電子電路基礎(chǔ)課件正弦波振蕩器

第二章正弦波振蕩器正弦波振蕩器的定義：

不需輸入信號控制就能自動將直流能量轉(zhuǎn)換為特定頻率和振幅的正弦交變能量的電路。振蕩器的指標：振蕩頻率和振蕩振幅的準確性和穩(wěn)定性，其中以振蕩頻率的準確性和穩(wěn)定性最為主要。振蕩器的分類：正反饋構(gòu)成的振蕩器負阻振蕩器2－1反饋振蕩器的工作原理

反饋振蕩器實際是一個主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉合環(huán)路，如圖反饋振蕩器的主網(wǎng)絡(luò)是諧振放大器，反饋網(wǎng)絡(luò)是耦合線圈Lf。

振蕩的條件：保證接通電源后從無到有地建立起振蕩的條件以及保證進入平衡狀態(tài)，維持等幅持續(xù)振蕩的平衡條件2－1－1平衡和起振條件把閉合環(huán)路在x處開，環(huán)路增益為T(jω)=Vf/Vi若在某一角頻率上(ωosc),Vf和Vi同相又等幅，即Vf＝Vi或T(jωosc)=1，則主網(wǎng)絡(luò)輸出角頻率為ωosc的正弦振蕩電壓Vo，而它所需輸入電壓Vi則完全由反饋電壓Vf提供，無需外加輸入電壓。因而上式是維持振蕩器輸出等幅持續(xù)振蕩的平衡條件，又稱巴克好森條件。

若令T(jωosc)=T(

osc)ej

T(

osc)

T(ωosc)=1

(1)

T(ωosc)=2n

(n=0,1,2,…)

(2)

式(1)為振幅平衡條件，(2)為相位平衡條件；而要保證振蕩器起振，必須：

Vf>Vi或T(ωosc)>1；

T(ωosc)=2n

(n=0,1,2,…)。前者為振幅起振條件，后者為相位起振條件。2－1－2基本組成及其分析方法.振蕩器必須滿足起振條件和平衡條件。因此閉合回路中必須包含可變增益放大器和相移網(wǎng)絡(luò)。前者提供足夠的增益，且其值具有隨電壓增大而減小的變化特性，以保證環(huán)路進入平衡狀態(tài)，使振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩幅度；而后者應(yīng)在振蕩頻率上為環(huán)路提供合適的相移，使環(huán)路相移為零（或2n

)。

.各種反饋振蕩電路的區(qū)別就在于可變增益放大器和相移網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)電路。可變增益放大器包括晶體三極管，場效應(yīng)管放大器，差分放大器和集成運放。實現(xiàn)方法包括內(nèi)穩(wěn)幅和外穩(wěn)幅.相移網(wǎng)絡(luò)包括LC諧振回路，RC選頻網(wǎng)絡(luò)和石英晶體諧振器等。.

對反饋振蕩器的近似分析方法：首先，檢查振蕩電路是否包含可變增益放大器和相移網(wǎng)絡(luò)，閉合環(huán)路是否正反饋;

其次，分析起振條件。起振時，為小信號工作，可用小信號分析方法;

最后，分析振蕩器的頻率穩(wěn)定度，并提出改進措施。2－2LC正弦波振蕩器

采用LC諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)的反饋放大器為LC正弦波振蕩器。包括：變壓器耦合振蕩電路三點式振蕩電路差分管振蕩電路。2－2－1三點式振蕩電路

右上圖為電容三點式電路，反饋電壓取自L和C2組成的分壓電路;下圖為電感三點式電路，反饋電壓取自C和L2的分壓器。共同特點是諧振回路三個引出端和三極管三極連接，與發(fā)射極連接的為同性質(zhì)電抗，另一個為異性質(zhì)電抗，這種連接的三點式振蕩電路，必滿足相位平衡條件，實現(xiàn)正反饋。

當回路諧振時，ω=ωo即時，X1+X2+

X3=0,回路呈純阻。此時

φA(ωo)=-π

反饋電壓

Vf=jX2V0/[j(X2+X3)]=-X2V0/X1

為了滿足相位平衡條件

φf(ωo)=-π

X2

必須與X1同性質(zhì)，X3必須異性質(zhì)電抗。這樣，振蕩器的振蕩頻率就是諧振回路的諧振頻率。

電容三點式振蕩器的實用電路：上圖為共射組態(tài)，下圖為共基組態(tài)。不管何種組態(tài)，它們都是由可變增益器件和相移網(wǎng)絡(luò)組成。而且它們的交流通路均滿足與發(fā)射極相連的是兩個同性質(zhì)的容性電抗，不與發(fā)射極相連的是感性電抗，以實現(xiàn)正反饋。

