模拟电路96节

1、9.6 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 n正弦波振荡电路应用十分广泛，在科学研正弦波振荡电路应用十分广泛，在科学研究、工业生产、医学、通信等领域都要用究、工业生产、医学、通信等领域都要用到。只是在不同的使用场合，对正弦波的到。只是在不同的使用场合，对正弦波的频率、功率要求会有很大差别。频率、功率要求会有很大差别。n本节重点讨论利用正反馈构成正弦波振荡本节重点讨论利用正反馈构成正弦波振荡电路的相位平衡条件和幅值平衡条件，电路的相位平衡条件和幅值平衡条件，RC正弦波振荡电路的组成及工作原理。正弦波振荡电路的组成及工作原理。 9.6.1正弦振荡的平衡条件正弦振荡的平衡条件 n负反馈放大电路的自激条件负

2、反馈放大电路的自激条件 01FA1FAn振荡电路的振荡电路的振荡平衡条件振荡平衡条件 1FA1FA0argFAXdXo图图9.36 振荡器的方块图振荡器的方块图XfAF振荡电路的组成振荡电路的组成n放大环节放大环节n反馈网络反馈网络n选频网络选频网络 (Frequency Selective Network) n通常振荡电路的反馈网络中含有参数合适的通常振荡电路的反馈网络中含有参数合适的电抗元件。这样反馈网络既能完成反馈信号电抗元件。这样反馈网络既能完成反馈信号的功能，又能实现的功能，又能实现“选频选频”的目的。的目的。n稳幅环节稳幅环节 n使振荡器幅值稳定且波形较好使振荡器幅值稳定且波形较好

3、 9.6.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 nRC正弦波振荡电路是由放大电路和电阻、正弦波振荡电路是由放大电路和电阻、电容构成的反馈网络组成。电容构成的反馈网络组成。n本节主要介绍本节主要介绍RC串并联式正弦波振荡电路，串并联式正弦波振荡电路，也称为文氏桥也称为文氏桥(Wien bridge)振荡电路。振荡电路。 1. RC串并联电路的频率特性串并联电路的频率特性n图图9.37所示即为所示即为RC串串并联电路。并联电路。 21121221222211222212111111RCRCjCCRRCjRCjRCjRCjRCjRUU_R2+U1C1C2R1_图图9.37 RC串并联电路串并联电路U

4、2n通常取通常取R1=R2=R，C1=C2=C RC10001231jUU20021231UU3tgargarg0012UU_R2+U1C1C2R1_图图9.37 RC串并联电路串并联电路U2n图图9.38示出了这种示出了这种RC串并联网络的幅频特串并联网络的幅频特性和相频特性。性和相频特性。 RC1031012UU0arg012UU001/3U1U2(a) 幅频特性幅频特性(b) 相频特性相频特性+90-9000U1U2arg图图9.38 RC串并联电路的频率特性串并联电路的频率特性2. RC串并联桥式振荡电路串并联桥式振荡电路n图图9.39为采用同相端输入方式的集成运算放大器为采用同相端输

5、入方式的集成运算放大器作为放大环节的作为放大环节的RC串并联式振荡电路。串并联式振荡电路。n若若R1=R2=R，C1=C2=C n则角频率则角频率0 ：RC10nRC串并联网络的输出串并联网络的输出与输入同相，不产生相与输入同相，不产生相移。移。 满足了相位平衡满足了相位平衡条件条件 R2R1C2R2UoC1R1+_A图图9.39 桥式振荡器原理电路桥式振荡器原理电路n当当=0时，时，n则满足振幅条则满足振幅条件件 ，要求：，要求：n即即 R22R1 3112fRRAA1FA3112UUFR2R1C2R2UoC1R1+_A图图9.39 桥式振荡器原理电路桥式振荡器原理电路n如何做到既能可靠起振

6、，又能保证输出波形为较好的正如何做到既能可靠起振，又能保证输出波形为较好的正弦波呢？弦波呢？ n可靠起振：可靠起振：n但如果但如果 过分大就会使输出波形变坏。过分大就会使输出波形变坏。n因此，设法使起振时，因此，设法使起振时，n即即 R22R1n平衡时，平衡时，n即即 R2=2R1 1FAA3A3Au通常可以利用二极管或稳压管的非线性特性、通常可以利用二极管或稳压管的非线性特性、场效应管的可变电阻特性或者热敏电阻等元件场效应管的可变电阻特性或者热敏电阻等元件的非线性特性来自动幅。的非线性特性来自动幅。 nRC串并联振荡电路存在的缺点：串并联振荡电路存在的缺点： n受受RC参数的影响，振荡频率较

