《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件2課題六

課題六正弦波振蕩器6.1自激振蕩原理

6.2RC振蕩器

6.3LC振蕩器

6.1.1振蕩演示在圖6.1所示電路中，把直流電源UCC調(diào)到12V，閉合開(kāi)關(guān)S1、S2。用示波器觀察輸出端Uo是一個(gè)穩(wěn)定的正弦波交流信號(hào)。這時(shí)我們觀察到的振蕩器與前面所講的放大電路不同，放大電路是把輸入端一個(gè)較小的交流信號(hào)放大成一個(gè)較大的交流信號(hào)；而振蕩電路在沒(méi)有輸入信號(hào)的情況下，輸出端將輸出一個(gè)交流信號(hào)，這種情況稱為自激振蕩。那么振蕩器是怎樣在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下產(chǎn)生自激振蕩的呢？下面具體分析其工作原理。6.1自激振蕩原理圖6.1自激振蕩演示電路

6.1.2自激振蕩條件在圖6.2所示電路中，若將開(kāi)關(guān)S合在2端，就是一個(gè)交流電壓的放大電路，當(dāng)輸入信號(hào)電壓為，輸出電壓為，其放大倍數(shù)為，則(6-1)

如果將輸出電壓通過(guò)反饋支路反饋到輸入端，反饋電壓為，并使=，用反饋信號(hào)電壓代替輸入信號(hào)，這就是將開(kāi)關(guān)合在1端，則輸出電壓仍保持不變。這時(shí)放大電路就轉(zhuǎn)變成了自激振蕩電路，從而使我們得到了自激振蕩的條件為，這就是自激振蕩的幅值條件和相位條件。圖6.2自激振蕩產(chǎn)生

1.幅值條件

因?yàn)樗?6—2)式中為反饋電壓;為輸出電壓;為放大倍數(shù);

為反饋系數(shù)。

例如，放大電路的放大倍數(shù)A=100，則反饋系數(shù)就應(yīng)為F≥0.01，這樣才能滿足振蕩的幅值條件。

2.相位條件

因?yàn)榕c同相位,所以若放大器將輸入信號(hào)相移了±180°，那么反饋支路必須將輸出信號(hào)相移±180°，也就是說(shuō)為正反饋時(shí)，才能滿足振蕩的相位條件。(6—3)

6.1.3自激振蕩的建立及穩(wěn)幅問(wèn)題

凡是振蕩電路，均沒(méi)有外加輸入信號(hào)，那么，電路接通電源后是如何產(chǎn)生自激振蕩的呢？這是由于在電路中存在著各種電的擾動(dòng)（如通電時(shí)的瞬變過(guò)程、無(wú)線電干擾、工業(yè)干擾及各種噪聲等），使輸入端有一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)。這個(gè)不規(guī)則的擾動(dòng)信號(hào)可用傅氏級(jí)數(shù)展開(kāi)成一個(gè)直流和多次諧波的正弦波疊加。如果電路本身具有選頻、放大及正反饋能力，電路會(huì)自動(dòng)從擾動(dòng)信號(hào)中選出適當(dāng)?shù)恼袷庮l率分量，經(jīng)正反饋，再放大，再正反饋，使，即，從而使微弱的振蕩信號(hào)不斷增大，自激振蕩就逐步建立起來(lái)，如圖6.3所示。圖6.3振蕩電壓的建立

當(dāng)振蕩建立起來(lái)之后，這個(gè)振蕩電壓會(huì)不會(huì)無(wú)限增大呢？由于基本放大電路中三極管本身的非線性或反饋支路自身輸出與輸入關(guān)系的非線性，當(dāng)振蕩幅度增大到一定程度時(shí)或，便會(huì)降低，使自動(dòng)轉(zhuǎn)變成，振蕩電路就會(huì)穩(wěn)定在某一振蕩幅度。

6.1.4正弦波振蕩電路的組成

從以上分析可知，一個(gè)自激振蕩電路應(yīng)由以下幾個(gè)部分組成：

(1)放大電路。放大部分使電路有足夠的電壓放大倍數(shù)，從而滿足自激振蕩的幅值條件。

(2)正反饋網(wǎng)絡(luò)。它將輸出信號(hào)以正反饋形式引回到輸入端，以滿足相位條件。

(3)選頻網(wǎng)絡(luò)。由于電路的擾動(dòng)信號(hào)是非正弦的，它由若干不同頻率的正弦波組合而成，因此要想使電路獲得單一頻率的正弦波，就應(yīng)有一個(gè)選頻網(wǎng)絡(luò)，選出其中

