正弦波振荡电路【课件】

正弦波振荡电路正弦波振荡电路1§13.1正弦波振荡电路的工作原理§13.1正弦波振荡电路的工作原理2一、振荡产生的基本原理1.什么是正弦波振荡器？无ui→有uo（正弦波）（必须要有能源Vcc）一、振荡产生的基本原理1.什么是正弦波振荡器？无ui→321+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－·iU+--·iU2.如何产生正弦波振荡？

设：Sinωt，=·iUUim接到1端,首先将开关S作用于→（开环）,→=·UiAu·Uo·UiAu∴自激振荡的条件为：=·Ui·Uf（闭环）。==Fu·Uf·Uo·UiAuFu21+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－421+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－·iU+--·iU21+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－5

=当时，再将开关S倒向2端，此时无，但不变仍为正弦波，即放大器产生了正弦波振荡。·Ui·Ui·Uf·Uo21+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－·iU+--·iU=当时，再将开关S倒向2端，此时无，但6

二、电路自激振荡的条件

1.振荡的平衡条件:（2）相位平衡条件：φa+φf=2nπ（n=0.1.2……n）即=1=UfUiAuFu∵都是复数AuFu∴=︱︱AuFuAuFu（1）振幅平衡条件：=1︱︱AuFu(∠ψa+∠ψf)=1二、电路自激振荡的条件1.振荡的平衡条件:（2）72.振荡的建立与稳定振荡的稳定:负反馈;晶体管的非线性;∴振荡的建立过程中:︱＞1；要有选频网络；︱AuFu振荡的建立：电源接通的瞬间在电路中产生阶跃电压，可作为放大器的初始输入信号。根据信号与系统理论，很窄的脉冲具有丰富的频率分量，经选频网络选频，使得只有某一频率的信号能反馈到放大器的输入端，而其它频率的信号被抑制。某一频率分量的信号经放大后，又通过反馈网络回送到输入端，且信号幅度比前一瞬时要大，再经过放大→会增大一点→反馈→放大，的幅度会越来越大，最后将使放大器进入非线性工作区，放大器的增益下降，振荡电路输出幅度越大，增益下降也越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大从而进入平衡状态。·Uo2.振荡的建立与稳定振荡的稳定:负反馈;晶体管的非线性82.振荡的建立与稳定振荡的稳定:∴振荡的建立过程中:要有选频网络;振荡的建立：电源接通的瞬间在电路中产生阶跃电压，可作为放大器的初始输入信号。根据信号与系统理论，很窄的脉冲具有丰富的频率分量，经选频网络选频，使得只有某一频率的信号能反馈到放大器的输入端，而其它频率的信号被抑制。某一频率分量的信号经放大后，又通过反馈网络回送到输入端，且信号幅度比前一瞬时要大，再经过放大→会增大一点→反馈→放大，的幅度会越来越大，最后将使放大器进入非线性工作区，放大器的增益下降，振荡电路输出幅度越大，增益下降也越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大从而进入平衡状态。·Uo︱＞1；︱AuFu负反馈;晶体管的非线性;2.振荡的建立与稳定振荡的稳定:∴振荡的建立过程中:93.正弦波振荡器的组成:放大电路+反馈网络(正),其中包括选频和稳幅环节。4.正弦波振荡器的分类(依据选频网络)RC正弦波振荡器(低)LC正弦波振荡器(高)石英晶体振荡器(fo的稳定性高)3.正弦波振荡器的组成:放大电路+反馈网络(正),其中1013.2RC正弦波振荡器13.2RC正弦波振荡器11

一、RC桥式正弦波振荡器(文氏电桥振荡器)R1Rf负反馈用于稳幅;1、RC串并联网络的选频特性

=

由集成运放担任；Au为RC串并联网络具有选频特性（正反馈）Fu+-+-RCRCZ1Z2uouf==UfUoFuZ1Z1+Z2（Z1=R+；Z2=R//

）1jωc1jωc

=Fu1ωRCωRC_(）j3+1令ωo=则=1RcFω0ω_(）j3+1ω0ω一、RC桥式正弦波振荡器(文氏电桥振荡器)R1Rf12幅频特性:=相频特性:φf=–arctg当ω=ωo=

