正弦波振荡电路

1、关于正弦波振荡电路第一页，共40页幻灯片一、正弦波振荡的条件和电路的组成一、正弦波振荡的条件和电路的组成1. 正弦波振荡的形成正弦波振荡的形成 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入与负反馈放大电路的振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。的是正反馈，且振荡频率可控。在电扰动下（合闸通电瞬间），对于某一特定频率在电扰动下（合闸通电瞬间），对于某一特定频率f0的信号形成的信号形成正反馈：正反馈：oioXXXofxFxofixFxxoioxFAxAx第二页，共40页幻灯片m

2、vxo1放大倍数放大倍数A=10反馈系数反馈系数F0.2放大倍数放大倍数A=2mvxFxoi2 . 0mvxFAxoo4 . 01假如假如mvxo1反馈系数反馈系数F0.2mvxFxoi2 . 0mvxFAxoo2输出会越来越小，直至衰减为零。输出会越来越小，直至衰减为零。输出会逐渐增大，产生振荡。输出会逐渐增大，产生振荡。（1）假如假如（2）mvxFAxoo16. 02mvxFAxoo42 由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。平衡，稳定在一定的幅值。第三页，共40页幻灯片2. 正弦波振荡的条件

3、正弦波振荡的条件211FAnFAFA 一旦产生稳定的振荡，则一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量自维持，即电路的输出量自维持，即ooXFAX幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件1FA起振条件：起振条件： 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，且在合闸通电时对于合闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程，即信号有从小到大直至稳幅的过程，即满足起振条件。满足起振条件。第四页，共40页幻灯片3.正弦波振荡正弦波振荡起振与稳幅起振与稳幅1FA电路如何从起振到稳幅？电路如何从起振到稳幅？oX)(ifXXooXFAAFAF稳定的振稳定的

4、振幅幅非线性环节非线性环节的必要性！的必要性！实现稳幅实现稳幅第五页，共40页幻灯片1) 放大电路：起放大作用，实现能量的控制放大电路：起放大作用，实现能量的控制2) 正反馈网络：满足相位平衡条件正反馈网络：满足相位平衡条件3) 选频网络：确定选频网络：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) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅非线性环节（稳幅环节）：稳幅4.正弦波振荡电路的正弦波振荡电路的基本组成部分基本组成部分1) 判断是否存在主要组成部分；判断是否存在主要组成部分；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，即是否有合适的Q点，信号是点，信号是 否可能正常

5、传递，没有被短路或断路；否可能正常传递，没有被短路或断路；3) 是否满足相位条件，用瞬时极性法是否存在正反馈，即是否存在是否满足相位条件，用瞬时极性法是否存在正反馈，即是否存在 f0，是否可能振荡（祥见下页），是否可能振荡（祥见下页） ；4) 是否满足幅值条件，是否满足幅值条件，即是否一定振荡。即是否一定振荡。常合二为一常合二为一5.5.分析方法分析方法211FAnFAFA1FA第六页，共40页幻灯片相位条件的判断方法：相位条件的判断方法：瞬时极性法瞬时极性法断开反馈，在断开处给放大电路加断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，且规定其且规定其极性，然后根据极性，然后根据 Ui

6、的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf的极性的极性若若Uf与与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。生自激振荡。 在多数正弦波振荡电路在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。反馈量均为电压量。 iU极性？极性？第七页，共40页幻灯片6. 分类分类根据常用选频网络所用元件分类。根据常用选频网络所用元件分类。1) RC正弦波振荡电路：几百千赫以下正弦波振荡电路：几百千赫以下2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频

7、率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定第八页，共40页幻灯片二、二、RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. RC串并联选频网络串并联选频网络(由相同的由相同的RC组成的串并联选频组成的串并联选频网络如下：网络如下：)低频段低频段高频段高频段900 0Ff，Uf900 Ff，UfUo.Uf.I.Uo.Uf.I. 在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频率f0，F0。第九页，共40页幻灯片CRCRCRUUF j1 j1 j1of ) 1 ( j31RCRCFRC串并联选频网络的频率响应串并联选频网络的频率响应(传递函数传递函数)当当 f=f0时，不但时，不但=0，且，且 最大，为最大，为1

