《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)教程》課件第七章 正弦波振蕩電路

第六章集成功率放大電路第七章正弦波振蕩電路7.17.2正弦波振蕩電路概述LC振蕩電路7.3RC振蕩電路01正弦波振蕩電路概述一、正弦波振蕩電路簡(jiǎn)介正弦波振蕩電路是用來產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流信號(hào)的電子電路。它的頻率范圍可以從幾赫茲到幾百兆赫茲,輸出功率可能從幾毫瓦到幾十千瓦。廣泛用于各種電子電路中。正弦波振蕩電路用來產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號(hào)。它的頻率范圍很廣，可以從一赫茲以下到幾百兆赫茲以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉(zhuǎn)換而來的。主要應(yīng)用在無線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號(hào)發(fā)生器、半導(dǎo)體接近開關(guān)等方面。常用的正弦波振蕩器分為：1.LC振蕩電路：輸出功率大、頻率高。2.RC振蕩電路：輸出功率小、頻率低。3.石英晶體振蕩電路：頻率穩(wěn)定度高。二、振蕩電路框圖圖7.1正反饋放大電路的方框圖在放大器的輸入端存在下列關(guān)系：Xi=Xs+Xf其中Xi為凈輸入信號(hào)，且及，則正反饋放大器的閉環(huán)增益，最后得到：

（7.1）（7.2）三、自激振蕩1、自激振蕩的定義：在放大電路中，輸入端接有信號(hào)源后，輸出端才有信號(hào)輸出。如果一個(gè)放大電路當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端有一定頻率和幅值的信號(hào)輸出，這種現(xiàn)象稱為放大電路的自激振蕩。圖7.2自激振蕩方框圖在正反饋放大電路中，如果滿足條件|1-AF|=0（或AF=1），則在圖7.1中如果有很小的信號(hào)Xs輸入，便可以有很大的信號(hào)Xo=AfXs輸出。如果使反饋信號(hào)與凈輸入信號(hào)相等，即Xf=Xi，那么可以不外加信號(hào)Xs而用反饋信號(hào)Xf取代輸入信號(hào)Xi。仍能確保信號(hào)的輸出，這時(shí)整個(gè)電路就成為一個(gè)自激振蕩電路，自激蕩器的方框圖就可以繪成如圖7.2所示的形式。2、自激振蕩的條件：當(dāng)AF=1自激振蕩可維持振蕩。AF=1即為自激振蕩的平衡條件，其中A和F都是頻率的函數(shù)，可用復(fù)數(shù)表示為

和，則，即：

式（7.3）稱為自激振蕩的振幅平衡條件。幅度條件表明反饋放大器要產(chǎn)生自激振蕩，還必須有足夠的反饋量（可以通過調(diào)整放大倍數(shù)A或反饋系數(shù)F達(dá)到）。式（7.4）稱為自激振蕩的相位平衡條件。相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋。

（7.3）

（7.4）綜上所述，振蕩器就是一個(gè)沒有外加輸入信號(hào)的正反饋放大器，要維持等幅自激振蕩，放大器必須滿足振幅平衡條件和相位平衡條件。上述振蕩條件如果僅對(duì)某一單一頻率成立時(shí)，則振蕩波形為正弦波，稱為正弦波振蕩器。三、正弦波振蕩電路基本構(gòu)成1.基本放大電路：提供足夠的增益，且增益的值具有隨輸入電壓增大而減少的變化特性。2.反饋網(wǎng)絡(luò)：它的主要作用是形成正反饋，以滿足相位平衡條件。3.選頻網(wǎng)絡(luò)：它的主要作用是實(shí)現(xiàn)單一頻率信號(hào)的振蕩。在構(gòu)成上，選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)可以單獨(dú)構(gòu)成，也可合二為一。很多正弦波振蕩電路中，選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)在一起，選頻網(wǎng)絡(luò)由LC電路組成稱為L(zhǎng)C正弦波振蕩電路，由RC正弦波振蕩電路，由石英晶體組成稱石英晶體正弦波振蕩電路。4.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：引入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可以使波形幅值穩(wěn)定，且波形的形狀良好。判斷電路能否產(chǎn)生振蕩的分析方法：（1）檢查電路是否滿足以上幾個(gè)組成部分；（2）檢查放大電路是否正常工作；（3）將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件；（4）分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅度條件，一般AF應(yīng)略大于1。四、振蕩電路的起振過程振蕩電路剛接通電源時(shí)，電路中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電沖擊，從而得到一些頻譜很寬的微弱信號(hào)，它含有各種頻率的諧波分量。經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用，使f=f0的單一頻率分量滿足自激振蕩條件，其他頻率的分量不滿足自激振蕩條件，這樣就將f=f0的頻率信號(hào)從最初信號(hào)中挑選出來。在起振時(shí)，除滿足相位條件（即正反饋）外，還要使AF>1，這樣，通過放大→輸出→正反饋→放大的循環(huán)過程，f=fo的頻率信號(hào)就會(huì)由小變大，其他頻率信號(hào)因不滿足自激振蕩條件而衰減下去。振蕩就建立起來。由于晶體管的特性曲線是非線性的，當(dāng)信號(hào)幅度增大到一定程度時(shí)，電壓放大倍數(shù)Au就會(huì)隨之下降，最后達(dá)到AF=1，振蕩幅度就會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定在某一振幅上。從AF>1到AF=1過程，就是振蕩電路看激振蕩的建立與穩(wěn)定的過程。02LC振蕩電路LC振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩（幾百千赫以上，運(yùn)放價(jià)格較高，使用較少）。本節(jié)對(duì)LC振蕩電路的結(jié)構(gòu)和工作原理作簡(jiǎn)單介紹。采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)作選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為L(zhǎng)C振蕩電路。LC振蕩電路通常采用電壓正反饋。按反饋電壓取出方式不同，可分為變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式、電容三點(diǎn)式，三種典型電路。三種電路的共同特點(diǎn)是采用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。一、LC回路的頻率特性（a）LC并聯(lián)回路