即f=fo=则:Fu=Fumax=

φf=0

幅频特性:=相频特性:φf=–arctg当ω=13=幅频特性：相频特性：φf=–arctg当ω=ωo=

即f=fo=则：Fu=Fumax=

φf=0

=幅频特性：相频特性：φf=–arctg当ω=143振荡电路分析(1)起振条件:由自激振荡条件:及RC串并联网络的选频特性:；φa+φf=2nπ；=1︱︱AuFu要求：=3；φa=2nπ；︱︱Au∣=1/3；φf=0；︱Fu3振荡电路分析(1)起振条件:由自激振荡条件:及RC15(2)实际振荡电路:R1Rf负反馈用于稳幅;RC串联、RC并联及R1Rf构成电桥;

由集成运放担任；Au为RC串并联网络（正反馈），具有选频特性；

FuR-+Au+∞R2RR1RPV1V2CRfUoUf(2)实际振荡电路:R1Rf负反馈用于稳幅;RC串联、16a分析电路是否满足振荡条件

∴只需Au=3即可

相频条件:已知φf=0;且可分析出φa=0

∴φa+φf=0满足相频条件。

R1Rf构成电压串联负反馈

Au=1+

幅频条件：当ω=ωo时∣

∣=

FuZ2Z1CRCR2R1a分析电路是否满足振荡条件∴只需Au=3即可17其实一般情况下,只要是正反馈就一定可以满足φa+φf=2nπ

∴相频条件的判断可用瞬时极性法解决。

b振荡频率fofo=

c其它:R1、Rf构成负反馈用于稳幅;以保证输出为不失真的正弦波,其中V1、V2非线性起到了自动稳幅作用,还可将R2或Rf换成热敏电阻(R2为正温度系数;Rf为负温度系数;)。其实一般情况下,只要是正反馈就一定可以满足∴相频条件的判18试用振荡平蘅条件判断各图所示电路能否产生正弦波振荡？为什么？(Rt为正温度系数)+VCC(a)RRCC试用振荡平蘅条件判断各图所示电路能否产生+VCC(a)RRC19+VCCRRRCRC（b）+VCCRRRCRC（b）20∞-++R1RRCCRF=R1UO（C）Au∞-++R1RRCCRF=R1UO（C）Au21-VEE+VCCRRCC(d)-VEE+VCCRRCC(d)22∞-++R1RRCCRF>2R1UO（e）Au∞-++R1RRCCRF>2R1UO（e）Au23一、LC选频电路(1)LC并联谐振回路(2)等效阻抗

Z=

//(R+jωL)，

通常R«ωL,

Z=

LicR13.3LC正弦波振荡器一、LC选频电路(1)LC并联谐振回路(2)等效阻抗24(3)特点:(a)ωL=

时发生并联谐振。

谐振频率为ωo=

或fo=

(b)谐振时,Z为纯阻性且最大用Zo表示。Zo=

=QωoL=

(Q:品质因数)

(4)LC并联谐振回路的选频特性ω=ωo即f=fo时

Z=Zo最大；

（Q越大，其选择性越好）

φ=0——纯电阻

(3)特点:(a)ωL=时发生并联谐振。谐振频率为25ZQ值大Q值小ψ+90oQ值大0oQ值小-90o(3)特点:(a)ωL=

时发生并联谐振。

谐振频率为ωo=

或fo=

(b)谐振时,Z为纯阻性且最大用Zo表示。Zo=

=QωoL=

(Q:品质因数)

(4)LC并联谐振回路的选频特性ω=ωo即f=fo时

Z=Zo最大；

（Q越大，其选择性越好）

φ=0——纯电阻

ZQ值大Q值小ψ+90oQ值大0oQ值小-90o(3)特点26RLReRb2Rb1N2+_N1+_TCeC1+VCCufUi+_二、变压器反馈式LC振荡器耦合电容；C1RB1RB2RE为直流偏置电阻；LC选频网络作为放大器的集电极负载；CE：发射极旁路电容；

