模擬電子技術(shù)教材十三

1、第五章正弦波振蕩電路學(xué)習(xí)目標(biāo) 知道正弦波振蕩的條件，了解幾種振蕩電路的組成、特點(diǎn)、頻率范圍等，會判斷 電路能否產(chǎn)生振蕩。第一節(jié)正弦波振蕩電路的基本概念正弦波振蕩電路是一種不需要外加輸入信號，就能將直流能量轉(zhuǎn)換成具有一定頻率和一定幅度的正弦波的電路，又稱自激振蕩電路。它在測量、通信、無線電技術(shù)、自動控制和熱加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用我們可以將正弦波振蕩電路想象成微風(fēng)中微微搖動的秋千，如果我們順著秋千擺動的方向來回推動，幾次重復(fù)后，秋千擺動的幅度就會越來越大，形成振蕩”顯然，順著相同的方向進(jìn)行推動”是秋千作大幅度擺動的關(guān)鍵。、振蕩條件振蕩電路由基本放大電路和反饋電路組成，其框圖如圖5-1所示。圖中，

2、基本放大電路就像是微微搖動的秋千，在最初的正弦輸入信號ui作用下，輸出正弦電壓 UO。U0經(jīng)過反饋網(wǎng)ui，也可以在絡(luò)送回輸入端的反饋電壓為 uf,若uf和ui的大小、相位完全一致，即使去掉輸出端得到維持不變的輸出電壓，即產(chǎn)生自激振蕩。由此可見，自激振蕩的形成必須滿足以下兩個條件：（ 1）相位條件 振蕩電路中， 反饋網(wǎng)絡(luò)將輸出反送回輸入端時， 也必須 “順著相同的方向 ”， 即：反饋電壓 uf 與輸入電壓 ui 應(yīng)該相位相同，為正反饋。（ 2）幅值條件 反饋電壓 uf 與輸入電壓 ui 必須大小相等，即必須有足夠的反饋電壓。由 理論推導(dǎo)可知，此時 AF=1 。二、振蕩的建立與穩(wěn)定如上所述，如果

3、uf 和 ui 的大小、相位完全一致，就可以維持振蕩輸出。但振蕩電路最初 的輸入是怎樣得到的呢？實(shí)際上， 當(dāng)振蕩電路電源接通的瞬間， 會產(chǎn)生包含各種頻率成分的 微小的噪聲和干擾信號， 這些信號需經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)選頻后， 選出其中一種滿足自激振蕩條件的 頻率成分，經(jīng)過正反饋和不斷放大后，輸出信號就會逐漸變大，電路起振。顯然，在起振過 程中，uf應(yīng)大于ui，即AF>1。當(dāng)輸出電壓的幅度增大到一定程度后， 放大電路進(jìn)入非線性區(qū)， 使輸出幅度不再繼續(xù)增大。 這樣，在輸出端就得到一個輸出幅度穩(wěn)定的等幅振蕩。但由于放大電路進(jìn)入非線性區(qū)工作， 輸出波形必然會出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。 因此， 需要通過穩(wěn)幅電路改善振蕩

4、電路的輸出波形， 以獲 得理想的正弦波。三、振蕩電路的組成根據(jù)以上分析， 一個完整的正弦波振蕩電路應(yīng)由放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、 選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅電路四個部分組成。 選頻網(wǎng)絡(luò)使振蕩電路形成單一頻率的振蕩，根據(jù)它所采用的元器件類型不同，可將振蕩電路分為 RC 正弦波振蕩電路、 LC 正弦波振蕩電路和石英晶體振蕩電路。 第二節(jié) RC 正弦波振蕩電路RC 正弦波振蕩電路采用 RC 串并聯(lián)電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，用于產(chǎn)生 1MHz 以下的低頻信號。它具有波形好、振幅穩(wěn)定、頻率調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。電路組成RC正弦波振蕩電路如圖 5-2所示。;同相比例枚犬電路廠!工撓頻兼正反嘖剛堵:EG正弦波振蕩電銘(1)