(4)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。一般利用放大電路中三極管本身的非線性，可將輸出波形穩(wěn)定在某一幅值，但若出現(xiàn)振蕩波形失真，可采用一些穩(wěn)幅措施，通常采用適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)改善波形。綜上所述，一個(gè)正弦波振蕩電路應(yīng)當(dāng)包括放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四個(gè)組成部分。

RC振蕩器一般工作在低頻范圍內(nèi)，它的振蕩頻率約為20Hz~200kHz。常用的RC振蕩器有RC橋式和RC移相式振蕩器。6.2RC振蕩器

6.2.1RC橋式振蕩器

1.RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性

RC串并聯(lián)電路如圖6.4（a）所示，在信號(hào)頻率很低時(shí)，可等效成圖6.4（b）電路。在低頻等效電路中，Z1=-jXc1，Z2=R2。低頻時(shí)，由于Xc1>>R2，所以。在信號(hào)頻率很高時(shí)，其等效電路如圖6.4（c）所示。在高頻等效電路中，Z1=R1，Z2=-jXc2。高頻時(shí)，由于R1>>Xc2，所以。

圖6.4

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及低、高頻率等效電路（a）RC串并聯(lián)電路;（b）低頻等效電路;（c）高頻等效電路

在高低頻兩端，都很小，說(shuō)明在中間某一頻率上會(huì)出現(xiàn)最大值，即F=/為最大。又由于低頻時(shí)相位超前，而高頻時(shí)相位滯后，說(shuō)明當(dāng)頻率由低到高變化時(shí)，的相位由超前變到滯后，必然有一頻率fo使Uf與Uo同相，即φ=0°。在圖6.4（a）中，(6—5)(6—4)

從以上分析可知，當(dāng)f=fo時(shí)，，F(xiàn)為最大值,且相角φf(shuō)=0，即與同相位。正是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的這一特點(diǎn)，可用它來(lái)作為選頻網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)起到正反饋?zhàn)饔?。其頻率特性如圖6.5所示。

圖6.5RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性

2.RC橋式振蕩電路分析

RC橋式振蕩電路如圖6.6（a）所示。根據(jù)自激振蕩的條件，φ=φa+Φf=2πn，其中RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為反饋電路，當(dāng)f=fo時(shí)，φf(shuō)=0°，所以放大器的相移應(yīng)為φa=0°，即可用一個(gè)同相輸入的運(yùn)算放大器組成。又因?yàn)楫?dāng)f=fo時(shí)，F(xiàn)=1/3，所以放大電路的放大倍數(shù)A≥3。起振時(shí)A>3，起振后若只依靠晶體管的非線性來(lái)穩(wěn)幅，波形頂部容易失真。為了改善輸出波形，通常引入負(fù)反饋電路。其振蕩頻率由RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)決定，fo=1/(2πRC)。圖6.6（b）為RC橋式振蕩電路的橋式畫法。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及負(fù)反饋電路中的Rf、R′1正好構(gòu)成電橋四臂，這就是橋式振蕩器名稱的由來(lái)。

圖6.6RC橋式正弦波振蕩電路（a）RC橋式正弦波振蕩電路;（b）橋式畫法6.2.2RC移相式振蕩器

1.RC移相選頻原理

RC電路具有超前移相或滯后移相兩種，如圖6.7所示。在移相電路中，若用其中一種移相電路作為反饋網(wǎng)絡(luò)，至少需三節(jié)RC超前或滯后電路串接，才能相移180°，因?yàn)橐还?jié)RC電路最大相移不超過(guò)90°。

圖6.7RC移相電路（a）RC超前移相電路;（b）RC滯后移相電路

2.RC移相式振蕩電路分析

圖6.8所示放大電路為一共射極分壓式偏置放大電路，其輸出電壓與輸入電壓倒相，即：φa=-180°。圖中用三節(jié)RC超前移相電路，可使φf(shuō)=+180°，那么φ=φa+φf(shuō)=0°，滿足振蕩的相位條件。若用三節(jié)RC滯后移相電路，使其中φf(shuō)=-180°，即φ=φa+φf(shuō)=-360°，同樣可滿足振蕩的相位條件。調(diào)整放大倍數(shù)即可滿足振蕩的幅值條件。RC移相式振蕩器的振蕩頻率為（6—6）圖6.8RC移相式振蕩電路6.3LC振蕩器6.3.1LC并聯(lián)諧振的選頻特性

