电子电路基础II_15

1、1电子电路基础 II第15讲2014.6.19 电子电路基础II期末复习课安排在6月21日上午8:30，由王柏祥老师主讲，地点是东2-201。 最后一次课：6月24日 考试： 7月2日上午8:00-10:00 紫金港东1B-40823第11章 振荡电路 在实践中，广泛采用的信号产生电路，就其所产生的波形来分类：有正弦波信号产生电路和非正弦波信号产生电路。 在通信、广播电视系统中，需要射频（高频）发射，这里的运载音频（低频）、视频信号的高频射频波，即载波，就是由正弦波振荡器产生的；在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，也都需要不同频率的

2、正弦波。可见，正弦波振荡器在科学技术上的应用十分广泛。411.1 11.1 自激振荡自激振荡 1 1、正弦振荡的电路组成、正弦振荡的电路组成 2 2、自激振荡的平衡条件、自激振荡的平衡条件 3 3、自激振荡的起振条件、自激振荡的起振条件 4 4、自激振荡的稳定条件、自激振荡的稳定条件51. 1. 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 若振荡电路不需外加输入就有输出，这种电路称为自激若振荡电路不需外加输入就有输出，这种电路称为自激振荡电路。振荡电路。 正弦波振荡电路是一种不需要输入信号的带选频网络的正弦波振荡电路是一种不需要输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。正反馈放大电路。电路组成电路组成放大电路放

3、大电路正反馈网络正反馈网络选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件，从而获得单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。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选频和选频和LC选频选频稳幅环节稳幅环节使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小小6衡量正弦波振荡电路优劣的三个指标衡量正弦波振荡电路优劣的三个指标 振荡频率振荡频率 希望能够产生高频的正弦波输出信号希望能够产生高频的正弦波输出信号 振荡频率的稳定性振荡频率的稳定性 希望产生的正弦波输出信号的频率受温度等外希望产生的正弦波输出信号的频率受温度等外界条件的影响尽可能小界条件的

4、影响尽可能小 振荡频率的可调节性振荡频率的可调节性 希望可以通过调节电路中的某个元件来调节输希望可以通过调节电路中的某个元件来调节输出信号的频率出信号的频率7基本放大基本放大电路电路AodX oX 反馈电路反馈电路FfX iX +fidXXX 改成正反馈改成正反馈正反馈电路才能正反馈电路才能产生自激振荡产生自激振荡2. 2. 自激振荡的平衡条件自激振荡的平衡条件8如果：如果：ifXXk闭合闭合,去掉去掉,Xi仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路AodX oX 反馈电路反馈电路FfX iX +k产生自激振荡时产生自激振荡时9基本放大基本放大电路电路AodX oX 反馈电路反馈电路

5、FfX 反馈信号代替了放大电路的输入信号反馈信号代替了放大电路的输入信号dfXXOfXFX00dAXX1)(F)(A jj自激振荡条件自激振荡条件10自激振荡的平衡条件：自激振荡的平衡条件：1)(F)(A AA)(A FF)(F 自激振荡的平衡条件可以写成：自激振荡的平衡条件可以写成：（1 1）振幅条件：）振幅条件：1AF （2 2）相位条件：）相位条件： n2FAn n是整数是整数相位条件相位条件可以用来求出振荡电路的振荡频率可以用来求出振荡电路的振荡频率112、选频网络：、选频网络：LC回路，设其谐回路，设其谐振频率为振频率为0 01、放大电路、放大电路3、反馈网络：正反馈、反馈网络：正反

6、馈放大电路（开环增益）放大电路（开环增益）反馈网络反馈网络振荡器的环路增益振荡器的环路增益相位条件相位条件电路组成电路组成12 和和 都很小，而且几乎不随都很小，而且几乎不随 而变化而变化振荡频率振荡频率振荡频率振荡频率=并联谐振回路的谐振频率并联谐振回路的谐振频率13小结小结 振荡器的相位平衡条件，决定了它的振荡振荡器的相位平衡条件，决定了它的振荡频率。当晶体管和反馈网络引入的相移可频率。当晶体管和反馈网络引入的相移可以忽略时，振荡器的振荡频率近似等于选以忽略时，振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率（谐振频率）。频回路的中心频率（谐振频率）。 振荡器环路增益的相频特性，主要取决于振荡器