RLReRb2Rb1N2+_N1+_TCeC1+VCCufU27(1)电路分析:幅频条件:只要初次级间有足够的耦合度,一般都能满足。相频条件:ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻,用瞬时极性法分析反馈为正反馈,即满足φa+φf=2nπ。(2)振荡频率fo=

(1)电路分析:幅频条件:只要初次级间有足够的耦相频条件:28RLReRb2Rb1N2+_N1+_TCeC1+VCCufUi+_(1)电路分析:幅频条件:只要初次级间有足够的耦合度,一般都能满足。相频条件:ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻,用瞬时极性法分析反馈为正反馈,即满足φa+φf=2nπ。(2)振荡频率fo=

RLReRb2Rb1N2+_N1+_TCeC1+VCCufU29三、三点式LC振荡器(1)电感三点式1.L1L2为带抽头的自耦变压器；2.从下图的交流通路看,晶体管的三个电极接L的三个端点——电感三点式;3.Uf=UL2+VCCRB1RERB2L1L2CVRCCE+—三、三点式LC振荡器(1)电感三点式1.L1L2为带抽头301.电路分析:

幅平条件：β为几十，

=3~7；

=

相平条件:ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻,→正反馈;

2.振荡频率：fo=

3.特点:L1、L2耦合紧,因此容易起振。b.调节频率方便。(可调节C)

c.由于Uf取自L,∴Uf中含高次谐波多,Uo波形差。

+VCCRB1RERB2L1L2CVRCCE+—1.电路分析:幅平条件：β为几十，=3~7；=31(2)电容三点式:

从交流通道看，晶体管的三个电极接C的三个端点

——电容三点式；Uf=Uc21.电路分析(相平条件):ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻→正反馈;∴满足相平条件。振荡频率:fo=

3.特点:a.由于Uf取自C,∴Uf中含高次谐波少,Uo波形好。b.∵C1C2可以很小∴fo可以很高。

c.调节fo可使Uf改变,→改进型电容三点式:

C1C2LC3(2)电容三点式:从交流通道看，晶体管的三个电极接C的32(2)电容三点式:

从交流通道看，晶体管的三个电极接C的三个端点

——电容三点式；Uf=Uc21.电路分析(相平条件):ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻→正反馈;振荡频率：fo=

3.特点:a.由于Uf取自C,∴Uf中含高次谐波少,Uo波形好。b.∵C1C2可以很小∴fo可以很高。

c.调节fo可使Uf改变,→改进型电容三点式:

(2)电容三点式:从交流通道看，晶体管的三个电极接C的33(3)三点式振荡器的组成原则:三点式:电感三点式L1L2Cx1x2x3(3)三点式振荡器的组成原则:三点式:电感三点式L1L234三点式:电容三点式∴X1X2必须是同类电抗,而X3的电抗类型与X1X2相反。C1C2Lx1x2x3三点式:电容三点式∴X1X2必须是同类电抗,而X3的电35例:分析下列电路,标明二次线圈的同名端,使之满足相位平衡条件,并求出振荡频率。VCC100μH330pF例:分析下列电路,标明二次线圈的同名端,VCC100μH3336+VCC360pF100pF140μF+VCC360pF100pF140μF37

+VCC200pF560μH IOVEE+VCC200pF560μH IOVEE38Q值很高(＞105)∴振荡频率的稳定度高。13.4石英晶体振荡器Q值很高(＞105)∴振荡频率的稳定度高。13.4石英391.结构示意图(a)及电路符号(b):

一、石英晶体的阻抗特性敷银层管脚管脚晶片(a)(b)1.结构示意图(a)及电路符号(b):一、石英晶体的阻抗特402.等效电路(左右图a):

