正弦波振荡电路.docx

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正弦波振荡电路

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正弦波振荡电路

正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦交流信号的电子电路。

它的频率范围可以从几赫兹到几百兆赫兹,输出功率可能从几毫瓦到几十千瓦。

广泛用于各种电子电路中。

在通信、广播系统中,用它来作高频信号源；电子测量仪器中的正弦小信号源,数字系统中的时钟信号源。

另外，作为高频加热设备以及医用电疗仪器中的正弦交流能源。

正弦波振荡电路是利用正反馈原理构成的反馈振荡电路，本章将在反馈放大电路的基础上，先分析振荡电路的自激振荡的条件，然后介绍LC和RC振荡电路，并简要介绍石英晶体振荡电路。

第一节振荡电路概述

在放大电路中，输入端接有信号源后，输出端才有信号输出。

如果一个放大电路当输入信号为零时，输出端有一定频率和幅值的信号输出，这种现象称为放大电路的自激振荡。

振荡电路框图

图7-1为正反馈放大器的方框图，在放大器的输入端存在下列关系：

Xi=Xs+Xf（7-1）

其中Xi为净输入信号，且

及

正反馈放大器的闭环增益

最后得到

（7-2）

如果满足条件

|1-AF|=0，或AF=1（7-3）

则A，这就表明，在图7-1中如果有很小的信号Xs输入，便可以有很大的信号Xo=AfXs输出。

如果使反馈信号与净输入信号相等，即

Xf=Xi

图7-1正反馈放大电路的方框图图7-2自激振荡方框图

那么可以不外加信号Xs而用反馈信号Xf取代输入信号Xz。

仍能确保信号的输出，这时整个电路就成为一个自激振荡电路，自激荡器的方框图就可以绘成如图7-2所示的形式。

自激振荡的条件

由上述分析可知，当AF=1自激振荡可维持振荡。

AF=1即为自激振荡的平衡条件，其中A和F都是频率的函数，可用复数表示：

，

则

即（7-4）

和（7-5）

式（7-4）称为自激振荡的振幅平衡条件，式（7-5）称为自激振荡的相位平衡条件。

综上所述，振荡器就是一个没有外加输入信号的正反馈放大器，要维持等幅的自激振荡，放大器必须满足振幅平衡条件和相位平衡条件。

上述振荡条件如果仅对某一单一频率成立时，则振荡波形为正弦波，称为正弦波振荡器。

正弦波振荡电路基本构成

正弦波振荡电路一般包含以下几个基本组成部分：

1．基本放大电路提供足够的增益，且增益的值具有随输入电压增大而减少的变化特性。

2．反馈网络它的主要作用是形成正反馈，以满足相位平衡条件。

3．选频网络它的主要作用是实现单一频率信号的振荡。

在构成上，选频网络与反馈网络可以单独构成，也可合二为一。

很多正弦波振荡电路中，选频网络与反馈网络在一起，选频网络由LC电路组成称为LC正弦波振荡电路，由RC正弦波振荡电路，由石英晶体组成称石英晶体正弦波振荡电路。

4．稳幅环节引入稳幅环节可以使波形幅值稳定，而且波形的形状良好。

振荡电路的起振过程

振荡电路刚接通电源时，电路中会出现一个电冲击，从而得到一些频谱很宽的微弱信号，它含有各种频率的谐波分量。

经过选频网络的选频作用，使f=fo的单一频率分量满足自激振荡条件，其他频率的分量不满足自激振荡条件，这样就将f=fo的频率信号从最初信号中挑选出来。

在起振时，除满足相位条件（即正反馈）外，还要使AF>1，这样，通过放大→输出→正反馈→放大的循环过程，f=fo的频率信号就会由小变大，其他频率信号因不满足自激振荡条件而衰减下去。