7、环路增益的相频特性，主要取决于环路中选频回路的相频特性，而选频回路环路中选频回路的相频特性，而选频回路的相频特性与回路的的相频特性与回路的Q值有密切关系，值有密切关系， Q越越大，相频特性的斜率越陡，回路的选频滤大，相频特性的斜率越陡，回路的选频滤波功能也越好。波功能也越好。143. 振荡器的起振条件振荡器的起振条件起振过程起振过程幅度条件幅度条件相位条件相位条件15几点注意事项几点注意事项 起振时，由于放大器工作在小信号条件，因此是线性工作起振时，由于放大器工作在小信号条件，因此是线性工作状态，可以用晶体管小信号等效电路来计算其增益状态，可以用晶体管小信号等效电路来计算其增益 振荡建立过程中

8、，环路增益振荡建立过程中，环路增益1，输入信号从小信号逐渐增，输入信号从小信号逐渐增加，放大器从小信号工作条件逐渐变为大信号工作。如果加，放大器从小信号工作条件逐渐变为大信号工作。如果外界不加任何措施，放大器就从线性放大器过渡到非线性外界不加任何措施，放大器就从线性放大器过渡到非线性放大器（出现了饱和与截止）。因此振荡器平衡时的增益放大器（出现了饱和与截止）。因此振荡器平衡时的增益的计算方法不同于起振时，此时应采用晶体管的大信号平的计算方法不同于起振时，此时应采用晶体管的大信号平均参数。同时晶体管进入大信号非线性工作状态后，其集均参数。同时晶体管进入大信号非线性工作状态后，其集电极电流中包含丰

9、富的谐波，会造成输出信号的波形失真电极电流中包含丰富的谐波，会造成输出信号的波形失真 起振时，环路增益起振时，环路增益1；平衡时，环路增益；平衡时，环路增益=1。因此需要。因此需要稳幅环节。稳幅环节。 内稳幅：仅靠晶体管的非线性特性内稳幅：仅靠晶体管的非线性特性 外稳幅：有外加措施外稳幅：有外加措施16判断电路是否可能产生正弦波振荡判断电路是否可能产生正弦波振荡的一般方法的一般方法 观察电路是否包含放大电路、选频网络、正反馈网络和稳观察电路是否包含放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分幅环节四个组成部分 判断放大电路是否能正常工作，即是否有合适的静态工作判断放大电路是否能正常工作

10、，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大点且动态信号是否能够输入、输出和放大 利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。具体做法：断开反馈，在断开处给放大电路加频率为具体做法：断开反馈，在断开处给放大电路加频率为f的的输入电压，并给定其瞬时极性，然后利用此输入电压的极输入电压，并给定其瞬时极性，然后利用此输入电压的极性判断输出电压的极性，然后得到反馈电压的瞬时极性。性判断输出电压的极性，然后得到反馈电压的瞬时极性。如果反馈电压和输入电压的极性相同，则说明满足相位条如果反馈电压和输入电压的极性相同，则说明满足相位条

11、件，有可能产生正弦波振荡。件，有可能产生正弦波振荡。 判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起判断电路是否满足正弦波振荡的幅值条件，即是否满足起振条件。振条件。174. 振荡的稳定条件振荡的稳定条件 为了保持这种状态，需要有为了保持这种状态，需要有 振幅稳定条件振幅稳定条件 相位稳定条件相位稳定条件自激振荡的平衡条件可以写成：自激振荡的平衡条件可以写成：（1 1）振幅条件：）振幅条件：1AF （2 2）相位条件：）相位条件： n2FAn n是整数是整数18振幅稳定条件振幅稳定条件 1. 平衡时平衡时反馈电压反馈电压 2. 如果外界有干扰如果外界有干扰2.1 干扰使得输入信号的幅度增大

12、为干扰使得输入信号的幅度增大为基本放大基本放大电路电路AodX oX 反馈电路反馈电路FfX 要使幅度变小，即要使幅度变小，即所以所以2.2 干扰使得输入信号的幅度减小干扰使得输入信号的幅度减小T1T2mRg26fosc=1/(2Nd)f foscosc =1/(2N=1/(2N t td d) ) 以上电路中，为了得到所需要的相移，每级反相放大单元都在输出端接了对地电容C。事实上，在很高的频率上，我们可以利用反相放大单元晶体管自身的延迟和输出端点上的寄生电容构成无外接电容元件的环形振荡器。 环形振荡器振荡频率fosc的计算公式：N为级联数，为奇数。 d 为每一级反相放大单元因晶体管自身时延和

13、输出端点上的寄生电容（包括下一级反相放大单元的输入电容）引起的合成时延2711.3 RC振荡电路 常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路 采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的 28RC串并联选频电路串并联选频电路通常选取通常选取R1=R2，C1=C21.

