第五章 振荡电路54Word文档下载推荐.docx

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ui）

只有满足了以上两个基本条件，电路才能产生自激振荡。

2.正弦波振荡器的基本组成

a.振荡电路要产生单一频率的正弦波，必须具有选频电路。

（如果有多个频率的信号满足产生振荡的条件，那么输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦波，而是一个由多种频率信号合成的非正弦波。

如果有选频电路，并且选频电路只让某一频率的信号满足产生振荡的两个基本条件，那么得到的振荡信号就会是单一频率的正弦波信号。

）

b.从原理上讲，一个自激正弦波振荡器必须由三个部分组成：

基本放大器、正反馈电路和选频电路。

（选频电路可以由R、C元件组成，也可以由L、C元件组成，还可以由石英晶体组成。

在实际的振荡电路中，选频电路可以作为一个独立的部分，但多数情况下是包含在反馈电路中或基本放大器之中。

3.振荡的建立和稳定

a.提出问题：

振荡器的最初的输入电压从何而来？

b.自激振荡的建立：

（1）因为振荡电路是一个闭合的正反馈系统，因此电路中任何地方微小的电扰动（如接通直流电源等），最终都会传送到基本放大器的输入端，而成为最初的输入电压。

（2）不规则的电扰动中包含了丰富的频率成分，选频电路从中选出满足振荡条件的某一频率信号，使其在振荡电路中经过放大－正反馈－再放大－再正反馈的循环过程，振荡将迅速增大，这样自激振荡便建立起来了。

c.振荡的稳定：

上述振荡信号不会无止境地增长下去，最后会达到一个相对稳定的幅度，而获得一个等幅振荡。

（因为随着振荡的增长，必将导致晶体三极管进入非线性工作状态，使放大器的放大倍数明显下降，再加上信号在线路中的损耗，因此信号的幅度有减小的趋势，最后信号会达到一个相对稳定的幅度。

二、RC串并联选频电路

1.RC串并联选频电路的构成及特性

a.电路的构成如图5-2（a）所示。

b.当输入电压ui的频率很低时，输出电压uo比输入电压ui超前的相位接近/2，且uo的幅度很小。

（当ui的频率很低时，C1的容抗远大于电阻R1，而C2的容抗远大于电阻R2，因此电路等效为C1与R2的串联，ui主要降落在C1上。

由等效电路的电压、电流的相量图可得出上述结论。

c.当输入电压ui的频率很高时，输出电压uo比输入电压ui滞后的相位接近/2，且uo的幅度很小。

（当ui的频率很高时，C1的容抗远小于电阻R1，C2的容抗也远小于电阻R2，因此电路等效为R1与C2的串联，ui主要降落在R1上。

d.容易理解，在一个适当的中间频率f0处，输出电压uo与输入电压ui同相位，而且输出电压uo的幅度最大。

[如图5-2（a）、（b）所示。

]

2.RC串并联电路的频率特性（详细的定量推导见教材P101）

a.幅频特性和相频特性

（1）幅频特性：

电路的电压传输系数的模

随输入信号频率变化的曲线，称为该电路的幅频特性。

[参见图5-2（b）]

（2）相频特性：

uo与ui的相位差随输入信号频率变化的曲线，称为该电路的相频特性。

[参见图5-2（c）]

b.在实际应用中，通常取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，当输入信号频率为f0＝1/2RC时，电压传输系数的模

达到最大，等于1/3。

即，此时输出电压uo获得最大值，且与输入电压同相位。

所以，该电路具有选频作用。

三、文氏桥式RC振荡器

1.振荡器的电路结构：

a.文氏桥式RC振荡器由运放和RC串并联选频电路组成，如图5-3所示。

b.输出电压uo有两条反馈路径（①加于RC串并联选频电路两端，其输出端A与运放的同相端相连接;

