模拟电子技术基础8振荡器与波

模拟电子技术基础8振荡器与波第一页，共71页。基本要求1)掌握正弦波振荡器的振荡条件、电路组成、工作原理及分析方法；RC正弦波振荡器、LC反馈式正弦波振荡器、LC三点式正弦波振荡器以及石英晶体振荡器的电路组成、选频特性、振荡频率及特点等；了解非正弦波振荡器的电路组成及工作原理。

4/18/2023第二页，共71页。信号发生器按产生的波形特点可分为正弦波信号发生器非正弦波信号发生器信号发生器常称为振荡器正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的。4/18/2023第三页，共71页。8.1正弦波振荡器的振荡条件

8.1.1振荡器的平衡振荡条件

1．产生正弦波自激振荡的平衡条件.正反馈网络放大环节.XoA·F·.XidXf则可以产生自激振荡4/18/2023第四页，共71页。输入Xid.反馈Xf=FXo...输出Xo=AXid...放大环节A·正反馈网络F·若满足Xf=Xid..可在输出端继续维持原有的输出信号则为正反馈4/18/2023第五页，共71页。振荡器的平衡振荡条件

知电路产生自激振荡的平衡条件为由·..···idofAFXFXX==··及idfXX=··1=AF幅值平衡条件：

（8-2）相位平衡条件：（8-3）4/18/2023第六页，共71页。8.1.2振荡器的起振条件和稳幅

当振荡器稳定工作时，

若,则电路减幅振荡，最后停止振荡。1<AF若，电路增幅振荡。1>AF振荡器的起振条件为：幅值条件：

（8-5）相位条件：（8-6）4/18/2023第七页，共71页。振荡的建立与稳定A反馈特性幅度特性F太小自激振荡电路的建立过程（线性反馈）omU0id0Uid3Uid2Uid1Uod0Uod1Uod2Uod3U4/18/2023第八页，共71页。幅度特性B幅度特性非线性反馈非线性反馈omU04/18/2023第九页，共71页。8.1.3振荡器的组成、分析和分类

1．振荡器的基本组成

放大环节正反馈网络选频网络稳幅环节组成4/18/2023第十页，共71页。2.振荡器的分析

一般步骤为：

（1）检查振荡器是否具有振荡器的几个基本环节，即是否有放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节（选频网络常和正反馈网络合而为一，有些振荡器没有单独的稳幅部分）。

（2）检查放大电路是否具有合适的静态工作点。

（3）判断振荡器是否满足正反馈自激振荡的相位平衡条件。

（4）判断振荡器是否满足幅值的起振条件和平衡条件，并由此确定相关的放大电路和反馈网络的参数。4/18/2023第十一页，共71页。3.正弦波振荡器的分类

根据选频网络所用元件分为RC型振荡器LC型振荡器晶体振荡器文氏电桥振荡电路移相式振荡电路主要类型双T网络式振荡电路8.2RC正弦波振荡器

4/18/2023第十二页，共71页。8.2RC正弦波振荡器

RC串并联网络的频率特性

Z1Z2C1R1Zwj11+=C2R2Zwj1//2=4/18/2023第十三页，共71页。Z1Z2当角频率较低时

4/18/2023第十四页，共71页。当角频率较高时

Z1Z24/18/2023第十五页，共71页。由图8-3有：为了方便调节振荡频率，一般取令则有（8-7）4/18/2023第十六页，共71页。其幅频特性和相频特性分别为：

（8-8）（8-9）时时时幅频特性曲线相频特性曲线4/18/2023第十七页，共71页。RC串并联正弦波振荡器

选频网络反馈网络放大电路1.电路组成

4/18/2023第十八页，共71页。2.工作原理

的幅值最大Uf·=/3Uo·Uf·与同相位Uo·Uf·(1)当f=时0f(2)当≥3时，满足振荡条件。221RRRA+=(3)振荡频率RCfπ210=4/18/2023第十九页，共71页。稳幅措施选频网络反馈网络限幅网络图8-8是利用二极管的非线性自动实现稳幅的电路。4/18/2023第二十页，共71页。8.2.2移相式RC振荡器