14、当信号频率足够低的时候当信号频率足够低的时候RC1RC12. 当信号频率足够高的时候当信号频率足够高的时候29当信号频率从0到正无穷变化时，Uf的相位将从+90度逐渐变化到-90度。所以一定存在一个频率f0，使得Uf 和Uo同相谐振时，F=1/330RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路310/ Fff时，起振时起振时A3平衡时平衡时A=331平衡时平衡时12RRf 起振时起振时12RRf 可以采用正温度系数的热敏电阻做可以采用正温度系数的热敏电阻做R1：起振之后，输出增加，流过：起振之后，输出增加，流过R1的的电流增加，电流增加，R1功耗增加，温度上升，导致阻值增大，从而减小功耗增加，温度

15、上升，导致阻值增大，从而减小A的数值，的数值，最终使最终使A=3，达到平衡条件，达到平衡条件1RURUUpfpo 3211.4 LC11.4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 1 1、LCLC并联电路并联电路 2 2、互感反馈式、互感反馈式LCLC振荡电路振荡电路 3 3、电感三点式、电感三点式LCLC振荡电路振荡电路 4 4、电容三点式、电容三点式LCLC振荡电路振荡电路331、LC正弦波波振荡电路 LC LC 选频电路选频电路LC选频放大电路中，经常使用的谐振回路是如图所示的选频放大电路中，经常使用的谐振回路是如图所示的LC并联谐振电路。图中并联谐振电路。图中R表示回路和回路所带负载的等效总表

16、示回路和回路所带负载的等效总损耗电阻损耗电阻。LC并联电路34例：收音机的调谐电路如图，电容为例：收音机的调谐电路如图，电容为100pF，电感为，电感为200H。电感。电感内阻内阻r=400。求电路的谐振频率。若电感内阻。求电路的谐振频率。若电感内阻r降到降到40 ，谐振频，谐振频率又是多少？率又是多少？2221rj LYj Cj Cj LrrL导纳导纳222222()rLjCrLrL谐振时导纳的虚部为零谐振时导纳的虚部为零0022200LCrL2021rCLL202112rfCLL01.08MHzf 01.12MHzf r=400r=4035 在所示图中，在所示图中， 当频率很低时，电容的容

17、当频率很低时，电容的容抗很大，电感的感抗很小，故并联电路阻抗抗很大，电感的感抗很小，故并联电路阻抗主要取决于电感支路，即总阻抗为感性，且主要取决于电感支路，即总阻抗为感性，且随着频率的降低，阻抗值愈来愈小；当频率随着频率的降低，阻抗值愈来愈小；当频率很高时，并联电路阻抗主要取决于电容支路，很高时，并联电路阻抗主要取决于电容支路，即总阻抗为容性，随着频率的升高，阻抗值即总阻抗为容性，随着频率的升高，阻抗值也愈来愈小。频率特性如下图所示也愈来愈小。频率特性如下图所示。36选频电路的频率特性37 可以证明，只有在中间某一个频率可以证明，只有在中间某一个频率= 时，电路发生并联谐振。此时阻抗为纯阻性，

18、时，电路发生并联谐振。此时阻抗为纯阻性，且等效阻抗接近达到最大值，幅值恒定的电流且等效阻抗接近达到最大值，幅值恒定的电流源激励出最大的电压响应源激励出最大的电压响应 ， 此外，幅频特性表明，当外加电流源频率此外，幅频特性表明，当外加电流源频率偏离谐振频率时，选频电路的等效阻抗迅速减偏离谐振频率时，选频电路的等效阻抗迅速减小，表示幅值恒定的电流源所激励出的电压响小，表示幅值恒定的电流源所激励出的电压响应，将随着频率的偏离而迅速减小。幅频特性应，将随着频率的偏离而迅速减小。幅频特性愈尖锐，选频性能愈好。愈尖锐，选频性能愈好。LCf210U382、互感反馈式LC振荡电路 互感反馈式正弦波振荡电路如图

19、（互感反馈式正弦波振荡电路如图（a）所示）所示 ，图（图（b）为振荡器的交流通路。为振荡器的交流通路。互感反馈LC振荡电路正反馈的判断39变压器反馈式振荡电路易于产生振荡，输出电压的变压器反馈式振荡电路易于产生振荡，输出电压的失真不大。失真不大。由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而损耗较由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而损耗较大。振荡频率的稳定性不高。振荡频率几十大。振荡频率的稳定性不高。振荡频率几十K几几MHz。 LCf210振荡频率近似等于振荡频率近似等于LC回路的谐振频率，即：回路的谐振频率，即：40 三点式三点式LC振荡电路可以克服变压反馈振荡器频率低振荡电路可以克服变压反馈振荡

