正玄波振荡器

单元五正弦波振荡器课题：概述反馈型振荡器的基本工作原理教学目的：了解振荡器的定义及分类了解反馈式振荡器工作原理掌握振荡器的起振条件、平衡条件教学重点：振荡的平衡条件、起振条件教学难点：起振条件分析教学方法：讲授课时：2学时教学进程单元五正弦波振荡器5.1概述自激振荡现象：我们常见到这样情况，当有人把他所使用的话筒靠近扬声器时，会引起一种刺耳的哨叫声，该现象如图5-1所示。图5-1扩音系统中的电声振荡这种现象，是由于当话筒靠近扬声器时，来自扬声器的声波激励话筒，话筒感应电压并输入放大器，然后扬声器又把放大了的声音再送回话筒，形成正反馈。如此反复循环，就形成了声电和电声的自激振荡哨叫声。振荡器的功能无须外加输入信号的控制，将直流电能转换为具有特定的频率和一定的振幅的交流信号的能量,这一类电路称为振荡器。振荡器与放大器的区别放大器：对外加的激励信号进行不失真的放大。振荡器：不需外加激励信号，靠电路本身产生具有一定频率、一定波形和一定幅度的交流R信号。振荡器的分类振荡器正弦波振荡器弋正反馈振荡器「变压器反馈式电容三点式

电感三点式串联型

并联型三点式振荡器正弦波振荡器弋正反馈振荡器「变压器反馈式电容三点式

电感三点式串联型

并联型三点式晶体振汤器移相式应U串并联网络（桥式）〔负阻振荡器非正弦波振荡器■-本章主要内容反馈式振荡器的工作原理对基本振荡器电路以及几种典型振荡电路进行分析反馈型振荡器的基本工作原理反馈型振荡器的含义与用途1.含义：凡是从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号，能产生等幅正弦波输出称为正反馈振荡器2.用途：［接收机（本地振荡频率对由罕怡备发射机i载波频耘）电子设备仪器仪表振荡源< ［数字系统时钟信号高频加热设备.医疗仪器反馈型振荡器工作原理图5-2为正反馈放大电路的方框图，在无外加输入信号时就成为图5-3所示的反馈型振荡器方框图。图中，通常取输入信号X二U，反馈信号龙二U，净输入信号X'二LJ'。iiffii在电路进入稳定状态后，要求〃厂U，由图5-3得“吩，因此自激振荡形成的条件就是AF=1 （5-1）由于A户二-FZ^=AFZ^+9，所以AF=1便可分解为幅值和幅角（相位）两个a f af条件，即1．相位平衡条件9+9二nx2兀（n=0,l,2,3…） （5-2）af2．振幅平衡条件AP|=1 （5-3）3．起振条件AF>1

