第5章諧振放大器及正弦波振蕩器

1、5.1 5.1 諧振放大器諧振放大器第第5 5章章 諧振放大器和正弦波振蕩器諧振放大器和正弦波振蕩器5.2 5.2 正弦波振蕩電路的基本工作原理正弦波振蕩電路的基本工作原理5.3 5.3 常用正弦波振蕩器常用正弦波振蕩器5.1.2 5.1.2 常用諧振放大器常用諧振放大器5.1.15.1.1 LC LC并聯(lián)回路的選頻特性并聯(lián)回路的選頻特性5.1.3 5.1.3 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)5.2.1 5.2.1 正弦波振蕩電路的組成框圖正弦波振蕩電路的組成框圖5.2.3 5.2.3 正弦波振蕩器的建立與穩(wěn)定過(guò)程（補(bǔ)充）正弦波振蕩器的建立與穩(wěn)定過(guò)程（補(bǔ)充）5.2.2 5.2.2 正弦波振蕩器的振蕩條

2、件正弦波振蕩器的振蕩條件5.3.3 5.3.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器5.3.1 LC5.3.1 LC振蕩器振蕩器5.3.2 RC5.3.2 RC振蕩器振蕩器 諧振放大器：具有選頻和放大功能的放大器。它是利用LC并聯(lián)回路的選頻特性，從一個(gè)頻帶中選出某一頻率進(jìn)行放大，而將其它頻率予以抑制。5.1 5.1 諧振放大器諧振放大器諧振放大器Vcc V Rc C2 C1 Rb1 c vi RL vo Rb2 Re Ce 寬頻帶放大器 電路組成特點(diǎn)：采用LC并聯(lián)諧振回路作放大器的負(fù)載。應(yīng)用：無(wú)線(xiàn)電發(fā)射和接收設(shè)備。LCf210 當(dāng)信號(hào)頻率f 等于諧振頻率 時(shí)，LC 并聯(lián)電路發(fā)生諧振，阻抗 Z 最大。（

3、1） LC 并聯(lián)回路的阻抗頻率特性5.1.1 LC并聯(lián)回路的選頻特性并聯(lián)回路的選頻特性（2） LC 并聯(lián)回路的相位頻率特性當(dāng)f = f0時(shí)， v與i的相位差 = 0o，電路呈純電阻性。 阻頻特性和相頻特性統(tǒng)稱(chēng)為 LC 并聯(lián)電路的頻率特性。它說(shuō)明了LC 并聯(lián)電路具有區(qū)別不同頻率信號(hào)的能力，即具有選頻特性。LC并聯(lián)回路 （3）阻頻特性與 Q 值關(guān)系 RLfRLRZQL002品質(zhì)因素品質(zhì)因數(shù) Q 表征 LC 并聯(lián)電路選頻特性的好壞。實(shí)驗(yàn)和理論證明：R 越小，Q 值越大，曲線(xiàn)越尖銳，電路選頻能力越強(qiáng)；R 越大，Q 值越小，曲線(xiàn)越平坦，電路選頻能力越差。LC 并聯(lián)電路的 Q 值，一般在幾十到一二百之間。

4、 5.1.2 常用諧振放大器常用諧振放大器 （1）電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：放大管集電極負(fù)載由一個(gè) LC 并聯(lián)回路構(gòu)成，電源經(jīng)電感線(xiàn)圈抽頭接入，其目的是使諧振回路有高的 Q 值，提高放大器的選擇性。 1.1.單回路諧振放大器單回路諧振放大器 （2）工作原理：輸入信號(hào)vi 經(jīng) T1 耦合到放大管 V 的基極，經(jīng) V 放大后，由諧振回路選出 f= f0 的信號(hào)，由 T2耦合輸出。 （3）電路的通頻帶和選擇性：主要取決于諧振曲線(xiàn)，而它與理想的矩形諧振曲線(xiàn)相比相差甚遠(yuǎn)，因此，這種電路只能用于對(duì)通頻帶和選擇性要求不高的場(chǎng)合。2.2.雙回路調(diào)諧放大器雙回路調(diào)諧放大器 電路組成特點(diǎn)：集電極負(fù)載采用兩個(gè)諧振回路，利用它們

