第五章正弦波振荡器

1、第五章第五章 正弦波振荡器正弦波振荡器5.1 自激振荡的工作原理自激振荡的工作原理5.2 LC振荡器振荡器5.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器3.了解石英晶体振荡电路。了解石英晶体振荡电路。本章重点本章重点正弦波振荡电路的振荡条件。正弦波振荡电路的振荡条件。本章难点本章难点1.理解正弦波振荡电路的工作原理、振荡条件。理解正弦波振荡电路的工作原理、振荡条件。 2.掌握变压器耦合及三点式掌握变压器耦合及三点式LC振荡电路的工作原理及振振荡电路的工作原理及振荡频率。荡频率。学时分配学时分配序序 号号内内 容容学学 时时16. .2正弦波振荡器正弦波振荡器62实验九实验九 调谐放大器调谐放大器 2 3

2、实验十实验十 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 2 4本章小结与习题本章小结与习题 5本章总学时本章总学时10 正弦波振荡器正弦波振荡器一、一、LC回路中的自由振荡回路中的自由振荡 正弦波振荡器：正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。频率正弦信号的自激振荡电路。 5.1 自激振荡的工作原理自激振荡的工作原理自激振荡的工作原理自激振荡的工作原理 自由振荡自由振荡电容通过电感充放电，电路进行电能和电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。磁能的转换过程。 阻尼振荡阻尼振荡因损耗等效电阻因损耗等效电阻R将电能转换成热能而将电

3、能转换成热能而消耗的减幅振荡。消耗的减幅振荡。 等幅振荡等幅振荡利用电源对电容充电，补充电容对电利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程。感放电的振荡过程。 这种等幅正弦波振荡的频率这种等幅正弦波振荡的频率称称LC回路的固有频率，记作回路的固有频率，记作f0LCf210（5. .1）二、自激振荡的条件二、自激振荡的条件1. 相位平衡条件相位平衡条件 反馈信号的相位与输入反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，信号相位相同，即为正反馈，相位差是相位差是180的偶数倍。即的偶数倍。即 = 2 n （5. .2） 其中，其中，为为vf与与vi的相位差，的相位差，n是整数。是整数。vi、

4、vo、vf的相的相互关系如图所示。互关系如图所示。2. 振幅平衡条件振幅平衡条件反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即即 （5. .3）1uFA 自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号瞬间扰动信号ui，振荡管，振荡管V产生集电极电流产生集电极电流iC，因，因iC具有跳具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。变性，它包含着丰富的交流谐波。三、自激振荡建立过程三、自激振荡建立过程 自激振荡器：去掉信号源，把开关自激振荡器：去掉信号源，把开关S和点和点“2”相连所组相连所组成的电路。成的电路。 经经LC并联

5、电路选出频率为并联电路选出频率为f0 的信号，由输出端输出的信号，由输出端输出uo，同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降低到低到 时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡。时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡。1FAV （2）相位条件）相位条件 采用瞬时极性法，设采用瞬时极性法，设V基极电位为基极电位为“正正”，根据共射电路的倒相作用，可

6、知集电极电位为，根据共射电路的倒相作用，可知集电极电位为“负负”，于是，于是L同名端为同名端为“正正”，根据同名端的定义得知，根据同名端的定义得知，Lf f同名端也为同名端也为“正正”，则反馈电压极性为，则反馈电压极性为“负负”。显然，。显然，电路不能自激振荡。电路不能自激振荡。 例例5. .1 判断电路能否产生自激振荡。判断电路能否产生自激振荡。 （1）振幅条件）振幅条件 因因V基极偏置电阻基极偏置电阻Rb2被反馈线圈被反馈线圈Lf短路接地，使短路接地，使V处于截止状态，故电路不能起振。处于截止状态，故电路不能起振。解解图图(b)：因隔直电容：因隔直电容Cb b避免了避免了Rb2b2被反馈线