振荡两个条件中，关键是相位平衡条件，如果电路不能满足正反馈要求，则肯定不会振荡。至于幅值条件，可以在满足相位条件后，调节电路的参数来达到。判断相位条件，通常采用“瞬时极性法”。反馈型振荡器的组成一个反馈型振荡器由以下几部分组成：基本放大电路——作用是对反馈信号进行放大；选频网络——作用是获得单一确定的振荡频率；反馈网络——作用是将输出回路中的能量取出一部分加到基本放大器的输入端。为了使振荡的输出稳定，在电路中，有的还含有稳幅环节。选频网络由RC电路构成的称为RC正弦波振荡器；选频网络由LC电路构成的称为LC正弦波振荡器。振荡的建立过程振荡总是从无到有、从小到大地建立起来的。那么，振荡器刚接通电源时，原始的输入电压是从哪里来的呢？又如何能够从小到大建立起稳定的等幅振荡？当刚接通电源时，振荡电路中各部分总是会存在各种电的扰动，例如接通电源瞬间引起的电流突变、电路的内部噪声等，它们包含了非常多的频率分量，由于选频网络的选频作用，只有频率等于振荡频率fO的分量才能被送到反馈网络，其他频率分量均被选频网络所滤除。通过反馈网络送到放大器输入端的频率为fO的信号，就是原始的输入电压。该输入电压被放大器放大后，再经选频网络和反馈网络，得到的反馈电压又被送到放大器的输入端。由于满足振荡的相位平衡条件和起振条件，因此该输入电压（即反馈电压）与原输入电压相位相同，振幅更大。这样，经放大、选频和反馈的反复循环，振荡电压振幅就会不断增大。随着振幅的增大，放大管进入大信号的工作状态。当振幅增大到一定程度后，由于稳幅环节的作用，放大倍数的模A将下降（反馈系数的模F一般为常数），于是环路增益AF逐渐减小，输出振幅U的增大变缓，直至AF下降到1时，反馈电压振om幅与原输入电压振幅相同，电路达到平衡状态，于是振荡器就输出频率为心、且具有一定振幅的等幅振荡电压。图5-4画出了正弦振荡的建立过程中输出电压uo的波形。这样，一个微弱的电扰动就能使振荡器建立起自激振荡。E15-4振荡的逹立过程振荡的建立过程动画演示请点击。振荡的建立过程动画演示请点击。本课小结：振荡器用途广，分类多，正弦波振荡器是常用的一种。正弦波振荡器是一种非线性电路，由基本放大器、选频网络、反馈网络和稳幅环节组成。要产生正弦波振荡信号，振荡器在直流偏置合理的前提下，还必须满足起振条件和平衡条件。本课作业：1.正弦波振荡器是由哪几部分组分的？画方框图说明。2.振荡器的起振条件是什么？平衡条件是什么？课题：RC正弦波振荡器LC正弦波振荡器（一）教学目的：1．理解RC串并联电路的选频特性2．掌握RC桥式振荡器的分析判断方法3．掌握变压器反馈式LC正弦波振荡器的分析判断方法教学重点：RC桥式振荡器的分析判断方法变压器反馈式LC正弦波振荡器的分析判断方法教学难点：RC桥式振荡器的分析判断方法教学方法：讲授课时：2学时教学进程RC正弦波振荡器RC正弦波振荡器分为RC串、并联电路式（桥式）、移相式和双T电路等类型。一.RC串并联电路的选频特性图5-5所示电路由R1与q的串联组合和R2与C2的并联组合串联而成，它在RC正弦波振荡器中一般既是反馈网络又是选频网络。在图5-5中,R1与C的串联阻抗Z1=Ri+C1，R与q的并联阻抗Z2=R2〃（1恥2）=R2/（1+j5R2C2），而电路输出电压J与输入电压J的关系为.UF=.f=U.UF=.f=UOZ2Z+Z12R(1+j①RC)r 22R+(1j①C)+R(1+j①RC)1122212'11'212^12通常取R1=R2=R，C1=C2=C，于是(5-4)式中3°二1RC是电路的特征角频率，F的幅频特性为FF=, $32+(o..o-①弹)2(5-5)相频特性为03 3申=-arctg o o相频特性为03 3申=-arctg o o——F3(5-6)根据式(5-5)和式(5-6)画出F的频率特性如图5-6所示。可见’当3二1RC时,到最大，其值为j;而当o偏离时，F急剧下降。因此，RC串联电路具有选频特性。另外，当①二时,,广0。电路呈现纯阻性，即uf与U同相。利用RC串并联电路的幅频特性和相频特性在3=3时的特点，既可把它作为选频网络，又可作为反馈网络。0二.RC桥式振荡器◎RC桥式电路 (b)等效电路^15-7采用用：串并联电路的正弦波振荡器RC振荡器的分析步骤和方法。电路结构分析即检查电路是否包括放大电路、反馈电路和选频网络三部分。RC串并联电路既是反馈网络，又是选频网络。反馈网络申=00，申=00，9=9+9=00RC串并联电路为集成运放引入一个正反馈。AFAFAF，基本放大电路分析放大电路应为同相放大器。如果采用分立元件放大电路，应检查管子的静态是否合理。如果用集成运放，则应检查输入端是否有直流通路，运放有无放大作用。振荡条件分析电压增益为A=1+RR' (5-7)u f■当①二①0时，|F=I/3。因此，只有满足(5-8)才能满足AF>1的起振条件。由此得出(5-9)(5-10)(5-10)R>2R'(5-9)(5-10)(5-10)幅值平衡条件：R=2R'振荡角频率为g①0，即振荡频率为：fo=2^RCRC正弦波振荡器的振荡频率取决于R和C数值，见式（5-11）要想得到较高的振荡频率，必须选择较小的R和C值。RC振荡器只能用作低频振荡器（1Hz〜1MHz）。一般在要求振荡频率高于1MHz时，都改用LC并联回路作为选频网络，组成LC正弦波振荡器。LC正弦波振荡器选频网络采用LC谐振回路的反馈式正弦波振荡器，称为LC正弦波振荡器，简称LC振荡器。LC振荡器常用分立元件组成。一.变压器反馈式LC正弦波振荡器变压器反馈式振荡器又称互感耦合振荡器。由谐振放大器和反馈网络两大部分组成。在这类振荡器中，LC并联回路中的电感元件L是变压器的一个绕组，变压器的另一个绕组则作为振荡器的反馈网络。电路（1）放大电路是共射极接法电路 （盯交疣通路閣「8变压器反馈式振荡器洪射极接法）图5—8（a）中：①谐振放大器由晶体管、偏置电路、选频网络LC组成。C为隔直耦合电容，bC为发射极旁路电容。②通过LL互感耦合，将L上的反馈电压加到放大器输入端。③通过LL互感e112耦合，在负载rl上得到正弦波输出电压。交流通路，在不考虑晶体管的高频效应的情况下，LC并联电路在谐振时是纯阻性的，（PA=18000因此，为了满足相位平衡条件，必须要求作=180o。这样，与晶体管集电极相连的变压器绕组端①和与基极相连的绕组端点③必须互为异名端。在这一条件下，（PAF=PA+PF=2nn，满足产生自激振荡的相位平衡条件。（2）放大电路是共基极接法凤 矗图5T娈压器反馈式振荡器洪基极接法）LC并联电路仍接在集电路中，反馈信号由变压器的另一个绕组接到晶体管的射极，如图5-9。由于在共基接法中，PA=0。，因此，为了满足相位平衡条件，必须有作=0。。这样，与集电极相连的绕组端点①和与射极相连的绕组端点③必须互为同名端。在这一条件下，（PAF=PA+PF=2nn，电路满足相位平衡条件。相位平衡条件的判断和振荡频率（1）相位条件一一正反馈的判断：由以上分析可知，构成变压器反馈式LC正弦波振荡器的一般规律是：根据放大电路的组态（是共射极还是共基极；如果是集成运放就要看反相输入还是同相输入），决定放大电路输出端（集电极）和输入端（基极或射极）所连接的变压器绕组的端点应为异名端还是同名端。（2）振荡频率若负载很轻，LC回路的Q值较高，则振荡频率近似等于回路并联谐振频率，即(5-11)（3）对于以f0为中心的通频带以外的其它频率分量，因回路失谐而被抑制掉。变压器反馈式振荡器的工作频率不宜过低过高，一般应用于中、短波段（几十KHz到几十MHz）。电路特点（1） 变压器反馈式LC振荡电路利用变压器作为正反馈耦合元件，它的优点是便于实现阻抗匹配，因此振荡电路效率高、起振容易。但要注意变压器绕组的主、次级单间的极性同名端不可接错否则成为负反馈，电路就不起振。（2） 这种电路的另一优点是调频方便，调频范围较宽。本课小结：RC正弦波振荡器的振荡频率较低。常用的RC振荡器是文式电桥振荡器，其振荡频率f二—° 2兀RC，只取决于r、C的数值。变压器反馈式振荡器又称互感耦合振荡器。由谐振放大器和反馈网络两大部分组成。放大f=一」电路可以是共射极接法或共基极接法，振荡频率°2mLC，电路效率高、起振容易，调频方便，调频范围较宽。本课作业：试用相位平衡条件判断图题5-1各电路能否振荡？课题：LC正弦波振荡器（二）教学目的：1．掌握三点式振荡电路的组成原则2．掌握电感三点式振荡器和电容三点式振荡器的分析判断方法3．理解电感三点式振荡器和电容三点式振荡器的特点教学重点：三点式振荡电路的组成原则电感三点式振荡器和电容三点式振荡器的分析判断方法教学难点：电感三点式振荡器和电容三点式振荡器的分析判断方法教学方法：讲授课时：2学时教学进程二.三点式振荡电路三点式振荡电路的组成原则三点式振荡电路的一般形式如图5-10所示。图中，振荡管的三个电极分别与振荡回路中的电容C或电感L的三个点相连接，三点式的名称即由此而来。X、ceXb、Xb是振荡回路的三个电抗元件的电抗。becb对于振荡器而言，其集电极电压X与基极电压Xb是反相的，cebe两者差180°。为了满足相位平衡条件，即满足是正反馈的条件，反馈电压Uf也须产生180°的相位差（超前或滞后均可）。为此，Xb与X必须性质相同，即为同类电抗，U才能为负值，产生所需b c f相位差。X与X既然是同类电抗（即同为容抗或感抗），则X与X、b c cb cX为异类电抗，这样才能构成LC三点式振荡电路。b这是构成三点式振荡器的原则。判断一个三点式振荡电路的相位条件是否满足时，只要观察到两个电容或电感的抽头接晶体管的发射极，则正反馈条件一定满足，也可以此作为判断满足相位

