《电路与电子技术》课件第12章

第12章正弦波振荡器12.1振荡器的组成及工作原理12.2

RC桥式正弦波振荡器12.3

LC正弦波振荡器12.4石英晶体正弦波振荡器习题12

正弦波振荡器也称为自激正弦波振荡器，是一种不需要外加输入信号就能输出正弦信号的电路，广泛应用于广播、通信、测量仪器和自动控制系统中。

本章首先讨论正弦波振荡器电路的组成、起振条件和分析方法，然后介绍几种常见的振荡电路。

1.振荡器的概念

正弦波振荡器实质上就是一个没有外加输入信号的正反馈放大器。自激振荡原理如图12.1所示。在放大电路的输入端输入正弦信号，在它的输出端可输出正弦输出信号。如果通过网络引入正反馈信号，使的相位和幅度都和

相同，

，那么这时即使去掉输入信号，电路仍能维持输出正弦信号。这种用代替的方法构成了振荡器的自激振荡原理。12.1振荡器的组成及工作原理

图12.1自激振荡原理

2.自激振荡条件

由图13.1可以看出：

所以

(12.1)

上式是产生自激振荡的平衡条件。也可把式(12.1)分解为振幅平衡条件和相位平衡条件。

(1)振幅平衡条件为

(12.2)

该条件表明放大器的放大倍数与正反馈网络反馈系数的乘积应等于1，即反馈电压的大小必须和输入电压相等。

(2)相位平衡条件为

jA＋jF=2nπ (12.3)

式中，n=0，1，2，…；jA为基本放大器输出信号和输入信号的相位差，jF为反馈网络输出信号和输入信号的相位差。式(12.3)表示基本放大器的相位移与反馈网络的相位移的和等于0或2π的整倍数，即电路必须引入正反馈。

3.起振与稳定条件

实际上振荡器开始建立振荡时，并不需要借助于外加输入信号，它本身就能起振，但电路由自行起振到稳定需要一个建立的过程。例如，当电路接通电源时，噪声和干扰信号会使电路产生初始的微弱输出信号，经正反馈和放大器的多次循环放大，输出信号的幅度便由小到大直至输出稳定的正弦波信号。

为了保证电路能自行起振，要求Xf>Xi，即

AF>1 (12.4)

式(12.4)即为振荡器的起振振幅条件。

总之，振荡电路建立振荡时，必须满足起振振幅条件AF>1和相位条件jA＋jF=2nπ；振幅恒定的条件是AF=1。

4.振荡器的组成

通过以上对振荡器的分析和认识，可以看出正弦波振荡器必须由放大器、正反馈和选频网络、稳幅电路组成。

RC正弦波振荡器是用RC电路作为正反馈和选频网络的振荡器，根据RC电路的形式可分为RC桥式、RC移相式以及双T网络式正弦波振荡器。RC正弦波振荡器产生的振荡频率较低，一般在几百千赫兹左右。本节仅介绍应用比较多的RC桥式正弦波振荡器。12.2

RC桥式正弦波振荡器

图12.2

RC桥式正弦波振荡器原理电路

1.工作原理

图12.2是RC桥式正弦波振荡器的原理电路，它由三部分构成：RC串并联正反馈选频网络、运放、R1与Rf组成的负反馈稳幅网络。运放接成同相输入方式，即jA=0。当信号频率为RC网络的固有振荡频率时，f=f0=1/(2πRC)，反馈网络的相移为0，jF=0，此时满足自激振荡的相位平衡条件(jA＋jF=0)。

图12.3

RC串并联反馈与选频电路

2.RC串并联选频电路的选频特性

RC串并联电路如图13.3所示。其中为反馈与选频电路的输入电压，也是放大器的输出电压；为电路的输出电压，也是放大器的反馈电压。正反馈与选频电路的反馈系数为

(12.5)

令ω0=1/(RC)，则上式变为

(12.6)

幅频特性

(12.7)