振荡就建立起来。

振荡产生的输出电压幅度是否会无限制地增长下去呢？

由于晶体管的特性曲线是非线性的，当信号幅度增大到一定程度时，电压放大倍数Au就会随之下降，最后达到AF=1，振荡幅度就会自动稳定在某一振幅上。

从AF>1到AF=1过程，就是振荡电路看激振荡的建立与稳定的过程。

LC正弦波振荡电路

采用LC谐振网络作选频网络的振荡电路称为LC振荡电路。

LC振荡电路通常采用电压正反馈。

按反馈电压取出方式不同，可分为变压器反馈式，电感三点式、电容三点式，三种典型电路。

三种电路的共同特点是采用LC并联谐振回路作为选频网络。

LC回路的频率特性。

一个LC并联回路如图7—3所示，其中R表示电感线圈和回路其他损耗总的等效电阻。

其幅频特性和相频特性如图7—4所示。

（a）幅频特性（b）相频特性

图7—3LC并联回路图7—4LC并联回路的频率特性（Q1>Q2）

当LC并联回路发生谐振时，谐振频率为

（7-6）

电路阻抗Z达到最大，其值为

（7-7）

式（7-7）中Q为回路品质因数，其值为

（7-8）

由图7-4可知，当外加信号频率f等于LC回路的固有频率f0（f=f0）时，电路发生并联谐振，阻抗Z达到最大值Z0，相位角=0，电路呈纯电阻性，当f偏离f0时由于Z将显著减小，不再为零，在ff0时，电路呈容性，利用LC并谐振时呈高阻抗这一特点，来达到选取信号的目的，这就是LC并联谐振回路的选频特性。

可以证明品质因数越高，选择性愈好，但品质因数过高，传输的信号会失真。

因此，采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路，只能输出f=f0的正弦波，其振荡频率为

（7-9）

当改变LC回路的参数L或C时，就可改变输出信号的频率。

变压器反馈式振荡电路

在变压器反馈振荡电路中，其谐振回路接在共发射极电路的集电极的称为共射调集振荡电路，类似的还有共射调基振荡电路和共基调射振荡电路。

下面以共射调集变压器反馈式LC振荡电路为例进行分析。

电路组成

图7-5电路就是共射调集变压器反馈式LC振荡电路，它由放大电路、LC选频网络和变压器反馈电路三部分组成。

线圈L与电容C组成的并联谐振回路作为晶体管的集电极负载，直选频作用，由变压器副边绕组来实现反馈，所以称变压器反馈式LC正弦波振荡电路，输出的正弦波通过L1耦合给负载，CB为基极耦合电容。

图7-5变压器反馈式振荡电路

2、振荡的建立与稳定

首先按图7-5所示反馈线圈L2的极性标记，根据同名端和用“瞬时极性法”判别可知，符合正反馈要求，满足振荡的相位条件。

其次，当电源接通后瞬间，电路中会存在各种电的扰动，这些扰动都是具有谐振回路两端产生较大的电压，通过反馈线圈回路送到放大器的输入端进行放大。

经放大和反馈的反复循环，频率为f0的正弦电压的振幅就会不断地增大，于是振荡就建立起来。

由于晶体管的输出特性是非线性的，放大器增益将随输入电压的增大而减小，直到AF=1，振荡趋于稳定，最后电路就稳定在某一幅度下工作，维持等幅振荡。

振荡频率

（7-10）

4、电路的优缺点

变压器反馈式振荡电路通过互感实现耦合和反馈，很容易实现阻抗匹配和达到起振要求，所以效率较高，应用很普遍。

可以在LC回路中装置可变电容器来调节振荡频率，调频范围较宽，一般在几千赫兹~几百千赫兹，为了进一步提高振荡频率，选频放大器可改为共基极接法。

该电路在安装中要注意的问题是反馈线圈的极性不能接反，否则就变成负反馈而不能起振，若反馈线圈的连接正确仍不能起振，可增加反馈线圈的匝数。

三、电感三点式振荡电路

三点式振荡电路有电容三点式电路和电感三点式电路，它们的共同点是谐振回路的三个引出端点与三极管的三个电极相连接（指交流通路），其中，与发射极相接的为两个同性质电抗，与集电极和基极相接的是异性质电抗。

这种规定可作为三点式振荡电路的组成法则，利用这个法则，可以差别三点式振荡电路的连接是否正确。

电路组成

电感三点式振荡电路，也称为哈脱莱振荡电路，电路如图7-6所示。

由放大电路、选频网络和正反馈回路组成。

选频网络是由带中间抽头的电感线圈L1、L2与电容C组成，将电感线圈的三个端点—首端、中间抽头和尾端分别与放大电路相联。

对交流通路而言，电感线圈的三个端点分别与三极管的三个极相联，其中与发身极相接的是L1和L2。

线圈L2为反馈元件，通过它将反馈电压送到输入端。

C1、C2及CE对交流视作为短路。

图7-6电感三点式振荡电路

2、振荡的相位平衡条件

根据“瞬时极性法”和同名端差别可知，当输入信号瞬时极性为时，经过三极管倒相输出为，即=180°，整个闭环相移即反馈信号与输入信号同相，电路形成正反馈，满足相位平衡条件。

