模拟电子技术基础教学课件作者陈梓城第6章

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1、6.1 正弦波振荡电路的基本概念 6.2 RC正弦波振荡电路 6.3 LC正弦波振荡电路 6.4 石英晶体振荡器,第六章 正弦波振荡电路,6.1 正弦波振荡电路的基本概念,正弦波振荡器（Sinusoidal oscillator）是一种不需外加激励信号就能将直流能源转换成具有一定频率、一定幅度的正弦波信号的电路。它在测量、通信、无线电技术、自动控制和热加工、音频、视频设备等领域有着广泛的应用。,6.1.1 产生正弦波振荡的条件,正弦波振荡电路框图如图6.1.1所示。其中A是放大电路，F是反馈网络。 由图可知，产生振荡的基本条件是反馈信号与输入信号大小相等、相位相同。则 ， ， 当 时，必 有

2、。故 就是振荡电路产生自激振荡的条件。,1原理框图,图6.1.1 正弦波振荡电路的框图,2振荡平衡条件 设 ， 则得 得到振荡的两个条件：,(1) 振幅平衡条件（Amplitude equilibrium condition） =1称为,振荡电路产生振荡时的振幅平衡条件，即放大倍数与反馈系数乘积的模为1。它表示反馈信号与原输入信号 的幅度相等。,(2) 相位平衡条件（Phase equilibrium condition） (n=0,1,2,3)称为振荡电路产生振荡时的相位平衡条件，即放大电路的相移与反馈网络的相移之和为2n，引入的反馈为正反馈，反馈端信号与输入端信号同相。,6.1.2 振荡电

3、路的起振与稳幅,1起振条件,振荡的平衡条件是指振荡电路已进入振荡的稳定状态而言的，为使电路接通直流电源后能自动起振，必须满足振幅起振条件和相位起振条件：,(1)振幅起振条件：幅度上 ， 即 (2) 相位起振条件：反馈电压与输入电压同相，即 （n=0,1,2,3）,2起振稳幅过程,当振荡电路接通电源时，电路中就会产生微小的不规则的噪声和电源刚接通时的冲击信号，它们包含从低频到甚高频的各种频率的谐波成分，其中必有一种频率信号f0能满足相位平衡条件。,若又满足 的条件，则振荡电路起振。 起振后，振荡幅度迅速增大,使放大器工作于非线性区, 致使放大倍数 下降，直到 ,振荡(幅度)进入稳 定状态。,6.

4、1.3 振荡电路的组成和分析方法,一、振荡电路组成,正弦波振荡电路具有能自行起振且输出稳定的振荡信号的特点，一般必须由以下几部分组成。 1放大电路 具有信号放大作用，将电源的直流电能转换成交变的振荡能量。 2反馈网络 形成正反馈以满足振荡平衡条件。 3选频网络(Frequency-selective nework) 选择某一频率f0的信号满足振荡条件，形成单一频率的振荡。,4稳幅电路(Amblitude stability circuit) 使幅度稳定并改善输出波形。常用的有两种稳幅措施，一种是利用振荡管特性的非线性（截止或饱和）实现稳幅，称为内稳幅；另一种是利用外加稳幅电路实现稳幅，称为外稳

5、幅，这时，振荡管工作在线性放大区。,二、振荡电路的分析方法,对于一个振荡电路，首先要判断它能否产生振荡。对于能振荡的电路，其振荡频率可根据选频网络的参数进行计算。为保证振荡电路的起振，必须根据起振条件来确定电路元器件的参数。,判断电路能否产生振荡的步骤如下：,(1)检查电路的基本环节，一般振荡电路应具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅电路等环节，缺一不可。 (2)检查放大电路的静态工作是否合适。 (3)检查电路是否引入正反馈，即是否满足相位平衡条件，如不能满足，肯定不能产生振荡。 (4) 判断电路是否满足振幅起振条件,具体方法是：分别求解电路 和 ，然后判断 是否大于1。,三、振荡器的频率稳

