第4章 正弦波振荡器

1、第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-201第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-202 振荡器的定义 振荡器振荡器就是自动地将就是自动地将直流直流能量转换能量转换为具有一定波形参数的为具有一定波形参数的交流振荡信号交流振荡信号的装置。的装置。和放大器一样也是能量转换器。它与放大器和放大器一样也是能量转换器。它与放大器的区别在于，的区别在于，不需要外加信号的激励不需要外加信号的激励，其输，其输出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。的参数决定。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-203作用：作用：产生产

2、生一定频率和幅度的信号一定频率和幅度的信号利用负阻器件的负阻效应利用负阻器件的负阻效应产生振荡产生振荡利用利用正反馈原理正反馈原理构成构成振荡器的作用、分类与要求振荡器的作用、分类与要求正弦波振荡器的要求：具有正弦波振荡器的要求：具有较高的较高的振荡频率和幅度的准确性振荡频率和幅度的准确性 和稳定度。和稳定度。按振荡波形不同分按振荡波形不同分正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器按组成原理不同分按组成原理不同分负阻振荡器负阻振荡器反馈振荡器反馈振荡器第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2044.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理主要要求：主要要求： 掌握

3、反馈振荡器的组成和基本工作原理。掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理。掌握反馈振荡器的起振条件和平衡条件。掌握反馈振荡器的起振条件和平衡条件。掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2054.1.1 反馈振荡器产生振荡的基本原理反馈振荡器产生振荡的基本原理 生活中常见的自激振荡现象生活中常见的自激振荡现象 ：扩音系统中的电声振荡扩音系统中的电声振荡 第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-206iUoUfU4.1.1 反馈振荡器产生振荡的基本原理反馈振荡器产生振荡的基本原理正弦波振荡器由正弦波振荡器由放大

4、器放大器、反馈网络反馈网络和和选频网络、选频网络、稳稳幅环节幅环节组成。组成。无外加输入信号无外加输入信号第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-207开关在位置时：开关在位置时：iUoUfU开关转开关转2 2位置时：位置时： 经放大器放大后输出经放大器放大后输出 ，经过反馈网络，经过反馈网络后在反馈网络输出端得到反馈信号后在反馈网络输出端得到反馈信号 , 与与 大小相等相位相同。大小相等相位相同。iUoUfUfUiU放大器和反馈网络构成闭合环路，此时在放大器和反馈网络构成闭合环路，此时在没有外加输入信号没有外加输入信号的情况下，输出端仍维的情况下，输出端仍维持一定幅度的电压持一定

5、幅度的电压 ，产生自激振荡。，产生自激振荡。oU第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-208iUoUfU起振时要满足起振时要满足 ifUU起始信号来起始信号来自电扰动自电扰动输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，实现现 使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳使电路进入稳定状态，输出幅度和频率都稳定的信号。故要有稳幅环节。定的信号。故要有稳幅环节。正弦波还要有选频网络。正弦波还要有选频网络。ifUU第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-209振荡的建立与条件振荡的建立与条件振荡的建立过程 当接通电源时，回路内的当

6、接通电源时，回路内的各种电扰动信号各种电扰动信号经选频网络选经选频网络选频后，将其中某一频率的信号反馈到输入端，再经频后，将其中某一频率的信号反馈到输入端，再经放大放大反反馈馈放大放大反馈反馈的循环，该信号的幅度不断增大，振荡由小的循环，该信号的幅度不断增大，振荡由小到大建立起来。随着信号振幅的增大，放大器将进入非线性到大建立起来。随着信号振幅的增大，放大器将进入非线性状态，增益下降，当反馈电压正好等于输入电压时，振荡幅状态，增益下降，当反馈电压正好等于输入电压时，振荡幅度不再增大进入平衡状态。度不再增大进入平衡状态。( (振荡的建立过程动画演示振荡的建立过程动画演示)第第4章章 正弦波振荡器

7、正弦波振荡器2021-11-20104.1.2 振荡的起振条件和平衡条件振荡的起振条件和平衡条件 ofi UUFUUAFAo；系系数数是是反反馈馈网网络络的的电电压压传传输输大大倍倍数数，是是放放大大器器的的开开环环电电压压放放 iOfUAFUFU第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2011一、一、 振荡的起振条件振荡的起振条件1FA2FAnn=0,1,21.FA振幅振幅起振起振条件条件相位起振相位起振条件条件相位条件是构成振荡电路的关键相位条件是构成振荡电路的关键,振荡闭合环路必须是正反振荡闭合环路必须是正反馈。相位起振条件和相位平衡条件是一致的馈。相位起振条件和相位平衡条件