3、振荡的振幅平衡条件

只要晶体三极管的β值足够大，该电路就能满足振荡的振幅平衡条件。

L2越大，反馈越强，振荡输出越大，电路越容易起振，只要求用较小β的晶体管就能够使振荡电路起振。

振荡频率

（7-11）

式（7-11）中M为耦合线圈的互感系数。

通过改变电容C可改变输出信号频率。

5、电路优缺点

（1）电路较简单，易联接。

（2）耦合紧，同名端不会接错，易起振。

（3）采用可变电容器，能在较宽范围内调节振荡频率，振荡频率一般为几十赫兹至几十兆赫兹。

（4）高次谐波分量大，波形较差。

四、电容三点式振荡电路

1、电路组成

电容三点式振荡电路又称为考毕兹电路，电路如图7-7所示，反馈电压取自C1、C2组成的电容分压器。

晶体管VT为放大器件，Rb1、Rb2、RC、Re用来建立直流通路和合适的工作点电压，Cb为耦合电容，Ce为旁路电容，L、C1、C2并联回路组成选频反馈网络。

与电感三点式振荡电路的情况相似，这样的联接也能保证实现正反馈，产生振荡。

图7-7电容三点式振荡电路图7-8改进型电容三点式振荡电路

2、振荡频率

（7—12）

式（7—12）中

3、电路优缺点

（1）反馈电压从电容C2两端取出，频率越高，容抗越小，反馈越弱，减少了高次谐波分量，从而输出波形好，频率稳定性也较高。

（2）振荡频率较高，可达100MHz以上。

（3）要改变振荡频率，必须同时C1和C2调节不方便，并将导致振荡稳定性变差。

4、克拉泼振荡电路

为了方便地调节电容三点式振荡电路的振荡频率，通常在线圈L上串联一个容量较小的可变电容C3，电路如图7-8所示。

例7-1标出图7-9所示电路中变压器的同名端，使之满足产生振荡的相位条件。

解运用“瞬时极性法”，欲使电路满足相位条件，则应符合图中标识的极性，那么，ａ与ｄ是同名端，ｂ与ｃ是同名端。

图7-9例7-1的图图7-10例7-2的图

例7—2电路如图7—6所示，L1=0.3mH，L2=0.2mH，M=0.1mH，电容C在33pF到330pF范围内可调，求：

（1）画出交流通路

（2）振荡频率f的变化范围。

解交流通路如图7-10所示。

答：

振荡频率f在331.31kHz～1.048MHz范围内可调。

第三节RC振荡电路

LC振荡电路的振荡频率过低时，所需的L和C就很大，这将使振荡电路结构不合理，经济不合算，而且性能也变坏，在几百千赫兹以下的振荡电路常采用RC振荡电路。

由RC元件组成的选频网络有RC称相型，RC串并联型，RC双T型等结构。

这里主要介绍RC串并联型网络组成的振荡电路，即RC桥式正弦波振荡电路。

一、RC串并联型网络的选频特性

RC桥式电路如图7-11所示，设R1=R2=R，C1=C2=C，

则反馈系数

令，即（7—13）

则式（7-13）可写为

其频率特性曲线如图7-12（a）、（b）所示。

从图中可看出，当信号频率f=f0时，uf与u0同相，且有反馈系数为最大。

（a）幅频特性（b）相频特性

图7—11RC串并联网络图7—12RC串并联网络的频率特性

二、RC桥式振荡电路

1、电路组成

图7-13所示电路是文氏电桥振荡电路的原理图，它由同相放大器及反馈网络两部分组成。

图中RC串并联电路组成正反馈选频网络，电阻Rf、R是同相放大器中的负反馈回路，由它决定放大器的放大倍数。

RC桥式振荡电路的起振条件

同相放大器的输出电压与输入电压同相，即，从分析RC串并联网络的选频特性知，当输入RC网络的信号频率f=f0时，与同相，即，整个电路的相移，即为正反馈，满足相位平衡条件。

放大器的放大倍数，从分析RC串联网络的选频特性知，在R1=R2=R，C1=C2=C的条件下，当f=f0时，反馈系数F=1/3达到最大，此时，只要放大器的电压放大倍数略大于连（即Rf≥2R），就能满足AF＞1的条件，振荡电路能自行建立振荡。

