浙江大学模拟电路2篇6章正弦波发生电路(新)

1、第六章第六章 正弦波发生电路正弦波发生电路2.6.1 产生正弦振荡的条件产生正弦振荡的条件在在负反馈放大电路负反馈放大电路中，由于中，由于附加相移的存在，在附加相移的存在，在通带以通带以外外若形成正反馈，则可能引若形成正反馈，则可能引起自激振荡。起自激振荡。在在正弦振荡电路正弦振荡电路中，为得到中，为得到频率频率一定一定、且、且幅值稳定幅值稳定的正弦波振荡，的正弦波振荡，在在通带内通带内就要引入正反馈。就要引入正反馈。产生产生稳定振荡的条件稳定振荡的条件:0.sX+iX.oX.fX.A.F-+自激振荡的条件自激振荡的条件:1.FA即即.fiXX1.FA两者其实是一致的，都是要求反馈信号能作为输

2、入信号。两者其实是一致的，都是要求反馈信号能作为输入信号。.fiXX .FAXXif因为因为所以所以1.FA波形发生电路所产生的自激振荡与负反馈放大电路所产生的自波形发生电路所产生的自激振荡与负反馈放大电路所产生的自激振荡有什么不同？激振荡有什么不同？这是两种不同接法下，对振荡条件的不同表示形式，其实质都这是两种不同接法下，对振荡条件的不同表示形式，其实质都是要求净输入信号环绕一周后所得的信号应与是要求净输入信号环绕一周后所得的信号应与 完全相同，即完全相同，即不仅相位相同，幅值也相等。不仅相位相同，幅值也相等。负反馈放大电路要求在通带内接成负反馈，负反馈放大电路要求在通带内接成负反馈， ，但

3、在，但在通带外，由于附加相移的存在，就可能转换为正反馈，对满通带外，由于附加相移的存在，就可能转换为正反馈，对满足足 ， 条件的频率点将产生自激振荡。条件的频率点将产生自激振荡。 fsiXXX.1.FA 180AF在自激时，在自激时， ，所以要求，所以要求 ，从而得出产，从而得出产生自激振荡的条件为生自激振荡的条件为 （ ），用于强调负），用于强调负反馈转变为正反馈并发生自激振荡的条件。反馈转变为正反馈并发生自激振荡的条件。0.sX.iifXFAXX1。FA.fiXX.iX0.sX+iX.oX.fX.A.F-+波形发生电路为了产生所要求的波形，在通带内就接成正反馈，波形发生电路为了产生所要求的

4、波形，在通带内就接成正反馈， ，为了产生自激，在为了产生自激，在 时，要求时，要求 所以自激条件为所以自激条件为 （ ）。可见这是两种不同接法下，）。可见这是两种不同接法下，对振荡条件的不同表示形式，其实质都是要求净输入信号环绕对振荡条件的不同表示形式，其实质都是要求净输入信号环绕A A和和F F电路一周后所得的信号应与电路一周后所得的信号应与 完全相同，即不仅相位相同，完全相同，即不仅相位相同，幅值也相等。幅值也相等。负反馈放大电路中的自激是要防止的，要采取措施破坏自激条件；负反馈放大电路中的自激是要防止的，要采取措施破坏自激条件；波形发生电路中的自激则是需要维持的，所以要在电路的组成上波形

5、发生电路中的自激则是需要维持的，所以要在电路的组成上和元件的选用上加以保证。和元件的选用上加以保证。 fsiXXX.0.sX.iifXFAXX1。FA.fiXX .iX接成接成正反馈正反馈是放大电路构成是放大电路构成振荡器的首要条件。同时，振荡器的首要条件。同时，为了在无输入信号下也能为了在无输入信号下也能引引起自激起自激，反馈电路的，反馈电路的环路增环路增益应大于益应大于1。1|FA 产生振荡的条件：产生振荡的条件：nFAAF2幅值条件幅值条件相位条件相位条件1.FA稳定振荡的条件：稳定振荡的条件：1|FAnFAAF2幅值条件幅值条件相位条件相位条件 采取两个措施：采取两个措施： 选频网络选