7、圈被反馈线圈Lf f短路，同时短路，同时反馈电压反馈电压极性为极性为“正正”，电路满，电路满足足振幅平衡和相位平衡振幅平衡和相位平衡条件，所以电路能产生条件，所以电路能产生自激振荡。自激振荡。图图(a)： 图中图中V为振荡放大管，电阻为振荡放大管，电阻R1、R2、R3为分压式稳定工作为分压式稳定工作点偏置电路，点偏置电路，C1、C2为旁路电为旁路电容，容，LC并联回路为选频振荡回并联回路为选频振荡回路，路，L3-4为反馈线圈，为反馈线圈，L7-8为振为振荡信号输出端，电位器荡信号输出端，电位器RP和电和电容容C1组成反馈量控制电路。组成反馈量控制电路。 5.2 LC振荡器振荡器一、变压器耦合式

8、一、变压器耦合式LC振荡器振荡器 1、 电路特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入电路特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。端。2、电路结构、电路结构3、工作原理、工作原理 交流通路。对频率交流通路。对频率f = f0的信号，的信号，LC选频振荡回路呈选频振荡回路呈纯阻性，此时纯阻性，此时 和和 反相，即反相，即 1 = 180。输出电压。输出电压 再通再通过反馈线圈过反馈线圈L3-4，使，使4端为正电位，即与的端为正电位，即与的2 = 180。于是于是 ，保证了正反馈，满足，保证了正反馈，满足了相位条件。如果电路具有足够大的放大倍数，满足振幅了相位条件。如果电路具有足够大的放大倍数，

9、满足振幅条件，电路就能振荡。调节条件，电路就能振荡。调节RP可改变输出幅度。可改变输出幅度。oufuoufuou36018018021 相位条件：当线圈相位条件：当线圈1端电位为端电位为“”时，时，3端电位为端电位为“”，此时，此时2端电位低于端而高于端电位低于端而高于3端，即端，即uf与与u uo反相，反相，经倒相放大后，形成正反馈，即满足相位条件。经倒相放大后，形成正反馈，即满足相位条件。二、三点式二、三点式LC振荡电路振荡电路电路特点：电路特点：LC振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。1. 电感三点式振荡器电感三点式振荡器1uFA 振幅条件：适当选

10、择振幅条件：适当选择L和和L的比值。使的比值。使 ，满足振幅，满足振幅条件。电路就能振荡。条件。电路就能振荡。由于反馈电压由于反馈电压uf取自取自L两端，故改变线圈抽头位置，两端，故改变线圈抽头位置，可调节振荡器的输出幅度。可调节振荡器的输出幅度。L越大，反馈越强，振荡输越大，反馈越强，振荡输出越大，反之，出越大，反之，L2越小，反馈越小，不易起振。越小，反馈越小，不易起振。 优点：优点：振荡频率很高，一般振荡频率很高，一般可达到几十兆赫可达到几十兆赫；缺点：波形；缺点：波形失真较大。失真较大。CMLLLCf)2(212121电路振荡频率为电路振荡频率为 （5.5）其中其中M是是L与与L之间的

11、互感系数。之间的互感系数。2. 电容三点式振荡器电容三点式振荡器 相位条件：当线圈相位条件：当线圈1端电位为端电位为“”时，时，3端电位为端电位为“”。此电压经。此电压经C1、C2分压后，分压后，2端电位低于端电位低于1端而高于端而高于3端，即端，即uf与与uo反相，经反相，经V倒相放大后，使倒相放大后，使1端获端获“”电位，电位，形成正反馈，满足相位条件。形成正反馈，满足相位条件。 振幅条件：适当的选振幅条件：适当的选择择C、C的数值，使电的数值，使电路具有足够大的放大倍数，路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。电路可产生振荡。电路电路交流通路交流通路电路振荡频率为电路振荡频率为 （5.6

12、）CLf21o而而2121CCCCC电路特点：频率较高，可达电路特点：频率较高，可达100MHz以上。优点：输出以上。优点：输出波形好。缺点：调节频率不方便。波形好。缺点：调节频率不方便。3. 改进的电容三点式振荡器改进的电容三点式振荡器 这样，振荡频率这样，振荡频率f0与与C1、C2 、Ci、Co基基本无关，只取决于本无关，只取决于C3和和L。振荡频率为。振荡频率为3o21LCf（5.7）OCC 1iCC 2 Ci和和Co分别是三极管的输入和输出电容，分别是三极管的输入和输出电容，其数值随温度而变化，直接影响其数值随温度而变化，直接影响LC回路的振荡回路的振荡频率。取频率。取 ，以减小，以减

