正弦波振荡电路的原理与分析方法

正弦波振荡电路的原理与分析方法

正藤波器是许多振荡器电路的一种。所谓振荡器就是不需要外电路输入信号,自身能够产生某种频率信号的电路,正弦波振荡器是能够产生某一频率正弦信号的电路。一、正弦波振荡的工作条件及电用于各种场合下的振荡器,由于所要求的振荡频率不同,振荡信号不同,具体的振荡器电路形式很多,在这一节中将详细讲解正弦波振荡器的工作条件和电路工作基本原理、电路分析思路和方法。1.正弦波振荡电路正弦波振荡器电路的种类很多,以下几种是常用的正弦波振荡器:(1)RC移相式正弦波振荡器。(2)用RC选频电路的正弦波振荡器电路。(3)变压器耦合正弦波振荡器。(4)电感三点式正弦波振荡器。(5)电容三点式正弦波振荡器。(6)差动式正弦波振荡器。虽然不同种类的正弦波振荡器基本识图方法相同,但是具体的分析方法有所不同,差别主要有下列两个部分:(1)正反馈电路分析的方法。(2)选频电路结构不同,分析方法有所不同。2.振荡在放大器中的应用初学者比较熟悉放大器,通过与放大器的比较来初识振荡器,两者相比存在下列共同点和不同点,了解这些知识点对分析振荡器工作原理有益:(1)振荡器中含有放大器,振荡器在放大器基本上构建而成,所以也可以说振荡器是放大器的扩展应用。(2)振荡器与放大器最大的不同之处是:放大器用来放大信号源信号,在放大器输入回路需要一个信号源电路,而振荡器能够自身产生信号,它没有输入端,自动产生信号,不需要信号源电路,所以振荡器没有输入端。(3)放大器中主要采用负反馈电路,以改善放大器的性能指标。振荡器则主要采用正反馈电路,振荡器中的放大器则会有局部的负反馈电路。(4)采用选频电路取出振荡器信号,放大器中则需要避免产生自激振荡。二、正信号波器的方框图和电路识别方法分析一种新功能电路时,从了解它的方框图开始,通过方框图可以知道整个电路的组成,各单元电路之间的相互连接关系。1.正截面波幅和框架图如图1所示是正弦波振荡器方框图。正弦波振荡器主要由放大器及稳幅环节、正反馈电路和选频电路各部分单元电路组成。2.振荡信号的输出在整机电路中识别正弦波振荡器的方法是:从方框图中看出,振荡器没有输入信号,只有输出信号Uo,这是振荡器的一个明显电路特征,根据这一特征可以在整机电路分析中分辨哪是振荡器,因为其他电路都有输入信号。3.振荡信号分析要使正弦波振荡器能够正常工作,必须具备以下4个条件,这也是电路分析的重点。(1)放大条件分析。振荡器中存在放大单元,这一放大管又称为振荡管,振荡管对振荡信号有放大能力,放大管的工作原理基本上与普通放大器中的放大管相同,但是也有区别,它处于一种动态平衡状态。振荡器通过放大和正反馈,信号才能不断增大,实现振荡。(2)相位条件分析。振荡器的相位条件具体地讲要求有正反馈电路,由于是正反馈,从振荡器输出端反馈到振荡器输入端的信号加强了原输入信号,这样正反信号进一步加强了振荡器原先的输入信号,仅从这个角度讲通过正反馈和放大电路,振荡信号会愈来愈大,由稳幅电路来限制幅度。相位条件和放大条件(也称幅度条件)是振荡器电路必不可少的两个条件,是基本的两个条件。(3)振荡稳幅分析。振荡器中的放大和正反馈电路对振荡信号具有愈反馈、放大,振荡信号愈大的作用,如果没有稳幅电路振荡信号的幅度愈来愈大,显然这是不可能的,也是不允许的,稳幅电路用来稳定振荡信号的幅度,使振荡器输出等幅信号。(4)选频电路分析。振荡器通过选频电路实现输出某一特定频率的信号,正弦波振荡器中用LC谐振选频电路,RC振荡器通过RC电路决定振荡频率。三、worm分析方法初次分析正弦波振荡器工作原理需要掌握四个分析步骤和了解二个方面原理,具体分析方法说明如下。1.放电电路分析方法振荡器的直流电路分析主要是振荡管集电极与发射极之间直流电路分析,基极偏置电路分析,具体的电路分析方法与普通放大器直流电路分析方法和步骤相同,振荡管的放大作用由直流电路来保证。2.振荡信号耦合电路分析如图2所示方框图可以说明正反馈电路的分析步骤和方法。(1)第一步找出振荡器中的放大器输出端,具体方法是:振荡器输出的振荡信号加到后级电路中,振荡器与后级电路相连的端点是振荡器输出端,以此电路特征可以方便地找出振荡器输出端。(2)第二步找出振荡器中的放大器输入端,具体方法是:找到振荡器中的放大管基极(共发电路中),这是振荡器的输入端,输入回路中有振荡信号耦合元件,如耦合电容。(3)第三步找出振荡器输出端与输入端之间的元器件,除振荡信号耦合元件外,其他是正反馈元器件,主要有电容、电感、变压器。