6、频网络 稳幅环节稳幅环节使环路增益随振荡幅度的增大而自动使环路增益随振荡幅度的增大而自动下降，并最终达到下降，并最终达到 （振荡平衡（振荡平衡条件）的稳定状态。条件）的稳定状态。1|FA让两个振荡条件只在某一特定频让两个振荡条件只在某一特定频率率 下满足，而在其它频率下满足，而在其它频率下至少有一个不满足。选频网络下至少有一个不满足。选频网络可以包含在基本放大器中，也可可以包含在基本放大器中，也可以设置在反馈网络中。以设置在反馈网络中。0ff 为了得到良好的正弦波形，要解决两个问题：为了得到良好的正弦波形，要解决两个问题： 产生唯一的频率产生唯一的频率 输出无非线性失真输出无非线性失真放大环节

7、放大环节为同相输入的比例运算负反馈放大电路，为同相输入的比例运算负反馈放大电路， 其中其中 为非线性元件，起稳幅作用。为非线性元件，起稳幅作用。2R121RRVVAiovRC串并联电路串并联电路构成正反馈，同时又起选频作用。构成正反馈，同时又起选频作用。2.6.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器正反馈正反馈选频网络选频网络放大环节放大环节RC正弦波振荡器正弦波振荡器 0A11111111CjCRjCjRZ22222211/CRjRCjRZ212)()(ZZZVVFof通常，通常，R1R2R C1C2C311111212)(RCjRCjRCjRCjRCjRCjRZZZF RC串并联电路的频率特性串

8、并联电路的频率特性令令 ，则，则RC1000)(31jF1Z2Z00)(31jF幅频特性表达式：幅频特性表达式：相频特性表达式：相频特性表达式：2002)(31|F3arctan00)(F可以画出频率特性：可以画出频率特性：当当 01/RC时，时， , ，满足自激振荡的相位条，满足自激振荡的相位条件。所以只有在此时才能产生单一频率的振荡。件。所以只有在此时才能产生单一频率的振荡。当当 0时，时，正反馈最强正反馈最强，所以只有当放大环节所以只有当放大环节Af3时才能满足振荡的幅度条件。时才能满足振荡的幅度条件。RCf2103/1|)(F令令 ，则，则RC103/1)(F 0F1|FA而而Af33

9、112121.RRRRRAf122RR 自动稳幅自动稳幅当当Af3时，电路就能起振。但一时，电路就能起振。但一旦起振后。输出幅度将不断增大，旦起振后。输出幅度将不断增大，并最终出现严重的失真。因此需要并最终出现严重的失真。因此需要在放大器的负反馈支路中引入非线在放大器的负反馈支路中引入非线性元件。性元件。 二极管二极管 场效应管场效应管 热敏电阻热敏电阻当输出幅度增大时当输出幅度增大时流过二极管的电流增大流过二极管的电流增大 二极管的等效电阻减小二极管的等效电阻减小 使使 减小减小, ,进入稳定振进入稳定振荡。荡。3112121.RRRRRAf起振时起振时.fA热敏电阻热敏电阻1R2R采用正温

10、度系数的热敏电阻采用正温度系数的热敏电阻采用负温度系数的热敏电阻采用负温度系数的热敏电阻12121.1RRRRRAfRC振荡器中，因振荡器中，因R的阻值和的阻值和C的电容量均不能的电容量均不能取得很小，所以一般仅用来产生取得很小，所以一般仅用来产生1Hz1MHz的的低频信号，常用作低频信号，常用作低频信号源低频信号源。判断一个电路能否产生正弦波振荡判断一个电路能否产生正弦波振荡应先从反馈信号引入的端点入手，采用瞬时极性法判断电路应先从反馈信号引入的端点入手，采用瞬时极性法判断电路在通带内是否满足相位条件。然后检查放大电路的直流通路在通带内是否满足相位条件。然后检查放大电路的直流通路和交流通路是

11、否合理，是否具有一定的放大能力，和交流通路是否合理，是否具有一定的放大能力，在在 时是否满足正弦波振荡的幅值条件。时是否满足正弦波振荡的幅值条件。0ff +VCCRbRcRCCRReCb判断图判断图a电路能否产生正弦波振荡电路能否产生正弦波振荡aRbRcRCCRReCbb（-）（-）RbRcRCCRReCbe（+）（+）bc先看交流通路，判断电路在通带内是否满足相位条件。交流通路先看交流通路，判断电路在通带内是否满足相位条件。交流通路时耦合电容时耦合电容Cb短接。先找到反馈信号引入点短接。先找到反馈信号引入点b，切断反馈信号引，切断反馈信号引入端，入端，外加一个瞬时极性为外加一个瞬时极性为的输

