第13章 正弦波振荡器

第13章正弦波振荡器13.1

振荡器的组成及工作原理13.2

RC桥式正弦波振荡器13.3

LC正弦波振荡器13.4

石英晶体正弦波振荡器

13.1振荡器的组成及工作原理

1.振荡器的概念

正弦波振荡器实质上就是一个没有外加输入信号的正反馈放大器。自激振荡原理如图13.1所示。在放大电路的输入端输入正弦信号，在它的输出端可输出正弦输出信号。如果通过网络引入正反馈信号，使的相位和幅度都和相同，，那么这时即使去掉输入信号，电路仍能维持输出正弦信号。这种用代替

的方法构成了振荡器的自激振荡原理。图13.1自激振荡原理(a)有输入信号；(b)无输入信号

2.自激振荡条件

由图13.1可以看出：所以

(13.1)上式是产生自激振荡的平衡条件。也可把式(13.1)分解为振幅平衡条件和相位平衡条件。

(1)振幅平衡条件为(13.2)该条件表明放大器的放大倍数与正反馈网络反馈系数的乘积应等于1，即反馈电压的大小必须和输入电压相等。

(2)相位平衡条件为

jA+jF=2nπ

(13.3)

式中，n=0，1，2，…；jA为基本放大器输出信号和输入信号的相位差，jF为反馈网络输出信号和输入信号的相位差。式(13.3)表示基本放大器的相位移与反馈网络的相位移的和等于0或2π的整倍数，即电路必须引入正反馈。

3.起振与稳定条件

实际上振荡器开始建立振荡时，并不需要借助于外加输入信号，它本身就能起振，但电路由自行起振到稳定需要一个建立的过程。例如，当电路接通电源时，噪声和干扰信号会使电路产生初始的微弱输出信号，经正反馈和放大器的多次循环放大，输出信号的幅度便由小到大直至输出稳定的正弦波信号。

为了保证电路能自行起振，要求Xf>Xi，即

AF>1

(13.4)

式(13.4)即为振荡器的起振振幅条件。

4.振荡器的组成

通过以上对振荡器的分析和认识，可以看出正弦波振荡器必须由放大器、正反馈和选频网络、稳幅电路组成。

13.2RC桥式正弦波振荡器

1.工作原理

图13.2是RC桥式正弦波振荡器的原理电路，它由三部分构成：RC串并联正反馈选频网络、运放、R1与Rf组成的负反馈稳幅网络。运放接成同相输入方式，即jA=0。当信号频率为RC网络的固有振荡频率时，f=f0=1/(2πRC)，反馈网络的相移为0，jF=0，此时满足自激振荡的相位平衡条件(jA+

jF=0)。图13.2RC桥式正弦波振荡器原理电路

2.RC串并联选频电路的选频特性

RC串并联电路如图13.3所示。其中为反馈与选频电路的输入电压，也是放大器的输出电压；为电路的输出电压，也是放大器的反馈电压。正反馈与选频电路的反馈系数为(13.5)图13.3RC串并联反馈与选频电路令ω0=1/(RC)，则上式变为

(13.6)

幅频特性

(13.7)

相频特性

(13.8)

由式(13.7)和式(13.8)可以画出RC串并联电路的频率特性曲线，如图13.4所示。从图中可看出，当ω=ω0时，反馈系数的幅值最大，为F=1/3，即输出电压U2最大，并且与输入电压U1同相位，j(ω0)=0。而当ω≠ω0时，输出均被大幅衰减，即RC串并联网络具有选频作用。ω0称为RC串并联电路的固有频率。图13.4RC串并联网络的频率特性(a)幅频特性；(b)相频特性当ω=ω0时，反馈系数F=1/3，只要同相运算放大器的电压放大倍数满足A≥3，就可满足振幅平衡条件AF≥1。

R1、Rf组成的负反馈网络，其作用是稳定输出信号的幅度，改善波形，减小非线性失真。在实际应用中，负反馈网络常利用二极管、稳压管、热敏电阻等元件的非线性特性自动稳定振荡幅度。

13.3LC正弦波振荡器

1.LC并联回路的谐振特性

LC并联回路如图13.5所示，回路中的电阻R为电感线圈及回路其它损耗的等效电阻。电路的等效阻抗为

(13.9)通常R很小(R<<ωL)，上式近似为

(13.10)图13.5LC并联回路幅频特性为

(13.11)当信号频率为某一特定频率f0时，LC回路产生谐振，复阻抗最大，即要求得到

(13.12)ω0为LC并联回路的谐振频率，或用f0表示为(13.13)