電路中，三極管必須偏置在合適的靜態(tài)工作點，以保證它在起振時工作在放大區(qū)，提供足夠的增益，滿足振幅起振條件。以后在振蕩過程中，隨振幅增長，放大管將部分工作進入截止區(qū)，導(dǎo)致增益下降。同時，偏置電路的自給偏置效應(yīng)也將進一步導(dǎo)致放大器增益隨振蕩幅度增大而下降。電感三點式振蕩器電路

分析電容三點式振蕩電路的起振條件：右上角為共基組態(tài)電容三點式的交流同路。設(shè)L、C1、C2并聯(lián)諧振回路的固有諧振電阻為Reo=ωLQo，Qo為回路的固有品質(zhì)因數(shù)。為工作頻率遠小于Ft，三極管可使用混合π型簡化等效電路，如圖。把環(huán)路從x處斷開，在斷開點右邊加環(huán)路輸入電壓Vi,，左邊加自斷開點向右看進去的阻抗。如右圖：RL′=RL║Reo,并令Ri=RE║re≈re,C2′=C2+Cb′e

電容三點式電路相位和振幅起振條件：

B=0gm>A,

或者

X1+X2+

X3=X1X2X3gL′gi

gm>gL′(X1+X2)/X2+gi(X1+X3)/

X3

根據(jù)相位起振條件，振蕩頻率為

式中C＝C1C2

′/（

C1＋C2

′)，

分別為回路總電容和固有諧振角頻率。

簡化的起振條件是：X1+

X2+X3≈0，gm>(gL′+n2gi

)/n,

式中，n=

X2/(X1+X2)=

C2/(C1+C2′

)

2－2－2差分對管振蕩電路

如右圖，T1和T2為差分對管，其中T2的集電極外接LC諧振回路，諧振在振蕩頻率上，并將輸出電壓加到T1的基極，構(gòu)成正反饋。T2的集電極通過LC諧振電路回到T2管的基極。VBB成為兩管的基極偏置電壓，保證兩管基極同電位。

判斷電路能否振蕩例一：判斷右圖是否振蕩解：若振蕩頻率高于L、C3串聯(lián)諧振回路的振蕩頻率，L、C3串聯(lián)支路呈感性，為電容三點式電路。

C為C1，

C2，

C3串聯(lián)電容值。例二試判斷如圖所示電路是否振蕩，如果不能振蕩，請改正2－3LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是振蕩器的重要性能指標，定義是：在規(guī)定時間或規(guī)定溫度，濕度，電源電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化量。頻率穩(wěn)定度有長期，短期和瞬時之分。通常講的頻穩(wěn)度一般指短期頻穩(wěn)度，當振蕩頻率為規(guī)定fosc時，短期頻穩(wěn)度定義為：2-3-1頻率穩(wěn)定度的定性分析2－3－1頻率穩(wěn)定度的定性分析

提高LC振蕩器的頻穩(wěn)度的基本措施：設(shè)法減小外界因素變化減小外接因素變化引起ω0、Qe、φe的變化

減小φe和增大Qe

2－3－2提高頻穩(wěn)度的基本措施提高頻穩(wěn)度的基本措施：

1。減小外界因素的變化

2。提高振蕩回路標準性，減小L和C的相對變化量。

2－3－3克拉潑振蕩電路

克拉潑電路是電容三點式振蕩器的改進型路，區(qū)別是加了一個與L串接的電容C3，為了減小耦合，C3較小，

C1，

C2較大，回路總電容接近C3。C3越小，管子極間電容對回路諧振頻率的影響越小，回路標準性越高。但C3太小，電路不起振。2－4晶體振蕩器

要使用高頻穩(wěn)度的振蕩器，必須采用晶體振蕩器，晶體振蕩器是用石英諧振器控制和穩(wěn)定振蕩頻率的振蕩器。石英諧振器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖

石英片有固有震動頻率，而且十分穩(wěn)定。它的震動具有多諧性，除基頻振動外，還有奇次諧波的泛音振動。將石英諧振器接到振蕩器的閉合環(huán)路中，利用它的固有振動頻率，可以有效的控制和穩(wěn)定振蕩頻率。振蕩器的振蕩頻率可以控制在石英片的機械振動頻率上，頻穩(wěn)度可達到10－6或更高數(shù)量級。

若忽略rq，晶體兩端阻抗為純阻抗，大小為：式中

在ωs~ωp頻率范圍內(nèi)

，Xer為感性，其他頻段為容性。在ωs上，Xer＝0，具有串聯(lián)諧振特性；

ωs為串聯(lián)諧振角頻率；在ωp上，Xer－>∞,具有并聯(lián)諧振特性

ωp為并聯(lián)諧振角頻率2－4－2晶體振蕩電路

根據(jù)晶體在振蕩電路的不同作用，晶體振蕩器有并聯(lián)型電路和串聯(lián)型電路之分。晶體工作在稍高于fs呈感性的頻段內(nèi)，等效為三點式電路的回路電感，構(gòu)成的振蕩電路為并聯(lián)型晶體振蕩電路。晶體工作在fs上，等效為串聯(lián)諧振電路，對應(yīng)振蕩電路為串聯(lián)型晶體振蕩電路。

