電子技術(shù)（十一五國家規(guī)劃）第8章

第8章正弦波振蕩器內(nèi)容提要

振蕩器按輸出信號波形的不同，可分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩類。本章將討論正弦波振蕩器，先介紹自激振蕩的概念、產(chǎn)生自激振蕩的條件及用相位平衡條件判別電路能否起振，然后介紹正弦波振蕩電路的基本工作原理及RC振蕩器、LC振蕩器和石英晶體振蕩器的結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用。返回8.1自激振蕩8.2RC正弦波振蕩器8.3LC正弦波振蕩器8.4石英晶體振蕩器我們常見到這種情況：會場里，當(dāng)擴音機的音量開得太大，且話筒與揚聲器位置較近時，揚聲器將發(fā)出刺耳的嘯叫聲。這是因為微小的聲波擾動進入話筒，話筒感應(yīng)電壓經(jīng)擴音機放大，揚聲器把放大了的聲音又送回話筒，形成聲音信號的正反饋。如此反復(fù)循環(huán)，較微弱的聲音就變成了頻譜極為復(fù)雜的噪聲——嘯叫聲，這種現(xiàn)象就是自激振蕩。自激振蕩對放大電路是有害的，它將使電路不能正常工作；而在振蕩電路中，自激卻是有益的，振蕩電路就是利用自激振蕩而工作的。

8.1自激振蕩1.自激振蕩的概念如圖8.1所示的為正弦波振蕩器原理框圖。開關(guān)S先接1端，輸入正弦波ui，經(jīng)放大電路放大后輸出正弦波uo，uo經(jīng)反饋電路輸出反饋信號uf

到2端。調(diào)整放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使uf

=ui

；當(dāng)開關(guān)S迅速切換到2端時，uf

便代替了ui，使放大電路維持輸出信號uo不變。于是電路雖然沒有外加輸入信號，但輸出端出現(xiàn)了具有一定頻率和幅值的正弦波信號——產(chǎn)生了自激振蕩。可見，振蕩電路是一種無需外加信號就能將直流電能變?yōu)榻涣麟娔艿哪芰孔儞Q電路。

圖8.1正弦波振蕩器原理框圖

2.自激振蕩的條件由以上分析可知，產(chǎn)生自激振蕩的條件是uf

=ui，具體可表述為以下兩點。（1）振蕩的相位平衡條件：uf

與ui

必須同相位，也就是要求正反饋。（2）振蕩的幅值平衡條件：uf

與ui

必須大小相等。由于uo

=Aui，uf

=Fuo=FAui，代入關(guān)系式uf

=ui

，得AF=1（8-1）

式中，A為放大電路開環(huán)增益；F為反饋電路的反饋系數(shù)。在自激振蕩的兩個條件中，關(guān)鍵是相位平衡條件。至于幅值條件，可在滿足相位條件后，通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)來達到。綜上所述，振蕩電路是一個具有正反饋足夠強的放大電路。3.正弦波振蕩器的組成

為了說明正弦波振蕩器的基本組成，首先要了解下面幾個問題。（1）起振。實際振蕩器在接通電源后便可輸出正弦波信號，其初始信號來自于接通電源瞬間產(chǎn)生的“電沖擊”，它是包含各種頻率的微弱信號，其中滿足正反饋的信號，如果在振蕩初期幅度很小時能滿足AF＞1的起振條件，就能建立起振蕩，直至AF=1時振幅穩(wěn)定。（2）選頻。為了使振蕩器輸出所需要的、單一頻率的正弦波信號，還要設(shè)置選頻電路，使某一特定頻率的信號進入正反饋，被逐步放大，而其他頻率的信號則在反饋過程中逐步衰減以至消失。選頻電路若由R，C元件組成，則稱為RC正弦波振蕩器；若由L，C元件組成，則稱為LC正弦波振蕩器；若由石英晶體元件組成，則稱為石英晶體正弦波振蕩器。（3）穩(wěn)幅。振蕩器的輸出幅值不會無限制地增大，隨著幅值的不斷增加，電路中的放大元件也逐漸進入非線性區(qū)，放大倍數(shù)因此自動減小，使振蕩幅度平衡在某一水平上，形成自動穩(wěn)幅。穩(wěn)幅通常利用放大電路中非線性元件實現(xiàn)，如晶體管，也可采用負反饋電路或其他限幅電路來保證振蕩器輸出的信號振幅穩(wěn)定。綜上所述，正弦波振蕩器一般由放大電路、正反饋電路、選頻電路和穩(wěn)幅電路4部分組成。實際電路中，常將放大電路與選頻電路或反饋電路與選頻電路合二為一。返回