Co:静态电容;rq为损耗;Cq、Lq:动态参数;3.阻抗特性(见右图b)感性区很窄,Lq很大,∴Q很高;机械振动稳定。f=fs时,Cq、Lq串联谐振;f=fp时,Lq起主要作用,Lq与Co并联谐振;

xffpfs(b)(a)coIqcqrq2.等效电路(左右图a):Co:静态电容;rq为损耗;41二、石英晶体振荡电路1.串联型石英晶体振荡器

电路如图所示:

Rb1Rb2Re1Re2+VCC二、石英晶体振荡电路1.串联型石英晶体振荡器电路如图42交流通路:

此时JT工作于串联谐振以低阻抗接入电路

原理:f=fs时,JT为纯电阻最小,正反馈最强,电路产生自激振荡。

f≠fs时,JT为一阻抗使幅(相)平条件难以满足无法振荡。∴振荡频率f0=fsLc2vJTc1交流通路:此时JT工作于串联谐振以低阻原理:f=fs时432并联型石英晶体振荡器电路如图所示:

Rb1Rb2ReRc+VCCCeC1C22并联型石英晶体振荡器电路如图所示:Rb1Rb2ReRc44交流通路:

根据三点式振荡器的组成条件,JT应工作于fs与fp之间的感性区,构成改进型电容三点式≈

fo=

fp

C3C1C2vJT交流通路:根据三点式振荡JT应工作于fs与fp构成改进型电45例:根据相平条件,判断下列电路能否产生正弦波振荡。例:根据相平条件,判断下列46正弦波振荡电路正弦波振荡电路47§13.1正弦波振荡电路的工作原理§13.1正弦波振荡电路的工作原理48一、振荡产生的基本原理1.什么是正弦波振荡器？无ui→有uo（正弦波）（必须要有能源Vcc）一、振荡产生的基本原理1.什么是正弦波振荡器？无ui→4921+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－·iU+--·iU2.如何产生正弦波振荡？

设：Sinωt，=·iUUim接到1端,首先将开关S作用于→（开环）,→=·UiAu·Uo·UiAu∴自激振荡的条件为：=·Ui·Uf（闭环）。==Fu·Uf·Uo·UiAuFu21+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－5021+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－·iU+--·iU21+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－51

=当时，再将开关S倒向2端，此时无，但不变仍为正弦波，即放大器产生了正弦波振荡。·Ui·Ui·Uf·Uo21+-S-·uA·uF·Uf·oURL+放大器反馈网络+－·iU+--·iU=当时，再将开关S倒向2端，此时无，但52

二、电路自激振荡的条件

1.振荡的平衡条件:（2）相位平衡条件：φa+φf=2nπ（n=0.1.2……n）即=1=UfUiAuFu∵都是复数AuFu∴=︱︱AuFuAuFu（1）振幅平衡条件：=1︱︱AuFu(∠ψa+∠ψf)=1二、电路自激振荡的条件1.振荡的平衡条件:（2）532.振荡的建立与稳定振荡的稳定:负反馈;晶体管的非线性;∴振荡的建立过程中:︱＞1；要有选频网络；︱AuFu振荡的建立：电源接通的瞬间在电路中产生阶跃电压，可作为放大器的初始输入信号。根据信号与系统理论，很窄的脉冲具有丰富的频率分量，经选频网络选频，使得只有某一频率的信号能反馈到放大器的输入端，而其它频率的信号被抑制。某一频率分量的信号经放大后，又通过反馈网络回送到输入端，且信号幅度比前一瞬时要大，再经过放大→会增大一点→反馈→放大，的幅度会越来越大，最后将使放大器进入非线性工作区，放大器的增益下降，振荡电路输出幅度越大，增益下降也越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大从而进入平衡状态。·Uo2.振荡的建立与稳定振荡的稳定:负反馈;晶体管的非线性542.振荡的建立与稳定振荡的稳定:∴振荡的建立过程中:要有选频网络;振荡的建立：电源接通的瞬间在电路中产生阶跃电压，可作为放大器的初始输入信号。根据信号与系统理论，很窄的脉冲具有丰富的频率分量，经选频网络选频，使得只有某一频率的信号能反馈到放大器的输入端，而其它频率的信号被抑制。某一频率分量的信号经放大后，又通过反馈网络回送到输入端，且信号幅度比前一瞬时要大，再经过放大→会增大一点→反馈→放大，的幅度会越来越大，最后将使放大器进入非线性工作区，放大器的增益下降，振荡电路输出幅度越大，增益下降也越多，最后当反馈电压正好等于原输入电压时，振荡幅度不再增大从而进入平衡状态。·Uo︱＞1；︱AuFu负反馈;晶体管的非线性;2.振荡的建立与稳定振荡的稳定:∴振荡的建立过程中:553.正弦波振荡器的组成:放大电路+反馈网络(正),其中包括选频和稳幅环节。4.正弦波振荡器的分类(依据选频网络)RC正弦波振荡器(低)LC正弦波振荡器(高)石英晶体振荡器(fo的稳定性高)3.正弦波振荡器的组成:放大电路+反馈网络(正),其中5613.2RC正弦波振荡器13.2RC正弦波振荡器57

