南邮模电第十章正弦波振荡电路

1、2022年4月13日星期三模拟电子技术1第十章第十章 正弦波振荡电路正弦波振荡电路（1）掌握正弦波振荡电路的组成和振荡原理。）掌握正弦波振荡电路的组成和振荡原理。（2）掌握）掌握RC桥式正弦波振荡电路的组成、工作原理。桥式正弦波振荡电路的组成、工作原理。（3）了解）了解LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路的组成、工作原理和性能特点。电路的组成、工作原理和性能特点。2022年4月13日星期三模拟电子技术210-1 振荡的基本原理振荡的基本原理一、反馈放大器的基本方程一、反馈放大器的基本方程二、起振过程和平衡条件二、起振过程和平衡条件10.2 RC正弦波振荡

2、器正弦波振荡器10.2.1 RC移相振荡器移相振荡器 10.2.2 RC选频振荡器选频振荡器2022年4月13日星期三模拟电子技术310.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器10.3.1 变压器耦合反馈式振荡器变压器耦合反馈式振荡器10.3.2 电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路10.3.3 电感反馈式振荡电路电感反馈式振荡电路2022年4月13日星期三模拟电子技术410.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器10.4.1关于振荡频率的几个指标关于振荡频率的几个指标10.4.2 石英晶体的物理特性和电特性石英晶体的物理特性和电特性10.4.4 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器10.4.3 串联

3、型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器2022年4月13日星期三模拟电子技术5文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路LC并联谐振回路的特性并联谐振回路的特性LC正弦波振荡电路分析正弦波振荡电路分析稳频措施稳频措施串联晶体振荡器举例串联晶体振荡器举例附附 录录振荡频率的确定振荡频率的确定2022年4月13日星期三模拟电子技术6振荡电路振荡电路是指在没有是指在没有 输入信号的条件下输入信号的条件下, 能够自能够自行产生一定幅度、一定频率的输出信号的电路。行产生一定幅度、一定频率的输出信号的电路。张弛振荡电路（产生方波、锯齿波形等）张弛振荡电路（产生方波、锯齿波形等）正弦振荡电路正弦振荡电路反馈型反馈型负阻

4、型负阻型RC振荡器振荡器LC振荡器振荡器晶体振荡器晶体振荡器2022年4月13日星期三模拟电子技术7一、反馈放大器的基本方程一、反馈放大器的基本方程图图10.1 反馈放大器反馈放大器10-1 振荡的基本原理振荡的基本原理F oX fX iX A iX2022年4月13日星期三模拟电子技术8FAAXXAiof1称振荡或自激。称振荡或自激。F oX fX iX A iX,1时时当当 FA, 0, ifXA2022年4月13日星期三模拟电子技术9二、起振过程和平衡条件二、起振过程和平衡条件图图10.1 反馈型振荡器组成方框图反馈型振荡器组成方框图F oU fU A iU2022年4月13日星期三模拟

5、电子技术101起振过程及起振条件起振过程及起振条件 1uuFAnFA21uuFA相位起振条件相位起振条件 幅度起振条件幅度起振条件 )(FAFAjuujujuuueFAeFeAFA2 , 1 , 0nifUUF oU fU A iU2022年4月13日星期三模拟电子技术112.平衡条件平衡条件1uuFA振幅平衡条件振幅平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 ifUU1uuFA)(FAFAjuujujuuueFAeFeAFAnFA22 , 1 , 0nF oU fU A iU2022年4月13日星期三模拟电子技术12起振起振平衡平衡1uuFA反馈振荡器的振荡过程反馈振荡器的振荡过程1uuFA2022

6、年4月13日星期三模拟电子技术1310.2 RC正弦波振荡器正弦波振荡器RC 电路作为选频网络的振荡器。振荡频率较低，电路作为选频网络的振荡器。振荡频率较低，一般在一般在几十几十kHz以下。以下。RC移相振荡器移相振荡器RC选频振荡器选频振荡器选频网络采用选频网络采用RC超前或滞后移相网络。超前或滞后移相网络。选频网络采用选频网络采用RC串并联谐振网络。串并联谐振网络。2022年4月13日星期三模拟电子技术1410.2.1 RC移相振荡器移相振荡器 ICRUoUiICRUoUi(a)(b) 图图10.17 RC串联移相网络串联移相网络 超前移相网络超前移相网络 滞后移相网络滞后移相网络 202