一。并聯(lián)型晶體振蕩電路皮爾斯振蕩電路類似電容三點式

C1和C2的串聯(lián)電容直接并聯(lián)在晶體兩端，是晶體的負載電容。如果其值等于晶體規(guī)定值，那么振蕩電路的振蕩頻率就是晶體標稱頻率。二。串聯(lián)型晶體振蕩電路XK76集成晶體振蕩器的內(nèi)部電路，T2,T1接成同向放大器，晶體為反饋單元，構(gòu)成正反饋。當晶體串聯(lián)諧振等效為短路元件時，正反饋最強，滿足振幅起振條件，而偏離時，晶體呈阻抗，其值迅速增大，反饋明顯減弱，振蕩器不滿足起振條件。所以靈敏度很高。2－5RC正弦波振蕩器采用RC電路作為移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器為RC正弦波振蕩器。移相網(wǎng)絡(luò)包括：

RC導(dǎo)前移相電路

RC滯后移相電路

RC串并聯(lián)選頻電路

由圖可見：前兩種電路具有單調(diào)變化的幅頻特性。

A(ω)->1時，φ(ω)->00

A(ω)->0時，φ(ω)->

而當ω＝ω0＝時，A(ω0)＝1/√2,φ(ω0)=

第三種電路類似LC諧振電路，ω＝ω0＝1/RC時，

A(ω0)＝1/3，φ(ω0)=

，當ω偏離ω0，A(ω0)趨近于零，φ(ω0)向正負方向增大，并趨近

前兩種為RC相移振蕩器，第三種為文氏電橋振蕩器。

如圖為采用導(dǎo)前相移電路構(gòu)成的RC相移振蕩器電路，集成運放接成反相放大器，RC導(dǎo)前相移振蕩電路必須提供1800相移。因為一節(jié)RC電路實際能提供的最大相移小于900，因此需要至少三節(jié)RC電路才能提供1800相移。

將圖（a）電路中X處斷開，斷開點右端加Vi,左端接集成反相放大器的輸入電阻（Rid=R）,

得到所示電路。由上式求得振蕩角頻率和振幅起振條件為

右圖為外振幅得文氏電橋振蕩電路。集成運放接同相放大器，提供零相移，只有當ωosc＝ωo＝1/(RC),RC串并聯(lián)電路提供零相移，相位平衡，振蕩器的環(huán)路增益為選擇適當Rt和R1值，使

T（ω0）>1，就可滿足振幅起振條件。2-6負阻正弦波振蕩器

負阻放大器是利用負阻器件與LC諧振回路構(gòu)成的正弦波振蕩器，工作在超高頻段。負阻器件是指它的增量電阻為負值的器件。以隧道二極管為例，伏安特性如右圖。

若將靜態(tài)工作點設(shè)置在負阻區(qū)，并加上微弱正弦電壓v=Vmsinωt,即管子兩端電壓為

vD=VQ+v=VQ+Vmsinωt

則在忽略失真下，管子電流為

iD=IQ+i=IQ-Imsinωt

其中，IQ為靜態(tài)工作點電流，i為增量電流，其值為i=(-gn)v=(-gn)Vmsinωt=-Imsinωt.

式中，Im=gnVm，-gn是隧道二極管在靜態(tài)工作點的增量電導(dǎo)，其值為負。

式中，VQIQ表示直流電源供給的直流功率，表示交流功率。由于Vm<VQ，Im<

IQ,即P>0。負阻總是消耗功率，而且能把一部分直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率。2-6-2負阻振蕩原理及其電路

負阻器件并接到并聯(lián)諧振回路上的交流電路如圖，齊次微分方程為：當gm/2ω0c<1時，求得當ge/2ω0c<1時，一旦收到?jīng)_擊，就產(chǎn)生余弦振蕩，直到gn(av)=ge0

負阻振蕩器就是利用以上原理，振幅起振條件為gn>geo，平衡條件為在這種振蕩電路中，負阻器件必須接在諧振回路中，保證加到負阻器件的電壓控制量是正弦的，又稱電壓型負阻振蕩器。2－7寄生振蕩

振蕩分為：低頻寄生振蕩和超高頻寄生振蕩。低頻寄生振蕩是由放大或振蕩電路中的扼流圈和隔直流電容或者旁路電容構(gòu)成；減小的方法是：減少扼流圈個數(shù)，并恰當選擇扼流圈的電感量和隔直流電容量，或者在扼流圈中串接小電阻或并聯(lián)大電阻來增加