12、入信号的输入信号，因为是，因为是共射极接法，共射极接法，所以集电极输出的相位为（所以集电极输出的相位为（- -），），在在 时时反馈信号瞬时极性也为（反馈信号瞬时极性也为（- -），可见反馈信号从相），可见反馈信号从相位上不能满足输入信号的要求，相位条件不满足。所以不能产生位上不能满足输入信号的要求，相位条件不满足。所以不能产生正弦波振荡。正弦波振荡。要使电路能满足振荡的相位条件，可以将反馈信号改接至要使电路能满足振荡的相位条件，可以将反馈信号改接至e点，点，由瞬时极性法判断此时满足相位条件，再看放大电路的直流通路由瞬时极性法判断此时满足相位条件，再看放大电路的直流通路和交流通路都合理。因为和

13、交流通路都合理。因为RC串并联电路的正反馈系数是串并联电路的正反馈系数是1/3，调，调节放大电路的增益大于节放大电路的增益大于3即可起振。即可起振。0ff +VCCRbRcRCCRReCbb（-）（-）+VCCRbRcRCCRReCbe（+）（+）2.6.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器LC正弦波振荡器的选频网络是正弦波振荡器的选频网络是LC谐振回路。谐振回路。w 由于电感的数值较小，其振荡频率较高（几百由于电感的数值较小，其振荡频率较高（几百KHz以上），常用作以上），常用作高频信号源高频信号源。w 由于振荡频率高，要求放大环节具有较高的上限频由于振荡频率高，要求放大环节具有较高的上限频率，

14、所以率，所以LC振荡器常由分立元件构成。振荡器常由分立元件构成。形式：形式：w 变压器反馈式变压器反馈式w 电感三点式电感三点式w 电容三点式电容三点式 LC并联谐振回路的频率特性并联谐振回路的频率特性LjRCjLjRCjLjRCjZ1)(1/1R为回路的总损耗电阻为回路的总损耗电阻并联回路一般由电流源激励并联回路一般由电流源激励当当 时产生谐振，所以时产生谐振，所以CL001LCf210谐振时的阻抗最大：谐振时的阻抗最大：CLQCQLQRCLZ00max0Q称为称为品质因数品质因数CRRLCLRQ0011Q越大，选频特性越好。越大，选频特性越好。LR通常有通常有 CLjRCLZ1/Q值大 C

15、QIZIVO0.max0./|.0.IQVCIOO|.IIO谐振时谐振时 通常通常Q1,Q1,所以所以 ，可见谐振时，可见谐振时,LC,LC并联回路的电流并联回路的电流 比输入电流比输入电流 大得多，即大得多，即 的影响可忽略。的影响可忽略。+ -.OV|.OI|.I|.I一、变压器反馈式一、变压器反馈式LC正弦振荡器正弦振荡器变压器反馈式变压器反馈式LC振荡器增振荡器增益条件非常容易满足，主益条件非常容易满足，主要是判断相位条件是否为要是判断相位条件是否为正反馈即可。正反馈即可。在分析在分析LCLC振荡电路时，要注意掌握好以下几点：振荡电路时，要注意掌握好以下几点：（1 1） 在分析自激振荡

16、条件时，可先画出振荡电路的交流在分析自激振荡条件时，可先画出振荡电路的交流通路。此时，电源通路。此时，电源 、耦合电容和旁路电容应作短路处理，、耦合电容和旁路电容应作短路处理，但谐振电容不能短接，它在数值上一般也远小于耦合电容和但谐振电容不能短接，它在数值上一般也远小于耦合电容和旁路电容。由于它和旁路电容。由于它和L L发生谐振，才使谐振回路呈现电阻性。发生谐振，才使谐振回路呈现电阻性。当分析相位平衡条件时，由于振荡器无外加输入信号，所以当分析相位平衡条件时，由于振荡器无外加输入信号，所以应将与反馈信号相连的输入端视作外加信号注入端，然后再应将与反馈信号相连的输入端视作外加信号注入端，然后再依

17、次分析输出信号、反馈信号的相位。为满足自激振荡条件，依次分析输出信号、反馈信号的相位。为满足自激振荡条件，反馈信号的瞬时极性必须与注入端信号一致，为此，需调整反馈信号的瞬时极性必须与注入端信号一致，为此，需调整变压器同名端位置或反馈信号注入点的位置。变压器同名端位置或反馈信号注入点的位置。（2 2） 晶体管的直流偏置处于放大态是振荡器工作的基础。晶体管的直流偏置处于放大态是振荡器工作的基础。为分析直流工作条件，宜将电路画成直流通路分析，此时，为分析直流工作条件，宜将电路画成直流通路分析，此时，所有电容可视作开路，电感视作短路。所有电容可视作开路，电感视作短路。CCV二、三点式二、三点式LC正弦

