第5章 振荡电路.ppt

第5章振荡电路,1、正弦波自激振荡的基本原理2、RC正弦波振荡电路3、LC正弦波振荡电路4、石英晶体振荡器5、非正弦波发生电路,第一节RC正弦波振荡器,一、自激振荡的基本原理二、RC串并联选频电路三、文氏桥式RC振荡器,要求：无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。,在各种频率都有的电扰动下，对于某一特定频率f0的信号形成正反馈：,由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳定在一定的幅值。,一.产生自激振荡的原理,反馈信号代替了放大电路的输入信号。,正弦波激振荡平衡条件,1、正弦波自激振荡条件,振幅平衡条件,相位平衡条件,稳幅电路：当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从AF1回到AF=1,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。,若A()F()=1，称为等幅振荡；,若A()F()1，则称为增幅振荡；,要获得正弦自激振荡，反馈回路中必须有选频电路。,起振与稳幅：输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。,幅值很小频率丰富,频率趋于单一幅值逐渐增大,逐渐变为单一频率的稳幅振荡,振荡的建立和稳定,振荡电路是一个闭合的正反馈系统，正反馈使整个电路的信号振幅不断增长，而放大器的非线性则使信号振幅减小，信号最后达到一个相对稳定的幅度，从而形成一定幅度的稳定振荡。,起振,稳幅,起振条件：,2.起振和稳幅,问题1：如何起振？,Uo是振荡器的电压输出幅度，UB是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=UB。,放大电路中存在内部噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。,满足|AF|1，即可起振。,选频网络：,把满足相位平衡条件的某一频率fo分量的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。,问题2：如何稳幅？,起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。,稳幅电路：当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从AF1回到AF=1,振荡电路是一个闭合的正反馈系统，正反馈使整个电路的信号振幅不断增长，而放大器的非线性则使信号振幅减小，信号最后达到一个相对稳定的幅度，从而形成一定幅度的稳定振荡。,3.正弦波振荡电路基本组成部分,1)放大电路：放大作用2)正反馈网络：满足相位条件3)选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡4)非线性环节（稳幅环节）：稳幅,常合二为一,4.分类,常用选频网络所用元件分类。1)RC正弦波振荡电路：1兆赫以下2)LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,二、RC正弦波振荡电路,1.RC串并联选频网络,低频段,高频段,在频率从0中必有一个频率f0，F0。,谐振频率为,0,0,在频率从0中必有一个频率f0，F0。,0,0,R1C1串联阻抗：,R2C2并联阻抗：,RC串并联选频网络的电压传输系数F,当=1/RC时，不但=0，且最大，为1/3。,三、文氏桥式RC振荡器,B,A,RC桥式正弦波振荡电路（文氏桥振荡器）,将RC选频电路接入同相比例运算电路。,当f=f0时，=0，且F最大，为1/3。,Ui=Up,文氏桥振荡器,以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入同相比例运算放大器，两个网络构成桥路。一对顶点作为接地及输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，就构成文氏桥振荡器。,改进型：频率可调的文氏桥振荡器,改变电容以粗调，改变电位器滑动端以微调。,电位器,三、LC正弦波振荡电路1.LC并联网络的选频特性,理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性,且电阻达到最大。,谐振频率为,选频放大电路,谐振频率为,构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器反馈式、电感反馈式、电容反馈式。,理想LC并联网络在谐振时呈纯阻性,且电阻达到最大。,2.变压器反馈式电路,特点：易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。,必须有合适的同名端！,LC选频网络的振荡频率:,适用于频率约为几十kHz到几MHz的情况。,二、电感反馈式振荡器,反馈信号uf来自线圈L2上的电压，故称为电感反馈式振荡器。LC并联谐振回路的电感线圈的三个端点分别与三极管的三个电极相连，所以又称为电感三点式振荡器。,电感反馈式振荡器工作原理,振荡频率:,式中M是线圈L1和L2之间的互感系数。,该电路振荡频率中等，一般可达到几十MHz。,特点：耦合紧密，易振，振幅大，C用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差，常含有高次谐波。,反馈信号uf来自电容C2的电压，故称为电容反馈式振荡器。LC并联谐振回路的电容的三个端点分别与三极管的三个电极相连，所以又称为电容三点式振荡器。,三、电容反馈式振荡器,电容反馈式（电容三点式）电路工作原理,特点：波形好，振荡频率调整范围小，适于频率固定的场合。,与放大电路参数无关,这种电路振荡频率较高，一般可达到100MHz以上。,石英晶体谐振器的结构示意图及符号,四、石英晶体振荡器,1、石英晶体的基本特性,正效应：在石英晶片的两极加一电场，晶片将产生机械变形。,压电谐振：晶片上外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅突然增加。,石英晶体最基本的特性是具有压电效应。,逆效应：若在晶片上施加机械压力，在晶片相应的方向上会产生一定的电场。,SiO2结晶体按一定方向切割的晶片。,压电效应和压电振荡：机械变形和电场的关系,固有频率只决定于其几何尺寸，故非常稳定。,感性,2、石英晶体的特点,3、并联型石英晶体振荡电路工作原理,振荡频率：,这时石英晶体起电感的作用,4、串联型晶体振荡器工作原理,石英晶体连接在共基放大器T1的射极与T2的射极跟随器的射极之间作为正反馈电路，工作在串联谐振状态，其振荡频率为f1，此时晶体振荡器表现为电阻性。,振荡频率：,五、非正弦波发生电路,1、常见的非正弦波,2、矩形波发生电路,3、三角波发生电路,4、锯齿波发生电路,（1）常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿波,矩形波是基础波形，可通过波形变换得到其它波形。,尖顶波,（2）矩形波发生电路,输出无稳态，只有两个暂态；若输出为高电平时定义为第一暂态，则输出为低电平为第二暂态。,1.基本组成部分（1）输出电路：因为输出只有高电平和低电平两种情况，即两个暂态；故采用电压比较器。（2）反馈网络：因需自控，在输出为某一暂态时孕育翻转成另一暂态的条件，故应引入反馈。（3）延迟环节：要使两个暂态均维持一定的时间，故采用RC环节实现，从而决定振荡频率。,2.电路组成,正向充电：uO（+UZ）R3C地,反向充电：地CR3uO（UZ）,RC回路,滞回比较器,3.工作原理：分析方法,初次合闸通电时电容上电压为0，uO上升，则产生正反馈过程：uOuPuO，直至uOUZ，uP+UT，为第一暂态。,第一暂态：uOUZ，uP+UT。,电容正向充电，tuN，当uN+UT时，再继续增大，uN大于uP，uO从+UZ跃变为UZ，uPUT，电路进入第二暂态。,电容反向充电，tuN，当uNUT时，再继续减小，uN小于uP，uO从UZ跃变为+UZ，uP+UT，电路返回第一暂态。,第一暂态：uOUZ，uP+UT。,第二暂态：uO-UZ，uP-UT。,4.波形分析,（3）三角波发生电路,电路组成方法1：用积分运算电路可将方波变为三角波。,电路组成方法2,将两个RC环节合二为一,2.工作原理,滞回比较器,积分运算电路,求滞回比较器的电压传输特性：UOH=UOL=UZ，应用叠加法，求UT：,产生跳变时Uo