7、低。参数的影响，振荡频率较低。小于小于1MHz。n原因原因：电路中存在分布电容。：电路中存在分布电容。n若提高振荡频率，可以采用若提高振荡频率，可以采用LC振荡电路，振荡电路，石英晶体振荡电路。石英晶体振荡电路。9.6.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1.LC1.LC并联回路的频率特性并联回路的频率特性CRLAB1L(Rj L)j CCZ=11(Rj L)Rj( L)j CCCLQCQLQRCLZ0000100CL01LC设设谐振频率：谐振频率：00/1/QL RCR 2.2.变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路ReL1CRLRb1Rb2C1CeT+VCCL2L3 LC并联谐振电路作

8、为并联谐振电路作为三极管的负载。三极管的负载。反馈线圈反馈线圈L2与电感线圈与电感线圈L1相耦合相耦合,将反馈信号送将反馈信号送入三极管的输入回路。入三极管的输入回路。以使正反馈的条件得以以使正反馈的条件得以满足。满足。 2.2.变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路ReL1CRLRb1Rb2C1CeT+VCCL2L3变压器反馈式振荡电变压器反馈式振荡电路的振荡频率与并联路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为谐振电路相同，为0112fLC 2.2.变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路ReL1CRLRb1Rb2C1CeT+VCCL2L3特点：特点： 易振，波形较好；易振，波形较好； 耦合不

9、紧密，损耗大，耦合不紧密，损耗大， 频率稳定性不高。频率稳定性不高。3.3. 三点式振荡电路三点式振荡电路C2C1132LL2L1132C（ L1 +L2 + 2M ）C 21fo =+VCCReL2L1Rb1Rb2电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路C1CeT132RLC3.3. 三点式振荡电路三点式振荡电路+VCCReL2L1Rb1Rb2电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路C1CeT132RLC特点：特点： 耦合紧密，耦合紧密，易振，振幅大，易振，振幅大，C用可调电容可用可调电容可获得较宽范围的获得较宽范围的振荡频率。波形振荡频率。波形较差，常含有高较差，常含有高次谐波。次谐波。 3.3.

10、 三点式振荡电路三点式振荡电路ReC2C1RCRb1Rb2电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路CbCeLT132+VCCRL特点：特点：波形好，振荡频波形好，振荡频率调整范围小，率调整范围小，适用于频率固定适用于频率固定的场合。的场合。 电感电感L和电容和电容C1、 C2构成的谐振回路成为放大构成的谐振回路成为放大电路的负载，电容电路的负载，电容C2两端的电压作为反馈信号，两端的电压作为反馈信号，在放大器的输入端引入了正反馈。在放大器的输入端引入了正反馈。 选取适当的静态值和元件参数，使得谐振回路选取适当的静态值和元件参数，使得谐振回路谐振时，谐振时，AF1。电路自激振荡。电路自激振荡AF=1

11、时，振荡稳定。时，振荡稳定。振荡频率近似等于振荡频率近似等于LC谐振回路的振荡频率：谐振回路的振荡频率：C1 C2C1 + C2L21fo o = = 电容三点式与电感三点式电路比较：电容三点式与电感三点式电路比较：电容三点式电路：电容三点式电路： 反馈电压中，高次谐波份量较小，反馈电压中，高次谐波份量较小，波形好。波形好。电容三点式电路：电容三点式电路： 反馈系数随频率变化。反馈系数随频率变化。 改进型电容三点式振荡电路改进型电容三点式振荡电路并联一个电容并联一个电容C3 ，谐谐振回路的总电容：振回路的总电容：改变改变C3，即可改变即可改变fo C3ReC2C1RCRb1Rb2改进的电容三点

12、式振荡电路改进的电容三点式振荡电路CbCeLT132+VCCRL31212CC C /(CC )9.6.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器n石英晶体石英晶体(Crystal)是一种各向异性的结晶体，化学成分是一种各向异性的结晶体，化学成分是二氧化硅是二氧化硅(SiO2)。从一块晶体上接一定的方位角切下的。从一块晶体上接一定的方位角切下的薄片称为晶片，然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并薄片称为晶片，然后在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品若提高振荡频率，装上一对金属板，就构成石英晶体产品若提高振荡频率，可以采用可以采用LC振荡电路，石英晶体振荡电路。振荡电路，石英晶