(4)第四步分析加到振荡器输入端的反馈信号相位,具体分析方法是:假设振荡管输入端信号相位为正,通过正反馈电路一节节分析反馈信号的相位,加到振荡器输入端的反馈信号相位仍然为正时,说明这是正反馈过程。检验振荡器分析是否正确的方法是:对于振荡器而言,如果分析的结果电路中不存在正反馈,说明电路分析错误;在整机电路中无法确定是不是振荡器电路时,如果分析的结果实现了正反馈,可以确定是振荡器。3.变压器的电路缺陷采用LC并联谐振电路作为选频电路的分析方法和步骤如下:(1)找出谐振线圈,这比较容易,通过电感器的电路符号可以找到,有的电路中选频电感借用了变压器,它的电路符号也比较特殊,容易找到。(2)找出谐振电容,凡是与L并联的电容器均参与了谐振,找谐振电容应该在找出电感之后进行,这样就比较方便,因为电感在电路中比较少,容易找到,电路中电容比较多,不容易找到谐振电容。(3)对于选频电路中如果存在可变电容或可变电感,说明这一振荡器的振荡频率可以微调,这是一条重要的识图信息,必须掌握。(4)LC并联谐振电路选频的方式有多种,有的作为振荡管的集电极负载,有的则不是这种电路形式。4.确定振动信号输出电路方法振荡器输出端与后级的其他电路相连,输出信号可以取自振荡管的各个电极,可以通过变压器耦合,也可以通过电容器耦合。5.振荡控制过程对稳幅原理只要了解即可,不必对每一个具体电路进行分析。分析振荡器的稳幅原理需要了解一个知识点和分成两个层面进行分析:三极管工作电流与电流放大倍数β之间关系知识点:如图3所示是三极管集电极电流与电流放大倍数β之间关系特性曲线。曲线有一个拐点,拐点之前与之后集电极电流与放大倍数之间特性不同。分析振荡器稳幅过程时需要了解的是,当集电极很大时,放大倍数小于1,说明三极管无电流放大能力。两个层面理解振荡器的稳幅过程:(1)在正反馈电路和振荡管放大的作用下,信号幅度增大,导致振荡管的基极电流增大,当基极电流大到一定程度之后,基极电流的增大将引起振荡管的电流放大倍数β减小,振荡信号电流愈大β愈小,最终导致β小于1,使振荡器输出信号幅度减小。(2)由于β小于1,振荡管没有放大能力,振荡器输出信号幅度减小,导致振荡管基极电流减小,基极电流的减小又使β增大,振荡管又具备放大能力,使振荡信号再次增大,这样反复循环总存在一个动平衡点,此时振荡信号的幅度处于不变状态,达到稳幅的目的。6.振荡信号的模拟振荡器的起振原理只要了解即可,不必对每一个电路进行分析。起振原理是:在分析正反馈过程时,假设某瞬间振荡管的基极信号电压为正,实际上振荡器没有外部信号输入,而是靠电路本身自激产生振荡信号。刚开始振荡时的振荡信号是这样产生的,在振荡器电路的电源接通瞬间,由于电源电流的波动,这一电流波动中含有频率范围很宽的噪声,这其中必有一个频率等于振荡频率的噪声(信号),这一信号被振荡器放大和正反馈,信号幅度愈来愈大,形成振荡信号,完成振荡器的起振过程。四、振荡变压器tt1电路如图4所示是典型的电感三点式正弦波振荡器。这一电路中的VT1是振荡管,T1的初级线圈是振荡线圈,振荡器输出信号Uo由振荡变压器T1次级输出。1.规范的电容c振荡器类型识别方法是:电感三点式正弦波振荡器中的振荡电感接法比较特殊,利用这一点可以识别这种振荡。电路中的T1初级线圈有抽头,它的三根引脚分别与振荡管VT1三个电极交流相连,下端引脚与集电极直接相连,上端引脚经振荡耦合电容C1与基极交流相连,抽头与+V端相连,而+V端相当于交流接地,这样经电容C3与发射极交流相连。由于振荡电感T1初级线圈三个引脚分别与VT1振荡管VT1三个电极相连,所以将这种电路称之为电感三点式振荡器,这是这种振荡器的电路特征,也是识别这种振荡器的依据。电感三点式振荡器电路中,振荡电感必有抽头。2.集电极的放大能力直流工作电压+V经T1初级线圈抽头及抽头以下线圈加到VT1管集电极,R1、RP1和R2构成VT1管基极分压式偏置电路,R3是VT1管发射极电阻,这样,VT1管具备了放大能力,可以放大振荡信号。可变电阻RP1可以调节振荡管VT1基极静态电流大小。3.振荡信号电压极性正反馈过程分成五个步骤,见图中所示的正反馈回路。第一步:假设振荡信号电压极性某瞬间在VT1管基极为“+”。第二步:经过VT1管放大和倒相后,其集电极上信号电压极性为“-”。第三步:VT1管集电极与振荡变压器T1初级线圈的下端引脚直接连接,所以T1初级线圈下端极性为“-”。