8.2RC正弦波振蕩器RC正弦波振蕩器適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1Hz～1MHz的低頻信號。1.電路構(gòu)成如圖8.2所示的是RC正弦波振蕩器，它由集成運放構(gòu)成放大電路，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻電路，同時還作為正反饋電路，Rf組成的負反饋電路作為穩(wěn)幅電路，并能減小失真。電路中，RC串聯(lián)電路、RC并聯(lián)電路、Rf和R1接成電橋電路，因而稱為RC橋式振蕩器或文氏橋式振蕩器。圖8.2RC正弦波振蕩器

2.工作原理在RC正弦波振蕩器中，當(dāng)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的時，其反饋電壓與放大器輸出電壓正好同相位，滿足振蕩的相位平衡條件，經(jīng)推導(dǎo)知，反饋電壓是輸出電壓的1/3，即正反饋系數(shù)。若把同相端視做信號輸入端，則運算放大器和R1，Rf構(gòu)成電壓串聯(lián)負反饋，其電壓放大倍數(shù)。根據(jù)起振的條件AuF

＞1，調(diào)節(jié)Rf值略大于2R1時，電路能形成自激振蕩。穩(wěn)幅時，電路的正負反饋平衡。

由可以證明，振蕩的頻率為（8-2）調(diào)節(jié)R和C可使RC正弦波振蕩器的頻率在一個相當(dāng)寬的范圍內(nèi)得到調(diào)節(jié)。在實際應(yīng)用中，常將電阻R用雙連電位器代替，或?qū)㈦娙軨用雙連電容器代替。實驗室用的低頻信號發(fā)生器多采用RC橋式振蕩器。

返回

8.3LC正弦波振蕩器LC正弦波振蕩器的頻率很高，一般都在1MHz以上。LC正弦波振蕩器根據(jù)正反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式3種類型，它們均由電感L和電容C組成選頻電路。利用LC并聯(lián)諧振特性確定振蕩電路的頻率。LC振蕩器中應(yīng)用瞬時極性法判別反饋極性時應(yīng)注意：LC回路中諧振電容、電感兩端的極性相反；對電感，同名端極性相同，異名端極性相反。

8.3.1變壓器反饋式正弦波振蕩器如圖8.3所示的為變壓器反饋式正弦波振蕩器，主要由以下組成：集成運放組成放大電路；L1和C2并聯(lián)諧振回路組成選頻電路；根據(jù)瞬時極性法可判斷由于變壓器原繞組L1和副繞組L2之間的互感耦合，使副繞組L2引入了正反饋，L2為反饋繞組，滿足振蕩的相位平衡條件；Rf為負反饋電阻，起穩(wěn)幅作用；R2為平衡電阻；C1為耦合電容。當(dāng)變壓器的匝數(shù)比和負反饋電阻Rf選擇合適時，可以滿足振幅平衡條件，因而能產(chǎn)生自激振蕩。由LC并聯(lián)電路的知識可知，電路的振蕩頻率為（8-3）此電路的優(yōu)點是：便于實現(xiàn)阻抗匹配，使振蕩器的效率高、起振容易；調(diào)頻方便，改變C2的大小就可以實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。

8.3.2電感三點式正弦波振蕩器如圖8.4所示的為電感三點式正弦波振蕩器。對于交流通路，LC諧振回路中電感的3個端點a，b，c分別與集成運放的兩個輸入端和輸出端相連，故稱為電感三點式，主要由以下組成：集成運放組成放大電路；等效電感L（L1和L2串聯(lián)）與C2并聯(lián)組成選頻電路，正反饋信號從L1兩端取出；Rf為負反饋電阻，起穩(wěn)幅作用；R2為平衡電阻；C1為耦合電容。電路的振蕩頻率為（8-4）式中，L=L1+L2+2M，M為互感系數(shù)。此電路的優(yōu)點是容易起振（L1，L2耦合緊密）、調(diào)頻方便且調(diào)節(jié)范圍較寬；缺點是振蕩波形較差。這種振蕩器常用于對輸出信號波形要求不高的場合。