圖6.9（a）所示為一

LC并聯(lián)回路，R為回路的等效損耗電阻。圖6.9LC并聯(lián)電路及頻率特性（a）LC并聯(lián)電路;（b）頻率特性在圖6.9(a)電路中,通常R<<ωL,所以(6—7)(6—8)

Q為品質(zhì)因數(shù)。Q值越大，R值越小，諧振時(shí)阻抗值越大，相角隨頻率變化的程度越急劇，說(shuō)明選頻效果越好。LC并聯(lián)電路的頻率特性如圖6.9（b）、(c)所示。圖6.9LC并聯(lián)電路及頻率特性（a）LC并聯(lián)電路;（b）、(c)頻率特性

6.3.2變壓器反饋式LC振蕩電路

1.電路組成圖6.10所示為一變壓器反饋式LC振蕩電路。圖中，LC并聯(lián)回路作為三極管的集電極負(fù)載，是振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)。變壓器反饋式振蕩電路由放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)三部分組成。電路中三個(gè)線圈作變壓器耦合。線圈L與電容C組成選頻電路，L2是反饋線圈，與負(fù)載相接的L3為輸出線圈。圖6.10變壓反饋式振蕩電路

2.振蕩條件及振蕩頻率

集電極輸出信號(hào)與基極的相位差為180°，通過(guò)變壓器的適當(dāng)連接，使L2兩端的反饋交流電壓又產(chǎn)生180°相移，即可滿足振蕩的相位條件。自激振蕩的頻率基本上由LC并聯(lián)諧振回路決定。即(6—9)

當(dāng)電路電源接通瞬間，在集電極選頻電路中激起一個(gè)很微弱的電流變化信號(hào)。選頻電路只對(duì)諧振頻率fo的電流，呈現(xiàn)很大阻抗。該頻率的電流在回路兩端產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降經(jīng)變壓器耦合到L2，反饋到三極管輸入端；對(duì)非諧振頻率的電流，LC諧振回路呈現(xiàn)的阻抗很小，回路兩端幾乎不產(chǎn)生電壓降，L2中也就沒(méi)有非諧振頻率信號(hào)的電壓降，當(dāng)然這些信號(hào)也沒(méi)有反饋。諧振信號(hào)經(jīng)反饋、放大、再反饋就形成振蕩。當(dāng)改變L或C的參數(shù)時(shí)，振蕩頻率將發(fā)生相應(yīng)改變。

3.電路特點(diǎn)變壓器反饋式振蕩電路的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易起振，改變電容大小可方便地調(diào)節(jié)振蕩頻率。在應(yīng)用時(shí)要特別注意線圈L2的極性，否則沒(méi)有正反饋，無(wú)法振蕩。

6.3.3電感三點(diǎn)式LC振蕩器

1.電路結(jié)構(gòu)圖6.11所示為電感三點(diǎn)式LC振蕩器，圖（a）是用晶體管作放大電路;圖（b）是用運(yùn)放作放大電路。特點(diǎn)是電感線圈有中間抽頭，使LC回路有三個(gè)端點(diǎn)，并分別接到晶體管的三個(gè)電極上（交流電路），或接在運(yùn)放的輸入、輸出端。

2.振蕩條件及頻率

在圖6.11（a）中，用瞬時(shí)極性法判斷相位條件，若給基極一個(gè)正極性信號(hào)，晶體管集電極得到負(fù)的信號(hào)。在LC并聯(lián)回路中，1端對(duì)“地”為負(fù)，3端對(duì)“地”為正，故為正反饋，滿足振蕩的相位條件。振蕩的幅值條件可以通過(guò)調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)Au和L2上的反饋量來(lái)實(shí)現(xiàn)。該電路的振蕩頻率基本上由LC并聯(lián)諧振回路決定。式中，L=L1+L2+2M。(6-10)圖6.11電感三點(diǎn)式LC振蕩器（a）放大部分為晶體管;（b）放大部分為運(yùn)算放大器

3.電路特點(diǎn)電感三點(diǎn)式LC振蕩電路，由于L1和L2是由一個(gè)線圈繞制而成的，耦合緊密，因而容易起振，并且振蕩幅度和調(diào)頻范圍大，使得高次諧波反饋較多，容易引起輸出波形的高次諧波含量增大，導(dǎo)致輸出波形質(zhì)量較差。6.3.4電容三點(diǎn)式LC振蕩器