4/18/2023第二十一页，共71页。

在图8-9中，第三级RC网络的电阻是放大器的输入电阻。通常取由相位平衡条件和幅值平衡条件推得：振荡频率

振幅条件

4/18/2023第二十二页，共71页。8.2.3双T选频网络RC振荡器

双T选频网络RC振荡器电路原理图如图8-10所示。4/18/2023第二十三页，共71页。8.3LC正弦波振荡器

8.3.1LC并联网络的频率特性

如图8-11所示是一个LC并联电路，其中r是电感和电路中其他损耗的总等效电阻。并联LC电路的等效阻抗表达式为：4/18/2023第二十四页，共71页。（8-13）4/18/2023第二十五页，共71页。谐振时的阻抗为定义谐振时的品质因素阻抗一般表达式可写为4/18/2023第二十六页，共71页。其幅频特性和相频特性分别为4/18/2023第二十七页，共71页。8.3.2变压器反馈式振荡器

如图8-13所示为变压器反馈式正弦波振荡器。

4/18/2023第二十八页，共71页。a.用LC并联谐振回路作为选频网络b.主要用来产生1MHz以上的高频信号主要特点c.频率稳定性较好4/18/2023第二十九页，共71页。首先判断电路是否满足振荡的相位平衡条件。断开反馈回路π=Ajπ=Fj满足相位平衡条件4/18/2023第三十页，共71页。4/18/2023第三十一页，共71页。8.3.3电感三点式振荡器

4/18/2023第三十二页，共71页。振荡电路的交流通路TL2R1//R2L1CC+T+N1N2L2L11RbC2ReCCCU+4/18/2023第三十三页，共71页。忽略R1//R2简化的交流通路

线圈的三个端子分别与T的三个电极B、C、E相连接，故称之为电感三点式振荡电路。TL2L1CTL2R1//R2L1C4/18/2023第三十四页，共71页。4/18/2023第三十五页，共71页。振荡频率取决于LC并联谐振回路的谐振频率（8-22）振荡电路的起振条件（8-23）电路特点

a.电感L1与L2之间耦合很紧，容易起振。b.输出波形中含有高次谐波，波形较差。4/18/2023第三十六页，共71页。8.3.4电容三点式振荡器

电容三点式振荡器如图8-16所示。

电容器的三个端子分别与T的三个电极相连接，故称之为电容三点式振荡电路。4/18/2023第三十七页，共71页。交流通路21b//RRR=L2C1CCRTbRL2C1CT简化的交流通路4/18/2023第三十八页，共71页。振荡频率

（8-26）电路特点：a.容易起振；c.输出波形中高次谐波少，波形好；d.改变电容时，容易停振。b.振荡频率高；4/18/2023第三十九页，共71页。8.4石英晶体振荡器

1.

石英晶体的基本特性(a)各向异性(b)具有压电效应(1)压电效应a.石英晶体的基本特性4/18/2023第四十页，共71页。压电效应在晶片的两侧施加压力，又会产生电场。在晶片的两面之间加电场，就会产生机械变形。当交变电压的频率等于晶片的固有机械振动频率时，振幅急剧增加，这种现象称为压电谐振。当在晶片的两电极之间加交变电压时，晶片就会产生机械变形振动。压电谐振4/18/2023第四十一页，共71页。2.石英晶体的等效电路

r——

等效晶片振动时内部的摩擦损耗等效电路C0——

两金属电极间形成的静电电容L——

等效晶片振动时的惯性C——

等效晶片振动时的弹性符号4/18/2023第四十二页，共71页。电路特点：a.L很大，C和r很小；b.Q很高，达104～106；c.频率稳定度（Δf/f0）很高。三种振荡电路的频率稳定度RC振荡器10–2LC振荡10–3~10–4石英晶体振荡10–9～10–114/18/2023第四十三页，共71页。忽略r的影响，图8-19b所示可得石英晶体的等效阻抗。当f<fs时，X<0，电路呈容性。当f>fs时，X>0，电路呈感性。a.当1–2LC=0时，X=0电路发生串联谐振串联谐振频率LCfπ21s=4/18/2023第四十四页，共71页。并联谐振频率X=∞b.当j(C0+C–2LCC0)