7、2年4月13日星期三模拟电子技术1510.70C1450C90H()()图图10.18 RC串联超前网络的频率特性曲线串联超前网络的频率特性曲线 截止频率截止频率 = RC ioUUH2022年4月13日星期三模拟电子技术16RR1RfCCCRRUfUiUo图图10.19 RC超前移相网络振荡器超前移相网络振荡器 29611 RRRCfg 2022年4月13日星期三模拟电子技术1710.2.2 RC选频振荡器选频振荡器UoRCCRUf(a)01RC13H(0(9090(b)(c)图图10.20 RC串并联网络串并联网络 2022年4月13日星期三模拟电子技术18UoRCCRUf(a)01RC1

8、3H(0(9090(b)(c)图图10.21 RC串并联网络的频率特性曲线串并联网络的频率特性曲线 RCo1ofUUH2022年4月13日星期三模拟电子技术19ARCCRUfUoRftUitR1ARCRfR1RC(a)(b)图图10.22 文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器12fRRRCg12022年4月13日星期三模拟电子技术2010.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器采用采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC正弦波振荡器正弦波振荡器。可以产生。可以产生几十兆赫几十兆赫以上的正弦波以上的正弦波信号。信号。 变压器耦合反馈式变压器耦合反馈式电感或电容反

9、馈式电感或电容反馈式2022年4月13日星期三模拟电子技术2110.3.1变压器耦合反馈式振荡器变压器耦合反馈式振荡器TrUfUoUi(a)(b)TrUfUoUiTrUfUoUi(c)图图10.23 三种不同接法的变压器耦合反馈式振荡器三种不同接法的变压器耦合反馈式振荡器 是否满足正反馈判断方法：是否满足正反馈判断方法：“射基（集）同名射基（集）同名”规则规则 (CE)(CB)(CB)CE：射基同名；射基同名；-CB：射集同名。射集同名。 CC：射基同名。射基同名。2022年4月13日星期三模拟电子技术22LC2cbeCICILUbUf Uo10.3.2. 电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路

10、图图10.24电容反馈式振荡器的交流通路（电容反馈式振荡器的交流通路（CE） 12022年4月13日星期三模拟电子技术2310.25电容反馈式振荡器电矢量关系电容反馈式振荡器电矢量关系 ILUoICUfLC2cbeCICILUbUf Uo12022年4月13日星期三模拟电子技术24211211CCCjICjIUUFCLof21211CCCCLgLC2cbeCICILUbUf Uo12022年4月13日星期三模拟电子技术25(a)RLC1C2CC1000 pFRE700 RB22 kCB0.033 FRB1*L1.3 H0.033 FEC(15 V)2000 pF图图10.25电容三点式振荡器及

11、其交流通路（电容三点式振荡器及其交流通路（CB） 2022年4月13日星期三模拟电子技术26图图10.25电容三点式振荡器及其交流通路（电容三点式振荡器及其交流通路（CB） 2022年4月13日星期三模拟电子技术2710.3.3 电感反馈式振荡电电感反馈式振荡电路路2022年4月13日星期三模拟电子技术28(b )UfUb UoIL ICRBRLcL1L2Cbe图图10.26电感反馈式振荡电路及其交流通路电感反馈式振荡电路及其交流通路 2022年4月13日星期三模拟电子技术29)(11211LLCCLg 注：注：L1与与L2之间无互感。之间无互感。1212LLLjILjIUUFLcof(b)U

12、fUb UoIL ICRBRLcL1L2Cbe2022年4月13日星期三模拟电子技术30电感或电容反馈式振荡器电感或电容反馈式振荡器是否满足是否满足正反馈判断方法正反馈判断方法“射同基反射同基反”规则规则 EB,EC:同性质同性质电抗元件电抗元件; BE,BC:异性质异性质电抗元件电抗元件. 2022年4月13日星期三模拟电子技术31例例1 在振幅条件已满足的前提下，用相位条件去判断在振幅条件已满足的前提下，用相位条件去判断如下振荡器是否能震荡？如下振荡器是否能震荡？ C L L1 C1 C2 C3 (b) (a) 2022年4月13日星期三模拟电子技术3210.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡

13、器10.4.1关于振荡频率的几个指标关于振荡频率的几个指标1. 频率的准确性频率的准确性 0iii2. 频率的稳定性频率的稳定性000中波广播发射机：中波广播发射机：10-5； 电视发射机：电视发射机：10-7测量值测量值 设计值设计值 2022年4月13日星期三模拟电子技术3310.4.2 石英晶体石英晶体的物理特性和电特性的物理特性和电特性1. 石英谐振器的物理特性石英谐振器的物理特性1) 正压电效应正压电效应 正压电效应：把机械能转化成电能。正压电效应：把机械能转化成电能。 2）反压电效应）反压电效应反压电效应：把电能转化成机械能。反压电效应：把电能转化成机械能。 2022年4月13日星