条件的依据。电感三点式振荡器(哈特莱振荡器)(1)电路结构如图5-ll(a)。振荡管为晶体三极管，R、R是它的偏置电阻；C为交流旁路电容；C为隔直b1b2ei耦合电容。L2、C组成选频回路。反馈信号从电感L2两端取出送至输入端，所以叫电感反馈式振荡器。因电感的三个抽头分别接晶体管的三个电级，所以又称电感三点式振荡器。相位平衡条件的判断和振荡频率•相位平衡条件的判断则Xcb与cb参见图5-11(b)。Xb为C，彳为L2,X为L1，故彳与则Xcb与cbTOC\o"1-5"\h\zcb be 2ce 1 be ceXb、X为异类电抗。满足三点式振荡器的组成原则，满足相位平衡条件。b c.振荡频率当不考虑分布参数的影响，且Q值较高时，振荡频率近似等于回路的谐振频率，即(5-12)f=一L(5-12)0 2MLC上式中：L=L]+L2+2M(M为L]和L?间的互感，不考虑互感时M=0)。对于f0以外的其它频率成分，因回路失谐被抑制掉。电感三点式振荡器的特点.振荡波形较差。由于反馈电压取自电感，而电感对高次谐波阻抗大，反馈信号较强，使输出量中谐波分量较大，所以波形同标准正弦波相比失真较大。.振荡频率较低。由电路结构可见，当考虑电路的分布参数时，晶体管的输入、输出电容并联在L2两端，频率越高，回路L、C的容量要求越小，分布参数的影响也就愈严重，使振荡频率的稳定度大大降低而失去意义。因此，一般最高振荡频率只能达几十MHz。