②经电阻R3、R4分压后，反馈到运放的反相端。

c.桥式振荡器名称的由来。

2.工作原理：

a.当频率f＝f0＝1/2RC时，RC选频电路构成一个正反馈支路，使信号满足振荡的相位条件，并且F＝

＝1/3。

b.适当调节R3、R4，使（R3+R4）/R4≥3，就可达到Au≥3，从而使信号满足振荡的幅度条件。

[参见P85（4-3）式，此时Au＝（R3+R4）/R4≥3，FAu≥1。

c.振荡器的稳幅措施：

R3采用负温度系数（温度升高阻值减小）的热敏电阻，使输出电压的幅度稳定。

（这种稳幅方法的原理：

若uo↑→R3的温度↑→R3↓→Au↓→振荡减弱，uo↓。

反之，若uo↓→R3的温度↓→R3↑→Au↑→振荡增强，uo↑。

3.振荡器的特点：

振荡频率和输出电压的幅度比较稳定，波形失真小，频率调节方便，可产生几千赫兹～0.001赫兹的低频正弦波信号，而且整个电路便于小型化，因而在医学中有广泛的应用。

作业P111～112：

5-1，5-2，5-3，5-4，（5-5）

5-2LC正弦波振荡器

由集成运放构成的RC振荡器的振荡频率一般不超过1MHz，如要产生更高频率的振荡，可采用LC振荡器。

LC振荡器由具有选频作用的LC并联谐振回路、放大环节及正反馈电路所组成。

一、变压器反馈式振荡器

1.变压器反馈式LC振荡器的组成：

a.振荡器由LC选频放大器和正反馈电路组成，如图5-4所示。

b.信号的传输途径：

uf从L2引出经CB加到三极管的发射结，放大后的信号经LC并联谐振回路选频后经L1、L2输出。

a.振荡相位条件的满足：

正反馈。

（①线圈的同名端：

互感线圈中电压相位相同的端点，称为同名端，用黑点表示。

②简介正反馈的形成。

b.振荡幅度条件的满足：

L2具有足够多的匝数。

c.起振和稳幅：

①接通直流电源，微弱的电扰动经过多次放大、正反馈、选频后，在集电极负载LC回路上得到一个频率为f0＝

的输出信号电压。

②受晶体三极管非线性的限制，输出信号的幅度将自动稳定在某一水平上，从L1输出一等幅的正弦波振荡电压。

3.电路的特点：

振荡频率较低（几十千赫至几兆赫），输出振荡电压较大，电路比较稳定。

二、电感反馈式振荡器

1.电路的构成

a.电感反馈式振荡电路如图5-5（a）所示。

b.该电路常称为电感三点式振荡器，又叫做哈特莱振荡器。

（该电路也是一种以LC并联谐振回路作为集电极负载的振荡器。

晶体管的三个极分别与线圈的三个线头相连接。

端点1的信号电压与端点3的信号电压相位相反。

（进行简要地分析、讨论）

L2的匝数足够多。

c.实际应用时，取L1/L2＝3/1，既可满足振荡的幅度条件，又不至于反馈量太强，使波形失真太大。

d.该电路的振荡频率近似为

，式中M是线圈L1与L2之间的互感系数。

a.振荡频率中等，一般可达几十兆赫。

若C为可变电容，则振荡频率连续可调。

b.电路简单，容易起振。

c.输出的正弦波信号中，高次谐波较多，波形欠佳。

（∵反馈信号从电感上取出，而电感对高频信号呈现出较大的阻抗，高频信号在电感上产生的压降比较大。

∴反馈量中高频成分比较丰富、比例较大。

三、电容反馈式振荡器

1.电路的结构

a.电容反馈式振荡器如图5-6（a）所示，其简化的交流通道如图5-6（b）所示。

b.该电路叫做考毕兹振荡器。

因其振荡电容有三个引线点，分别与三极管的集电极、发射极和基极相连接，因此该电路又俗称为电容三点式振荡器。

2.工作原理：

（该电路在形式上与电感反馈式振荡器基本相同，只是电容与电感互换了位置，反馈信号从C2的两端取出。

a.振荡条件的满足：

（1）相位条件的满足：

（2）幅度条件的满足：

适当选取C1与C2的比值，使FAu≥1。

b.该电路的振荡频率近似为：

式中的C是C1与C2的串联等效电容。

振荡频率较高（一般可达到100MHz以上）;

输出波形失真小，更接近于正弦波;

频率调节不方便。

【补充】

1.判断电感、电容反馈式LC振荡器是否满足相位条件，可用一句话来概括：

“射同集反”。

（即与发射极相连接的是两个同性质的电抗，而与集电极相连接的是两个相反性质的电抗。

2.某一电路是否可能产生振荡，从三点来判断：

①晶体管是否工作于放大状态;

②是否引入了正反馈;