14、期三模拟电子技术34交变电场交变电场 机械形变振动机械形变振动.通常机械振动振幅和外加交变电场的振幅都非常通常机械振动振幅和外加交变电场的振幅都非常微小。只有在外加交变电压的频率为某一微小。只有在外加交变电压的频率为某一 特定频特定频率时，振幅才突然增加，机械振动最强，电路里率时，振幅才突然增加，机械振动最强，电路里高频电流最大，此现象称为高频电流最大，此现象称为压电谐振压电谐振。通常说石。通常说石英晶体就是指石英谐振器。英晶体就是指石英谐振器。谐振在晶体的谐振在晶体的基音基音(Fundamental)或或奇次泛音奇次泛音(Overtone)(3、5、7次泛音次泛音) 。2022年4月13日星

15、期三模拟电子技术35(a)(b)晶体C0Cq1rq1Lq1Cq3rq3Lq3图图10.30 石英晶体的等效电路和电抗特性石英晶体的等效电路和电抗特性(a)晶体符号；晶体符号；(b)某振动模式的电等效电路某振动模式的电等效电路2. 石英谐振器的电特性石英谐振器的电特性(a)(b)频率丰富的谐振系统频率丰富的谐振系统支架电容支架电容几个几个pF亨利亨利0.001pF百欧百欧2022年4月13日星期三模拟电子技术36(c)(d )C0CqrqLq3Z(j)Xe0sp 图图10.30 (c)某一频率等效电路；某一频率等效电路； (d)电抗特性电抗特性其它支路失谐，近似开路其它支路失谐，近似开路2022

16、年4月13日星期三模拟电子技术37(c)(d )C0CqrqLq3Z(j)Xe0sp qqsCL1 qqqpCCCCL 001 2022年4月13日星期三模拟电子技术38)11(0 CCqssp 02CCqs 其值约为其值约为10-3量级量级 (c)(d )C0CqrqLq3Z(j)Xe0sp 2022年4月13日星期三模拟电子技术3910.4.3 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器图图10.31串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器T1 T2 R1 R2 R3 R4 R5R6 晶体晶体 +VCC C uo 串联型石英晶体振荡器把石英晶体用作串联型石英晶体振荡器把石英晶体用作选频短路线选频短路

17、线2022年4月13日星期三模拟电子技术4010.4.4 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器(a)RLC1RERB2CBRB1LCECCCC2(b)RELqrqRLCqC0C1C2晶体Le图图10.32 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器(a)原理电路原理电路; (b)交流通路交流通路并联型石英晶体振荡器把石英晶体用作并联型石英晶体振荡器把石英晶体用作电感元件电感元件 2022年4月13日星期三模拟电子技术41(b)RELqrqRLCqC0C1C2晶体LeqqqgCCCCL 001 212100CCCCCC 其中其中LCCCCC 21212022年4月13日星期三模拟电子技术42图

18、图10.32 并联型晶体振荡器振荡频率的图解确定并联型晶体振荡器振荡频率的图解确定 Xe p g1 C1C2C1C2 s+晶体的标称频率晶体的标称频率CL2022年4月13日星期三模拟电子技术43作业题作业题 10.1 10.510.610.910.112022年4月13日星期三模拟电子技术44文氏电桥振荡电路文氏电桥振荡电路A+-fRRRCC1RuFuAoU2022年4月13日星期三模拟电子技术45A+-RRCCfR1R文氏电桥文氏电桥多用于产生多用于产生20HZ200kHZ的低频信号发的低频信号发生器中。生器中。2022年4月13日星期三模拟电子技术461. 振荡频率振荡频率RCfosc2

19、1因为振荡电路的相位条件为因为振荡电路的相位条件为,0FA图中，图中，0A0F所以所以2. 起振条件起振条件1uuFA即即31uuFA)31(uF3.引入引入1RRf、构成的串联电压负反馈构成的串联电压负反馈电路，能起到电路，能起到稳定稳定输出幅度输出幅度的作用。提高了的作用。提高了输入电阻输入电阻，减小了，减小了输出输出电阻电阻。2022年4月13日星期三模拟电子技术4731111RRRRRAffuA+-fRRRCC1RuFuAoU12 RRf2022年4月13日星期三模拟电子技术48LC并联谐振回路的特性并联谐振回路的特性oUCrL电路图ZsI2022年4月13日星期三模拟电子技术49)1