.由于起振的相位条件和幅度条件很容易满足，所以容易起振。.调整方便。若将振荡回路中的电容选为可变电容，便可使振荡频率在较大的范围内连续可调。另外，若将线圈L中装上可调磁芯，当磁芯旋进时，电感量L增大，振荡频率下降；当磁芯旋出时，电感量L减小，振荡频率升高，但电感量的变化很小，只能实现振荡频率的微调。电容三点式振荡器（考毕兹振荡器）（1） 电路结构如图5-12（a）,振荡管为晶体三极管，Rb、Rb和R构成稳定偏置电路结构；C为交流旁路电容;b1b2 ee2C、Ce2C、C为隔直耦合电容；Lc为扼流圈，防止交流分量通过电源短路；C、C和L组成选频网络。反馈341参见图5-12（b）。对交流而言，振荡回路中两个电容的三根引线分别接晶体管三个电极：电容三点式振荡器的名称正是缘于此处），且两个电容的中间抽头接振荡管的发射极。X为L，X为C，cb be2X为C,故彳与X是同类电抗（即同为容抗），则乂"与X为异类电抗。满足三点式振荡器的c1 bc cbbc组成原则，满足相位平衡条件。.振荡频率当不考虑分布参数的影响，且Q值较高时，振荡频率近似等于回路的谐振频率，计算表达式与（5－12）相同，即(5-13)上式中c为l两端的等效电容，当不考虑分布电容时，C为q的串联等效电容，即(5-14)厂(C-C)(C+C)12