③反馈量是否足够大。

（主要是判断前两点。

作业P112：

（5-6），①5-7，②补充习题。

5-3晶体正弦波振荡器

引言：

1.LC振荡器的不足：

品质因数Q值还不够高（200以下），

选择性不够好，致使振荡频率的稳定度（f0/f0）不够高（很难超过10-5数量级）。

2.为了提高振荡器的性能，常用石英晶体代替LC振荡器中的LC并联谐振回路，构成石英晶体振荡器。

一、石英晶体的结构和电特性

1.石英晶体的结构及压电效应

a.石英晶体的结构：

将天然石英（一种六棱柱晶体）按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。

在晶片两个相对的表面上喷涂金属并引出电极，就制成了石英振荡器，又称为石英晶体。

其结构示意图暨电路符号如图5-7（a）所示。

（书上原图有错）

b.石英晶体的压电效应：

（1）正压电效应：

若在晶体相对的两侧面上施加压力或拉力，则在这两个面上会出现异号电荷。

（2）逆压电效应：

若在晶体相对的两侧面之间加一电场（电压），则晶体将会产生形变，晶片的厚薄会发生变化。

（3）压电谐振：

当晶体上外加交变电压的频率与晶体机械振动的固有频率相等时，电磁振荡和机械振动的幅度达到最大。

（在晶体的极板上加交变电压，晶体就会产生机械振动，而机械振动又会产生交变电场。

一般幅度很小。

c.石英晶体的固有频率由晶片的切割方向和几何尺寸决定，每一块晶片都有它的固有频率，而且非常稳定。

2.石英晶体的电特性：

a.石英晶体的等效电路如图5-7（b）所示。

（图中C0是晶片金属极板之间的静电容，约为几皮法至几十皮法;

晶片的等效电感L为10－3～102H,等效电容C为10－2～10－1皮法，等效电阻R约为1～10欧姆，它表示振动时的磨擦损耗。

）

b.由于石英晶片的等效电感L很大，而C、R很小，所以石英谐振回路的Q值很大（可达104～106）。

利用石英晶体组成振荡器，可以获得很高的频率稳定性。

3.石英晶体的电抗-频率特性及其谐振频率：

石英晶体的电抗-频率特性曲线如图5-7（c）所示。

a.在f≤f1的区域：

（1）f＜f1时，晶体呈电容性。

（2）f＝f1时，X＝0，Z＝R，晶体呈纯电阻性，LCR支路产生串联谐振。

（3）串联谐振的频率为

b.在f1＜f≤f2的区域：

（1）f1＜f＜f2时，晶体呈现电感性。

（2）当f＝f2时，晶体等效电路两支路的电抗大小相等（X＝0），晶体的阻抗Z最大且呈纯电阻性，晶体产生并联谐振。

（3）如果忽略电阻R的影响，则并联谐振的频率为

c.当频率f＞f2时，晶体又呈电容性。

d.小结：

（1）石英晶体不仅有串联谐振频率f1，而且还有并联谐振频率f2;