5、之間的耦合強(qiáng)弱來(lái)改善通頻帶和選擇性。（1）互感耦合雙回路調(diào)諧放大器 電路特點(diǎn)：放大管集電極負(fù)載由兩個(gè) LC 并聯(lián)回路構(gòu)成，它們之間采用互感耦合。調(diào)節(jié) L1、L2 之間的距離或磁芯的位置，可改變耦合程度，從而改善電路的通頻帶和選擇性。 工作原理：假定 L1C1 和 L2C2 調(diào)諧在信號(hào)頻率上，輸入信號(hào) vi 通過(guò) T1 送到 V 時(shí)，經(jīng) V 放大的信號(hào)先由 L1C1 并聯(lián)回路選出 f= f0 的信號(hào)，并耦合到 L2C2 并聯(lián)回路進(jìn)一步選頻，最后在電感線(xiàn)圈 L2 的抽頭處產(chǎn)生最大的輸出電壓 vo。 電路特點(diǎn)是通過(guò)外接電容 Ck 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)調(diào)諧回路之間的耦合，改變 Ck 的大小即可改變耦合程度，從而改

6、善電路的通頻帶和選擇性。 （2） 電容耦合雙回路調(diào)諧放大器（3） 選擇性和通頻帶與耦合程度的關(guān)系 臨界耦合時(shí)，諧振曲線(xiàn)也呈單峰，但中心頻率f0處曲線(xiàn)較平坦，與理想的矩形諧振曲線(xiàn)很接近。弱耦合時(shí)，諧振曲線(xiàn)出現(xiàn)單峰； 強(qiáng)耦合時(shí)，諧振曲線(xiàn)出現(xiàn)雙峰，中心頻率 f0 處下凹的程度與耦合強(qiáng)度成正比；雙回路調(diào)諧放大器有較好的通頻帶和選擇性，所以應(yīng)用廣泛。 中心頻率：諧振放大電路的工作頻率，一般在幾百 kHz 到幾百 MHz。5.1.3 諧振放大器的主要性能指標(biāo)諧振放大器的主要性能指標(biāo)增益：指放大電路對(duì)有用信號(hào)的放大能力。 通頻帶：指其電壓增益頻率響應(yīng)特性由最大值下降 3dB 時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率寬度，通常以 BW

7、 表示。 選擇性：指對(duì)通頻帶之外干擾信號(hào)的衰減能力。噪聲系數(shù)：輸入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比之比值 。 工作穩(wěn)定性：指當(dāng)放大電路的工作狀態(tài)、元件參數(shù)等發(fā)生變化時(shí)，放大器的主要性能的穩(wěn)定程度。 擴(kuò)音機(jī)揚(yáng)聲器話(huà)筒5.2 5.2 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 自激振蕩現(xiàn)象：擴(kuò)音系統(tǒng)在使用中有時(shí)會(huì)發(fā)出刺耳的嘯叫聲, 其形成的過(guò)程如圖所示。 自由振蕩電容通過(guò)電感充放電，電路進(jìn)行電能和磁能的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 阻尼振蕩在振蕩過(guò)程中，因損耗等效電阻 R 將部分電能轉(zhuǎn)換成熱能而出現(xiàn)的減幅振蕩。 等幅振蕩利用電源對(duì)電容充電，補(bǔ)充電容對(duì)電感放電過(guò)程中的能量損耗 。vvVC5.2.1 5.2.1 正弦波振蕩電路的組成框

8、圖正弦波振蕩電路的組成框圖 1. 1.振蕩器振蕩器 振蕩器是一種無(wú)需外加信號(hào)，就能自動(dòng)將直流電能轉(zhuǎn)換成某一頻率的交流信號(hào)的電路。 vo vf 振蕩電路框圖 正反饋電路 放大器 vi vb vo vf 電 壓 放 大 電 路 框 圖 放 大 器 負(fù) 反 饋 電 路 振蕩器與電壓放大器組成框圖的比較：振蕩器的組成部分：放大器和正反饋電路。 正弦波振蕩器：具有單一工作頻率的自激振蕩電路。 v0 v0 vf vf 正弦波振蕩器的組成框圖 放大器 選頻 正反饋電路 正反饋電路 選頻 放大器 正弦波振蕩器組成：放大電路、選頻電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)。 2.2.正弦波振蕩器正弦波振蕩器 放大器維持振蕩器連續(xù)工作。選