5、放大電路 放大電路采用集成運(yùn)算放大器組成的同相比例放大電路，其放大倍數(shù)為Af。集成運(yùn)算放大器有兩個輸入端：同相輸入端“ +和反相輸入端“”，一個輸出端。組成同相比例放大電路時，ui從同相輸入端輸入，因此 uo與ui同相。(2) 選頻網(wǎng)絡(luò) 由圖5-2可見，選頻網(wǎng)絡(luò) RC串并聯(lián)電路聯(lián)結(jié)在放大電路的輸出端和同相輸入端之間，表明 RC串并聯(lián)電路在選頻的同時還作為反饋網(wǎng)絡(luò)，將反饋電壓為uf反送到輸入端。根據(jù)電路理論，在某一頻率 f0下，RC串并聯(lián)電路的輸出uf與其輸入uo相位相同。用瞬 時極性法可判斷出其反饋極性為正反饋，反饋過程如下：ui與uf極性相同，在運(yùn)算放大器的同相輸入端疊加，因此為正反饋，滿足

6、自激振蕩的相位條件。由進(jìn)一步的理論分析還可知，在頻率為f0時，反饋電壓uf最大，為輸出電壓uo的，即:反饋系數(shù)F=。此時，只要適當(dāng)選擇放大電路的放大倍數(shù)Af,就可以滿足振蕩的幅值條件, 產(chǎn)生正弦波輸出。對于偏離f0的其他信號，不僅 uf與U0相位不同，而且uf也很小，因此不能滿足自激振 蕩條件，這就是 RC串并聯(lián)電路的選頻特性。（3）穩(wěn)幅電路 由振蕩的建立過程可知，起振時應(yīng)使uf大于ui，即AfF>1。由于RC串并聯(lián)電路的反饋系數(shù) F=1/3，因此Af應(yīng)大于3。由集成運(yùn)放的相關(guān)知識（見第三章）可知， 同相放大電路的放大倍數(shù)Af=1+Rf/R1，要求Af>3，即Rf>2R1。起

7、振后，為獲得一定幅度的穩(wěn)定振蕩，uf應(yīng)等于ui, 即卩AfF=1，Rf=2R1。為達(dá)到以上目的，實(shí)際應(yīng)用中常利用二極管的非線性實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)幅。圖5-3所示穩(wěn)幅電路中，二極管VD1、VD2與電阻R2并聯(lián)，因此不論輸出信號在正半周還是負(fù)半周，總有一 個二極管導(dǎo)通。振蕩電路起振時，輸出電壓較小，二極管正向電阻較大， 使Af較大，AfF>1 ， 以利于起振；當(dāng)輸出電壓增大時，通過二極管的電流增大，二極管正向電阻減小，Af相應(yīng)減小，AfF=1，達(dá)到自動穩(wěn)定輸出的目的。振蕩頻率f0。由于RC正弦波振蕩電路只有在頻率 f0處才滿足振蕩條件，因此電路的振蕩頻率就是經(jīng)推導(dǎo)，有(2-35)由此可見，改變 R、

8、C的參數(shù)值，就可以調(diào)節(jié)振蕩頻率。實(shí)際電路中，一般采用波段開 關(guān)改變電容值，用電位器改變選頻網(wǎng)絡(luò)的電阻。第三節(jié)LC正弦波振蕩電路LC正弦波振蕩電路采用 LC并聯(lián)電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)，用于產(chǎn)生1MHz以上的高頻正弦信按反饋電路的形式不同，有變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式三種。nbsp; 、變壓器反饋式振蕩電路nbsp; 1 電路組成 變壓器反饋式振蕩電路如圖5-4所示。(+心電容LC(1)放大電路 采用靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定的分壓式共發(fā)射極放大電路，起放大和控制作用。C1、Ce的容量較大，對交流短路，對直流起隔離作用。nbsp; (2)選頻網(wǎng)絡(luò) 圖5-35中，LC并聯(lián)電路接在三極管的集電極。由電路理論可