相频特性

(12.8)

由式(12.7)和式(12.8)可以画出RC串并联电路的频率特性曲线，如图12.4所示。从图中可看出，当ω=ω0时，反馈系数的幅值最大，为F=1/3，即输出电压U2最大，并且与输入电压U1同相位，j(ω0)=0。而当ω≠ω0时，输出均被大幅衰减，即RC串并联网络具有选频作用。ω0称为RC串并联电路的固有频率。

图12.4

RC串并联网络的频率特性(a)幅频特性；(b)相频特性当ω=ω0时，反馈系数F=1/3，只要同相运算放大器的电压放大倍数满足A≥3，就可满足振幅平衡条件AF≥1。

R1、Rf组成的负反馈网络，其作用是稳定输出信号的幅度，改善波形，减小非线性失真。在实际应用中，负反馈网络常利用二极管、稳压管、热敏电阻等元件的非线性特性自动稳定振荡幅度。

LC振荡器利用LC并联回路作为正反馈选频电路，该电路产生的振荡频率较高，可以达到几十兆赫兹以上。LC振荡电路按照反馈方式的不同可分为变压器反馈式、电容三点式、电感三点式等几种类型。下面首先分析LC并联谐振电路的选频特性。

12.3

LC正弦波振荡器1.LC并联回路的谐振特性

LC并联回路如图12.5所示，回路中的电阻R为电感线圈及回路其它损耗的等效电阻。电路的等效阻抗为

(12.9)

通常R很小(R<<ωL)，上式近似为

(12.10)图12.5

LC并联回路

幅频特性为

(12.11)

当信号频率为某一特定频率f0时，LC回路产生谐振，复阻抗最大，即要求

得到

(12.12)

ω0为LC并联回路的谐振频率，或用f0表示为

(12.13)

2.变压器反馈式LC正弦波振荡器

1)工作原理

图12.6所示是变压器反馈式LC振荡器，它由共发射极放大器、LC并联谐振电路和变压器反馈电路三部分组成。LC电路由电容C与变压器初级线圈L1组成。谐振时，LC并联回路呈电阻性，在f=f0时，放大器的输出与输入信号反相，即jA=180°。变压器次级线圈L3是反馈线圈，利用变压器的耦合作用，反馈线圈产生反馈电压。因为变压器同名端的电压极性相同，所以反馈电压与输出电压反相，jF=180°，即谐振时满足相位平衡条件。调节变压器的变比系数，可改变反馈量的大小，一般都能满足振荡器的起振条件。

图12.6变压器反馈式LC振荡器

2)谐振频率

该电路的振荡频率近似等于LC并联回路的谐振频率，即

(12.14)

式中，L是谐振回路的等效电感。

3)振幅的稳定

振幅的稳定是利用三极管的非线性特性来实现的。在振荡的初期，输出信号和反馈信号都很小，基本放大器工作在线性放大区，使输出电压的幅度不断增大。

图12.7电感三点式振荡电路当幅度达到某一数值后，基本放大器的工作状态进入饱和区，使得iC失真，其基波分量减小，再经过LC并联回路选频，输出稳定的正弦波信号。

变压器反馈式LC振荡电路的特点是电路容易起振，改变电容可调整谐振频率，但输出波形不好，常用于对波形要求不高的设备中。

3.电感三点式正弦波振荡器

三点式振荡电路是由LC并联回路的三个端点与三极管的三个电极连接，构成的反馈式振荡电路。这种振荡电路可分为电感三点式(也称哈特莱电路)和电容三点式(也称考毕兹电路)。

1)工作原理

电感三点式振荡电路如图12.7所示。电路由一个带抽头的电感线圈和电容器组成LC并联回路，该回路作为选频与反馈网络，它的三个端点分别与三极管的三个极相连。其中L2为反馈线圈，作用是实现正反馈(可用瞬时极性法判断)。

