第13章正弦波振蕩器

1、1 1第13章 正弦波振蕩器13.1振蕩器的組成及工作原理振蕩器的組成及工作原理13.2RC橋式正弦波振蕩器橋式正弦波振蕩器13.3LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器13.4石英晶體正弦波振蕩器石英晶體正弦波振蕩器2 213.1 振蕩器的組成及工作原理振蕩器的組成及工作原理1. 振蕩器的概念振蕩器的概念正弦波振蕩器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)沒有外加輸入信號(hào)的正反饋放大器。自激振蕩原理如圖13.1所示。在放大電路的輸入端輸入正弦信號(hào)，在它的輸出端可輸出正弦輸出信號(hào)。如果通過網(wǎng)絡(luò)引入正反饋信號(hào)，使的相位和幅度都和相同， ，那么這時(shí)即使去掉輸入信號(hào)，電路仍能維持輸出正弦信號(hào)。這種用代替 的方法構(gòu)成了振蕩器的自激振蕩原

2、理。iXioXAXifXXfXfXiXfXiXoX3 3圖 13.1 自激振蕩原理(a) 有輸入信號(hào)；(b) 無輸入信號(hào)4 42. 自激振蕩條件自激振蕩條件由圖13.1可以看出：1ifofioFAXFAXXFXXAX所以 (13.1)上式是產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件。也可把式(13.1)分解為振幅平衡條件和相位平衡條件。(1) 振幅平衡條件為(13.2)1 AFFA5 5該條件表明放大器的放大倍數(shù)與正反饋網(wǎng)絡(luò)反饋系數(shù)的乘積應(yīng)等于1，即反饋電壓的大小必須和輸入電壓相等。(2) 相位平衡條件為jA+jF=2n (13.3) 式中，n=0，1，2，；jA為基本放大器輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差，jF為反饋

3、網(wǎng)絡(luò)輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差。式(13.3)表示基本放大器的相位移與反饋網(wǎng)絡(luò)的相位移的和等于0或2的整倍數(shù)，即電路必須引入正反饋。6 63. 起振與穩(wěn)定條件起振與穩(wěn)定條件實(shí)際上振蕩器開始建立振蕩時(shí)，并不需要借助于外加輸入信號(hào)，它本身就能起振，但電路由自行起振到穩(wěn)定需要一個(gè)建立的過程。例如，當(dāng)電路接通電源時(shí)，噪聲和干擾信號(hào)會(huì)使電路產(chǎn)生初始的微弱輸出信號(hào)，經(jīng)正反饋和放大器的多次循環(huán)放大，輸出信號(hào)的幅度便由小到大直至輸出穩(wěn)定的正弦波信號(hào)。為了保證電路能自行起振，要求XfXi，即AF1 (13.4) 式(13.4)即為振蕩器的起振振幅條件。7 74. 振蕩器的組成振蕩器的組成通過以上對振蕩器的分析和

4、認(rèn)識(shí)，可以看出正弦波振蕩器必須由放大器、正反饋和選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路組成。8 813.2 RC橋式正弦波振蕩器橋式正弦波振蕩器1. 工作原理工作原理圖13.2是RC橋式正弦波振蕩器的原理電路，它由三部分構(gòu)成：RC串并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)放、R1與Rf組成的負(fù)反饋穩(wěn)幅網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)放接成同相輸入方式，即jA=0。當(dāng)信號(hào)頻率為RC網(wǎng)絡(luò)的固有振蕩頻率時(shí)， f=f0=1/(2RC)，反饋網(wǎng)絡(luò)的相移為0， jF=0，此時(shí)滿足自激振蕩的相位平衡條件(jA+jF=0)。9 9圖 13.2 RC橋式正弦波振蕩器原理電路10102. RC串并聯(lián)選頻電路的選頻特性串并聯(lián)選頻電路的選頻特性RC串并聯(lián)電路如圖13.3所示。其

5、中為反饋與選頻電路的輸入電壓，也是放大器的輸出電壓；為電路的輸出電壓，也是放大器的反饋電壓。正反饋與選頻電路的反饋系數(shù)為1U2URCRCRCRCRRCRUUF1j31j1j1j112(13.5)1111圖13.3 RC串并聯(lián)反饋與選頻電路1212令0=1/(RC)，則上式變?yōu)?13.6) 幅頻特性(13.7)相頻特性(13.8)00j31F200231F3arctan00jF1313由式(13.7)和式(13.8)可以畫出RC串并聯(lián)電路的頻率特性曲線，如圖13.4所示。從圖中可看出，當(dāng)=0時(shí)，反饋系數(shù)的幅值最大，為F=1/3，即輸出電壓U2最大，并且與輸入電壓U1同相位， j(0)=0。而當(dāng)0

6、時(shí)，輸出均被大幅衰減，即RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用。0稱為RC串并聯(lián)電路的固有頻率。1414圖 13.4 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性(a) 幅頻特性； (b) 相頻特性1515當(dāng)=0時(shí)，反饋系數(shù)F=1/3，只要同相運(yùn)算放大器的電壓放大倍數(shù)滿足A3，就可滿足振幅平衡條件AF1。R1、Rf組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，其作用是穩(wěn)定輸出信號(hào)的幅度，改善波形，減小非線性失真。在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)常利用二極管、穩(wěn)壓管、熱敏電阻等元件的非線性特性自動(dòng)穩(wěn)定振蕩幅度。161613.3 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器1. LC并聯(lián)回路的諧振特性并聯(lián)回路的諧振特性LC并聯(lián)回路如圖13.5所示，回路中的電阻R為電感線圈及回路其

7、它損耗的等效電阻。電路的等效阻抗為 (13.9)j(j1)j(j1LRCLRCZCLRCLZ1j/通常R很小(RC，C2C，因此f0主要由LC決定。通過調(diào)節(jié)C可以方便地調(diào)節(jié)振蕩頻率。3030圖 13.8 電容三點(diǎn)式振蕩電路(a) 電路；(b) 選頻網(wǎng)絡(luò)313113.4 石英晶體正弦波振蕩器石英晶體正弦波振蕩器1. 并聯(lián)型晶體振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩電路并聯(lián)型石英晶體振蕩電路如圖13.9所示。石英諧振器呈感性，可把它等效為一個(gè)電感。選頻網(wǎng)絡(luò)由晶體與外接電容C1、C2組成。振蕩器實(shí)質(zhì)上可看作是電容三點(diǎn)式振蕩電路。由運(yùn)算放大器、晶體諧振器和外接電容組成的三點(diǎn)式振蕩電路如圖13.10所示，其中Cs為可調(diào)電容，調(diào)節(jié)Cs可微調(diào)振蕩頻率。3232圖 13.9 并聯(lián)型石英晶體振蕩電路3333圖13.10 運(yùn)算放大器構(gòu)成的并聯(lián)型石英晶體振蕩電路34342 串聯(lián)型晶體振蕩電路串聯(lián)型晶體振蕩電路圖13.11所示為一種串聯(lián)型晶體振