(5-14)对于f0以外的其它频率成分，因回路失谐被抑制掉。（3）电容三点式振荡器的特点.输出波形好。由于反馈信号取自电容两端，而电容对高次谐波阻抗小，相应地反馈量也小所以输出量中谐波分量也较小，波形较好。.加大回路电容可提高振荡频率稳定度。由于晶体管不稳定的输入、输出电容C和C与谐振io回路的电容c、C相并联，增大C、C的容量，可减小C和C对振荡频率稳定度的影响。1212io.振荡频率较高。电容三点式振荡器可利用器件的输入、输出电容作为回路电容（甚至无须外接回路电容），可获得很高的振荡频率，一般可达几百MHz甚至上千MHz。.调整频率不方便。若调节频率时，改变电感显然很不方便，一是频率高时，电感量小， *般采用空芯线圈，只能靠伸缩匝间距改变电感量，准确性太差；二是采用有抽头的电感，但也不能使振荡频率连续可调。若改变电容来调节振荡频率，则需同时改变C1、C2而保持其比值不变，否则反馈系数f=ci/C2将发生变化，反馈信号的大小也会随之而变，甚至可能破坏起振条件，造成停振。解决的办法是：在L两端并接可变电容C3,如图5-13所示，容量大小要满足：C3〈〈q、C2。只有这样，在调节频率时，对反馈系数的影响才比较小。 *El5-13増抑调整电容本课小结：1.f=一点式振荡器分为电感一点式和电容一点式两种基本形式。振荡频率为 2兀\LC，2.3.电感三点式振荡器，振荡波形较差、振荡频率较低、容易起振、调整方便。电容三点式振荡器，输出波形好、加大回路电容可提高振荡频率稳定度、振荡频率较高调整频率不方便。本课作业：三点振荡器的组成原则是什么？出电感三点式振荡器和电容三点式振荡器的交流等效电路，分析它是怎样满足自激振荡的相位条件的？写出振荡频率的计算公式。用相位条件的判别规则说明图题5-2所示几个三点式振荡器等效电路中，哪个电路可以起振？哪个电路不能起振？II(c)(a)(f)(d)◎图题5-2课题：石英晶体振荡器寄生振荡和间歇振荡简介教学目的：1．掌握石英谐振器的特点2．掌握石英晶体振荡电路的分析判断方法3．了解寄生振荡和间歇振荡现象教学重点：石英谐振器的特点石英晶体振荡电路的分析判断方法教学难点：石英晶体振荡电路的分析判断方法教学方法：讲授课时：2学时教学进程石英晶体振荡器石英晶体振荡器是用石英晶体谐振器来控制振荡频率的一种三点式振荡器，其频率稳定度随采用的石英晶体谐振器、电路形式以及稳频措施的不同而不同，一般在10-4〜10-11范围内。一.石英谐振器石英晶体的化学成份是二氧化硅(SO),外形呈六角形锥体。石英晶体的导电性与晶体的晶格i2方向有关，按一定方位把石英晶体切成具有一定几何形状的石英片，两面敷上银层，焊出引线，装在支架上，再用外壳封装，就制成了石英谐振器，其电路符号如图5-14所示。正反压电效应当石英晶体两面加机械力时，晶片两面将产生电荷，电荷的多少基本上与机械力所引起的形变成正比，电荷的正负将取决于所加机械力是张力还是压力而异。由机械形变引起产生电荷的效应称为正压电压效应，交变电场引起石英晶体发生机械形变(压缩或伸展)的效应称为反压电效应。