一、RC桥式正弦波振荡器(文氏电桥振荡器)R1Rf负反馈用于稳幅;1、RC串并联网络的选频特性

=

由集成运放担任；Au为RC串并联网络具有选频特性（正反馈）Fu+-+-RCRCZ1Z2uouf==UfUoFuZ1Z1+Z2（Z1=R+；Z2=R//

）1jωc1jωc

=Fu1ωRCωRC_(）j3+1令ωo=则=1RcFω0ω_(）j3+1ω0ω一、RC桥式正弦波振荡器(文氏电桥振荡器)R1Rf58幅频特性:=相频特性:φf=–arctg当ω=ωo=

即f=fo=则:Fu=Fumax=

φf=0

幅频特性:=相频特性:φf=–arctg当ω=59=幅频特性：相频特性：φf=–arctg当ω=ωo=

即f=fo=则：Fu=Fumax=

φf=0

=幅频特性：相频特性：φf=–arctg当ω=603振荡电路分析(1)起振条件:由自激振荡条件:及RC串并联网络的选频特性:；φa+φf=2nπ；=1︱︱AuFu要求：=3；φa=2nπ；︱︱Au∣=1/3；φf=0；︱Fu3振荡电路分析(1)起振条件:由自激振荡条件:及RC61(2)实际振荡电路:R1Rf负反馈用于稳幅;RC串联、RC并联及R1Rf构成电桥;

由集成运放担任；Au为RC串并联网络（正反馈），具有选频特性；

FuR-+Au+∞R2RR1RPV1V2CRfUoUf(2)实际振荡电路:R1Rf负反馈用于稳幅;RC串联、62a分析电路是否满足振荡条件

∴只需Au=3即可

相频条件:已知φf=0;且可分析出φa=0

∴φa+φf=0满足相频条件。

R1Rf构成电压串联负反馈

Au=1+

幅频条件：当ω=ωo时∣

∣=

FuZ2Z1CRCR2R1a分析电路是否满足振荡条件∴只需Au=3即可63其实一般情况下,只要是正反馈就一定可以满足φa+φf=2nπ

∴相频条件的判断可用瞬时极性法解决。

b振荡频率fofo=

c其它:R1、Rf构成负反馈用于稳幅;以保证输出为不失真的正弦波,其中V1、V2非线性起到了自动稳幅作用,还可将R2或Rf换成热敏电阻(R2为正温度系数;Rf为负温度系数;)。其实一般情况下,只要是正反馈就一定可以满足∴相频条件的判64试用振荡平蘅条件判断各图所示电路能否产生正弦波振荡？为什么？(Rt为正温度系数)+VCC(a)RRCC试用振荡平蘅条件判断各图所示电路能否产生+VCC(a)RRC65+VCCRRRCRC（b）+VCCRRRCRC（b）66∞-++R1RRCCRF=R1UO（C）Au∞-++R1RRCCRF=R1UO（C）Au67-VEE+VCCRRCC(d)-VEE+VCCRRCC(d)68∞-++R1RRCCRF>2R1UO（e）Au∞-++R1RRCCRF>2R1UO（e）Au69一、LC选频电路(1)LC并联谐振回路(2)等效阻抗

