第5章 振荡电路

1、第第5 5章章 振荡电路振荡电路1、正弦波自激振荡的基本原理、正弦波自激振荡的基本原理2、RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路3、LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路4、石英晶体振荡器、石英晶体振荡器5、非正弦波发生电路、非正弦波发生电路第一节第一节 RC正弦波振荡器正弦波振荡器一、一、自激振荡的基本原理自激振荡的基本原理二、二、 RC串并联选频电路串并联选频电路三、三、文氏桥式文氏桥式RC振荡器振荡器要求：无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。要求：无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。 与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电

2、路中引入的是正反馈正反馈，且，且振荡频率可控振荡频率可控。在各种频率都有的电扰动下，对于某一特定频率在各种频率都有的电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：的信号形成正反馈：oioXXX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，最终达到动态平衡动态平衡，稳定在一定的幅值。稳定在一定的幅值。一一. . 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理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。正弦波激振荡正弦波激振荡平衡条件平衡条件offidXFX ,XXoidoXAFXAX 1、正弦波自激振荡、正弦波自激振荡条件条件1F

3、A得：得：基本放大基本放大电路电路 A反馈电路反馈电路FidXoXfX1)()( FA 振幅平衡条件振幅平衡条件n2)()(FA相位平衡条件相位平衡条件稳幅电路：当输出信号幅值增加到一定程度时，使稳幅电路：当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从振幅平衡条件从AF1 回到回到AF= 1相位条件相位条件意味着振荡电路必须是意味着振荡电路必须是正反馈正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。若若A()F() = 1，称为等幅振荡；，称为等幅振荡；若若A()F() 1，则称为增幅振荡；，则称为增幅振荡； 要获得正弦自激振荡，反馈回路中必须

4、有选频电路。要获得正弦自激振荡，反馈回路中必须有选频电路。起振与稳幅：起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅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直至稳幅。值由小逐渐增大直至稳幅。幅值很小幅值很小频率丰富频率丰富频率趋于频率趋于单一幅值单一幅值逐渐增大逐渐增大逐渐变为逐渐变为单一频率的单一频率的稳幅振荡稳幅振荡振荡的建立和稳定振荡的建立和稳定 振荡电路是一个闭合的正反馈系统，正反馈使整个振荡电路是一个闭合的正反馈系统，正反馈使整个电路的信号振幅不断增长，而放大器的非线性则使信号电路的信号振幅不断增长，而放大器的非线性则使信号振幅减小，信号最

5、后达到一个相对稳定的幅度，从而形振幅减小，信号最后达到一个相对稳定的幅度，从而形成一定幅度的稳定振荡。成一定幅度的稳定振荡。起振起振稳幅稳幅起振条件：起振条件：2. 起振和稳幅起振和稳幅1)()( FA问题问题1：如何起振？如何起振？Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，UB是要求输出的是要求输出的幅度。起振时幅度。起振时Uo= 0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=UB。放大电路中存在内部噪声即瞬态扰动，这些扰动可放大电路中存在内部噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。分量。满足满足|AF|1，即可起振。，即

6、可起振。选频网络：选频网络： 把把满足相位平衡条件的某一频率满足相位平衡条件的某一频率 fo分量分量的噪声信的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。号被放大，成为振荡电路的输出信号。问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若 |AF| 仍大于仍大于1，则输出将会饱和失真。，则输出将会饱和失真。稳幅电路：当输出信号幅值增加到一定程度时，使稳幅电路：当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从振幅平衡条件从 AF 1 回到回到 AF = 1 振荡电路是一个闭合的正反馈系统，正反馈使整个电路振荡电路是一个闭合的正反馈

7、系统，正反馈使整个电路的信号振幅不断增长，的信号振幅不断增长，而放大器的非线性则使信号振幅减小而放大器的非线性则使信号振幅减小，信号最后达到一个相对稳定的幅度，从而形成一定幅度的，信号最后达到一个相对稳定的幅度，从而形成一定幅度的稳定振荡稳定振荡。3. 3. 正弦波振荡电路基本组成部分正弦波振荡电路基本组成部分1) 放大电路：放大作用放大电路：放大作用2) 正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件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）：稳幅常合二为一常合二为一4. 4. 分类分类常用选