8、/3。F)( j31 21000ffffFRCf，则令200231ffffF3arctan00ffffFRCw10幅频、相频特性幅频、相频特性第十页，共40页幻灯片RC串并联网络在串并联网络在f0处发生谐振。处发生谐振。要产生正弦波振荡，需满足起振条件：要产生正弦波振荡，需满足起振条件：1FA因为，因为，RC串并联选频网络串并联选频网络31F匹配一个电压放大倍数略大于匹配一个电压放大倍数略大于3的放大电路的放大电路iR放大器放大器+-oUoRRCRC+-ifUU放大电路的输入电阻放大电路的输入电阻Ri与与RC并联支路并联并联支路并联要求要求Ri越大越好越大越好放大电路的输出电阻放大电路的输出电

9、阻R0与与RC串联支路串联；串联支路串联； 要要求求R0越小越好越小越好第十一页，共40页幻灯片1)是否可用共射放大电路？是否可用共射放大电路？2)是否可用共集放大电路？是否可用共集放大电路？3)是否可用共基放大电路？是否可用共基放大电路？4)是否可用两级共射放大电路？是否可用两级共射放大电路？2. 电路组成电路组成( (的一般原则的一般原则) )不符合相位条件不符合相位条件不符合幅值条件不符合幅值条件输入电阻小、输出电阻输入电阻小、输出电阻大，影响大，影响f0 可引入电压串联负反馈，使电可引入电压串联负反馈，使电压放大倍数大于压放大倍数大于3，且，且Ri大、大、Ro小小，对，对f0影响小影响

10、小RC串并联正弦振荡电路对放大电路的要求：串并联正弦振荡电路对放大电路的要求：对于振荡频率对于振荡频率f0而言，必须是同相放大电路；对于振荡频率而言，必须是同相放大电路；对于振荡频率f0而言，电压而言，电压放大倍数略大于放大倍数略大于3；输入电阻尽量大；输入电阻尽量大；输出电阻尽量小；输出电阻尽量小；具有深度负反馈的具有深度负反馈的电压串联电压串联负反负反馈放大电路馈放大电路第十二页，共40页幻灯片3. RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）1）用同相比例运算电路作放大电路。）用同相比例运算电路作放大电路。 因同相比例运算电路因同相比例运算电路U0、Ui有非常

11、好的线性度，有非常好的线性度，为了稳定输出电压的幅值。故为了稳定输出电压的幅值。故R1或或Rf可用热敏电阻可用热敏电阻（一般（一般R1 选正温度系数热敏电阻，选正温度系数热敏电阻， Rf 选负温选负温度系数热敏电阻）；或加二极管作为非线性度系数热敏电阻）；或加二极管作为非线性环节。起负反馈作用。环节。起负反馈作用。文氏桥振荡器的文氏桥振荡器的特点？特点？12311RfRRfRuA第十三页，共40页幻灯片2 2）频率可调的文氏桥振荡器）频率可调的文氏桥振荡器 加稳压管可以限制输出电压的峰加稳压管可以限制输出电压的峰-峰值。峰值。同轴同轴电位器电位器RCRC串并联选频网络串并联选频网络RCf210

12、改变电阻改变电阻R R或电容或电容C C可改变振荡频率可改变振荡频率切换电容切换电容频段选择（粗调）频段选择（粗调）频率选择（微调）频率选择（微调）双联可调电位器双联可调电位器双联可调电容器双联可调电容器切换电阻切换电阻第十四页，共40页幻灯片讨论一：讨论一：合理连接电路，组成文氏桥振荡电路合理连接电路，组成文氏桥振荡电路第十五页，共40页幻灯片讨论二：讨论二：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？1）RC 移项式电路（移项式电路（P472的的8.4题）题）1) RC 移相电路有几级才可能产生正移相电路有几级才可能产生正弦波振荡？弦波振荡？2) 若若R 和和C