9、頻電路保證電路僅對(duì)某個(gè)特定(單一）的頻率信號(hào)產(chǎn)生諧振。 正反饋網(wǎng)絡(luò)使電路產(chǎn)生自激振蕩。 正弦波振蕩器與諧振放大器電路的比較：+VccVvf 開(kāi)關(guān)S：擲“1”端，電路為諧振放大器；擲“2”端,電路為正弦波振蕩器。 相位平衡條件：反饋信號(hào)的相位與輸入信號(hào)的相位相同，即為正反饋，即 = 2 n （n 為自然數(shù)） 其中，為 vf 與 vi 的相位差，n 是整數(shù)。 振幅平衡條件：反饋信號(hào)幅度與原輸入信號(hào)幅度相等，即 1FAV5.2.2 正弦波振蕩器的振蕩條件正弦波振蕩器的振蕩條件2.2.振蕩的起振條件振蕩的起振條件 振幅起振條件：反饋信號(hào)幅度大于原輸入信號(hào)幅度，即 1FAV1.1.振蕩的平衡條件振蕩的平

10、衡條件相位起振條件： = 2 n （n為自然數(shù)） vi v0 vf 放大器 選頻 正反饋電路 5.2.3 5.2.3 正弦波振蕩器的建立與穩(wěn)定過(guò)程正弦波振蕩器的建立與穩(wěn)定過(guò)程初始信號(hào)由接通電源的瞬間產(chǎn)生，該信號(hào)包含一系列頻率不同的正弦分量。選頻電路放大器正反饋電路 當(dāng)振蕩信號(hào)幅度較小時(shí)，放大管處于線(xiàn)性放大區(qū)，因 AVF 1，振蕩信號(hào)被不斷放大，直到信號(hào)幅度增大到使振蕩管超出線(xiàn)性放大區(qū)時(shí)，即當(dāng) AVF=1 時(shí)，電路變?yōu)榈确袷帯?VccVvf石英晶體振蕩器（頻率穩(wěn)定度極高）并聯(lián)型串聯(lián)型RC振蕩電路(低頻振蕩)RC橋式振蕩電路 變壓器耦合式LC振蕩電路(高頻振蕩)三點(diǎn)式電容式電感式正弦波振蕩器的分

11、類(lèi)根據(jù)選頻電路組成元件的不同共基極 共發(fā)射極 5.3 5.3 常用正弦波振蕩器常用正弦波振蕩器5.3.1 5.3.1 LC LC 振蕩器振蕩器1.1.變壓器耦合式變壓器耦合式 LC 振蕩器振蕩器 電路組成特點(diǎn)： 用變壓器耦合方式把反饋信號(hào)送到輸入端。（1） 共發(fā)射極變壓器耦合 LC 振蕩器LC 振蕩器：利用 LC 選頻回路進(jìn)行選頻的振蕩器。LC 振蕩器用來(lái)產(chǎn)生頻率為幾千赫十幾兆赫的高頻信號(hào)。LC 振蕩器分為變壓器耦合式振蕩器和三點(diǎn)式振蕩器兩大類(lèi)。（2） 共基極變壓器耦合 LC 振蕩器 振蕩條件：電路能滿(mǎn)足相位平衡條件和振幅平衡條件。（1） 共發(fā)射極變壓器耦合 LC 振蕩器 V L 3 4 5