图7-13文氏电桥振荡电路的原理图图7-14稳幅的振荡电路

3、稳幅方法

根据振荡幅度的变化来改变负反馈的强弱是常用的自动稳幅措施。

如图7—14所示电路就是一个稳幅的文氏振荡电路。

图中R1、R2、C1、C2构成正反馈选频网络，结型场效应管3DJ6作可变电阻的稳幅电路，这种电路使场效应管工作在可变电阻区，使其成为压敏电阻。

D和S两端的等效阻抗随栅压而变，以控制反馈通路的反馈系数，从而稳定振幅。

第四节晶体振荡电路

石英晶体振荡电路是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。

在晶体的两个电极上加交流电压时，晶体就会产生机械振动，而这种机械振动反过来又会产生交变电场，在电极上出现交流电压，这种物理现象称为压电效应。

如果外中交变电压的频率与晶片本身的固有振动频率相等，振同明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电振荡，称该晶体为石英晶体振荡器，简称晶振，它的谐趣振频率仅为晶片的外形尺寸与切割方式等有关。

一、石英晶体的频率特性

石英晶体的符号和等效电路如图7-15（a）、（b）所示。

从石英晶体振荡器的等效电路可知，他有串联谐趣振频率fs和并联谐振频率fp。

（1）当LCR支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R），谐振频率为

（7—14）

（2）当频率高于fs时，LCR支路呈感性，可与电容CO发生并联谐振，谐振频率为

（7—15）

由于CC0，因此fs和fp非常接近。

根据石英晶体的等效电路，可定性的画出它的电抗曲线，如图7—15（d）所示，当频率f＜fs或f＞fp时，石英晶体呈容性；当fs＜f＜fp时，石英晶体呈感性。

（a）（b）（c）（d）

图7-15石英晶体的符号、等效电路和电抗频率特性

通常，石英晶体产品给出的标称频率不是fs也不是fp，而是串接一个负载小电容CL时的校正振荡频率，如图7-15（c）所示。

利用CL可使得石英晶体的谐振频率在一个小范围内（即fs～fp之间）调整。

CL值应比C大。

二、石英晶体振荡电路

石英晶体振荡电路的形式是多种多样的，但其基本电路只有两类，即并联晶体振荡器和串联晶体振荡器。

现以图7-16所示的并联晶体谐振器的原理图为例作简要介绍。

图7—16并联型晶体振荡电路

图7-16所示电路是石英晶体以并联谐振电路的形式出现，从图中可看出，该电路是电容三点式LC振荡电路，晶体在此起电感的作用。

谐振频率f在fs与fp之间，由C1、C2、C3和石英晶体等效电感L决定，由于C1C3和C2C3，所以振荡频率主要取决于石英晶体与C3谐振频率。

石英晶振的频率相对偏移率为10-9～10-11，RC振荡器在10-3以上，LC振荡器在10-4左右。

晶振的频率稳定度远高于后两者，一般用在对频率稳定要求较高的场合，如用在数字电路和计算机中的时钟脉冲发生器等。

习题七

7-1产生自激荡的振幅平衡条件和相位平衡条件是什么？

满足稳定振荡条件是什么？

7-2正弦波振荡电路一般包括哪几个组成部分？

各部分的作用是什么？

7-3简述变压器反馈式ＬＣ振荡电路的组成，振荡原理。

7-4画出两种三点式ＬＣ振荡的电路，写出满足相位条件的振荡回路的三个抽头与晶体管三个电极的连接原则？

并分别写出两种三点式ＬＣ振荡器的振荡频率表达式。

7-5简述ＲＣ串并联网络的选频特性，写出振荡频率f0的表达式，并说明怎样改变振荡频率f0。

7-6组成RC文氏电桥振荡器的基本放大电路的放大倍数必须为多少？

设图7-13所示电路中R=5K，问Rf=5K、Rf=20K以及Rf为8.2K的电阻和10K的可调电阻串联，这三种情况能否分别产生正弦波振荡？

7-7试判断图7-17所示电路中，哪些能产生振荡，哪些不能产生振荡。

（a）（b）

（c）（d）

（e）（f）

图7-17习题7-7的图

7-8图7-18是一个振荡电路，C1=C2=C3=0.1F，C4=510PF，以C5=2200PF，问：

（1）该电路是什么形式振荡电路？

（2）若振荡频率f0=100KHZ，求L？

7-9在图7-8所示的改进型电容三点式正弦波振荡电路中，设C1=C2=1000PF，L=50H，可变电容C3在12PF～365PF范围内可调，试求其振荡频率的变化范围。

图7-18习题7-8的图图7-19习题7-10的图

7-10RC文氏电桥电路如图7-19所示，R1=R2=R4=1000K，R3的最大阻值250K，C1=C2=0.1F求：

（1）电路的振荡频率？

（2）欲使振荡频率为10KHZ，试问电容C1、C2的数值应为大？

（3）可变电阻R3的数值应如何确定？

7-11电路如图7-20所示，石英晶体起什么作用（电感、电容）？

属于何种类型晶体振荡电路？

图7-20习题7-11的图