（b）LC并聯(lián)回路幅頻特性

（c）LC并聯(lián)回路相頻特性圖7.3LC并聯(lián)回路及其頻率特性（Q1>Q2）一個(gè)LC并聯(lián)回路如圖7.3（a）所示，其中R表示電感線圈和回路其他損耗總的等效電阻。其幅頻特性和相頻特性如圖7.3（b）和圖7.3（c）所示。當(dāng)LC并聯(lián)回路發(fā)生諧振時(shí)，諧振頻率為：電路阻抗Z達(dá)到最大，其值為：上式中Q為回路品質(zhì)因數(shù)，其值為：由圖7.3（b）和圖7.3（c）可知，當(dāng)外加信號(hào)頻率f等于LC回路的固有頻率f0（f=f0）時(shí)，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，阻抗Z達(dá)到最大值Z0，相位角=0，電路呈純電阻性，當(dāng)f偏離f0時(shí)由于Z將顯著減小，φ不再為零，在f<f0時(shí)，電路呈感性；f>f0時(shí)，電路呈容性，利用LC并諧振時(shí)呈高阻抗這一特點(diǎn)，來達(dá)到選取信號(hào)的目的，這就是LC并聯(lián)諧振回路的選頻特性?？梢宰C明品質(zhì)因數(shù)越高，選擇性愈好，但品質(zhì)因數(shù)過高，傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)失真。因此，采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路，只能輸出f=f0的正弦波，其振蕩頻率為：當(dāng)改變LC回路的參數(shù)L或C時(shí)，就可改變輸出信號(hào)的頻率。二、變壓器反饋式振蕩電路在變壓器反饋振蕩電路中，其諧振回路接在共發(fā)射極電路的集電極的稱為共射調(diào)集振蕩電路，類似的還有共射調(diào)基振蕩電路和共基調(diào)射振蕩電路。下面以共射調(diào)集變壓器反饋式LC振蕩電路為例進(jìn)行分析。1、電路組成：圖7.4變壓器反饋式振蕩電路圖7.4電路就是共射調(diào)集變壓器反饋式LC振蕩電路，它由放大電路、LC選頻網(wǎng)絡(luò)和變壓器反饋電路三部分組成。線圈L與電容C組成的并聯(lián)諧振回路作為晶體管的集電極負(fù)載，起選頻作用，由變壓器副邊繞組來實(shí)現(xiàn)反饋，所以稱變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路，輸出的正弦波通過L1耦合給負(fù)載，Cb為基極耦合電容。2、振蕩的建立與穩(wěn)定首先按圖7.4所示反饋線圈L2的極性標(biāo)記，根據(jù)同名端和用“瞬時(shí)極性法”判別可知，符合正反饋要求，滿足振蕩的相位條件。其次，當(dāng)電源接通后瞬間，電路中會(huì)存在各種電的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)都是具有諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓，通過反饋線圈回路送到放大器的輸入端進(jìn)行放大。經(jīng)放大和反饋的反復(fù)循環(huán)，頻率為f0的正弦電壓的振幅就會(huì)不斷地增大，于是振蕩就建立起來。由于晶體管的輸出特性是非線性的，放大器增益將隨輸入電壓的增大而減小，直到AF=1，振蕩趨于穩(wěn)定，最后電路就穩(wěn)定在某一幅度下工作，維持等幅振蕩。3、振蕩頻率三、電感三點(diǎn)式振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路有電容三點(diǎn)式電路和電感三點(diǎn)式電路，它們的共同點(diǎn)是諧振回路的三個(gè)引出端點(diǎn)與三極管的三個(gè)電極相連接（指交流通路），其中，與發(fā)射極相接的為兩個(gè)同性質(zhì)電抗，與集電極和基極相接的是異性質(zhì)電抗。這種規(guī)定可作為三點(diǎn)式振蕩電路的組成法則，利用這個(gè)法則，可以差別三點(diǎn)式振蕩電路的連接是否正確。1.電路組成圖7.5電感三點(diǎn)式振蕩電路電感三點(diǎn)式振蕩電路，也稱為哈脫萊振蕩電路。由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋回路組成。選頻網(wǎng)絡(luò)是由帶中間抽頭的電感線圈L1、L2與電容C組成，將電感線圈的三個(gè)端點(diǎn)（首端、中間抽頭和尾端）分別與放大電路相聯(lián)。對(duì)交流通路而言，電感線圈的三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)極相聯(lián)，其中與發(fā)身極相接的是L1和L2。線圈L2為反饋元件，通過它將反饋電壓送到輸入端。C1、C2及Ce對(duì)交流視作為短路。2.振蕩的相位平衡條件根據(jù)“瞬時(shí)極性法”和同名端差別可知，當(dāng)輸入信號(hào)瞬時(shí)極性為+時(shí)，經(jīng)過三極管倒相輸出為

