第二十三讲 正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成二、RC正弦波振荡电路三、LC正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路一、正弦波振荡的条件和电路的组成一、正弦波振荡的条件和电路的组成1. 正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件 无外加信号,输出一定频率一定幅值的正弦信号无外加信号,输出一定频率一定幅值的正弦信号 要求:引入正反馈,且振荡频率可控要求:引入正反馈,且振荡频率可控在电扰动下,对于某一特定频率在电扰动下,对于某一特定频率f0的信号形成正反馈:的信号形成正反馈: 由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制,最由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制,最终达到动态平衡,稳定在一定的幅值终达到动态平衡,稳定在一定的幅值1. 正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件 一旦产生稳定的振荡,则一旦产生稳定的振荡,则电路的输出量自维持,即电路的输出量自维持,即幅值平衡条件幅值平衡条件相位平衡条件相位平衡条件起振条件:起振条件: 要产生正弦波振荡,必须有满足相位条件的要产生正弦波振荡,必须有满足相位条件的f0,,且在合且在合闸通电时对于闸通电时对于f= f0信号有从小到大直至稳幅的过程,即满信号有从小到大直至稳幅的过程,即满足起振条件。
足起振条件2. 起振与稳幅起振与稳幅电路如何从起振到稳幅?电路如何从起振到稳幅?稳定的稳定的振幅振幅非线性环节非线性环节的必要性!的必要性!3. 基本组成部分基本组成部分1) 放大电路:放大作用放大电路:放大作用2) 正反馈网络:满足相位条件正反馈网络:满足相位条件3) 选频网络:确定选频网络:确定f0,,保证电路产生正弦波振荡保证电路产生正弦波振荡4) 非线性环节(稳幅环节):稳幅非线性环节(稳幅环节):稳幅1) 是否存在主要组成部分;是否存在主要组成部分;2) 放大电路能否正常工作,即是否有合适的放大电路能否正常工作,即是否有合适的Q点,信号是点,信号是 否可能正常传递,没有被短路或断路否可能正常传递,没有被短路或断路;;3) 是否满足相位条件,即是否存在是否满足相位条件,即是否存在 f0,,是否可能振荡是否可能振荡 ;;4) 是否满足幅值条件,即是否一定振荡是否满足幅值条件,即是否一定振荡常合二为一常合二为一4.4.分析方法分析方法相位条件的判断方法:相位条件的判断方法:瞬时极性法瞬时极性法 断开反馈,在断开处给放大电路加断开反馈,在断开处给放大电路加 f==f0的信号的信号Ui,,且规且规定其极性,然后根据定其极性,然后根据 Ui的极性的极性→ Uo的极性的极性→ Uf的极性的极性若若Uf与与Ui极性相同,则电路可能产生自激振荡极性相同,则电路可能产生自激振荡;否则电路不;否则电路不可能产生自激振荡。
可能产生自激振荡 在多数正弦波振荡电路在多数正弦波振荡电路中,输出量、净输入量和中,输出量、净输入量和反馈量均为电压量反馈量均为电压量极性?极性?5. 分类分类常用选频网络所用元件分类常用选频网络所用元件分类1) RC正弦波振荡电路:几百正弦波振荡电路:几百千赫千赫以下以下2) LC正弦波振荡电路:几百正弦波振荡电路:几百千赫千赫~~几百几百兆赫兆赫3) 石英晶体正弦波振荡电路:振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路:振荡频率稳定二、二、RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. RC串并联选频网络串并联选频网络低频段低频段高频段高频段 在频率从在频率从0~~∞中必有一个频率中必有一个频率f0,,φF==0ºRC串并联选频网络的频率响应串并联选频网络的频率响应当当 f=f0时,不但时,不但φ=0,,且且 最大,为最大,为1/31)是否可用共射放大电路?是否可用共射放大电路?2)是否可用共集放大电路?是否可用共集放大电路?3)是否可用共基放大电路?是否可用共基放大电路?4)是否可用两级共射放大电路?是否可用两级共射放大电路?2. 电路组成电路组成 应应为为RC 串并联网路配一个电压放大倍数略大于串并联网路配一个电压放大倍数略大于3、输入电、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。
的放大电路不符合相位条件不符合相位条件不符合幅值条件不符合幅值条件输入电阻小、输出输入电阻小、输出电阻大,影响电阻大,影响f0 可引入电压串联负反馈,使可引入电压串联负反馈,使电压放大倍数大于电压放大倍数大于3,且,且Ri大、大、Ro小,对小,对f0影响小影响小3. RC桥式正弦波振荡电路(文氏桥振荡器)桥式正弦波振荡电路(文氏桥振荡器)用同相比例运算电路作放大电路用同相比例运算电路作放大电路 因同相比例运算电路有非常好的线性度,故因同相比例运算电路有非常好的线性度,故R或或Rf可用热敏电阻,或加二极管作为非线性环节可用热敏电阻,或加二极管作为非线性环节频率可调的频率可调的文氏桥振荡器文氏桥振荡器 改变电容以粗调,改变电改变电容以粗调,改变电位器滑动端以微调位器滑动端以微调 加稳压管可以限制输出电加稳压管可以限制输出电压的峰压的峰-峰值同轴同轴电位器电位器讨论:讨论:判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗?判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗?RC 移项式电路移项式电路1) RC 移相电路有几级才可能产生正弦波振荡?移相电路有几级才可能产生正弦波振荡?优点:结构简单、经济方便等。