实验证明，当石英晶体外加不同频率的交变信号时，其机械形变的大小也不相同，当外加交变信号为某一频率时，机械形变最大，晶片的机械振动最强，相应地晶体表面所产生的电荷量也最大外电路中的电流也最大，即发生了谐振现象。因此，说明石英晶体具有谐振电路的特性。石英晶体的等效电路当石英晶体发生谐振现象时，在外电路可以产生很大的电流，这种情况与电路的谐振现象非常相似。因此，可以采用一组电路参数来模拟这种现象，其等效电路如图5-15所示。L「叫分别为石英晶体的模拟动态等效电感、等效电容和损耗电阻，C0为静态电容，它是以石英为介质在两极板间所形成的电容。一般石英谐振器的参数范围约为：叫=10~140©；L]=0.01~10H；q=0.004~0.1PF；C=2〜4PF。0石英谐振器的特点(1).高Q值 由于参数乂很大，而q又很小，故c「叫串联支路中的Q值为：(5-15)其Q值很高，可达104〜106，这是普通LC电路无法相比的。•有两个谐振频率f]和f2由图5-15分析可得，石英晶体有两个谐振频率。一是由乂、q和叫串联支路决定的串联谐振频率匸，它就是石英晶体片本身的自然谐振频率，为： 1(5-16)fi二^LC(5-16)11二是由石英晶片和静态电容C0组成的并联电路所决定的并联谐振频率f2，对回路电感乂而言，总等效电容q和C0为串联关系，，则f/f],所以串联支路等效为电感，与C0并联谐振，故:(5-17)因为esq，故上式可近似为:(5-18)C(5-18)二f(1+一)

i2CO(5-19)其差值随不同的石英谐振器而不同，一般约为几十Hz至几百Hz。.石英谐振器的电抗特性曲线 当q、叫支路发生串联谐振时，电抗为零，则AB间

的阻抗为纯电阻叫，由于R1很小，可视为短路，说明石英晶体在这种情况下可充当特殊短路元件使用。当晶体发生并联谐振时，AB两端间的阻抗为无穷大。当f〉f2或f<fi时，等效电路呈容性，晶体充当一个等效电容；当f〈f〈f时，等效电路呈电感性，这个区域很窄,，石英谐振器充当一个等效12电感。不过此电感是一个特殊的电感，它仅存在于fi与f2之间，且随频率f的变化而变化。如图5-16所示。0窖性区10窖性区1選性区申联谐娠井洗谐娠^15-16石英晶体的电抗特性.接入系数很小用石英谐振器构成振荡器时，总是要将它接入到电路中去的，由图5-15的等效电路可见，外电路一般接在A、B端，即C0两端，因此对晶体(等效电感)的接入系数p是很小的，一般为10-3~10-4数量级：CPC1 (5-20)C0所以，石英晶体与外电路的耦合是很弱的，这样就削弱了外电路与石英谐振器之间的相互不良影响，从而保证了石英谐振器的高Q值，因此，石英晶体振荡器振荡频率的稳定度和标准性都很高。二.石英晶体振荡电路根据石英晶体电抗特性曲线可知，石英晶体在电路中可以起三种作用：一是充当等效电感，晶(a)皮尔斯电路(a)皮尔斯电路(b)等效电路图5-17并联型晶体振荡电路体工作在接近于并联谐振频率f2的狭窄的感性区域内，这类振荡器称为并联谐振型石英晶体振荡器；二是石英晶体充当短路元件，并将它串接在反馈支路内，用以控制反馈系数，它工作在石英晶体的串联谐振频率g上，称为串联谐振型石英晶体振荡器；三是充当等效电容，使用较少。并联型晶体振荡电路这类石英晶体振荡的工作原理及振荡电路和一般的三点式LC振荡器相同，只是将三点式振荡回路中的电感元件用晶体取代，分析方法也和LC三点式振荡器相同。在实际中，常用石英晶体振荡器是将石英晶体接在振荡管的c－b间（或场效应管的D—G间）或b－e间（或场效应管的G－S间）。振荡管可以是晶体三极管，也可以是场效应管，图5-17画出了基本电路和等效电路。由等效电路可见相当于电容三点式振荡电路，又称皮尔斯电路。与LC三点式振荡电路相比，皮尔斯电路的等效电路可看成是考毕兹振荡器，电路中的石英晶体只有等效为电感元件，振荡电路才能成立。串联型晶体振荡电路石英晶体作为短路元件应用的振荡电路就是串联型晶体振荡电路，电路如图5-18所示。电路中既可用基频晶体，也可用泛音晶体。在这两种振荡器中，石英晶体的作用类似于一个容量很大的耦合电容或旁路电容，并且只有使石英晶体基本工作在串联谐振频率上，才能获得这种特性。在图5-18（b）中，视石英晶体为短路元件，等效电路与电容三点式