20、(11)(CLjrCLCjLjrCjLjrZ)1(1220rLjrCL)(1200rLjrCL令LC102022年4月13日星期三模拟电子技术50一一 谐振时回路参数谐振时回路参数1.谐振角频率谐振角频率 （固有角频率）（固有角频率）LC102.品质因数品质因数rCrLQ0013.谐振阻抗谐振阻抗CQCrLZ002022年4月13日星期三模拟电子技术51;0QrLrL002二二 LC并联回路的频率特性并联回路的频率特性并令并令0考虑考虑 附近情况，则可认为附近情况，则可认为00；则则0021jQZ)(1200rLjrCLZ2022年4月13日星期三模拟电子技术52|Z|0Z1Q0(b)幅频特性

21、幅频特性z2Q21QQ 2Q01Q感性感性容性容性(c)相频特性相频特性200)2(1QZZ012QtgZ2022年4月13日星期三模拟电子技术53考察不同的值时频率特性，考察不同的值时频率特性，Q越大，越大，幅频特性幅频特性越尖锐越尖锐，说明选频特性越好。，说明选频特性越好。0，0ZZ 时，时，纯阻性纯阻性00Z时，时，Z显容性，显容性，0Z0时，时， Z显感性，显感性，2022年4月13日星期三模拟电子技术54LC正弦波振荡电路分析正弦波振荡电路分析一一 电感反馈式电感反馈式(电感三点式电感三点式)+CCV图图1 电感反馈式振荡器电感反馈式振荡器1BREC2BRERBCCLR2312022

22、年4月13日星期三模拟电子技术55C123(b)交流电路交流电路2022年4月13日星期三模拟电子技术561.相位平衡条件相位平衡条件A( LC回路呈纯阻性回路呈纯阻性,即满足该条件即满足该条件 )F( 同名端设置正确同名端设置正确 )2FA2022年4月13日星期三模拟电子技术572.起振条件和振荡频率起振条件和振荡频率21RrMLMLbe，beurRA,12MLMLFu为折合到为折合到L1两端的等效并联总电阻。两端的等效并联总电阻。LCCMLLfo21)2(2121其中其中MLLL221M为互感。为互感。R2022年4月13日星期三模拟电子技术583.缺点缺点波形较差。因为反馈取自电感波形

23、较差。因为反馈取自电感IMLj)(2越高，反馈越强，越高，反馈越强，反馈和输出信号中含高次谐波。反馈和输出信号中含高次谐波。2022年4月13日星期三模拟电子技术59二二.电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路(电容三点式电容三点式)oUV12F01. 0F01. 0F15. 0F10F047. 0F50133AXk7 . 4k10k8 . 6mH50)10(kHz2C1C图图10-14 SMB-10示波器中示波器中LC振荡器振荡器原理图原理图2022年4月13日星期三模拟电子技术601C2CL(b)交流通路交流通路cbVfV2022年4月13日星期三模拟电子技术61LCCCCCLffoosc2

24、12121212121CCCCC 优点：波形较好。因为反馈取自电容优点：波形较好。因为反馈取自电容2CICj21反馈和输出信号中谐波分量小。反馈和输出信号中谐波分量小。2022年4月13日星期三模拟电子技术62一一 影响频率稳定度的主要因素影响频率稳定度的主要因素1.电源电压或温度变化，使振荡管的工作点变化，导电源电压或温度变化，使振荡管的工作点变化，导致谐振回路等效电阻值变化，另外使管子的发射结和致谐振回路等效电阻值变化，另外使管子的发射结和集电结等效电容改变，它们都引起集电结等效电容改变，它们都引起振荡频率的变化。振荡频率的变化。2.回路回路L、C元件的老化，引起振荡频率的变化。元件的老化

25、，引起振荡频率的变化。3.负载变化引起振荡频率的变化。负载变化引起振荡频率的变化。稳频措施稳频措施2022年4月13日星期三模拟电子技术63二二 稳频措施稳频措施1.采用稳定电源，稳定直流工作点，以减小极间电容变化。采用稳定电源，稳定直流工作点，以减小极间电容变化。2.在负载和振荡电路间加缓冲级，隔离负载对振荡的影响。在负载和振荡电路间加缓冲级，隔离负载对振荡的影响。3.对决定振荡频率的元件要保证其精确度和稳定性。对决定振荡频率的元件要保证其精确度和稳定性。4.采用高采用高Q值值 LC振荡电路，振荡电路，Q越高，选频特性越好。越高，选频特性越好。实际实际LC回路的回路的Q值最高仅达数百，频率稳定度很难值最高仅达数百，频率稳定度很难突破突破 数量级。石英晶体振荡电路频率稳定度可数量级。石英晶体振荡电路频率稳定度可达达 左右，甚至左右，甚至 。510861010111010102022年4月13日星期三模拟电子技术64例题例题 对图对图10-19晶体振荡器，已知晶体串联谐振频晶体振荡器，已知晶体串联谐振频率为率为10MHz.(1) 说明该电路属于哪种形式的晶体振荡电