模拟电子技术基础第九讲 正弦波信号产生电路

1、2021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础 9.1 正弦波振荡器的振荡条件 9.2 RC正弦波振荡器 9.3 LC正弦波振荡器 9.4 非正弦波振荡器基本要求: 1 掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅度平衡条件 2 理解RC串并联式正弦波振荡电路、LC振荡器的工作原理 3 掌握RC和LC振荡电路能否自激的判别及振荡频率的计算 9 正弦波信号产生电路1 / 45正弦波振荡电路没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路组成：放大电路正反馈网络选频网络稳幅环节 9.1 正弦波振荡器的振荡条件2 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2021/9/12电子技术

2、基础精品课程模拟电子技术基础1 振荡条件 正反馈框图如图示。（注意与负反馈方框图的差别）若环路增益则去掉仍有稳定的输出又所以振荡条件为振幅平衡条件相位平衡条件更关键3 / 45电子技术基础精品课程模拟电子技术基础1 振荡条件振幅平衡条件 相位平衡条件思考？ 与自激振荡条件有何异同？常据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断电路可否振荡。振荡条件自激振荡幅值条件 自激振荡条件自激振荡相位条件pwjwj)12()()(fa+=+n4 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础要使电路自行振荡，需满足起振条件思考？ 振荡电路是单口网

3、络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路的电磁波干扰振幅平衡条件相位平衡条件是平衡条件，电路处于稳态振荡 2 起振条件5 / 45频率成分丰富的随机噪声信号中恰好有0=2f0，使起振条件得以满足（选频网络），产生增幅振荡，自激在幅值不断增大的输出信号发生失真之前，要采取措施加以限制（限幅、稳幅），增幅振荡等幅振荡起振稳幅 3 起振与稳幅6 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础电子技术基础精品课程模拟电子技术基础(2)反馈网络（构成正反馈的）(3)选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。）(4)稳幅环节（电路易于起振并逐步稳幅振荡

4、，使波形失真小）(1)放大电路（包括负反馈放大电路）4 正弦波振荡电路的基本组成常用的选频网络有RC选频（1兆以下低频信号）和LC选频（1兆以上高频信号）7 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础 9.2 RC正弦波振荡器1. 电路原理图2. RC串并联选频网络的选频特性3. 振荡的建立与稳定4. 振荡频率与振荡波形5. 稳幅措施8 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础反馈网络兼做选频网络,为正反馈。Z1、Z2、R1、Rf构成一个四臂电桥放大电路Av为电压串联负反馈，具有Ri高，Ro低的特点

5、Av为同相比例运算电路1. 电路原理图9 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2. RC串并联选频网络的选频特性反馈系数幅频响应又且令则相频响应10 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础当幅频响应有最大值相频响应11 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础此时若放大电路的电压增益为用瞬时极性法判断可知，则振荡电路满足振幅平衡条件当时，(+)(+)(+)(+)Av3. 振荡的建立与稳定电路满足相位平衡条件12 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础电路满足相位平衡条件因时，(+)(+)(+)(+)

6、Av 所以，振荡频率为 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波4. 振荡频率与振荡波形 若适当调整负反馈的强弱，使Av的值在起振时略大于3，达到稳幅时Av=3，则，输出频率为 的正弦波。 13 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础5. 稳幅措施 采用非线性元件自动调整反馈的强弱从而稳幅。(1)热敏元件热敏电阻起振时，即负温度系数热敏电阻的作用稳幅思考？ 可否采用正温度系数的热敏电阻？应怎样连接？14 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础采用非线性元件(2)工作在可变电阻区的场效应管(JFET)稳幅原理稳幅整流滤波T 压控

7、电阻一般只要调节RP3、RP415 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础采用非线性元件(3)正反并联二极管输出电压的幅值：当vo很小，D1、D2截止起振当vo较大，D1、D2之一导通，R3变小，且vo增大RD减小，直至Vom，Av趋于3当Av3时16 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础T2例如文氏桥典型电路+-+17 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础+VccCeCRe1RC2Rb1T1RC1Re2RT2RC例9-1：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡+-+-不满足相位平衡条件，不能振荡18 /