第四步:由于T1初级线圈的抽头接直流工作电压+V端,+V端相当于交流接地,初级线圈上、下端信号电压极性相反,所以在它的上端振荡信号电压极性为“+”。第五步:经过振荡信号耦合电容C1加到VT1管基极的信号极性为正,与原基极振荡信号极性相同,加强了输入信号,所以这是正反馈过程。4.振幅选频电路C2与T1初级线圈构成LC并联谐振选频电路,振荡器的振荡频率由C2和T1初级线圈电感量决定。选频电路分析方法和理解方法是:LC并联谐振选频电路是振荡管VT1集电极负载电阻,在发生谐振时LC并联谐振电路阻抗最大,相当于VT1管集电极负载电阻最大,所以VT1管对谐振频率信号的放大能力最大。对于其他频率信号,由于LC并联谐振电路失谐,电路阻抗很小,相当于VT1管集电极负载电阻很小,VT1管对这些频率信号放大能力大大下降。由于VT1管对不同频率信号的放大能力不同,所以能选出所需要的振荡信号,达到选频的目的。T1次级线圈输出振荡信号。5.耦合tt1管基极的c接通电源+V后,电路起振,通过正反馈、放大和稳幅环节,振荡器稳定工作。电路中的C1是正反馈耦合电容,将T1初级线圈上正反馈信号耦合到VT1管基极。C1容量大,振荡器容易起振。C1还具有隔直作用,将VT1管集电极和基极上的直流电压隔开。C3为振荡管VT1的发射极旁路电容,将发射极交流接地。6.振荡频率调整电路关于电感三点式正弦波振荡器电路特点和电路分析方法说明以下几点:(1)电感三点式振荡器振荡频率不高,只能做到几十兆赫。这种振荡电路容易起振。(2)频率调整比较方便,只要将T1中加入磁芯,调整磁芯位置就能改变初级线圈电感量,从而改变选频电路的谐振频率,实现振荡频率调整。(3)正反馈信号取自初级线圈抽头与上端之间的一段线圈上。由于电感不能将高次谐波抑制掉,所以振荡器输出信号中高次谐波成分较多。(4)电感三点式振器按照振荡管的接法不同也有多种,可以是发射极交流接地式电路、基极交流接地式等电路,它们的工作原理基本一样。(5)正反馈信号只在初级线圈中传输,次级线圈不参与正反馈信号的传输。(6)振荡线圈一定有抽头,振荡线圈的三根引脚或是直接与振荡管某个电极相连,或是通过电容相连。(7)分辨这种电路中的振荡线圈比较容易,带抽头的是振荡线圈,与该线圈相并联的是谐振电容,振荡电感和谐振电容构成LC并联谐振选频电路。(8)带抽头的是初级线圈,集电极电流流过T1初级线圈,其次级线圈才有振荡信号输出。五、电容三点式振荡电路电容三点振荡器电路又称考毕茨振荡器电路。如图5是电容三点式正弦振荡器的一种变形电路。电路中的VT1是振荡管,C6是输出端耦合电容,L1和C5、C4、C3、C2构成LC并联谐振选频电路。C1是VT1管的集电极旁路电容,将VT1管集电极交流接地。电容三点式正弦波振荡器中,有两只电容串联,即电路中的C2和C3串联,这两只串联电容器后共有三个接点,这三个接点分别与振荡管的三个电极相连,这是这种振荡器的特点,以此可以分辨出是电容三点式振荡器电路。见电路中C3的一端与VT1管基极直接相连,C2和C3连接点与VT1管的发射极直接相连,C2的下端是接地的,而VT1管的集电极是通过旁路电容C1交流接地的,这样C2的下端引脚是与VT1管集电极交流相连的,可见C2和C3的三个接点是与振荡管VT1的三个电极相连。1.永创街直流工作电压+V经R1给VT1集电极加上直流工作电压,R3、R4分压后给VT1管建立基极偏置电压,R2是VT1管发射极电阻。2.反馈信号极性与发射极电压假设某瞬间振荡管VT1基极上振荡信号极性为+(使振荡管基极电流增大),则VT1管集电极为-,经C1旁路到地端为-,这一极性为-的反馈信号电压经C2和C3分压后加到VT1管发射极(或认为反馈信号从C2加到VT1管发射极),其反馈信号极性仍为-。由于发射极电压为-,使VT1管基极电流更大,这是正反馈过程。C2、C3的容量相对大小可以决定正反馈的强弱,以满足振荡的幅度条件。在一些振荡频率较高的电路中,将C3省掉,而是用VT1管基极和发射极之间发射结结电容来代替C3,在分析时要注意这一点。3.lc串联振幅选频电路这一振荡器的振荡原理同前面介绍的基本一样,这里主要说明选频电路的工作原理。选频电路由C4、C3、C2串联之后与C5并联,再与L1并联构成LC并联谐振选频电路。这一LC并联谐振电路接在振荡器输出端与地之间,设该电路的谐振频率为f0,在谐振时该电路阻抗最大,对输出信号分流衰减很小,而当该电路失谐时此电路阻抗很小,对地分流衰减严重,