2.变压器反馈式LC正弦波振荡器

1)工作原理

图13.6所示是变压器反馈式LC振荡器，它由共发射极放大器、LC并联谐振电路和变压器反馈电路三部分组成。LC电路由电容C与变压器初级线圈L1组成。谐振时，LC并联回路呈电阻性，在f=f0时，放大器的输出与输入信号反相，即jA=180°。变压器次级线圈L3是反馈线圈，利用变压器的耦合作用，反馈线圈产生反馈电压。因为变压器同名端的电压极性相同，所以反馈电压与输出电压反相，jF=180°，即谐振时满足相位平衡条件。调节变压器的变比系数，可改变反馈量的大小，一般都能满足振荡器的起振条件。图13.6变压器反馈式LC振荡器

2)谐振频率

该电路的振荡频率近似等于LC并联回路的谐振频率，即(13.14)式中，L是谐振回路的等效电感。

3)振幅的稳定

振幅的稳定是利用三极管的非线性特性来实现的。在振荡的初期，输出信号和反馈信号都很小，基本放大器工作在线性放大区，使输出电压的幅度不断增大。当幅度达到某一数值后，基本放大器的工作状态进入饱和区，使得iC失真，其基波分量减小，再经过LC并联回路选频，输出稳定的正弦波信号。变压器反馈式LC振荡电路的特点是电路容易起振，改变电容可调整谐振频率，但输出波形不好，常用于对波形要求不高的设备中。图13.7电感三点式振荡电路

3.电感三点式正弦波振荡器

三点式振荡电路是由LC并联回路的三个端点与三极管的三个电极连接，构成的反馈式振荡电路。这种振荡电路可分为电感三点式和电容三点式。

1)工作原理

电感三点式振荡电路如图13.7所示。电路由一个带抽头的电感线圈和电容器组成LC并联回路，该回路作为选频与反馈网络，它的三个端点分别与三极管的三个极相连。其中L2为反馈线圈，作用是实现正反馈(可用瞬时极性法判断)。

反馈量的大小可以通过改变线圈抽头的位置来调整。为了有利于起振，通常反馈线圈L2的匝数占总匝数的1/8~1/4。

2)振荡频率

电感三点式电路的振荡频率为(13.15)式中，M是线圈L1和L2的互感系数。该电路的特点是：由于存在互感，因而电路更易起振；改变电容C可在较大范围内调节振荡频率，一般从几百千赫兹到几十兆赫兹，但输出波形较差。

4.电容三点式正弦波振荡器

1)工作原理

电容三点式振荡电路如图13.8(a)所示。由C1、C2和L组成并联选频与反馈网络。正反馈电压取自电容C2的两端。谐振时，选频网络呈电阻性，满足自激振荡的相位条件。由于三极管的β值足够大，通过调节C1、C2的比值可得到合适的反馈电压，从而使电路满足振幅平衡条件。一般电容的比值取为C1/C2=0.01~0.5。

2)振荡频率

电容三点式电路的振荡频率为(13.16)该频率近似等于LC并联回路的谐振频率。电容三点式振荡电路的特点是：电路的反馈电压取自C2的两端，高次谐波分量小，振荡输出波形较好；C1和C2较小时，电路的振荡频率较高，一般可达100MHz以上；振荡频率的调节范围小，通常用容量较小的可变电容与电感线圈串联来实现频率的连续可调。为了方便地调节频率和提高振荡频率的稳定性，可把图13.8(a)中的选频网络变成图13.8(b)所示的形式，该选频网络的谐振频率为(13.17)式(13.17)中，。由于C1>>C，C2>>C，因此f0主要由LC决定。通过调节C可以方便地调节振荡频率。图13.8电容三点式振荡电路(a)电路；(b)选频网络

13.4石英晶体正弦波振荡器

1.并联型晶体振荡电路

并联型石英晶体振荡电路如图13.9所示。石英谐振器呈感性，可把它等效为一个电感。选频网络由晶体与外接电容C1、C2组成。振荡器实质上可看作是电容三点式振荡电路。

由运算放大器、晶体谐振器和外接电容组成的三点式振荡电路如图13.10所示，其中Cs为可调电容，调节Cs可微调振荡频率。图13