8、是一致的（正反馈）（正反馈）。进入平衡状态进入平衡状态，振动幅度不再增大而，振动幅度不再增大而直到直到大倍数跟随减小，大倍数跟随减小，着振荡幅度的增大，放着振荡幅度的增大，放振荡幅度迅速增大，随振荡幅度迅速增大，随，大，满足大，满足起振时，放大倍数比较起振时，放大倍数比较11 FAFA放大环节必须具有非线性放大特性。放大环节必须具有非线性放大特性。为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节。振荡频率通常为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节。振荡频率通常就由选频环节确定。就由选频环节确定。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2012ifUU ofi UUFUUAFAo；系系数数是是反反

9、馈馈网网络络的的电电压压传传输输大大倍倍数数，是是放放大大器器的的开开环环电电压压放放二、二、 振荡的平衡条件振荡的平衡条件两者大小相等、相位相同。两者大小相等、相位相同。 iOfUAFUFU由由 ifUU可得可得1 FA第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-20131 FA2FAn n=0,1,21 FA振幅平衡条件振幅平衡条件相位相位平衡条件平衡条件即正反馈即正反馈振幅条件和相位条件必须同时满足。振幅条件和相位条件必须同时满足。 相位平衡条件确定振荡频率；相位平衡条件确定振荡频率；振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值。振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值。第第4章章 正弦波振荡器

10、正弦波振荡器2021-11-2014变压器反馈变压器反馈LC 振荡器振荡器fuiuou例例 分析下图振荡电路的工作原理分析下图振荡电路的工作原理放大部分放大部分选频部分选频部分正反馈部分正反馈部分LCf210 振荡频率振荡频率 放大器在小信号时工放大器在小信号时工作于甲类，以保证起振时作于甲类，以保证起振时有较大的环路增益。有较大的环路增益。12ofNNUUF 第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2015起始时小信起始时小信号线性放大号线性放大大信号工大信号工作，丙类作，丙类作业：作业：直到直到 ，进，进入平衡状态。入平衡状态。1 FA第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器振荡平

11、衡状态的稳定条件振荡平衡状态的稳定条件 平衡状态有平衡状态有稳定平衡稳定平衡和和不稳定平衡不稳定平衡，振荡器，振荡器工作时要处于稳定平衡状态。工作时要处于稳定平衡状态。振幅稳定条件振幅稳定条件：AF与与Ui的变化方向相反。的变化方向相反。相位稳定条件相位稳定条件：相位与频率的变化方向相反。：相位与频率的变化方向相反。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器振荡频率的稳定度=000fffff时间间隔/0maxff频率准确度与稳定度频率准确度与稳定度（1）频率准确度）频率准确度绝对频率准确度：绝对频率准确度：相对频率准确度：相对频率准确度：fff0 （2）频率稳定度）频率稳定度第第4章章 正弦波振荡器

12、正弦波振荡器2021-11-20184.2 LC正弦波振荡器正弦波振荡器掌握三点式振荡器的组成原则、工作原理、典型掌握三点式振荡器的组成原则、工作原理、典型电路。电路。掌握掌握 LC LC 振荡器实用电路的分析方法。振荡器实用电路的分析方法。了解频率稳定度的概念，了解影响频率稳定度的主了解频率稳定度的概念，了解影响频率稳定度的主要因数及提高频率稳定度的措施。要因数及提高频率稳定度的措施。主要要求：主要要求： 第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-20194.2.1 三点式振荡器的基本工作原理三点式振荡器的基本工作原理 三个电抗元件三个电抗元件X1、X2、X3组成组成LC谐振回路，

13、回路三个引谐振回路，回路三个引出端分别与晶体管三个电极相连，谐振回路既是晶体管的集出端分别与晶体管三个电极相连，谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络。电极负载，又是正反馈选频网络。X1、X2的电抗性质必的电抗性质必须相同，须相同，X3与与X1、X2的电抗性质必须相异。的电抗性质必须相异。与与E相连的为同性质电相连的为同性质电抗，不与抗，不与E端相连的为端相连的为异性质电抗。异性质电抗。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2020？ 为什么只有为什么只有这样，才能构这样，才能构成正反馈！成正反馈！ 为便于说明，忽略电抗元件的损耗及管子输入、输出阻 抗的影响。12Of

14、XXUUF 反馈系数反馈系数时，当X1 + X2 + X3 = 0回路等效为纯电阻，因此 必须.oU.iU与 反相，才能构成正反馈。.oU.fU回路谐振，得到 与 反相。因此：因此：与与E相连的必须为同相连的必须为同性质电抗，不与性质电抗，不与E端相连的端相连的为异性质电抗。为异性质电抗。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2021电感三点式电感三点式电容三点式电容三点式与与E相连相连是电感是电感与与E相连相连是电容是电容第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2022试分析下图电路是否可能产生振荡？试分析下图电路是否可能产生振荡？解：解：该电路由共基放大电路和该电