12、6 C 假設(shè)的瞬時(shí)電壓極性。反饋信號(hào)的瞬時(shí)電壓極性。 交流通路 假 設(shè)基 極 的瞬 時(shí) 電壓 極 性為負(fù)。 從反饋線(xiàn)圈L3-4送回基極的瞬時(shí)電壓極性也為負(fù)，與假設(shè)的瞬時(shí)電壓極性相同，電路為正反饋。LC 選頻電路21 工作原理：初始信號(hào)經(jīng) LC 選頻回路產(chǎn)生頻率為 fo 的振蕩信號(hào)，其中一部分信號(hào)經(jīng) L3-4 正反饋回到振蕩管基極，由放大器放大后，再選頻，再放大，不斷地循環(huán)，振蕩由弱到強(qiáng)逐漸建立，當(dāng)信號(hào)幅度增大到使振蕩管超出線(xiàn)性放大區(qū)時(shí)，電路自動(dòng)滿(mǎn)足振幅平衡條件 AVF=1，電路作等幅振蕩。 振蕩頻率 電路的振蕩頻率為 LC 并聯(lián)回路的固有振蕩頻率，即 LCf210 調(diào)節(jié) LC 并聯(lián)回路中的電感

13、量 L 或電容量C，均可改變電路的振蕩頻率 fo。 21 （2）電路不滿(mǎn)足相位平衡條件。由圖中標(biāo)出的瞬時(shí)電壓極性可知，電路為負(fù)反饋。 例例 判斷如下電路能否產(chǎn)生自激振蕩。 （1）電路不滿(mǎn)足振幅起振條件。因三極管的基極被反饋線(xiàn)圈 Lf 短路接地，使V處于截止?fàn)顟B(tài)。+Vcc 解：解：判斷一個(gè)振蕩電路是否能產(chǎn)生振蕩的一般步驟是：檢查電路的直流通路是否正確，即振蕩管能否處于放大狀態(tài)；檢查電路的交流通路是否存在正反饋。 例例 判斷電路能否產(chǎn)生自激振蕩。解：解：電路滿(mǎn)足振幅起振條件和相位平衡條件，能產(chǎn)生自激振蕩。+Vcc （2）共基極變壓器耦合 LC 振蕩器1 1 電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：L 與 C 組成選頻回路；

14、C1 為旁路電容，使基極交流接地；C2 為隔直耦合電容，將選頻回路中的一部分振蕩信號(hào)反饋到振蕩管的發(fā)射極；L1 為反饋線(xiàn)圈，將放大后的信號(hào)送回到選頻回路，以補(bǔ)充回路中的能量損耗。 振蕩條件：電路滿(mǎn)足振幅平衡和相位平衡條件，能產(chǎn)生自激振蕩。 振蕩頻率LCf210 電路滿(mǎn)足相位條件；適當(dāng)選擇 L和 L的比值，使AVF 1，電路滿(mǎn)足振幅條件，電路即能產(chǎn)生振蕩，其振蕩頻率為：2.2.三點(diǎn)式三點(diǎn)式LCLC振蕩電路振蕩電路 電路特點(diǎn)：LC 振蕩回路的三個(gè)端點(diǎn)與三極管的三個(gè)電極相連。(1) 電感三點(diǎn)式振蕩器+Vcc_CMLLLCf)2(212121其中M是L與L之間的互感系數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率很高，一般可達(dá)

15、到幾十兆赫。缺點(diǎn)：波形失真較大。(2) 電容三點(diǎn)式振蕩器 相位條件：當(dāng)振蕩管基極為“”時(shí)，線(xiàn)圈1端電位為“”，3端電位為“” ，電路形成正反饋，滿(mǎn)足相位條件。 振幅條件：適當(dāng)?shù)倪x擇 C、C的數(shù)值，使電路具有足夠大的放大倍數(shù)，電路可產(chǎn)生振蕩。電路的振蕩頻率為 2121o21CCCCLf電路特點(diǎn)：頻率較高，可達(dá) 100MHz 以上。 優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)頻率不方便。+Vcc1.1.RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性 + - - C1 C2 R1 R2 + vi v0 5.3.2 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 RC 正弦波振蕩器是利用電阻和電容組成選頻電路的振蕩器。一般用來(lái)產(chǎn)