=0时电路发生并联谐振CCCCLf+=00p21p)(j10202LCCCCLCXwww-+-=4/18/2023第四十五页，共71页。8.4.3石英晶体振荡器

并联型石英晶体振荡器

谐振频率p0sfff<<由于)(0CCC¢+<<故s0π21fLCf=»4/18/2023第四十六页，共71页。串联型石英晶体振荡器

s0ff=4/18/2023第四十七页，共71页。8.5非正弦波发生器

主要组成部分(1)具有开关特性的器件（如电压比较器、BJT等）(2)反馈网络主要作用——产生高、低电平。主要作用——将输出电压适当地反馈给开关器件使之改变输出状态。(3)延时环节主要作用——实现延时，以获得所需要的振荡频率。4/18/2023第四十八页，共71页。8.5.1矩形波发生器

电路组成和工作原理

矩形波发生器的电路如图8-22所示，它是由一个滞回比较器，外加RC充放电电路构成。

延迟环节迟滞比较器4/18/2023第四十九页，共71页。工作原理设初始时电容上没电荷，设t=0时uC(0)=0uo=+UZ则o211RuRRRu+==+FUZ)(Z211URRR++=)(211RRRF+=4/18/2023第五十页，共71页。uC按指数规律上升a.

当t>0时电容C充电uo=+UZtuo,uCuouC0+UZ-UZ-FUZ+FUZiC4/18/2023第五十一页，共71页。0tuo,uC+UZ-UZuo、uC波形图b.

当uC>FUZ时U+=–

FUZuo=–UZuOuC-FUZ+FUZiC4/18/2023第五十二页，共71页。tuo,uCc.当uo=–UZ时U+=–FUZuC按指数规律下降电容C放电iCuouC0+UZ-UZ-FUZ+FUZuC充电uC放电4/18/2023第五十三页，共71页。c.当uo=–UZ时U+=–FUZuouC0tuo,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuC按指数规律下降电容C放电iCuC充电uC放电4/18/2023第五十四页，共71页。d.当uC<–FUZ时U+=FUZuo=UZuouC0tuo,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZiCuC充电uC放电4/18/2023第五十五页，共71页。e.当uo=+UZ时U+=FUZuC又按指数规律上升电容C又充电0tuO,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuouCiCuC充电uC放电4/18/2023第五十六页，共71页。uouC0tuo,uC+UZ-UZ-FUZ+FUZuo为方波4/18/2023第五十七页，共71页。振荡周期和频率

电容充电、放电过程可以用方程表示为充放电时间

矩形波的周期

矩形波的频率

占空比4/18/2023第五十八页，共71页。占空比可调的矩形波发生器

4/18/2023第五十九页，共71页。8.5.2三角波发生器

1.电路组成迟滞比较器积分器4/18/2023第六十页，共71页。2.工作原理时由叠加定理可得滞回比较器的同相端的电压为

（8-44）O212Z211)U(uRRRRRR++±+=4/18/2023第六十一页，共71页。输出电压电容C充电uo随时间线性下降设uC(0)=0tuRCutttd11OOòD+-=tRCUD-=Z(1)当时ZO1Uu=tuo,uo10uouo1UZ4/18/2023第六十二页，共71页。得uo1翻转时的输出电压(2)当时0B=uZo1Uu-=令0O212Z211+=+++=uRRRURRRuZ21oURRu-=tuO,uO10uOuO1UZ–UZ21Z/RRU-4/18/2023第六十三页，共71页。(3)当uB<0时电容器放电输出电压uo随时间线性上升Zo1Uu-=tuRCutttd11ooòD+-=tRCUD=Z–UZtuO,uO10uOuO1UZ21Z/RRU-4/18/2023第六十四页，共71页。(4)当u+>0时得uo1翻转时的输出电压Zo1Uu=令0O212Z211+=+++-=uRRRURRRuZ21oURRu=u