15、路由共基放大电路和LC反馈选频网络构成，反馈选频网络构成，在在LC回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节。因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节。故此电路可能产生振荡故此电路可能产生振荡。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-20234.2.2 电感三点式振荡器（哈脱莱电感三点式振荡器（哈脱莱Hartley）CMLLf)2(21210原理电路原理电路交流通路交流通路振荡频率振荡频率反馈系

16、数反馈系数MLMLF12优点：优点：易起振，易起振， 频率易调（调频率易调（调C）。）。缺点：缺点：高次谐波成分较大，高次谐波成分较大，输出波形差。输出波形差。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-20244.2.3 电容三点式振荡器（考毕兹电容三点式振荡器（考毕兹Colpitts）LCf210原理电路原理电路交流通路交流通路振荡频率振荡频率反馈系数反馈系数21CCF优点优点：高次谐波成分小，高次谐波成分小，输出波形好。输出波形好。缺点缺点： 频率不易调频率不易调（调（调L，调节范围小），调节范围小）第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2025 增大增大 C1/

17、C2 ，可增大反馈系数，提高输出幅值，但会使，可增大反馈系数，提高输出幅值，但会使三极管输入阻抗的影响增大，使三极管输入阻抗的影响增大，使Q值下降，不利于起振，且值下降，不利于起振，且波形变差，故波形变差，故C1/ C2不宜过大，一般取不宜过大，一般取0.10.5 。4.2.3 电容三点式振荡器（考毕兹电容三点式振荡器（考毕兹Colpitts）原理电路原理电路交流通路交流通路第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-20264.2.4 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器（一）克拉泼（一）克拉泼Clapp振荡器振荡器考毕兹电路中，晶体管极间电容与回路电容并联，考毕兹电路中，晶

18、体管极间电容与回路电容并联，会使振荡频率偏移，且极间电容随晶体管工作状态而变，会使振荡频率偏移，且极间电容随晶体管工作状态而变，会使振荡频率不稳定。会使振荡频率不稳定。改进改进: 在谐振回路电感支路中串接一个电容在谐振回路电感支路中串接一个电容第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2027原理电路原理电路交流通路交流通路C3 C1 ， C3 C2 33211111CCCCC 212130LCLCf 极间电容影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率极间电容影响很小，且调节反馈系数时基本不影响频率第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2028实际振荡频率必定略高于实际振

19、荡频率必定略高于 f0，因为要使，因为要使L、C3支路呈感性。支路呈感性。接入接入C3使使 三极管输出三极管输出 端（端（C、E）与回路的耦合减弱，三）与回路的耦合减弱，三极管等效负载阻抗减小，放大器放大倍数下降，振荡器输极管等效负载阻抗减小，放大器放大倍数下降，振荡器输出幅度减小。出幅度减小。 C3越小，放大倍数越小，如越小，放大倍数越小，如C3过小则振荡器过小则振荡器不满足振幅起振条件而停振。不满足振幅起振条件而停振。原理电路原理电路交流通路交流通路C3 C1 ， C3 C2 第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2029具有克拉泼振荡器频率和反馈系数独立的优点，频率基本上仅

20、由C3和C4及L决定；调节C4时不影响电路增益，输出幅度稳定。)(21430CCLf(2) 西勒西勒(Seiler)振荡器振荡器交流通路交流通路的基本形式的基本形式：在在L两端又并联了一两端又并联了一可调电容可调电容C4振荡频率振荡频率：电路特点电路特点：第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-20304.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器主要要求：主要要求： 了解石英谐振器的结构和特性了解石英谐振器的结构和特性掌握典型石英晶体振荡器的组成、工作原理掌握典型石英晶体振荡器的组成、工作原理和性能特点。和性能特点。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-20314.3.1 石

21、英谐振器及其特性石英谐振器及其特性 石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是石英是一种各向异性的结晶体，其化学成分是SiO2 。从从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。在晶片在晶片的两面涂上银层作为电极的两面涂上银层作为电极，电极上焊出两根引线固定在管脚，电极上焊出两根引线固定在管脚上，就构成了上，就构成了石英晶体谐振器石英晶体谐振器。 晶体的特性与其切割的方位角有关。晶体的特性与其切割的方位角有关。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2032电极间加电场电极间加电场电极间加机械力电极间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体