反馈量的大小可以通过改变线圈抽头的位置来调整。为了有利于起振，通常反馈线圈L2的匝数占总匝数的1/8~1/4。图12.7电感三点式振荡电路

2)振荡频率

电感三点式电路的振荡频率为

(12.15)

式中，M是线圈L1和L2的互感系数。

该电路的特点是：由于存在互感，因而电路更易起振；改变电容C可在较大范围内调节振荡频率，一般从几百千赫兹到几十兆赫兹，但输出波形较差。

4.电容三点式正弦波振荡器

1)工作原理

电容三点式振荡电路如图12.8(a)所示。由C1、C2和L组成并联选频与反馈网络。正反馈电压取自电容C2的两端。谐振时，选频网络呈电阻性，满足自激振荡的相位条件。由于三极管的β值足够大，通过调节C1、C2的比值可得到合适的反馈电压，从而使电路满足振幅平衡条件。一般电容的比值取为C1/C2=0.01~0.5。

2)振荡频率

电容三点式电路的振荡频率为

(12.16)

该频率近似等于LC并联回路的谐振频率。

电容三点式振荡电路的特点是：电路的反馈电压取自C2的两端，高次谐波分量小，振荡输出波形较好；C1和C2较小时，电路的振荡频率较高，一般可达100MHz以上；振荡频率的调节范围小，通常用容量较小的可变电容与电感线圈串联来实现频率的连续可调。

为了方便地调节频率和提高振荡频率的稳定性，可把图12.8(a)中的选频网络变成图12.8(b)所示的形式，该选频网络的谐振频率为

(12.17)

式(12.17)中，。由于C1>>C，C2>>C，因此f0主要由LC决定。通过调节C可以方便地调节振荡频率。

图12.8电容三点式振荡电路(a)电路；(b)选频网络

在实际应用中，一般对振荡频率的稳定度要求较高。例如在无线电通信中，为了减小各电台之间的相互干扰，频率的稳定度必须达到一定的标准。频率的稳定度通常以频率的相对变化量来表示，即Δf0/f0，其中f0为频率的标称值，Δf0为频率的绝对变化量。12.4石英晶体正弦波振荡器

在LC振荡电路中，频率的稳定度相对较差。利用石英晶体代替LC谐振回路就构成了晶体振荡器，它可使振荡频率的稳定度提高几个数量级。石英晶体振荡器是一种高稳定性的振荡器，目前已广泛应用于各种通信系统及雷达、导航等电子设备中。

常用的石英晶体振荡电路分为两类：一类是石英谐振器在电路中以并联谐振形式出现的，称为并联型晶体振荡电路；另一类是石英谐振器在电路中以串联谐振形式出现的，称为串联型晶体振荡电路。

1.并联型晶体振荡电路

并联型石英晶体振荡电路如图12.9所示。石英谐振器呈感性，可把它等效为一个电感。选频网络由晶体与外接电容C1、C2组成。振荡器实质上可看作是电容三点式振荡电路。

由运算放大器、晶体谐振器和外接电容组成的三点式振荡电路如图12.10所示，其中Cs为可调电容，调节Cs可微调振荡频率。

图12.9并联型石英晶体振荡电路图12.10运算放大器构成的并联型石英晶体振荡电路

2．串联型晶体振荡电路

图12.11所示为一种串联型晶体振荡电路。图中V1和V2组成两级放大器，放大器的输出与输入电压反相，经石英谐振器和RE及可变电阻RP形成正反馈。可变电阻RP的作用是调节反馈量的大小，使电路既能起振，又能输出良好的正弦波信号。

图12.11串联型晶体振荡电路

1．电路如题图12.1所示，试用相位平衡条件判断哪个电路可能振荡，哪个不能?并简述理由。

题图12.1习题12

2．试用相位平衡条件判断题图12.2所示电路能否产生自激正弦振荡。若不能，请修改电路使之振荡起来。

题图12.2

3．RC桥式正弦波振荡电