13、 互换呢？互换呢？解：解： 对上图，因为共射放大电路的输出与输入电压反相（对上图，因为共射放大电路的输出与输入电压反相（A=-1800），且），且C1和和R1、C2和和R2、C3和和Ri构成三记移相电路，均为构成三记移相电路，均为超前网络，故在信号频率由超前网络，故在信号频率由0到无穷大时相移为到无穷大时相移为+270000，因此存，因此存在使相移为在使相移为+1800（ F=+1800 ）的频率，即存在满足正弦波振荡相）的频率，即存在满足正弦波振荡相位条件的频率位条件的频率f0 (此时，此时， A+ F=0)；且在；且在f= f0 时有可能满足起振条时有可能满足起振条件件|AF|1，所以上图

14、由可能产生正弦波振荡。，所以上图由可能产生正弦波振荡。故故RC 移相电路有移相电路有三级才可能产生正弦波振荡。三级才可能产生正弦波振荡。第十六页，共40页幻灯片若若R 和和C 互换互换，因为共射放大电路的输出与输入电压反，因为共射放大电路的输出与输入电压反相（相（A=-1800），且），且R0和和C1、R1和和C2、R2和和C3构成三记移相构成三记移相电路，均为滞后网络，故在信号频率由电路，均为滞后网络，故在信号频率由0到无穷大时相移为到无穷大时相移为00 -2700，因此存在使相移为，因此存在使相移为-1800（ F=-1800 ）的频率，即）的频率，即存在满足正弦波振荡相位条件的频率存在满

15、足正弦波振荡相位条件的频率f0 (此时，此时， A+ F=-3600)；且在；且在f= f0 时有可能满足起振条件时有可能满足起振条件|AF|1，所以上图由可能，所以上图由可能产生正弦波振荡。产生正弦波振荡。第十七页，共40页幻灯片1 1）RCRC 移相式振荡电路移相式振荡电路8CRRfRoUCRC一节一节 RC RC 环节环节移相移相 90 二节二节 RCRC 环节环节移相移相 180180 三节三节 RC RC 环节环节移相移相 270270 RCf6210 对于对于的信号的信号， 180F 180A 0 AF 满足相位平衡条件满足相位平衡条件优点：优点：结构简单结构简单 缺点：缺点：选频

16、特性差，输出波形差选频特性差，输出波形差第十八页，共40页幻灯片经分析知，经分析知， C C2 2和和R RW W构成的反馈网络为正反馈，正反馈在放大电路的构成的反馈网络为正反馈，正反馈在放大电路的通频段内对不同频率信号的强弱相同；通频段内对不同频率信号的强弱相同；CRCCRC和和RCRRCR组成的双组成的双T T网络所网络所引起的反馈为负反馈，对不同频率信号的强弱不同。所以在谐振频引起的反馈为负反馈，对不同频率信号的强弱不同。所以在谐振频率率f f0 0下双下双T T选频网络呈纯阻性，等效电阻很大；因而电路仅可能产生频选频网络呈纯阻性，等效电阻很大；因而电路仅可能产生频率为率为f f0 0的

17、正弦波振荡。的正弦波振荡。iU2）RC 双双T选频网络选频网络解：选频网络和正反馈网络解：选频网络和正反馈网络是两个分开网络。是两个分开网络。CRCCRC和和RCRRCR组成的双组成的双T T网网络构成选频网络；络构成选频网络；C C2 2和和R RW W构成反馈网络。构成反馈网络。判断两路反馈的极性：判断两路反馈的极性：采用瞬时极性法，断开场效采用瞬时极性法，断开场效应管栅极的反馈，假如输入应管栅极的反馈，假如输入电压，并规定其对地为正，电压，并规定其对地为正，见右图所示。见右图所示。第十九页，共40页幻灯片+-AuoR2CRfRR2R1R1CwR已知：已知：R1=10K，R2=100K，R

18、f=18KR=10K，C=0.01uFkRw1 . 5试：求解试：求解（1）RW的下限值的下限值（2）振荡频率的调节范围）振荡频率的调节范围解：解：（1）根据起振条件）根据起振条件31RRRwfKRw2（2）振荡频率）振荡频率RCf210HZCRRCRf145)(212121maxmin0KHZCRCRf6 . 121211minmax0例题：例题：第二十页，共40页幻灯片或加入稳幅措施或加入稳幅措施热敏电阻稳幅热敏电阻稳幅8CR1RfRiUoUCRfU为使电为使电 Au 为非线性，起振时，应使为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后，稳幅后 Au = 3。正温度系数正温度系数负温度系数负温度