22、产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电流交变电流当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，共振，振幅最大，产生的固有频率时，共振，振幅最大，产生的交变电流最大。类似串联谐振。交变电流最大。类似串联谐振。压电谐振压电谐振第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2033 C0是晶片的静态电容，相当于平板电容，即由晶片作介是晶片的静态电容，相当于平板电容，即由晶片作介质，镀银电极和支架引线作极板构成。质，镀银电极和支架引线作极板构成。几十几皮法。几十几皮法。 Lq、Cq、rq为晶片振动时的等效动态电感、电容和摩擦为晶片振动时的等效动态电感、电容和摩

23、擦损耗。损耗。 Lq很大，几十几百很大，几十几百mH； Cq很小，百分之几很小，百分之几pF； rq 为几几百欧。为几几百欧。石英谐振器石英谐振器Q值很高，值很高，且性能很稳且性能很稳定，因此有定，因此有很高的回路很高的回路标准性。标准性。基频等效电路基频等效电路含泛音频率的等效电路含泛音频率的等效电路第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2034fs 串联谐振频率串联谐振频率fp 并联谐振频率并联谐振频率qqs21CLf 21 q0q0qPCCCCLf 1 0qSCCf 串联谐振频率串联谐振频率并联谐振频率并联谐振频率通常通常0qCC 所以所以很很接接近近与与 psff 石英谐

24、振器只在石英谐振器只在 之间的很窄频率范围内呈感性，之间的很窄频率范围内呈感性，且感抗曲线很陡，故当工作于该区域时，具有很强的稳频作用。且感抗曲线很陡，故当工作于该区域时，具有很强的稳频作用。一般不用电容区。一般不用电容区。 psff 和和第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2035石英谐振器的使用注意事项石英谐振器的使用注意事项:（2）要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、）要有合适的激励电平。过大会影响频率稳定度、 振坏晶片；过小会使噪声影响大，输出减小，振坏晶片；过小会使噪声影响大，输出减小， 甚至停振。甚至停振。（1）要接一定的负载电容）要接一定的负载电容CL (微

25、调微调)，以达标称频率。，以达标称频率。 高频晶体通常高频晶体通常CL为为30pF或标为或标为。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-20364.3.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器fs f 2R1时，振荡幅度增加，但输出波形失真度增大。时，振荡幅度增加，但输出波形失真度增大。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2047思考讨论题思考讨论题右图的右图的RC桥式振荡器中，已知桥式振荡器中，已知R1=10k。若发生下列情况，。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。试说明输出电压的变化。（1）R1与与R2位

26、置互换位置互换解解：图中的：图中的R2是负温度系数的热敏电阻，是负温度系数的热敏电阻，R1是固定电阻。为是固定电阻。为了满足起振条件，了满足起振条件，R2的冷态电阻取值必须大于的冷态电阻取值必须大于2 R1 ，即大于，即大于20k，现两者位置互换后，即，现两者位置互换后，即R1变为负温度系数的热敏性，变为负温度系数的热敏性，且且冷态电阻大于冷态电阻大于20k，而，而R2变为固定电阻变为固定电阻10k，这样起振时，这样起振时放大器的放大倍数小于放大器的放大倍数小于3，振荡器不能振荡，故输出电压为零。，振荡器不能振荡，故输出电压为零。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2048思考

27、讨论题思考讨论题右图的右图的RC桥式振荡器中，已知桥式振荡器中，已知R1=10k。若发生下列情况，。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。试说明输出电压的变化。（2）R2改为改为43k固定电阻固定电阻解解：当：当R2改用改用43k固定电阻后，放大器的放大倍数固定电阻后，放大器的放大倍数A=1+ R2 /R1=1+43/10=5.33，因此振荡振幅不断增大，最终使放大器，因此振荡振幅不断增大，最终使放大器进入非线性限幅区，输出电压变成一方波信号。进入非线性限幅区，输出电压变成一方波信号。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2049思考讨论题思考讨论题右图的右图的RC桥式振荡器中，

28、已知桥式振荡器中，已知R1=10k。若发生下列情况，。若发生下列情况，试说明输出电压的变化。试说明输出电压的变化。（3）R2改为改为15k固定电阻固定电阻解解：当：当R2改用改用15k固定电阻，此时放大器的放大倍数固定电阻，此时放大器的放大倍数A=1+ R2 /R1=1+15/10=2.53，振荡器不能振荡，所以输出电压为零。，振荡器不能振荡，所以输出电压为零。第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2021-11-2050本课题小结本课题小结正弦波振荡器用于产生一定频率和幅度的正弦波信号。按正弦波振荡器用于产生一定频率和幅度的正弦波信号。按组成选频网络元件的不同，可分为组成选频网络元件的不同，可分为LC、晶体和、晶体和RC振荡器三振荡器三类；类；按组成原理不同，可分为反馈和负阻振荡器，不过反按组成原理不同，可分为反馈和负阻振荡器，不过反馈振荡器本质上也是负阻振荡器。馈振荡器本质上也是负阻振