16、生頻率在 200HZ 以下的低頻正弦信號(hào)。 （1）電路組成：RC 串并聯(lián)電路如圖所示。 （2）選頻特性 幅頻特性：當(dāng)輸入信號(hào)頻率為0時(shí)， C1 、C2 開(kāi)路，輸出電壓 vo為0。隨著輸入信號(hào)頻率 f 的增加，C1 與 C2 的容抗逐漸減小，電路中出現(xiàn)電流，輸出電壓 vo 逐漸增大，在輸入信號(hào)頻率為無(wú)窮大的情況下，C1、C2 短路，輸出電壓 vo又為 0。當(dāng)輸入信號(hào)頻率 f=fo 時(shí)，輸出電壓最大 ，即 。其幅頻特性曲線(xiàn)描述了這個(gè)變化過(guò)程。 + F(vo/vi ) - - 0 f 幅頻特性曲線(xiàn) 1/3 f0 C1 C2 R1 R2 + viui vo ioVV31 相頻特性：當(dāng)輸入信號(hào)頻率為0時(shí)

17、，輸出電壓 v0 超前于輸入電壓 vi 90o ；當(dāng)輸入信號(hào)頻率為 fo 時(shí)，輸出電壓 與輸入電壓同相位；當(dāng)輸入信號(hào)頻率為無(wú)窮大時(shí)，輸出電壓落后于輸入電壓 90o 。 綜上所述，只有當(dāng) f=fo 時(shí)，F(xiàn)=0，且此時(shí)輸出電壓達(dá)到最大 。由此可見(jiàn)， RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻特性。 + 0 f - - 相頻特性曲線(xiàn) 90 -90 f0 C1 C2 R1 R2 + vi v0 ioVV312.2.RC 橋式振蕩器橋式振蕩器 電路如圖所示，其中RC 串并聯(lián)電路起正反饋和選頻作用， 放大部分由同相放大電路組成。R3、R9 是本級(jí)電流串聯(lián)負(fù)反饋電阻。Rf 是級(jí)間電壓串聯(lián)負(fù)反饋電阻，它們的作用是減小失真、穩(wěn)定

18、輸出。由于RC 串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和 Rf、R3 組成電橋電路，所以這種電路又稱(chēng)為 RC 橋式振蕩電路。 +Vcc Rf R5 R4 R6 R8 C3 vo C1 C2 R1 R2 R3 C5 C4 R7 R9 R10 V1 V2 C5 R1 C1 Rf C3 R2 C2 R3 V1 vo （1）由分立元件構(gòu)成的 RC 橋式振蕩器 電路如圖所示。其中，放大元件由集成運(yùn)放 LM741 承擔(dān)，它與 R1、RP、R2、R3、V1、V2 組成同相放大器，V1，V2 起穩(wěn)幅作用；R4、C1、R5、C2 組成 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，在電路中起正反饋?zhàn)饔?。?）由集成運(yùn)放構(gòu)成的 RC 橋式振蕩器RCf21（4）振蕩

19、頻率 （5）電路的優(yōu)缺點(diǎn) 該電路頻率調(diào)節(jié)方便、調(diào)節(jié)范圍寬。由于電路引入了負(fù)反饋，所以工作穩(wěn)定，波形較好。目前，音頻（低頻）振蕩器多采用這種電路。 在 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)中，取 R1R2R，C1C2C，則振蕩頻率為 （3）電路的起振蕩條件 只要同相放大器的放大倍數(shù)AV3，即有AVF1，電路即滿(mǎn)足起振蕩條件。 石英晶體諧振器是在晶片的兩個(gè)對(duì)面上噴涂一對(duì)金屬極板，引出兩個(gè)電極，加以封裝所構(gòu)成。5.3.3 5.3.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器電路優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高，可達(dá)1010量級(jí)。1.1.石英晶體的基本特性及其等效電路石英晶體的基本特性及其等效電路 壓電效應(yīng)：晶片在電壓產(chǎn)生的機(jī)械壓力下，其表面電荷的極性隨機(jī)械拉力而改變的一種現(xiàn)象。 壓電諧振：外加交變電壓的頻率等于晶體固有頻率時(shí)，回路發(fā)生串聯(lián)諧振，電流振幅最大的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生壓電諧振時(shí)的振蕩頻率稱(chēng)為晶體諧振器的諧振頻率。() 壓電效應(yīng) 當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可用靜態(tài)電容 C0 來(lái)等效；當(dāng)晶體振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振