13、体振荡电路。n1.石英晶体的压电效应及其等效电路石英晶体的压电效应及其等效电路n石英晶片具有压电效应石英晶片具有压电效应(Piezoelectric Effect)。叠在石英。叠在石英晶片的两个相对的面上加一个电压，晶片便会产生机械变晶片的两个相对的面上加一个电压，晶片便会产生机械变形。相反，在晶片上施加机械压力形。相反，在晶片上施加机械压力(或拉力或拉力)，则晶片会在，则晶片会在相应的方向上产生电压，这种现象称为压电效应。相应的方向上产生电压，这种现象称为压电效应。 n当在晶片的两个面上加交变电压时，晶片便因反当在晶片的两个面上加交变电压时，晶片便因反复的机械变形而产生振动，而这种机械振动又

14、会复的机械变形而产生振动，而这种机械振动又会反过来产生交变电压反过来产生交变电压 。n在一般情况下，晶片的机械振动及其所产生的交在一般情况下，晶片的机械振动及其所产生的交变电压都非常小，但在外加电压的频率为某个特变电压都非常小，但在外加电压的频率为某个特定数值时，机械振动和它所产生的交变电压都会定数值时，机械振动和它所产生的交变电压都会显著增大。这一现象称为压电谐振。显著增大。这一现象称为压电谐振。n上述特定频率称为石英晶片的固有频率或谐振频上述特定频率称为石英晶片的固有频率或谐振频率。率。 n石英揩振器在电路图中的符号如图石英揩振器在电路图中的符号如图9.40(a)所示，所示，中间是石英晶片

15、，两边是两块金属夹板及相应引中间是石英晶片，两边是两块金属夹板及相应引出线。它的压电现象可以用图出线。它的压电现象可以用图9.40(b)所示等效电所示等效电路来模拟。路来模拟。BABCoLCR(a) 符号符号(b) 等效电路等效电路图图9.40 石英振荡器石英振荡器An当晶片不振动时，相当于一个平板电容当晶片不振动时，相当于一个平板电容Co；当晶；当晶片振动时，有一个机械振动的惯性，用电感片振动时，有一个机械振动的惯性，用电感L来等来等效；而晶片的弹性一般以电容效；而晶片的弹性一般以电容C来等效；晶片振动来等效；晶片振动时的内部摩擦损耗则用时的内部摩擦损耗则用R来等效。来等效。n电路中电路中L

16、、C、R和和Co等参数决定于晶片的几何尺等参数决定于晶片的几何尺寸和切割方式，电路的谐振频率为谐振器的固有寸和切割方式，电路的谐振频率为谐振器的固有频率。频率。 n由于等效电路的参数只决定于晶体的几何尺寸，由于等效电路的参数只决定于晶体的几何尺寸，所以是十分稳定的，因此电路的谐振频率也十分所以是十分稳定的，因此电路的谐振频率也十分稳定。稳定。 f = f s 时：（时：（X = 0） 石英晶体呈阻性石英晶体呈阻性f f s 或或 f f p 时：时： 石英晶体呈容性石英晶体呈容性f s f f p 时：时： 石英晶体呈感性石英晶体呈感性 根据等效电路可画根据等效电路可画出石英晶体的电抗频率出石

17、英晶体的电抗频率特性曲线。特性曲线。2.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路n石英晶体振荡电路可以归结石英晶体振荡电路可以归结为两类，一类称为并联式，一为两类，一类称为并联式，一类称为串联式。类称为串联式。 fs为石英谐振为石英谐振器的串联谐振频率，称器的串联谐振频率，称fp为石为石英谐振器的并联谐振频率。英谐振器的并联谐振频率。n并联式：石英晶体的阻抗呈并联式：石英晶体的阻抗呈电感性，与外接电容器构成并电感性，与外接电容器构成并联谐振，振荡频率在联谐振，振荡频率在fs和和fp之之间间 。n串联式石英晶体发生串联谐串联式石英晶体发生串联谐振，它呈纯阻性，振荡频率就振，它呈纯阻性，振荡频率就等于等于fs。 n由由C1、C2和石英晶体构成和石英晶体构成并联谐振电路，这时石英晶并联谐振电路，这时石英晶体相当于电感，谐振频率必体相当于电感，谐振频率必然处于石英谐振器的然处于石英谐振器的fs和和fp之间之间 。n由于由于C1Cs，C2Cs，所，所以振荡频率主要取决于石英以振荡频率主要取决于石英晶体与晶体与Cs的