Z=

//(R+jωL)，

通常R«ωL,

Z=

LicR13.3LC正弦波振荡器一、LC选频电路(1)LC并联谐振回路(2)等效阻抗70(3)特点:(a)ωL=

时发生并联谐振。

谐振频率为ωo=

或fo=

(b)谐振时,Z为纯阻性且最大用Zo表示。Zo=

=QωoL=

(Q:品质因数)

(4)LC并联谐振回路的选频特性ω=ωo即f=fo时

Z=Zo最大；

（Q越大，其选择性越好）

φ=0——纯电阻

(3)特点:(a)ωL=时发生并联谐振。谐振频率为71ZQ值大Q值小ψ+90oQ值大0oQ值小-90o(3)特点:(a)ωL=

时发生并联谐振。

谐振频率为ωo=

或fo=

(b)谐振时,Z为纯阻性且最大用Zo表示。Zo=

=QωoL=

(Q:品质因数)

(4)LC并联谐振回路的选频特性ω=ωo即f=fo时

Z=Zo最大；

（Q越大，其选择性越好）

φ=0——纯电阻

ZQ值大Q值小ψ+90oQ值大0oQ值小-90o(3)特点72RLReRb2Rb1N2+_N1+_TCeC1+VCCufUi+_二、变压器反馈式LC振荡器耦合电容；C1RB1RB2RE为直流偏置电阻；LC选频网络作为放大器的集电极负载；CE：发射极旁路电容；

RLReRb2Rb1N2+_N1+_TCeC1+VCCufU73(1)电路分析:幅频条件:只要初次级间有足够的耦合度,一般都能满足。相频条件:ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻,用瞬时极性法分析反馈为正反馈,即满足φa+φf=2nπ。(2)振荡频率fo=

(1)电路分析:幅频条件:只要初次级间有足够的耦相频条件:74RLReRb2Rb1N2+_N1+_TCeC1+VCCufUi+_(1)电路分析:幅频条件:只要初次级间有足够的耦合度,一般都能满足。相频条件:ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻,用瞬时极性法分析反馈为正反馈,即满足φa+φf=2nπ。(2)振荡频率fo=

RLReRb2Rb1N2+_N1+_TCeC1+VCCufU75三、三点式LC振荡器(1)电感三点式1.L1L2为带抽头的自耦变压器；2.从下图的交流通路看,晶体管的三个电极接L的三个端点——电感三点式;3.Uf=UL2+VCCRB1RERB2L1L2CVRCCE+—三、三点式LC振荡器(1)电感三点式1.L1L2为带抽头761.电路分析:

幅平条件：β为几十，

=3~7；

=

相平条件:ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻,→正反馈;

2.振荡频率：fo=

3.特点:L1、L2耦合紧,因此容易起振。b.调节频率方便。(可调节C)

c.由于Uf取自L,∴Uf中含高次谐波多,Uo波形差。

+VCCRB1RERB2L1L2CVRCCE+—1.电路分析:幅平条件：β为几十，=3~7；=77(2)电容三点式:

从交流通道看，晶体管的三个电极接C的三个端点

——电容三点式；Uf=Uc21.电路分析(相平条件):ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻→正反馈;∴满足相平条件。振荡频率:fo=

3.特点:a.由于Uf取自C,∴Uf中含高次谐波少,Uo波形好。b.∵C1C2可以很小∴fo可以很高。

c.调节fo可使Uf改变,→改进型电容三点式:

C1C2LC3(2)电容三点式:从交流通道看，晶体管的三个电极接C的78(2)电容三点式:

从交流通道看，晶体管的三个电极接C的三个端点

——电容三点式；Uf=Uc21.电路分析(相平条件):ω=ωo即f=fo时,LC回路为纯电阻→正反馈;振荡频率：fo=

3.特点:a.由于Uf取自C,∴Uf中含高次谐波少,Uo波形好。b.∵C1C2