6、定性,在实际应用中，总希望振荡器频率稳定不变。但由于受环境温度及元件老化等影响，振荡频率或多或少会发生变化。振荡器频率的稳定性指标用频率稳定度和频率准确度来衡量。,频率准确度（Frequency accuracy）又称频率精度，可用两种方法表示。,1. 频率准确度,（1）绝对频率准确度f f 是指一定条件下，实际振荡频率与标称频率之间的偏差值，即 f=ff0 （2）相对频率准确度 相对频率准确度指绝对频率差值f与标称频率的比值，即 f / f0= ff0 / f0,(1)频率稳定度（Frequency stability）是指在一定观测时间内，由于各种因素引起振荡频率相对于标称频率变化的程度。

7、 (2)根据观察时间长短，将频率稳定度分为长期（一天以上），短期（观测时间一天以内）和瞬时频率稳定度（秒或毫秒内频率变化）。 (3)频率稳定度用10_n来表示，方次绝对值越大，频率稳定度越高。,2. 频率稳定度,6.2 RC正弦波振荡电路,6.2.1 文氏桥式RC正弦波振荡电路,RC串并联正弦波振荡电路如图6.2.1 a所示。图中集成运放A构成同相比例放大电路，反馈网络由RC串并联网络组成，因它与Rf、R3构成电桥形式，如图6.2.1 b所示，故称文氏桥式RC振荡电路(Wien bridge RC oscillator)。,1电路组成,由瞬时极性法可知，RC串并联网络构成正反馈电路，满足相位平

8、衡条件。Rf、R3将运放接成同相比例放大电路，即电压串联负反馈电路，满足振幅平衡条件。,2振荡判断,图6.2.1 RC文氏桥式振荡器,为了便于分析，将图6.2.1中的选频网络单独画在图6.2.2上。图中R1=R2=R，C1=C2=C。 RC串联电路的阻抗为,一、RC串并联网络的频率特性,RC并联电路的阻抗为,1频率特性分析,图6.2.2 RC串联联网络,图6.2.3 RC串并联网络的频率特性 (a)幅频特性 (b)相频特性,当输入端输入正弦波电压时，电路的输出电压为，电路的传输函数（即振荡电路中的反馈系数）为,令 , 0 是电路的谐振角频率。则上式可改 写为,(1)RC串并联选频网络的幅频特性

9、,(2) RC串并联选频网络的相频特性为,二、RC串并联正弦波振荡电路分析,当串并联选频网络在f=f0时，Uf最大，相移=0o，因此，采用同相放大器，就能满足相位平衡条件。,1.振荡频率计算,可见，改变R、C的参数值，就可调节振荡频率。为了同时改变图6.2.1中的R1、R2值或C1、C2值，一般采用双联电位器或双联电容器来实现。,当R1=R2=R，C1=C2=C时，RC串并联 正弦波振荡电路 的振荡频率为,2. 起振条件,当 f=f0、 F =| |=1/3,根据起振条件| |1，要求 图6.2.1所示Rf、R3构成电压串联负反馈电路的电压放大倍数 Af=1+Rf/R33。即Rf2R3就能顺利

10、起振。,例6.2.1 图6.2.1所示电路中，若R1=R2=100，C1=C2=0.22F，R3=10k，求振荡频率以及满足振荡条件的Rf的值。,解：由求振荡频率公式可得：,要满足起振条件，则Rf2R3，故Rf 210k=20k，Rf取大于20k电阻。,3.稳幅措施,如图6.2.4所示电路是利用二极管的非线性自动完成稳幅的。在负反馈电路中，二极管VD1、VD2与R4并联，只要有信号输出总有一个二极管导通，放大倍数为： 式中，rd为二极管VD1、VD2导通时的动态电阻。,(1)二极管稳幅,图6.2.4 利用二极管稳幅RC振荡电路,振荡电路刚起振时，输出电压较小，二极管正向偏置电压小，二极管正向交