∵C0＞＞C，∴f2与f1很接近。

（2）在f1＜f＜f2这段很窄的频率范围内，石英晶体相当于一个电感元件，其电感量L′（并不是晶体的等效电感L）可在零到无穷大的范围内变化。

二、并联型晶体振荡器

1.并联型晶体振荡器如图5-8（a）所示，它实际上是一个电容反馈式振荡器，在f1～f2的频率范围内，晶体相当于一个电感元件

。

2.原理分析

a.振荡条件的分析：

（1）由图5-8（a）可知，三极管处于放大状态。

（2）图5-8（b）是简化了的并联型晶体振荡器的交流等效通路，在f1～f2的频率范围内，晶体的等效电感为L′（它随频率变化极大）。

电路的连接符合“射同集反”，因此，电路满足振荡的条件。

（3）电路的振荡频率为

是

与

的串联等效值。

b.稳定振荡频率的机理：

如果电容

发生变化，则会对振荡频率f0产生影响，频率变化又会引起L′的变化，L′的变化反过来又对振荡频率产生影响：

（1）

↓→f0↑→L′↑→f0↓，f0稳定不变

（2）

↑→f0↓→L′↓→f0↑，f0稳定不变

可见，L′在振荡中起到自动稳定频率的作用。

所以，晶体振荡器的频率稳定性很高。

三、串联型晶体振荡器

1.串联型晶体振荡器的电路结构如图5-9所示。

（它由两级直接耦合的放大电路组成，正弦波振荡电压由T2的发射极经电容C输出。

2.原理分析：

a.信号的反馈通路：

e2→晶体→R→e1

b.振荡的相位条件（正反馈）和幅度条件（晶体串联谐振时，正反馈的量最大）。

c.晶体发生并联谐振时，虽然电路能满足相位条件，但幅度条件不满足。

振荡的强度可控制（调节R可改变反馈量的大小），频率的稳定性极高。

5-8，5-9

5-4非正弦波发生器

一、矩形波发生器

1.电路的构成由运算放大器构成的矩形波发生器如图5-10（a）所示。

图中的运算放大器A为电压比较器；

DZ是双向稳压管，使输出电压uo等于＋UZ或－UZ；

R1与R2构成正反馈支路，R1上的电压uT是输出电压uo的一部分，即

uT加在同相输入端，作为比较器的参考电压；

R3和电容C构成负反馈支路，电容器两端的电压uC加在反相输入端，uC与UT相比较而决定运算放大器输出电压uo的极性；

R4是输出限流电阻。

2.工作原理

a.设初始时刻uC＝0，uo＝+UZ，则

＝+UT，这时uC＜uT，输出电压uo保持为+UZ；

uo通过R3对电容器C充电，uC按指数规律升高（如图所示）。

当uC升高到等于+UT时，uo将迅速地由+UZ变为－UZ。

b.当uo＝－UZ时，

＝－UT，uC＞uT，输出电压uo保持为－UZ；

这时电容器C开始通过R3放电，然后反向充电，uC按指数规律下降（如图所示）。

当uC下降到－UT时，uo将迅速地由－UZ又变为+UZ。

此后，电路的状态不断地循环往复，在输出端输出一矩形波电压。

3.电路的振荡周期输出矩形波电压的振荡周期为

如果R1=R2，则T≈2.2R3C。

调整电阻R1、R2、R3和电容C的值，可以改变矩形波电压的振荡周期。

二、三角波发生器

1.电路的构成由运算放大器构成的三角波发生器如图5-11（a）所示。

图中A1为比较器，A2为积分电路，电阻R1的一端接在A1的同相输入端、另一端接在A2的输出端。

a.在电路工作稳定后，当uo1为－UZ时，A1同相输入端的电位为

（叠加原理）

上式中的第一项是uo1＝－UZ单独作用（即uo＝0）时对u+1的贡献，第二项是uo单独作用（即uo1＝0）时对u+1的贡献；

A1反相输入端的电位u－1＝0。

在uo1＝－UZ期间，A2的输出电压

随时间线性上升，u+1也随时间线性上升。

当

时，

u+1＝u－1＝0，uo1将迅速从－UZ跳变为＋UZ。

b.同理，在uo1＝＋UZ期间，A1同相输入端的电位为

，

A2的输出电压

随时间线性下降，u+1也随时间线性下降。

时，u+1＝u－1＝0，uo1将迅速从＋UZ跳变为－UZ。

此后，电路的状态不断地循环往复，在A1的输出端得到的是矩形波电压uo1，在A2的输出端得到的是线性度很好的三角波电压uo，如图5-11（b）所示。

3.电路的振荡周期三角波电压的振荡周期为

三角波电压的幅值为

三、锯齿波发生器

1.电路的构成由运算放大器构成的锯齿波发生器如图5-12（a）所示。

电路结构与三角波发生器基本相同，差别在于积分电路A2反向输入端的电阻分成了两路，并加了两只二极管D1、D2以及电位器RW（RW＞＞R3）。

调节RW，就可在A2的输出端得到图5-12（b）所示的锯齿波电压。

2.工作原理（与三角波发生器相似）

a.设二极管正向导通时的电阻忽略不计，RW上、下两部分的电阻分别为RW’和RW’’。

当uo1＝－UZ时，D1截止、D2导通，所以

；

当uo随时间升高到

时，u+1＝u－1＝0，uo1将迅速从－UZ跳变为＋UZ。

b.当uo1＝＋UZ时，D1导通、D2截止，

当uo随时间下降到

时，u+1＝u－1＝0，uo1又迅速从＋UZ跳变为－UZ。

以后照此循环往复。

3.电路的振荡周期锯齿波电压的振荡周期为

锯齿波的下降沿与周期之比为

[书中的（5-23）式，只适用于电位器的滑动端在最上端的情况]

锯齿波电压的幅值为

四、集成函数发生器（以后自学）

作业复习看书。