8、 45作业P312 9.2.1 9.2.2 9.2.4 9.2.519 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础 9.3 LC正弦波振荡器9.3.1 LC选频放大电路9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路9.3.3 三点式LC振荡电路20 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础等效损耗电阻一般有则当 时，电路谐振。为谐振频率谐振时阻抗最大，且为纯阻性，容抗等于感抗，其中为品质因数(几十几百)同时有即1. 并联谐振回路9.3.1 LC选频放大电路 9.3 LC正弦波振荡器21 / 452021/9/

9、12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础当Z仅局限于0附近时，近似有=0, -0=相对失谐量偏离0的程度Z0为谐振阻抗感性容性22 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础1. 电路结构2. 相位平衡条件3. 幅值平衡条件4. 稳幅5. 选频 通过选择高值/gm和R的BJT、FET和调整变压器的匝数比，可以满足 ,电路可以起振。 BJT/FET进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。 虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0= 的正弦波信号。即振荡频率为9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路VDDdsTggCgR23

10、/ 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈24 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础仍然由LC并联谐振电路构成选频网络A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。1. 三点式LC并联电路电容三点式电感三点式 中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系B. 若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。适当选取L2/L1可起振对高次谐波阻抗大，输出谐波分量大，波形不理想适当选取C2/C1可起振对高次谐波阻抗小，输出波形好9.3.3 LC三点式振荡电路

11、25 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2. 电感三点式振荡电路振荡频率:中间点交流接地，首端与尾端相位相反26 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础3. 电容三点式振荡电路谐振频率27 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础例9-2：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡?若能，写出振荡频率表达式谐振频率+-+28 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础满足相位平衡条件满足相位平衡条件+29 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础例：根据相位平衡条件，利

12、用瞬时极性法判断以下电路能否振荡满足相位平衡条件满足相位平衡条件30 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础（1）检查电路是否具备正弦波振荡器的基本组成部分，即基本放大器和反馈网络，并且有选频环节。（2）检查放大器的偏置电路，看静态工作点是否能确保放大器正常工作。（3）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和相位平衡条件(主要看是否满足相位平衡条件，即用瞬时极性法判别是否存在正反馈) 。 分析三种LC正弦波振荡电路能否正常工作的步骤可归纳如下：31 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础+VCCC2C1ReRb2Rb1CeCbLT例9-3：根据相位平衡条

13、件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡不满足相位平衡条件+-32 / 459.4 石英晶体振荡电路33 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。1. 频率稳定问题频率稳定度一般由 来衡量频率偏移量。振荡频率。LC振荡电路 Q =数百石英晶体振荡电路 Q =10000 50000034 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2. 石英晶体的基本特性与等效电路结构：极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应：交变电压机械振动交变电压机械振动的固有频

14、率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大压电谐振35 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础L机械振荡的惯性10102mH C晶片的弹性10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗 102 2. 石英晶体的基本特性与等效电路等效电路A. 串联谐振特性:2个谐振频率 晶体等效阻抗为纯阻性B. 并联谐振通常所以当f高于fs，R、L、C支路呈感性，与Co并联谐振R、L、C支路串联谐振C0静态电容(两极板之间的电容，几PF几十PF)36 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础2. 石英晶体的基本特性与等效电路实际使用时外

15、接一小电容Cs则新的谐振频率(标称频率)为由于由此看出调整37 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础3. 石英晶体振荡电路(1)并联晶体振荡电路工作在并联谐振状态，晶振作为电容三点式LC选频网络中的一个元件（代替L）。 (2)串联晶体振荡电路工作在串联谐振状态，石英晶体作为一个正反馈通路元件。(呈阻性) 38 / 452021/9/12电子技术基础精品课程模拟电子技术基础 串联型晶体振荡器 石英晶体接在T1、T2组成的两极放大器的正反馈网络中，起到选频和正反馈作用。当电路调谐到石英晶体的串联谐振频率s时，石英晶体阻抗最小(相当于短路)，电路的正反馈最强，且相移为零，满足振荡条件。而对其它频率的信号，晶体阻抗很大，正反馈很弱，电路不能起振。可见这种电路的振荡频率0是由石英晶体的串联谐振频率s所决定的，即： 0 = s而不取决于振荡回路。 由晶体电抗特性可知，当=s时，晶体相当于一个“短路”元件，