13、小Ci和和Co对振对振荡频率的影响，提高其稳定性。荡频率的影响，提高其稳定性。 由于由于C1、C2的增大，会导致的增大，会导致Q值下降，值下降，且调节振荡频率时，必须同时改变且调节振荡频率时，必须同时改变C1、C2，实属困难。为此，在实属困难。为此，在LC回路中的电感支路回路中的电感支路串入一小电容串入一小电容C3，得到改进的电容三点式振，得到改进的电容三点式振荡器。荡器。13CC 23CC 取取优点：优点：振荡波形好，频率比较稳定。振荡波形好，频率比较稳定。缺点：缺点：调节调节C3时，输出信号幅度会随频率增大而降低。时，输出信号幅度会随频率增大而降低。 石英晶体谐振器是在晶片的两个对面上喷涂

14、一对金属石英晶体谐振器是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。极板，引出两个电极，加以封装所构成。5.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器电路特点：频率稳定度高，可达电路特点：频率稳定度高，可达1010量级。量级。一、石英晶体的基本特性及其等效电路一、石英晶体的基本特性及其等效电路 压电效应：压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。的极性随机械拉力而改变的一种现象。 压电谐振：压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大

15、的一种现象。产生压电谐回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的谐振频率。振时的振荡频率称晶体谐振器的谐振频率。. .压电效应压电效应CLRQ1 当晶体不振动时，可用静态电容C0来等效，一般约为几个皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般为10-310-2H；晶片的弹性可用电容C来等效，一般为10-210-1pF；晶片振动时的损耗用R来等效，阻值约为102。由 可知，2. 符号和等效电路符号和等效电路 品质因数品质因数Q很大，可达很大，可达104106。加之。加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，晶体的固有频率只与晶片的几何尺

16、寸有关，其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。定度。由于由于CC0，因此，因此s和和P两个频率非常接近。两个频率非常接近。 石英谐振器在石英谐振器在s和和P之间为感性，之间为感性，在此区域之外为容性。在此区域之外为容性。3.电抗频率特性电抗频率特性 (1)当当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为最小，串联谐振频率为 LCf21S (2)当等效电路并联谐振当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为时，并联谐振频率为0S00P121CCfC

17、CCCLf 它有两个谐振频率：它有两个谐振频率：)()(00CCCCCC 振荡频率在晶体谐振器的振荡频率在晶体谐振器的f fS S与与f fP P之间。之间。由于回路电容是由于回路电容是C1和和C2串联后与串联后与Co并联，并联，再与再与C串联，则串联，则回路电容为。回路电容为。二、石英晶体振荡电路二、石英晶体振荡电路1. 并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路 振荡回路由振荡回路由C1、C2和晶体组成。其和晶体组成。其中，晶体起电感中，晶体起电感L L的作用。等效电路：的作用。等效电路：00o)(21CCCCCLCf振荡回路的谐振频率为：振荡回路的谐振频率为：CCC0S021fLCf由于，则谐

18、振频率近似为由于，则谐振频率近似为可见，振荡频率基本上取决于晶体的固有频率可见，振荡频率基本上取决于晶体的固有频率fS。故其频。故其频率稳定度高。率稳定度高。 晶体与电阻晶体与电阻R串联构成正反馈电路。当振荡频率等于串联构成正反馈电路。当振荡频率等于晶体的固有频率晶体的固有频率fS时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路满足自激振荡条件而振荡，其振荡频率为满足自激振荡条件而振荡，其振荡频率为f0 = fS。否则不。否则不能振荡。调节电阻能振荡。调节电阻R可获得良好的正弦波输出。可获得良好的正弦波输出。2. 串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路5.4 用用集成运算放大器组成的振荡电路集成运算放大器组成的振荡电路L和和C构成选频网络与电阻构成选频网络与电阻R3组成正反馈支路；组成正反馈支路；R