第6章正弦波振荡电路

1、模拟电子技术 制作：郑 敏 二00五年五月 第第6 6章章 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 l6.1 自激振荡的基本原理自激振荡的基本原理 l6.2 LC振荡电路振荡电路 l6.3 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 l6.4 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 6.1 自激振荡的基本原理自激振荡的基本原理 定义定义: : 自激式振荡电路是一种不需要外加激励信号就 能自动地将直流能量转换成周期性交变能量输出 的电路，这种现象又称为自激现象。 分类分类: : 根据电路所产生的振荡信号波形的不同，振荡 电路分为正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路两 大类。 6.1.16.1.1 自激式正弦波振荡电路的组成

2、图6-1 正弦波振荡电路的原理框图 一一. .正弦波振荡的平衡条件正弦波振荡的平衡条件 上式包含了两个方面的意义，即产生振荡 的两个条件： （1）振幅平衡条件： （2）相位平衡条件： A+F=2n 1=FA 1=FA 6.1.2 6.1.2 自激式正弦波振荡的产生及稳定条件自激式正弦波振荡的产生及稳定条件 二二. .正弦波振荡的起振条件正弦波振荡的起振条件 即: 1FA n F 2 1AF A ：起振的相位条件 起振的振幅条件： 6.1.2 6.1.2 自激式正弦波振荡的产生及稳定条件自激式正弦波振荡的产生及稳定条件 三三. .正弦波电路的组成正弦波电路的组成 正弦波振荡电路一般由以下几个基本

3、电 路和环节组成： 放大电路 反馈电路 选频网络 稳幅环节 6.1.2 6.1.2 自激式正弦波振荡的产生及稳定条件自激式正弦波振荡的产生及稳定条件 特点特点: : 选频网络由电感和电容组成,其选频作用主 要由LC的并联谐振来决定。 分类分类: : （1）变压器反馈式振荡电路 （2）电感三点式振荡电路 （3）电容三点式振荡电路 6.2 LC振荡电路振荡电路 一一. .电路的组成电路的组成 三极管与其他元件组 成共发射极放大电路，LC 并联网络作为选频电路接 在晶体管集电极回路中， 反馈信号是通过变压器线 圈的互感作用，由Lf将反 馈信号送回到输入端。 6.2.1 6.2.1 互感耦合式振荡电路

4、互感耦合式振荡电路 图6-2 变压器反馈式LC正弦波振荡电路 二二. .振荡条件振荡条件 （1）相位平衡条件 为满足相位平衡条件，变压器的初级、次级之 间的同名端必须正确连接。如图6-2所示电路，由 瞬时极性法可以判断由Lf、Cb反馈网络构成的反馈 类型。假设某一瞬间基极对地信号电压极性为 “”，由于共射放大电路具有反相的作用，因 此集电极的瞬时极性为“”，即A=180。 6.2.1 6.2.1 互感耦合式振荡电路互感耦合式振荡电路 当频率f=fo时，LC回路的谐振阻抗为纯电阻， 由图中互感线圈的同名端可知，反馈信号与输出电 压极性相反，即F= 180。于是有A+F=360 Lf、Cb反馈网络

5、构成的正反馈，因此满足振荡的相 位条件。 6.2.1 6.2.1 互感耦合式振荡电路互感耦合式振荡电路 （2）起振及平衡的振幅条件 为了满足振荡的振幅条件AF1，对三极管的 值也有一定的要求，一般只要值较大，就能满 足此条件。反馈线圈匝数越多，耦合越强，电路越 易起振。 6.2.1 6.2.1 互感耦合式振荡电路互感耦合式振荡电路 三三. .振荡频率振荡频率 振荡频率由LC并联回路的固有频率来确定，即 ffo= 四四. .振荡的优缺点振荡的优缺点 （1）易于起振，输出电压大。 （2）调频方便常用在一般收音机作为本机振荡器使用, 因其频率稳定度较差，分布电容影响大，在高频段 用得很少。 （3）输

6、出波形不理想。 LC2 1 6.2.1 6.2.1 互感耦合式振荡电路互感耦合式振荡电路 一一. .电路的组成电路的组成 如图所示电路由于电 感L2将谐振电压部分反馈 回发射极， 因此是电感反 馈式振荡电路。 又由于电 感的3个端子分别与三极管 的3个电极相连，所以称为 电感三点式振荡电路。 6.2.2 6.2.2 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 图6-3 电感三点式振荡电路 二二. .振荡条件振荡条件 （1）相位平衡条件 假设在发射极输入的信号瞬间极性为正，由于 共基极放大电路是同相放大器，因此集电极的瞬时 电压极性与发射极的瞬时电压极性相同，则从电感 L2两端获得的反馈信号对地极性也

7、为正，即反馈信 号与原假设的输入信号极性相同，形成了正反馈， 满足相位起振及平衡条件。 6.2.2 6.2.2 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 （2）振幅条件 从图中可以看出，反馈电压取自电感L2两端， 并通过Ce耦合到三极管发射极，所以改变线圈抽头 的位置，即改变L2的大小，当满足振幅条件AF1 时，电路便可以起振。通常L2的匝数是电感线圈总 匝数的1/81/4，就能满足振幅起振条件。线圈抽头 的位置可通过调试决定。 6.2.2 6.2.2 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 三三. .振荡的优缺点振荡的优缺点 （1）因电感L1、L2之间的耦合很紧，所以电路易于 起振，输出幅度大。