8、频网络所用元件分类。常用选频网络所用元件分类。1) RC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：1兆赫兆赫以下以下2) LC正弦波振荡电路：几百正弦波振荡电路：几百千赫千赫几百几百兆赫兆赫3) 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串并联选频网络低频段低频段高频段高频段在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频率f0，F0。C 210Rf 谐振频率为谐振频率为UiU0UiU0UiU0Uo.Uf.I.U0UiUo.Uf.I.U0Ui900 0Ff，Uf0900 Ff，Uf0在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频

9、率f0，F0。900 0Ff，Uf0900 Ff，Uf0R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：R1C1R2C2uiuo111j1CRZ22222222j1j1j1CRRCRCRZ ) 1 ( j31RCRCFRC串并联选频网络的串并联选频网络的电压传输系数电压传输系数F当当 =1/RC 时，不但时，不但=0，且，且 最大，为最大，为1/3。FCRCRCRUUF j1 j1 j1ofUiU0UiU0RCf21RC1f200三、文氏桥式三、文氏桥式RC振荡器振荡器BARC 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）将将RC选频电路选频电路 接入接入

10、同相比例运算同相比例运算电路。电路。1f2RR Foi1(1)RuuR当当 f=f0时，时，=0，且且F最大，为最大，为1/3。Ui=UpUi=Up文氏桥振荡器文氏桥振荡器 以以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络串并联网络为选频网络和正反馈网络、并、并引入同相引入同相比例运算放大器比例运算放大器，两个网络构成桥路。，两个网络构成桥路。一对顶点作为接地及输出电压，一对顶点作为接地及输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。改进型：频率可调的文氏桥振荡器改进型：频率可调的文氏桥振荡器 改变电容以粗调，改变电改变电容以粗调

11、，改变电位器滑动端以微调。位器滑动端以微调。电位器电位器三、三、LC LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1 1. LC. LC并联并联网络的选频特性网络的选频特性 理想理想LC并联网络并联网络在谐振时呈纯阻性在谐振时呈纯阻性,且电且电阻达到最大阻达到最大。LCf 210谐振频率为谐振频率为选频放大电路LCff 210谐振频率为谐振频率为构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器反馈式、电感反馈变压器反馈式、电感反馈式式、电容反馈电容反馈式式。 理想理想LC并联网络并联网络在谐振在谐振时呈纯阻性时呈纯阻性,且电阻达到最且电阻达到最大大。2 2. . 变压器反

12、馈式变压器反馈式电路电路)(0iffUfU特点：特点： 易振，波形较好；易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。必须有合适的同必须有合适的同名名端！端！LCLC选频网络的选频网络的振荡频率振荡频率: :LCf210适用于频率约为几十适用于频率约为几十kHz到几到几MHz的情况。的情况。 二、电感二、电感反馈式反馈式振荡器振荡器反馈信号反馈信号uf 来自线圈来自线圈L2上的电压，故称为电感反馈式振荡器上的电压，故称为电感反馈式振荡器。 LCLC并联谐振回路的电感线圈的三个端点分别与三极管的三个电极相连，所并联谐振回路的电感线圈的三个端点分别与三极管

13、的三个电极相连，所以又称为电感三点式振荡器。以又称为电感三点式振荡器。电感电感反馈式反馈式振荡器工作原理振荡器工作原理)(0iffU振荡频率振荡频率: :CMLLf)2(21210式中式中 M 是线圈是线圈 L1和和 L2之间的互感系数。之间的互感系数。该电路振荡频率中该电路振荡频率中等，一般可达到几等，一般可达到几十十MHz。 特点：耦合紧密，易振，振幅大，特点：耦合紧密，易振，振幅大，C 用可调电容用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。波形较差，常含有高次谐波。反馈信号反馈信号uf来自电容来自电容C2 的电压，故称为电容反馈式振荡器。的电压