19、系数 )/1(1fuffRRART二极管稳幅二极管稳幅8R1R2oUV1V2R312.4 k R2 8.1 k 起振时信号小，起振时信号小，二极管电阻大二极管电阻大Au 1 + (R2+ R3)/R1 3R2 2R1 R3起振后二极管电阻逐渐减小，起振后二极管电阻逐渐减小，Au 1 + R2/R1 = 3为使失真小：为使失真小：R2 2R1f0 = 1.94 kHzRCf 2108.2 k 6.2 k 22 k 4.3 k 0.01 F8.2 k 0.01 F第二十一页，共40页幻灯片LCfCLRRLQ 21100 ， 理想理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性，且阻抗无穷并联网络在谐振时呈纯阻性，

20、且阻抗无穷大。大。f较小时，容抗大，网络呈感性；较小时，容抗大，网络呈感性； f较大时，感较大时，感抗大，网络呈容性。抗大，网络呈容性。LCf 210谐振频率为谐振频率为在损耗较小时，品质因数及谐振频率在损耗较小时，品质因数及谐振频率各种损耗等效各种损耗等效电阻电阻三、三、LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路类型：类型：变压器反馈式变压器反馈式 、 电感三点式、电感三点式、 电容三点式电容三点式1. LC并联并联网络的选频特性网络的选频特性 上式上式8.1.14表明，选频网络的损耗表明，选频网络的损耗R越小，在谐振频率相同时，越小，在谐振频率相同时，电容容量选的越小，电感数值选的越大，电容容量选

21、的越小，电感数值选的越大，Q品质因数越大，电路品质因数越大，电路选频特性越好。选频特性越好。第二十二页，共40页幻灯片 在在ff0时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多时，电容和电感中电流各约为多少？网络的电阻为多少？少？ 在在ff0时，电路的电抗经计算得：时，电路的电抗经计算得：Z0=R+Q2R；在；在Q1时，时， Z0= Q2RQXQXL L QXC 在在ff0时，当网络的输入电流为时，当网络的输入电流为I0时，电容和电感的电流为时，电容和电感的电流为QI0。CLII 形成形成环流环流，大小是总电流的，大小是总电流的 Q 倍倍LuCr +iiLiCICILUIIQILLQIZZII

22、LLC 000第二十三页，共40页幻灯片附加相移附加相移LC选频放大电路选频放大电路正弦波振荡电路正弦波振荡电路 当当f=f0时，电压放大倍数的数值最时，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为大，且附加相移为0。 0Z Z 0 Q 大大Q 小小幅频特性幅频特性 0 f90 90Q 增大增大相频特性相频特性beurZA .对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数对于其余频率的信号，电压放大倍数不但数值减小，而且存在附加相移。电路举由选频值减小，而且存在附加相移。电路举由选频特性。特性。若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输若在电路中引入正反馈，并能用反馈电压取代输入电压，则电路就称为正弦波振荡电

23、路。入电压，则电路就称为正弦波振荡电路。第二十四页，共40页幻灯片放大电路放大电路反馈网络反馈网络Uo 构成正弦波振荡电路最简构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器引入单的做法是通过变压器引入反馈。反馈。根据引入反馈方式的不同，根据引入反馈方式的不同，LC正弦波电路分为：变压器反馈式正弦波电路分为：变压器反馈式 、 电感三点式、电感三点式、 电容三点式电容三点式；所用放大电路视振荡频率而定，所用放大电路视振荡频率而定，可以是共射电路，也可以是共基电路。可以是共射电路，也可以是共基电路。第二十五页，共40页幻灯片2. 变压器反馈式电路（变压器反馈式电路（理解理解）)(0iffUfUC1是必要

24、的吗？隔直通交是必要的吗？隔直通交特点：特点： 易振，波形较好；耦合不紧密易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。，损耗大，频率稳定性不高。分析电路是否可能产生正弦波振分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤：荡的步骤：1) 是否存在组成部分（四部分是否存在组成部分（四部分）；）；2) 放大电路是否能正放大电路是否能正常工作；常工作；3) 是否满足相位是否满足相位条件（存在正反馈）。条件（存在正反馈）。 为使为使N1、N2耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式耦合紧密，将它们合二为一，组成电感反馈式电路。电路。必须有合适的同铭端！必须有合适的同铭端！第二十六页，共40页幻灯片3. 电