11、流电阻较大，负反馈较弱，使| |大于3，满足起振条件。当输出电压增大时，通过二极管的电流相应增大，导致二极管动态电阻rd减小，负反馈增强，使| |减小，从而达到自动稳定输出幅度的目的。,除二极管外，还可用热敏电阻进行稳幅。为此，把图6.2.1中的负反馈电阻Rf换成负温度系数的热敏电阻，就能达到稳幅的目的。即振荡电压振幅增加时，流过Rf的电流增加，导致Rf中的功率增加而使温度上升，从而使Rf阻值减小，同相放大器增益下降。,(2)热敏电阻稳幅,电路如图6.2.5所示。图中，场效应管V1的漏源电阻RDS和R3串联后代替图6.2.1中的R3，负反馈网络由RP3、RDS、R3组成。输出电压经二极管VD1

12、整流和R4、C4滤波后，通过R5和RP4为场效应管提供与振荡振幅成比例的负栅压UGS，调整RP4，使场效应管工作在变阻区，它的RDS成为受UGS控制的可变电阻。当振荡电路输出幅值增大，|UGS|也随之增大（即UGS变负），管子的RDS增大，负反馈增强，放大倍数Au减小。,(3)场效应管稳幅,三、RC串并联正弦波振荡电路特点,RC串并联正弦波振荡电路具有电路简单，易于起振的优点，适用于f01MHz的场合。缺点是频率调节不方便，振荡频率不高。,图6.2.5 利用场效应稳幅文氏振荡电路,6.2.2 RC移相式正弦波振荡电路,一、电路组成和振荡条件的实现,RC移相式正弦波振荡电路如图6.2.6 a所示

13、。图中三个电阻R和电容C构成选频网络。Rf将集成运放接成反相输入组态，a=180o。若要满足相位平衡条件，则RC反馈网络必须在某一特定频率上提供移相f =180o。因一节RC移相网络可以移相0o90o，要使f =180o，必须有三节或三节以上移相电路，使总移相在0o270o范围内。另外，还要适当调整Rf，以满足幅值平衡条件。,二、振荡频率的估算及起振条件,1估算,图6.2.6 RC移相正弦波振荡电路 (a) 电原理图 (b)等效电路,由图6.2.6 b可见，它是由反相放大器和三节RC移相网络组成。 通过分析求得三节RC移相网络的电压增益为,振荡时，上式虚部为零，即 得 振荡角频率,振荡频率,当

14、 时，电路产生振荡，振荡 时的反馈系数为,2电路起振条件,达到振荡平衡时| |=1，可得达到振荡平衡时反相放 大器的电压增益应为 。可见，电路的起振 条件应为|Af|29.,即Rf29R。为了实现稳幅，电路中Rf一 般用具有负温度系数的热敏电阻取代。,三、RC移相式正弦波振荡电路特点,RC移相式正弦波振荡电路具有结构简单、使用方便等优点。缺点是选频作用差导致输出波形失真大，频率调节不容易，振荡频率不够稳定。它一般适用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合，其频率范围为几HZ至几十kHZ。,6.3 LC正弦波振荡电路,LC正弦波振荡电路的选频网络为LC并联回路，它主要用于产生高频正弦波信号。,一、

15、谐振频率,6.3.1 LC并联回路的频率特性,LC并联回路如图6.3.1所示。图中R表示电感和电路其它损耗的总等效电阻，IS为幅值不变、频率可变的正弦波电流源信号。,图6.3.1中LC并联回路总阻抗Z为 一般情况下，L R，故上式可简化为,当虚部为零时即L =1/(c )时，电路发生并联谐振，电路呈纯电阻性，令并联谐振角频率为0，即 谐振频率为,图6.3.1 LC并联回路,并联谐振时阻抗Z0为最大，且 谐振回路品质因数 故,LC并联回路谐振时，阻抗呈纯阻性，且Q值越大，谐振时阻抗Z0越大。,二、谐振时的回路阻抗,三、LC并联回路的选频特性,引入Q后，将Z改写为,相应的幅频特性和相频特性如图6.3.2所示。,1频率特性图,图6.3.2 LC并联回路的频率特性 a）幅频特性 b)相频特性,2选频特性分析,由图6.3.2可见，当信号频率f=f0时，Z最大且为纯阻性，=0o。当ff0时，Z减小。当f/f01即ff0时，Z呈感性，0o。当ff0时，Z呈容性，0。同时Q值越大，谐振阻抗Z0也越大，幅频特性越尖锐，相位随频率变化的程度也