9、知， 并聯(lián)電路的諧振頻率為nbsp;在諧振頻率f0下，LC并聯(lián)電路呈電阻性，其等效阻抗最大，因此共射放大電路的輸出電壓也最大，而其他的頻率的阻抗很小，所以輸出電壓也很小，從而達(dá)到選頻的目的。nbsp; ( 3)反饋電路 變壓器次級繞組 N2作為反饋繞組，將輸出電壓的一部分作為反饋電 壓uf送回到放大電路的輸入端。nbsp;為使電路產(chǎn)生自激振蕩，必須正確連接反饋繞組N2的極性，以滿足正反饋的相位平衡條件。共射放大電路的輸出電壓U0與輸入電壓ui相位相反，因此在反饋時需要將U0反相，以達(dá)到uf與ui相位相同，即正反饋的目的。對于變壓器的兩個繞組N1和N2，若互為同名端，則相位相同；若互為異名端，則

10、相位相反。因此，只要將N1和N2按圖中標(biāo)好的同名端連接，則uf與uo相位相反，產(chǎn)生正反饋。將電路從P點(diǎn)斷開，引入輸入信號 ui,用瞬時極性法判別其反饋過程如下：堵(+) f三極管U極(一)同名姥C+)皿同老端 (+) nbsp;同時，適當(dāng)選擇反饋繞組匝數(shù)N2和三極管的電流放大系數(shù)可保證足夠的反饋電壓，滿足幅值平衡條件，使電路產(chǎn)生自激振蕩。nbsp; (4)穩(wěn)幅電路 LC正弦波振蕩電路的穩(wěn)幅是通過三極管的非線性實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)輸出電壓的振幅增大到一定程度時，三極管的電流放大系數(shù)B會下降，使放大電路的放大倍數(shù)也下降，起到穩(wěn)幅作用。nbsp; 2 振蕩頻率 LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率就是LC并聯(lián)電路的諧

11、振頻率，即十幾兆赫。電容C 般米nbsp;變壓器反饋式振蕩電路易于起振，振蕩頻率通常為幾兆赫用可變電容器，因此調(diào)頻方便，應(yīng)用較廣。nbsp;二、電感三點(diǎn)式振蕩電路nbsp;如圖5-4所示為電感三點(diǎn)式振蕩電路，其結(jié)構(gòu)原理與上述變壓器反饋式振蕩電路相似。不同的是，電路中用具有抽頭的電感線圈L1和L2替代變壓器。由于電感線圈通過三個端子與放大電路相連，因此稱為電感三點(diǎn)式振蕩電路。E5-5電感三點(diǎn)式振落電船nbsp;電路中，線圈的首端和尾端分別接三極管的集電極和基極，中間抽頭接地。由線圈L2將輸出電壓的一部分，即反饋電壓 uf反送到輸入端。如圖 5-36所示，將電路從 P點(diǎn)斷 開，設(shè)基極輸入電壓 ui

12、為“+；用瞬時極性法可判斷出uf為“ +；故為正反饋，滿足相位平衡條件。反饋電壓 uf的大小可以通過調(diào)節(jié)中間抽頭的位置來改變，以滿足幅值平衡條件， 使電路起振。通常，反饋繞組L2的匝數(shù)為總匝數(shù)的1/81/4。電感三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩頻率為（2-37）式中，L為LC并聯(lián)電路的總電感。設(shè) L1和L2的互感系數(shù)為 M，貝U L=L1+L2+2M，即(2-38) f0通常為幾十兆赫以下。電感三點(diǎn)式振蕩電路用電感線圈替代變壓器繞組，其優(yōu)點(diǎn)是：電路簡單；L1和L2耦合緊密,更易起振；采用可變電容器 C可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率。其缺點(diǎn)是振蕩的輸出波形 較差，因此常用于對波形要求不高的場合。三、電容三點(diǎn)式振蕩電路如圖5-6所示為電容三點(diǎn)式振蕩電路。由于LC并聯(lián)電路中的串聯(lián)電容 C1和C2通過三個點(diǎn)與放大電路相連，因此稱為電容三點(diǎn)式振蕩電路。+Vcc o一»1圖電容三點(diǎn)式振蕩電路電路中，串聯(lián)電容支路的兩端分別接三極管的集電極和基極，中間點(diǎn)接地。由電容C2將輸出電壓的一部分，即反饋電壓uf反送到輸入端。在圖 5-37中，用瞬時極性法