14、，故称为电容反馈式振荡器。 LC并联谐振回路的电容的三个端点分别与三极管的三个电极相连，所以并联谐振回路的电容的三个端点分别与三极管的三个电极相连，所以又又称为电容三点式振荡器。称为电容三点式振荡器。三、电容反馈式振荡器三、电容反馈式振荡器电容反馈式（电容三点式）电路电容反馈式（电容三点式）电路工作原理工作原理iUfU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。)(2121210CCCCLfLCfCCCC21 021，则且若与放大电路参数无关与放大电路参数无关这种电路振荡频率较高，一般这种电路振荡频率较高，一般可达到可达到1001

15、00MHz以上。以上。 石英晶体谐振器的结构示意图及符号石英晶体谐振器的结构示意图及符号四、石英晶体振荡器四、石英晶体振荡器 1 1、石英晶体的基本特性、石英晶体的基本特性正效应：正效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形。机械变形。压电谐振：压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。频率时，振幅突然增加。石英晶体最基本的特性是具有石英晶体最基本的特性是具有压电效应。压电效应。逆效应：逆效应：若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。向

16、上会产生一定的电场。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。压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系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。容性容性感性感性2 2、石英晶体的特点石英晶体的特点3 3、并联型石英晶体振荡电路工作原理、并联型石英晶体振荡电路工作原理iU振荡频率：振荡频率：s021fLCf 这时石英晶体起电感的作用这时石英晶体起电感的作用4、串联型晶体振荡器工作原理、串联型晶体振荡器工作原理石英晶体连接在石英晶体连接在共基放大器共基放大器T1的射极与的射极与T2的射极跟随器的射的射

17、极跟随器的射极之间极之间作为正反馈电路作为正反馈电路，工作在串联谐振状态，其振荡频率，工作在串联谐振状态，其振荡频率为为 f1，此时晶体振荡器表现为电阻性。，此时晶体振荡器表现为电阻性。振荡频率：振荡频率：五、非正弦波发生电路五、非正弦波发生电路1、常见的非正弦波、常见的非正弦波2、矩形波发生电路、矩形波发生电路3、三角波发生电路、三角波发生电路4、锯齿波发生电路、锯齿波发生电路（1 1）常见的非正弦波）常见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。尖顶波尖顶波（2）矩形波发生电路）矩形波发生电路

18、输出无稳态，只有两个暂态输出无稳态，只有两个暂态；若输出为高电平时定义为；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。1. 1. 基本组成部分基本组成部分 （1）输出电路）输出电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。即两个暂态；故采用电压比较器。 （2）反馈网络）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。转成另一暂态的条件，故应引入反馈。 （3）延迟环节）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采：要使

19、两个暂态均维持一定的时间，故采用用RC环节环节实现实现，从而决定振荡频率，从而决定振荡频率 。2. 2. 电路组成电路组成Z211TURRRU正向充电：正向充电： uO（+UZ）R3C地地反向充电：反向充电： 地地C R3 uO（UZ）RC 回路回路ZU滞回比较器滞回比较器ZU3. 3. 工作原理工作原理：分析方法分析方法初次合闸通电时电容上电压为初次合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：上升，则产生正反馈过程：uO uP uO ，直至直至 uOUZ， uP+UT，为为第一暂态。第一暂态。第一暂态第一暂态：uOUZ， uP+UT。Z211TURRRU电容正向充电，电容正向充电，t uN，当当uN +UT时，再时，再继续继续增大，增大， uN大于大于uP ，uO从从+ UZ跃变为跃变为UZ， uPUT，电路进入电路进入第二暂态第二暂态。电容反向充电，电容反向充电，t uN，当当uN UT时，再时，再继续继续减小，减小， uN小于小于uP ，uO从从 UZ跃变为跃变为+UZ， uP+UT，电路电路返回第一暂态返回第一暂态。第一暂态第一暂态：u