CCqs 约为约为10-3量级量级 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-313310.4.3 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器图图10.31串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器串联型石英晶体振荡器把串联型石英晶体振荡器把石英晶体用作石英晶体用作模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3134当当 osc= s时，晶体时，晶体 JT 在振荡电路中等效在振荡电路中等效 于一根短路线；或当于一根短路线；或当 s o

29、sc p时，等效为电感元件。时，等效为电感元件。 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3135石英晶体振荡器的工作原理与三点式石英晶体振荡器的工作原理与三点式LCLC振振荡器相同，只是把荡器相同，只是把。振荡频率一定满足：振荡频率一定满足： s p10.4.4 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器生产厂家给出的石英晶体的振荡频率，即标生产厂家给出的石英晶体的振荡频率，即标称频率，是指石英晶体并接称频率，是指石英晶体并接CL后的后的fg值。厂家在产品说值。厂家在产品说明书上对负载电容有具体的规定值，通常基频晶体的明书上对负载电容有具体的

30、规定值，通常基频晶体的CL在在3050pF。模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-313610.4.4 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器把并联型石英晶体振荡器把 qqqgCCCCL 001 LCCCCCCCC 0212100其中其中交流通路交流通路LC 1 g振荡频率振荡频率图解确定图解确定是指生产厂家给出的是指生产厂家给出的石英晶体的振荡频率，即石英石英晶体的振荡频率，即石英晶体并接晶体并接CL后的后的 fg 值。值。厂家在产品说明书上对负载电厂家在产品说明书上对负载电容容CL有具体的规定值，通常基有具体的规定

31、值，通常基频晶体的频晶体的CL在在3050pF。模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3137如下图所示晶体振荡电路，如下图所示晶体振荡电路，已知已知电路能否振荡电路能否振荡? 若能振荡，振荡若能振荡，振荡频率频率 0与与 1、 2之间的关系。之间的关系。解：能振荡。晶体振荡电路的交解：能振荡。晶体振荡电路的交流通路如右下图所示。若电路能流通路如右下图所示。若电路能振荡振荡, , 应为并联型晶体振荡器。应为并联型晶体振荡器。此时要求：此时要求：1. 晶体等效为电感晶体等效为电感; L1C1并联回路呈容性并联回路呈容性;L2C2串联回路也必须呈容性。串联回路也必须呈容性。2. 2 ( s) 0 1 ( p)2221111;1CLCL 模拟电子技术基础模拟电子技术基础正弦波振荡器正弦波振荡器2021-10-312021-10-3138 osc = s 可根据需要选择正弦波可根据需要选择正弦波输出或方波输出。输出或方波输出。 当当C1=1 F时时, 输出输出4V方波方波; 当当C1不接时不接时, 输出有效输出有效值值 0=1.5V的正