18、振荡器正弦振荡器图中略去直流偏置图中略去直流偏置Z1、Z2和和Z3分别为组成谐分别为组成谐振回路的三个电抗元件振回路的三个电抗元件可以证明：当可以证明：当Z1、Z2同为电感同为电感(电容电容)，Z3为为电容电容(电感电感)时，电路满足产生自激振荡的时，电路满足产生自激振荡的相位条件。相位条件。bebcecZIVZIV.由上两式得：由上两式得：cebecbZZVV.可见，只有可见，只有 、 的电抗性质相同时，的电抗性质相同时， 和和 的极性的极性才会相反。才会相反。beZceZ.cV.bV 电感三点式电感三点式CLLLCf)(2121210电感三点式振荡器的优点是电路电感三点式振荡器的优点是电路

19、容易起振容易起振，缺点，缺点是是波形不太好波形不太好。也称也称 Hartley振荡器振荡器反馈电压取自反馈电压取自L2，类似于自，类似于自耦变压器耦变压器振荡器振荡器，满足振荡，满足振荡的相位条件。的相位条件。改画为交流通路分析相位条改画为交流通路分析相位条件，耦合电容、旁路电容短件，耦合电容、旁路电容短接，但谐振电容（小）不能接，但谐振电容（小）不能短接，和短接，和L产生谐振，才使谐产生谐振，才使谐振回路呈电阻性。振回路呈电阻性。改画为直流通路分析直流工改画为直流通路分析直流工作条件。作条件。Rb2Rb1RcL1L2CRb2Rb1VCC谐振时，回路电流远比外电路电流大，谐振时，回路电流远比外

20、电路电流大，1 1、3 3两端近似呈现纯两端近似呈现纯电阻特性。可推出：电阻特性。可推出：当选取中间抽头（当选取中间抽头（2 2）为参考电位（交流）为参考电位（交流地电位）时，首（地电位）时，首（1 1）尾（）尾（3 3）两端的电位极性相反；当选取）两端的电位极性相反；当选取一端（一端（3 3）为参考电位（交流地电位）时，另一端（）为参考电位（交流地电位）时，另一端（1 1）和中）和中间抽头（间抽头（2 2）的电位极性相同。）的电位极性相同。看一下电路中电容看一下电路中电容Cb和和Cc的作用的作用 电容三点式电容三点式212102121CCCCLLCf电容三点式振荡器的优点是电容三点式振荡器的

21、优点是波形较好波形较好（因电容（因电容C2滤去高次谐波），缺点是电路滤去高次谐波），缺点是电路不易起振不易起振。也称也称 Colpitts振荡器振荡器反馈电压取自反馈电压取自C2，满足振，满足振荡的相位条件。荡的相位条件。【例】【例】 分析图中分析图中LCLC三点式振荡器的振荡工作条件。三点式振荡器的振荡工作条件。（a）为电感三点式振荡电路，三极管接成共基电）为电感三点式振荡电路，三极管接成共基电路形式。路形式。 （b）为电容三点式振荡电路，三极管接成共射电）为电容三点式振荡电路，三极管接成共射电路形式。路形式。 （a）（b）石英晶体是利用石英晶体是利用SiO2结晶体的压电效应制成的一种结晶体

22、的压电效应制成的一种谐振器件。谐振器件。2.6.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器外形外形结构结构等效电路等效电路电路符号电路符号w 石英晶体特性：石英晶体特性：在石英晶体的两电极之间加一电场，晶片会产生机在石英晶体的两电极之间加一电场，晶片会产生机械变形；反之，在晶体两侧加机械压力时，则在晶械变形；反之，在晶体两侧加机械压力时，则在晶体内部垂直方向上产生电场。体内部垂直方向上产生电场。w 压电效应：压电效应：在石英晶体的两电极之间加在石英晶体的两电极之间加交变电压交变电压，晶片将产生，晶片将产生机械振动；同时，振动又会产生交变电场。称为石机械振动；同时，振动又会产生交变电场。称为石英晶体的压电效应。英晶体的压电效应。w 压电谐振：压电谐振：当石英晶体所加交变电压的频率为一特定频率时，当石英晶体所加交变电压的频率为一特定频率时，其振动幅度和电场幅度明显增大，称为压电谐振其振动幅度和电场幅度明显增大，称为压电谐振（与（与LC谐振回路相似）。谐振频率