缺点:选频性能较差,频率调节不方便由于输出幅度不够稳定,输出波形较差,一般只用于振荡频率固定,稳定性要求不高的场合 三、三、LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1. LC并联并联网络的选频特性网络的选频特性 理想理想LC并联网络在谐振时呈并联网络在谐振时呈纯阻性纯阻性,且,且阻抗无穷大阻抗无穷大谐振频率为谐振频率为损耗损耗若若R<<ωL,则,则谐振频率谐振频率谐振电抗谐振电抗电抗的频率特性电抗的频率特性谐振时的电流分配关系谐振时的电流分配关系谐振时谐振时谐振时谐振时LCLC回路的电流比输入电流大得多,回路的电流比输入电流大得多,回路的电流比输入电流大得多,回路的电流比输入电流大得多,I I 的影响可以的影响可以的影响可以的影响可以忽略,外界只加很小的激励就会在谐振电路中产生很大忽略,外界只加很小的激励就会在谐振电路中产生很大忽略,外界只加很小的激励就会在谐振电路中产生很大忽略,外界只加很小的激励就会在谐振电路中产生很大响应 构成正弦波构成正弦波振荡电路最简振荡电路最简单的做法是通单的做法是通过变压器引入过变压器引入反馈附加相移附加相移LC选频放大电路选频放大电路→→正弦波振荡电路正弦波振荡电路 当当f=f0时,时,电压放大倍电压放大倍数的数值最数的数值最大,且附加大,且附加相移为相移为0。
2. 变压器反馈式变压器反馈式电路电路C1是必要的吗?是必要的吗?特点:特点: 易振,波形较好;耦合不紧密,易振,波形较好;耦合不紧密,损耗大,频率稳定性不高损耗大,频率稳定性不高分析电路是否可能产生正弦分析电路是否可能产生正弦波振荡的步骤:波振荡的步骤:1) 是否存在组成部分是否存在组成部分2) 放大电路是否能正常工作放大电路是否能正常工作3) 是否满足相位条件是否满足相位条件 为为使使N1、、N2耦合紧密,将它们合二为一,组成电感反馈耦合紧密,将它们合二为一,组成电感反馈式电路必须有合适的同必须有合适的同名名端!端!3. 电感反馈式电路电感反馈式电路反馈电压取自哪个线圈?反馈电压取自哪个线圈?反馈电压的极性?反馈电压的极性? 电感的三个抽头分别接晶电感的三个抽头分别接晶体管的三个极,故称之为电体管的三个极,故称之为电感三点式电路感三点式电路3. 电感反馈式电路电感反馈式电路特点:耦合紧密,易振,振特点:耦合紧密,易振,振幅大,幅大,C 用可调电容可获得用可调电容可获得较宽范围的振荡频率波形较宽范围的振荡频率波形较差,常含有高次谐波较差,常含有高次谐波 由于电感对高频信号呈现较大的电抗,故波形中含高由于电感对高频信号呈现较大的电抗,故波形中含高次谐波,为使振荡波形好,采用电容反馈式电路。
次谐波,为使振荡波形好,采用电容反馈式电路4. 电容反馈式(电容三点式)电路电容反馈式(电容三点式)电路 若要振荡频率高,则若要振荡频率高,则L、、C1、、C2的取值就要小当的取值就要小当电容电容减减小到一定程度小到一定程度时时,晶体管的极间电容将并联在,晶体管的极间电容将并联在C1和和C2上,影上,影响振荡频率响振荡频率特点:特点:波形好,振荡频率调整范围小,适于频率固定的场合波形好,振荡频率调整范围小,适于频率固定的场合与放大电路参数无关与放大电路参数无关作用?作用?四、石英晶体正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路 1. 石英晶体的特点石英晶体的特点SiO2结晶体按一定方向切割的晶片结晶体按一定方向切割的晶片当给石英晶片外加交变电压时,石英晶片将按交变电压的频率发生机械振动,同时机械振动又会在两个电极上产生交变电荷,结果在外电路中形成交变电流 四、石英晶体正弦波振荡电路四、石英晶体正弦波振荡电路 1. 石英晶体的特点石英晶体的特点当外加交变电压的频率等于石英晶片的固有机械振动频当外加交变电压的频率等于石英晶片的固有机械振动频率时,晶片发生共振,此时机械振动幅度最大率时,晶片发生共振,此时机械振动幅度最大. 固有频率只决定于其几何尺寸,故非常稳定。
固有频率只决定于其几何尺寸,故非常稳定容性容性感性感性阻性阻性 一般一般LC选频网络的选频网络的Q为几百,石英晶体的为几百,石英晶体的Q可达可达104~~106;前者;前者Δf/f为为10-5,后者可达,后者可达10-10~~10-112. 电路电路①① 石英晶体工作在哪个区?石英晶体工作在哪个区?②② 是哪种典型的正弦波振荡是哪种典型的正弦波振荡电路?电路?①① 石英晶体工作在哪个区?石英晶体工作在哪个区?②② 两级放大电路分别为哪种两级放大电路分别为哪种基本接法?基本接法?③③ C1的作用?的作用?((1)并联型电路)并联型电路((2)串联型电路)串联型电路讨论三讨论三同铭端?同铭端?能产生正弦能产生正弦波振荡吗?波振荡吗?注意事项:注意事项:1. 放大电路必须能够正常工作,放大电路的基本接法;放大电路必须能够正常工作,放大电路的基本接法;2. 断开反馈,在断开处加断开反馈,在断开处加 f=f0的输入电压;的输入电压;3. 找出在哪个元件上获得反馈电压,是否能取代输入电压找出在哪个元件上获得反馈电压,是否能取代输入电压清华大学 华成英 hchya@。