20、器频率低的缺点。的缺点。三点式振荡器的一般组成三点式振荡器的一般组成(不包括直流偏置电路不包括直流偏置电路)如图所示。如图所示。三点式振荡器的一般组成41图中，除三极管外，有图中，除三极管外，有X1、X2、X3三个电三个电抗元件组成的振荡回路。抗元件组成的振荡回路。电路中，三个电电路中，三个电抗元件分别与晶体管的发射极、集电极、抗元件分别与晶体管的发射极、集电极、基极三个端点连接，故称为三点式振荡器基极三个端点连接，故称为三点式振荡器。由图可以看出，由图可以看出，X1、X2、X3除了构成并联除了构成并联振荡回路外，还构成了反馈网络，提供反振荡回路外，还构成了反馈网络，提供反馈电压馈电压 ，且直

21、接加到放大器的输入端。，且直接加到放大器的输入端。fU谐振时，回路呈纯电阻性质，因此满足：谐振时，回路呈纯电阻性质，因此满足： X1+X2+X3=0 由于电压由于电压 是是 在在 X2、X3支路分配在支路分配在X2上的电压，故有上的电压，故有 ：fUoU = fUooUXXXXjjXU12322)(42 由于放大器的输出电压由于放大器的输出电压 与输入电压与输入电压 反相，因而要满足起反相，因而要满足起振的相位条件，必须要求振的相位条件，必须要求 (即为即为 )与与 反相。根据上式可见，反相。根据上式可见，X1与与X2应为同性质电抗，而应为同性质电抗，而X3就必须是异性电抗，才能满足回路所就必

22、须是异性电抗，才能满足回路所有电抗总和为零的要求。这就是三点式电路的组成法则。有电抗总和为零的要求。这就是三点式电路的组成法则。综上所述，三点式振荡器的相位条件判断法则为：综上所述，三点式振荡器的相位条件判断法则为： X1与与X2为同性电抗元件，或者说，与发射极相连接的为同性电抗为同性电抗元件，或者说，与发射极相连接的为同性电抗 X3与与X1、X2互为异性电抗，或者说，不与发射极相连接的为异性互为异性电抗，或者说，不与发射极相连接的为异性电抗。电抗。oUiUfUiUoU = fUooUXXXXjjXU12322)(433、电感三点式振荡电路 电感三点式振荡电路，就是与发射极相连接两个电抗元电感

23、三点式振荡电路，就是与发射极相连接两个电抗元件同为电感，另一个电抗元件为电容。即件同为电感，另一个电抗元件为电容。即X1与与X2为电感，为电感，X3为电容。电路如图所示。为电容。电路如图所示。电感三点式振荡电路44l电感三点式起振条件电感三点式起振条件根据相位条件，该电路满足起振与平衡的相位条根据相位条件，该电路满足起振与平衡的相位条件，其反馈系数为件，其反馈系数为 ： MLMLF12若放大器的增益足够大，且满足若放大器的增益足够大，且满足|Au|1/F，则电路就，则电路就能满足起振的振幅条件能满足起振的振幅条件 。l振荡频率振荡频率 振荡频率近似等于振荡频率近似等于LC并联谐振回路的固有频率

24、，并联谐振回路的固有频率，即：即： 式中式中 L= L1+ L2 + 2MLCf21045电路特点电路特点 由于反馈电压取自电感由于反馈电压取自电感L2两端，对高次谐波的电抗很大，两端，对高次谐波的电抗很大，不能将高次谐波滤除，因此输出波形中含有高次谐波，振荡不能将高次谐波滤除，因此输出波形中含有高次谐波，振荡器的输出波形较差。器的输出波形较差。 若改变电感抽头，即改变若改变电感抽头，即改变L2/ L1的比值，可以获得满意的正的比值，可以获得满意的正弦波输出，且幅度较大。弦波输出，且幅度较大。 调节频率方便。采用可变电容，可以得到较宽的频率调节调节频率方便。采用可变电容，可以得到较宽的频率调节

25、范围。范围。 一般用于产生几十兆赫兹以下频率的信号。一般用于产生几十兆赫兹以下频率的信号。 由于电感三点式振荡器的输出波形较差，且频率稳定度不由于电感三点式振荡器的输出波形较差，且频率稳定度不高，因此通常用于要求不高的设备中。高，因此通常用于要求不高的设备中。464 4、电容三点式振荡电路、电容三点式振荡电路 电容三点式振荡器，就是与发射极相连接的两个电电容三点式振荡器，就是与发射极相连接的两个电抗元件同为电容，另一个电抗元件为电感。即抗元件同为电容，另一个电抗元件为电感。即X1、X2为为电容，电容，X3为电感。电路如图所示。为电感。电路如图所示。电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 47l电