25、感反馈式电路电感反馈式电路（理解理解）反馈电压取自哪个线圈？反馈电压取自哪个线圈？N2线圈线圈反馈电压的极性？同与假定输入的电压极性，存在正反馈。反馈电压的极性？同与假定输入的电压极性，存在正反馈。)(0iffUfU必要吗？必要吗？ 电感的三个抽头分别接晶电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电体管的三个极，故称之为电感三点式电路。感三点式电路。第二十七页，共40页幻灯片3. 电感反馈式电路电感反馈式电路特点：耦合紧密，易振，振幅大特点：耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容可获得较宽用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。，常含有高次谐波。

26、减小。增大，则具有相关性；若增大与故阻就是它自身的负载，因为放大电路的输入电FANFA 1 由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次由于电感对高频信号呈现较大的电抗，故波形中含高次谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。谐波，为使振荡波形好，采用电容反馈式电路。起振条件：起振条件：之之间间的的互互感感。、为为集集电电极极总总负负载载；21/21NNMRRrMLMLLLbe 第二十八页，共40页幻灯片4. 电容反馈式（电容三点式）电路（电容反馈式（电容三点式）电路（理解理解）iUfU)(2121210CCCCLf 若要振荡频率高，则若要振荡频率高，则L、C1、C2的取值就要小。当电容减

27、小到的取值就要小。当电容减小到一定程度时，晶体管的极间电容将并联在一定程度时，晶体管的极间电容将并联在C1和和C2上，影响振荡频率上，影响振荡频率。为消除极间电容的影响，使振荡频率稳定，故在电感支路串上为消除极间电容的影响，使振荡频率稳定，故在电感支路串上小电容小电容C。LCfCCCC21 021，则且若特点：特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。C与放大电路参数无关与放大电路参数无关作用？作用？第二十九页，共40页幻灯片4 4、 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路考毕兹振荡器考毕兹振荡器( (Colpitts) )LCCCCL

28、Cf212102121 +VCCVRERB1RB2CECBLC1C2123LC3oUiUfU第三十页，共40页幻灯片优点：波形较好优点：波形较好缺点：缺点：2) V 2) V 极间电容影响极间电容影响 f f0 01) 1) 调频时易停振调频时易停振3211111CCCC 212130LCLCf C C 3 3的改进的改进第三十一页，共40页幻灯片四、石英晶体正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路1. 石英晶体的特点石英晶体的特点SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。结晶体按一定方向切割的晶片。1 1）结构）结构晶片晶片涂银层涂银层焊点焊点2 2）符号）符号3 3）压电效应）压电效应形变形变形

29、变形变机械振动机械振动第三十二页，共40页幻灯片4 4）压电谐振）压电谐振外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，机械振动幅度急剧加大的现象。加大的现象。固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。5 5）等效电路）等效电路rqC0CqLqC Co o 晶片静态电容晶片静态电容( (几几 几十几十 pF)pF)L Lq q 晶体的动态电感晶体的动态电感(10(10-3-3 10 102 2 H)H)( (大大) )r rq q 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻( (小小) )C Cq q 晶体的动态电容晶体

30、的动态电容( 0.1 pF)( 0.1 pF)( (小小) ) 1qqqCLrQ 第三十三页，共40页幻灯片容性容性感性感性阻性阻性6 6）频率特性和谐振频率）频率特性和谐振频率 21 qqSCLf f fs s是是L Lp p、C Cp p、r rp p支路产生串联谐振时的支路产生串联谐振时的频率，此时支路呈阻性。频率，此时支路呈阻性。串联谐振时，在谐振频率下，整个网络的电抗等于串联谐振时，在谐振频率下，整个网络的电抗等于r rp p并联并联C0得得容抗，因容抗，因r rp p0c0c0 0，故可近似认为石英晶体也呈阻性，等于，故可近似认为石英晶体也呈阻性，等于r rp p。当当ffs时，时， L Lp p、C Cp p、r rp p支路呈感性