圖8.3變壓器反饋式正弦波振蕩器圖8.4電感三點式正弦波振蕩器8.3.3電容三點式正弦波振蕩器如圖8.5所示的為電容三點式正弦波振蕩器。從電路結(jié)構(gòu)上看，它把圖8.4所示的電感三點式振蕩器中的電感L1，L2改接為電容C2，C3，電容C2改接為電感L，正反饋信號uf

從C2兩端取出。其工作原理分析與上相同，能滿足相位和幅值平衡條件，產(chǎn)生振蕩。電路的振蕩頻率為（8-5）式中，C為C2和C3的串聯(lián)值。此電路的優(yōu)點是振蕩頻率高（可達100MHz）、振蕩波形好；缺點是調(diào)頻較困難。這種振蕩器常用于對波形要求高、振蕩頻率固定的場合。圖8.5電容三點式正弦波振蕩器返回

8.4.1石英晶體特性石英晶體的化學(xué)成分是SiO2。從一塊石英晶體上按一定方位角切下的薄片（圓形、方形或棒形）稱為晶片，在晶片的兩個對應(yīng)表面上涂敷銀層引出電極，再用金屬或玻璃外殼封裝，就構(gòu)成了石英晶體諧振器，簡稱石英晶體（又稱晶振），如圖8.6所示。8.4石英晶體振蕩器圖8.6石英晶體的結(jié)構(gòu)和外形如圖8.7（a）所示的為石英晶體的符號，圖8.7（b）所示的為等效電路。當(dāng)晶體不振動時，可把它視做一個平板電容器Co，稱為靜電電容。當(dāng)晶體振動時，有一個機械振動的慣性，用電感L來等效，晶體的彈性用電容C來等效。晶片振動時因摩擦而造成的損耗則用R來等效。石英晶體之所以有選頻特性是因其具有“壓電諧振”現(xiàn)象，即外加信號頻率不同時，它可以呈現(xiàn)出不同的電抗特性，其電抗-頻率特性如圖8.7（c）所示。從石英諧振器的等效電路可知，它具有兩個很接近的諧振頻率，即L，C，R支路串聯(lián)諧振頻率fs和整個等效電路并聯(lián)諧振頻率fp。在fs和fp之間的范圍內(nèi)，石英晶體呈感性，相當(dāng)于一個電感元件；在fs頻率上，石英晶體呈純電阻性，相當(dāng)于一個阻值很小的電阻（在fp頻率上，石英晶體呈阻性）；在其他頻率下，石英晶體呈容性，相當(dāng)于一個電容元件。圖8.7石英晶體的符號、等效電路及電抗-頻率特性8.4.2石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種類型。1.串聯(lián)型石英晶體振蕩器如圖8.8（a）所示的為串聯(lián)型石英晶體振蕩器。石英晶體接在正反饋電路中起選頻作用。當(dāng)電路的振蕩頻率為fs時，石英晶體呈純電阻性，阻抗最小，正反饋最強，且相移為零，電路滿足自激振蕩條件，振蕩頻率為fs。而對于fs以外的其他頻率，石英晶體呈現(xiàn)的阻抗增大，不為純電阻性，且相移也不為零，不滿足振蕩條件，不能產(chǎn)生振蕩。調(diào)節(jié)電阻RP可獲得良好的正弦波輸出。

2.并聯(lián)型石英晶體振蕩器如圖8.8（b）所示的為并聯(lián)型石英晶體振蕩器。電路的振蕩頻率在fs與fp之間，石英晶體起電感作用，其工作原理與電容三點式LC正弦波振蕩器相似，電路滿足振蕩條件，振蕩頻率近似為fs

。

石英晶體的最大優(yōu)點是頻率穩(wěn)定度極高，適宜于制作標(biāo)準頻率信號源（如石英鐘、脈沖計數(shù)器等）；缺點是結(jié)構(gòu)脆弱、怕振動，負載能力差等。多用在對頻率穩(wěn)定性要求高的場合下。圖8.8石英晶體正弦波振蕩器（a）串聯(lián)型石英晶體振蕩器；（b）并聯(lián)型石英晶體振蕩器返回（1）正弦波振蕩器實質(zhì)上是一個滿足相位平衡條件和幅值平衡條件的正反饋放大器。