26、容三点式起振条件电容三点式起振条件 根据相位条件，该电路满足起振与平衡根据相位条件，该电路满足起振与平衡的相位条件，其反馈系数为：的相位条件，其反馈系数为： 21CCF 放大器的增益足够大，且满足放大器的增益足够大，且满足|Au|1/F时，电路时，电路能满足起振的振幅条件。能满足起振的振幅条件。 l振荡频率振荡频率 电容三点式振荡电路的振荡频率近似为电容三点式振荡电路的振荡频率近似为LC并联并联谐振回路的固有频率，即：谐振回路的固有频率，即： 式中式中 LCf2102121CCCCC48电路特点电路特点 由于反馈电压取自由于反馈电压取自C2两端，因为电容是高通元件，对高两端，因为电容是高通元件

27、，对高次谐波的电抗很小，所以输出波形中的高次谐波分量小，次谐波的电抗很小，所以输出波形中的高次谐波分量小，振荡器输出的电压波形比电感三点式好。振荡器输出的电压波形比电感三点式好。 因为电容因为电容C1、C2的容量可以选得很小，并将放大管的极的容量可以选得很小，并将放大管的极间电容也计算到间电容也计算到C1、C2中去，因此中去，因此振荡频率较高，一般可振荡频率较高，一般可以达到以达到100MHz以上。以上。 对于振荡频率的调节，若用改变对于振荡频率的调节，若用改变C1或或C2的方法，会影响的方法，会影响反馈的强弱，这是不可取的。通常是固定反馈的强弱，这是不可取的。通常是固定C1、C2，另外用，另

28、外用一个可变电容并接在电感一个可变电容并接在电感L的两端，以调节的两端，以调节 ，此时，回，此时，回路的总电容量为路的总电容量为C1与与C2串联再与并接在串联再与并接在L上的可变电容并上的可变电容并联。联。0f49改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器 电容三点式振荡器的缺点电容三点式振荡器的缺点 频率调节范围窄频率调节范围窄 调节调节C1或或C2，会影响反馈的强弱，会影响反馈的强弱 调节调节L，不好调，不好调 频率稳定度不高频率稳定度不高 C1C2比较小，要考虑极间电容和杂散电容比较小，要考虑极间电容和杂散电容 改进型改进型 4. 串联改进型电容三点式振荡器串联改进型电容三点式振荡器(

29、Clapp) 5. 并联改进型电容三点式振荡器并联改进型电容三点式振荡器(Seiler)504. 串联改进型电容三点式振荡器串联改进型电容三点式振荡器(Clapp)电路特点：电感支路串联一个小电容电路特点：电感支路串联一个小电容C32313,CCCCiCCCCCC2013111131CLCf210321LC CC3优点：频率稳定性高优点：频率稳定性高(相对改进前相对改进前)515. 并联改进型电容三点式振荡器并联改进型电容三点式振荡器(Seiler)电路特点：电感两端并联上一个电容电路特点：电感两端并联上一个电容C42313,CCCC2414,CCCC优点：频率稳定性高优点：频率稳定性高(相对

30、改进前相对改进前)320141111CCCCCCCi43CC LCf210)(2143CCL 频率覆盖较宽（频率调节范围宽）频率覆盖较宽（频率调节范围宽） 52LC振荡器小结振荡器小结 多种电路形式多种电路形式 均采用均采用LC元件作为选频网络元件作为选频网络 缺点：频率稳定性不高缺点：频率稳定性不高 改进型也只能达到改进型也只能达到10-310-5数量级数量级5311.5 石英晶体正弦波振荡电路制作工艺：将二氧化硅结晶体按一定方向切割成很薄的晶片，再制作工艺：将二氧化硅结晶体按一定方向切割成很薄的晶片，再将晶片两个对应的表面抛光、涂上导电的金属层，并引出管脚，将晶片两个对应的表面抛光、涂上导

31、电的金属层，并引出管脚，就构成石英晶体谐振器就构成石英晶体谐振器结构示意图电路符号石英晶体谐振器石英晶体谐振器又称为石英晶体，俗称晶振。是利用石英晶体又称为石英晶体，俗称晶振。是利用石英晶体的的压电效应压电效应而制成的谐振元件。与半导体器件和阻容元件一起而制成的谐振元件。与半导体器件和阻容元件一起使用，可构成石英晶体振荡器使用，可构成石英晶体振荡器 54压电效应压电效应 一般的定义一般的定义：对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中：对某些电介质施加机械力而引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束心相对位移，产生极化，从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在一定应力范围内，机械力与电荷呈线性可逆关系。这种现缚电荷。在一定应力范围内，