，即=180°，整個(gè)閉環(huán)相移 =360°，即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，電路形成正反饋，滿足相位平衡條件。3振蕩的振幅平衡條件只要晶體三極管的β值足夠大，該電路就能滿足振蕩的振幅平衡條件。L2越大，反饋越強(qiáng)，振蕩輸出越大，電路越容易起振，只要求用較小β的晶體管就能夠使振蕩電路起振。4.振蕩頻率（7.10）式（7.10）中M為耦合線圈的互感系數(shù)。通過改變電容C可改變輸出信號(hào)頻率。5.電路優(yōu)缺點(diǎn)（1）電路較簡(jiǎn)單，易聯(lián)接。（2）耦合緊，同名端不會(huì)接錯(cuò)，易起振。（3）采用可變電容器，能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率，振蕩頻率一般為幾十赫茲至幾十兆赫茲。（4）高次諧波分量大，波形較差。四、電容三點(diǎn)式振蕩電路1.電路組成圖7.6電容三點(diǎn)式振蕩電路電容三點(diǎn)式振蕩電路又稱為考畢茲電路，電路如圖7.6所示，反饋電壓取自C1、C2組成的電容分壓器。三極管T為放大器件，Rb1、Rb2、Rc、Re用來建立直流通路和合適的工作點(diǎn)電壓，Cb為耦合電容，Ce為旁路電容，L、C1、C2并聯(lián)回路組成選頻反饋網(wǎng)絡(luò)。與電感三點(diǎn)式振蕩電路的情況相似，這樣的聯(lián)接也能保證實(shí)現(xiàn)正反饋，產(chǎn)生振蕩。2.振蕩頻率（7.11）3.電路優(yōu)缺點(diǎn)（1）反饋電壓從電容C2兩端取出，頻率越高，容抗越小，反饋越弱，減少了高次諧波分量，從而輸出波形好，頻率穩(wěn)定性也較高。（2）振蕩頻率較高，可達(dá)100MHz以上。（3）要改變振蕩頻率，必須同時(shí)C1和C2調(diào)節(jié)不方便，并將導(dǎo)致振蕩穩(wěn)定性變差。4.改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路為了方便地調(diào)節(jié)電容三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩頻率，通常在線圈L上串聯(lián)一個(gè)容量較小的可變電容C3，電路如圖7.7所示。圖7.7改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路03RC振蕩電路LC振蕩電路的振蕩頻率過低時(shí)，所需的L和C就很大，這將使振蕩電路結(jié)構(gòu)不合理，經(jīng)濟(jì)不合算，而且性能也變壞，在幾百千赫茲以下的振蕩電路常采用RC振蕩電路。由RC元件組成的選頻網(wǎng)絡(luò)有RC稱相型，RC串并聯(lián)型，RC雙T型等結(jié)構(gòu)。這里主要介紹RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)組成的振蕩電路，即RC橋式正弦波振蕩電路。一、RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)的選頻特性（a）RC串并聯(lián)回路

（b）RC串并聯(lián)回路幅頻特性

（c）RC串并聯(lián)回路相頻特性圖7.8RC串并聯(lián)回路及其頻率特性RC橋式電路如圖7.8所示，設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C，則因此反饋系數(shù)為：（7.12）令

，即

，則式（7.12）可寫為：（7.13）其頻率特性曲線如圖7.8（b）、圖7.8（c）所示。從圖中可看出，當(dāng)信號(hào)頻率f=f0時(shí)，uf與u0同相，且有反饋系數(shù)

為最大。二、RC橋式振蕩電路的起振條件同相放大器的輸出電壓

與輸入電壓

同相，即

，從分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性知，當(dāng)輸入RC網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)頻率

f=f0時(shí)，

與同相，即，整個(gè)電路的相移

，即為正反饋，滿足相位平衡條件。放大器的放大倍數(shù)

，從分析RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性知，在R1=R2=R，C1=C2=C的條件下，當(dāng)f=f0時(shí)，反饋系數(shù)F=1/3達(dá)到最大，此時(shí)，只要放大器的電壓放大倍數(shù)略大于連（即Rf≥2R），就能滿足AF＞1的條件，振蕩電路能自行建立振蕩。3.穩(wěn)幅方法根據(jù)振蕩幅度的變化來改變負(fù)反饋的強(qiáng)弱是常用的自動(dòng)穩(wěn)幅措施。如圖7.10所示電路就是一個(gè)穩(wěn)幅的文氏振蕩電路。圖中R1、R2、C1、C2構(gòu)成正反饋選