1.電路組成圖6.12所示為電容三點(diǎn)式LC振蕩電路。電容C1、C2與電感L組成選頻網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)電極或與運(yùn)放輸入、輸出端相連接。

圖6.12電容三點(diǎn)式LC振蕩器（a）放大部分為晶體管;（b）放大部分為運(yùn)算放大器

2.振蕩條件和振蕩頻率

以圖6.12(b)為例，用瞬時(shí)極性法判斷振蕩的相位條件。若反相輸入端為正極性信號(hào)，LC網(wǎng)絡(luò)的1端點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)極性信號(hào);3端點(diǎn)相應(yīng)為正極性信號(hào)，從而構(gòu)成正反饋形式，滿足相位條件（反饋電壓）。幅值條件如前所述，其振蕩頻率為(6—11)式中，C=C1·C2/(C1+C2)。

3.電路特點(diǎn)由于反饋電壓取自C2，電容對(duì)高次諧波容抗小，反饋中諧波分量少，振蕩產(chǎn)生的正弦波形較好，但這種電路調(diào)頻不方便，因?yàn)楦淖僀1、C2調(diào)頻的同時(shí)，也改變了反饋系數(shù)。為了克服上述缺點(diǎn)，常采用圖6.13所示的選頻網(wǎng)絡(luò)，其中圖(a)電路的振蕩頻率為(6—12a)式中，C′為C1、C2與C3相串聯(lián)后的等效電路，但一般情況C1>>C′，C2>>C′，所以C′≈C3。圖(b)電路的振蕩頻率為

式中，C″=C1×C2/(C1+C2)+C3。三端式振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)由三部分電抗組成，有三個(gè)端子對(duì)外，分別接在三極管的三個(gè)極上或集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端和輸出端上。用三極管作放大器時(shí)，從發(fā)射極向另外兩個(gè)極看，應(yīng)是同性質(zhì)的電抗，而集電極與基極間應(yīng)接與上述兩電抗性質(zhì)相反的電抗。用集成運(yùn)放作放大器時(shí)，從同相輸入端向反相入端及輸出端看去時(shí)，應(yīng)是同性質(zhì)的電抗，反相輸入端和輸出端之間的電抗應(yīng)是與上述兩電抗性質(zhì)相反的電抗。(6—12b)圖6.13改進(jìn)型LC選頻網(wǎng)絡(luò)

6.3.5石英晶體振蕩電路

有些電路要求振蕩頻率的穩(wěn)定性非常高（如無(wú)線電通信的發(fā)射機(jī)頻率）。其Δf/fo達(dá)10-8~10-10數(shù)量級(jí)，用前面所討論的電路很難實(shí)現(xiàn)這種要求。采用石英晶體振蕩器，則可以滿足這樣高的穩(wěn)定性。其外形及結(jié)構(gòu)如圖6.14所示。圖6.14石英晶體外形及結(jié)構(gòu)圖（a）石英晶體外形圖；（b）石英晶體結(jié)構(gòu)圖

1.石英晶體的特性及等效電路

石英晶體之所以能做成諧振器是基于它的壓電效應(yīng)。若在晶片兩面施加機(jī)械力，則沿受力方向產(chǎn)生電場(chǎng)，晶片兩側(cè)產(chǎn)生異性電荷。若在晶片兩面加一交變電場(chǎng)，晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)外加電場(chǎng)的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，機(jī)械振動(dòng)幅值明顯加大，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。由于石英晶體的這種特性，可以把它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效成如圖6.15（a）所示的等效電路。

圖6.15石英晶體的等效電路、頻率特性及符號(hào)

(a)等效電路；(b)頻率特性；(c)符號(hào)

由等效電路可知，石英晶體振蕩器應(yīng)有兩個(gè)諧振頻率。在低頻時(shí)，可把靜態(tài)電容Co看作開(kāi)路。若f=fs時(shí)，L、C、R串聯(lián)支路發(fā)生揩振，XL=XC，它的等效阻抗Zo=R，為最小值串聯(lián)諧振頻率為(6—13)

當(dāng)頻率高于fs時(shí)，XL>XC，L、C、R支路呈現(xiàn)感性，Co與LC構(gòu)成并聯(lián)諧振回路，其振蕩頻率為(6—14)式中，C′=C·Co/(C+Co)。

通常Co>>C，所以fp與fs