8、（2）调频方便，电容C若采用可变电容器，就能获得 较大的频率调节范围。 （3）因反馈电压取自电感L2的两端，它对高次谐波 的阻抗大，反馈也强，因此在输出波形中含有较多的 高次谐波成分，输出波形不理想。 6.2.2 6.2.2 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 6.2.3 6.2.3 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 一一. .电路的组成电路的组成 图6-4 电容三点式振荡电路 二二. .电路的优缺点电路的优缺点 （1）容易起振，振荡频率高，一般可以达到100MHz 以上。 （2）输出波形好。这是由于电路的反馈电压取自电容 C2两端的电压，而电容C2对高次谐波的阻抗小，反馈 电路中的谐波

9、成分少，因此振荡波形较好。 （3）调节频率不方便。因为C1、C2的大小既与振荡 频率有关，也与反馈量有关，改变C1（或C2）时会影 响反馈系数，从而影响反馈电压的大小，造成工作性 能不稳定，甚至停振。 6.2.3 6.2.3 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 三三. .改进型电容三点式振荡电路改进型电容三点式振荡电路 6.2.3 6.2.3 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 图6-5 克拉泼振荡电路 特点: 一般LC振荡电路的频率稳定度只有 105，如果要求频率稳定度超过105数 量级，就必须采用石英晶体振荡器，这 是因为石英晶体振荡电路的频率稳定度 可达109 1011数量级。 6.

10、3 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 一石英晶体的基本特性一石英晶体的基本特性 石英晶片具有压电效应和反压电效应。 当 外加交的尺寸）相等时，机械振动的幅度将 急剧 增加且最大，同时在晶片的两极板间产生的 电场 也最强，通过石英晶体的电流幅度达到最大， 这 种现象称为压电谐振。由于它与LC回路的谐 振现 象十分相似，因此石英晶体又称为石英晶体 谐振 器变电压的频率与晶片的固有频率（决定于 晶 片。 6.3.1 6.3.1 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 二石英晶体的等效电路二石英晶体的等效电路 6.3.1 6.3.1 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 图图6-66-6 石英晶体等效电路及电抗曲线 一

11、并联型石英晶体振荡电路一并联型石英晶体振荡电路 图6-7 并联型石英晶体振荡电路 6.3.2 6.3.2 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 二串联型石英晶体振荡电路二串联型石英晶体振荡电路 图6-8 串联型石英晶体振荡电路 6.3.2 6.3.2 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 特点: 常见的RC振荡电路有RC桥式正弦波振荡电 （又称文氏电桥振荡电路)和RC移相式振荡电 路，它们适用于产生频率在几赫兹到几百赫兹的 低频信号，在RC桥式正弦波振荡电路中，其选 频和反馈网络是由RC串并联网络构成的。 6.4 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 6.4.1 RC6.4.1 RC串并联网络的选频特性串

12、并联网络的选频特性 l图6-8是RC串并联网络 电路，下面将对该电路 的选频特性作定性分析。 图6-8 RC串并联电路 C C C Z C C C Rj1 R j 1 +R j 1 R j Rj1 j 1 RZ 2 1 6.4.1 RC6.4.1 RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 RC串并联网络的传递函数为： jj j j CC C C R+1 R + R+1 R+1 R = Z+Z Z = F 21 2 R 3 3）（）（ C C 1 RCj+ 1 = 1 CRj+R R 2 = RC 1 =o 如令 则： 3）（ j+ 1 =F o o 6.4.1 RC6.4.1 RC串并联网

13、络的选频特性串并联网络的选频特性 因此，RC串并联选频网络的幅频响应和相频响应 为： 3 22 ）（ + 1 =F o o 3 ） （ arctan o o F 当时 时，RC串并联网络发生谐振，此时幅频响应的幅 值为最大值，即： RC2 1 = RC = oo ff或 1 3 1 =F max 6.4.1 RC6.4.1 RC串并联网络的选频特性串并联网络的选频特性 图6-9 RC串并联选频网络的频率响应 （a）幅频响应 （b）相频响应 6.4.2 6.4.2 文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路 vRC桥式振荡电路的 原理电路如图6-10 所示。 v该电路由两部分组 成：基本的同相输 入比例放

14、大电路、 RC串并联选频网络。 6.4.2 6.4.2 文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路 l工作原理分析如下： l当f=fo时，RC串并联网络的相移为零，即F=0； 基本放大电路又是由具有电压串联负反馈的同相 放大器组成，即有A=0。因此，有F+A =0，满 足振荡电路振荡的相位平衡条件。此时，只要满 足幅值条件 即可产生振荡信号。 l因为谐振时 ，所以只要满足： l同相放大电路的增益为： l只要适当选择Rf与R1的值（使），就能产生振荡。 1FA 3 1 max F 3A 1 f R R +1=A 本本 章章 小小 结结 v反馈式正弦波振荡电路由两大部分组成：基本 的放大电路、反馈网络。基本放大电路完成放 大作用，并将直流电源的能量转换成交流信号 输出；反馈网络提供能满足振荡的相位平衡条 件。基本放大电路或反馈网络还兼有选