第五章 振荡电路54.docx

1、第五章 振荡电路 54第五章 振荡电路 在一个电子线路中，不加输入信号就有信号输出的现象，称为自激振荡，实现振荡的电路称为振荡器。常见的振荡器有两类：一类是正弦波振荡器，另一类是非正弦波振荡器。5-1 RC正弦波振荡器 一、自激振荡的基本原理 正反馈放大器有可能形成振荡。但满足什么条件时，才能使正反馈放大器成为一个自激振荡器呢？ 1.自激振荡的基本条件 a.自激振荡器的原理框图如图5-1所示。 (1)自激振荡器分为两个部分：一是基本放大器，其放大倍数为Au ;二是正反馈电路，反馈系数为F。 (2)信号的传输：设基本放大器的输入端有一初始输入信号u i基本放大器u o= Auu i正反馈电路u

2、f Fu o基本放大器，如此循环。显然，在将输入信号拿掉的情况下，电路能维持有信号输出的条件是：u f u i 。 b.产生自激振荡，必须具备的两个基本条件： (1)相位条件：反馈信号u f与输入信号u i同相位，即u f与u i的相位差应为 2 n (n0, 1, 2, 3) (2)幅度条件：反馈信号u f应大于或等于输入信号u i ，即FAu1 （u o A uu i ， u f Fu oF A uu i）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

3、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

4、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

5、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u i的频率很低时，输出电压u o比输入电压u i超前的相位接近/2，且u o的幅度很小。（当u i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R 2，因此电路等效为C1与R 2的串联，u i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u i的频率很高时，输出电压u o比输入电压u i滞后的相位接近/2，且u o的幅度很小。（当u i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R 2，因此电路等效为R1与C2的串联，u i主要

6、降落在R1上。由等效电路的电压、电流的相量图可得出上述结论。） d.容易理解，在一个适当的中间频率f0处，输出电压u o与输入电压u i同相位，而且输出电压u o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：u o与u i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R1R2R，C1C2C，当输入信号频率为f01/2RC时，电压传

7、输系数的模达到最大，等于1/3。即，此时输出电压u o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u o有两条反馈路径（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;经电阻R 3、R 4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ff01/2RC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F1/3。 b.适当调节R3、R4，使(R3+R4)/ R43，就可达到Au3，从而使

8、信号满足振荡的幅度条件。参见P85(4-3)式，此时A u(R3+R4)/ R43，F A u1。 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u oR3的温度R3A u振荡减弱，u o 。 反之，若u oR3的温度R3A u振荡增强，u o 。） 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 P111112： 5-1， 5-2， 5-3，5-4， （5-5）5-2 LC正弦波振荡器 由

9、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：u f 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、L 2输出。 2.工作原理： a.振荡相位条件的满足：正反馈。（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。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。

10、c.起振和稳幅：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f 0的输出信号电压。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。） 2.工作原理： a.振荡相位条件的满足：端点1

11、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） b.振荡幅度条件的满足：L2的匝数足够多。 c.实际应用时，取L1/L23/1，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。 3.电路的特点： 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

12、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：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） (2)幅度条件的满足：适当选取C1与C2的比值，使F Au1。 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。 3.电路的特点：振

13、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：晶体管是否工作于放大状态;是否引入了正反馈;反馈量是否足够大。（主要是判断前两点。）作业 P112： （5-6）， 5-7， 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

14、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

15、，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103 102H,等效电容C为102 101皮法，等效电阻R约为110欧姆，它表示振动时的磨擦损耗。) b.由于石英晶片的等

16、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104106)。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ff1的区域： (1) ff1时，晶体呈电容性。 (2) ff1时，X0，ZR，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f1ff2的区域： (1) f1ff2时，晶体呈现电感性。 (2)当ff2时，晶体等效电路两支路的电抗大小相等（X0），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

17、c.当频率ff2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f1ff2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f1f2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f1f2的频率范围内，晶

18、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

19、通路：e2晶体Re1 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。 3.电路的特点：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。作业 P112：5-8，5-95-4 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

20、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；R 4是输出限流电阻。 2.工作原理 a.设初始时刻uC0，uo+UZ，则+UT ，这时uCuT，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uoUZ时，UT ，uCuT，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

21、荡周期 输出矩形波电压的振荡周期为如果R1= R2，则T2.2 R3C。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。 2.工作原理 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uo1UZ单独作用（即uo0）时对u+1的贡献，第二项是uo单独作用（即uo10）时对u+1的贡献；A1反相输入端的电位u10。在uo1UZ期间，A2的输出电压 随时间线

22、性上升，u+1也随时间线性上升。当时，u+1u10，uo1将迅速从UZ跳变为UZ 。 b.同理，在uo1UZ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。当时，u+1u10，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

23、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R W（R W R 3）。调节R W，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，R W上、下两部分的电阻分别为R W和R W。 当uo1UZ时，D1截止、D2导通，所以；当uo随时间升高到时，u+1u10，uo1将迅速从UZ跳变为UZ 。 b.当uo1UZ时，D1导通、D2截止，；当uo随时间下降到时，u+1u10，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。