模拟电子技术-第十章-正弦波振荡器.pptx

补充讲义补充讲义第第10章章 正弦波振荡器正弦波振荡器在没有输入信号的条件下，能够自行产生在没有输入信号的条件下，能够自行产生一定幅度、一定频率的输出信号的电路。一定幅度、一定频率的输出信号的电路。振荡电路的定义：振荡电路的定义：振荡电路的特点：振荡电路的特点：（1）不需要输入信号操作，与电压放大）不需要输入信号操作，与电压放大器不同。器不同。（2）属于信号发生电路，不属于信号处）属于信号发生电路，不属于信号处理电路。理电路。振荡器振荡器正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器（三角波、方波、锯齿波等）（三角波、方波、锯齿波等）图图10.1反响放大器反响放大器10.1振荡的基本原理振荡的基本原理AF(10.11)产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件由放大到振荡的示意框图由放大到振荡的示意框图 放大电路 反馈网络 oU&fU&iU&1 2 当当K接在接在1端时，端时，；再将；再将K接到接到2端，端，要维持不变则必须使，要维持不变则必须使。事实上，自激振荡器并不需要外部事实上，自激振荡器并不需要外部Ui激发。激发。开关始终接在开关始终接在2端。只要接通电源，端。只要接通电源，UO就会从就会从无到有，逐渐增大，最后到达平衡，输出稳定无到有，逐渐增大，最后到达平衡，输出稳定的正弦波。的正弦波。整个过程实现由三个条件保证：整个过程实现由三个条件保证：（1）起振条件）起振条件（2）平衡条件）平衡条件（3）稳定条件）稳定条件要实现正弦波振荡还有一个条件：要实现正弦波振荡还有一个条件：整个环路中必须含有选频网络（整个环路中必须含有选频网络（LC选频、选频、RC选频或石英晶体选频），用来选出振荡选频或石英晶体选频），用来选出振荡频率。频率。起振条件起振条件振幅起振条件：振幅起振条件：AF 1(使信号从无到有逐渐使信号从无到有逐渐增大增大)相位起振条件：相位起振条件：A+F=2n（正反响）（正反响）oU&fU&平衡条件平衡条件起振后，为了防止输出起振后，为了防止输出UO无限制的增大，无限制的增大，整个环路必须有稳幅电路，使输出稳幅振荡。整个环路必须有稳幅电路，使输出稳幅振荡。稳幅振荡的平衡条件：稳幅振荡的平衡条件：振幅平衡条件：振幅平衡条件：AF=1(使信号稳幅振荡使信号稳幅振荡)相位平衡条件：相位平衡条件：A+F=2n（正反响）（正反响）振荡平衡条件可归纳如下：振荡平衡条件可归纳如下：(1)根根据据振振幅幅平平衡衡条条件件，可可以以确确定定振振荡荡幅幅度度的大小并研究振幅的稳定。的大小并研究振幅的稳定。(2)根根据据相相位位平平衡衡条条件件可可以以确确定定振振荡荡器器的的工工作频率和频率的稳定。作频率和频率的稳定。稳幅电路稳幅电路内稳幅：内稳幅：通过放大器本身的非线性特性实现。通过放大器本身的非线性特性实现。过程：过程：AF1Ui放大器放大器进进入非入非线线性区性区间间AAFAF=1外稳幅：外稳幅：反响网络采取措施，随着反响网络采取措施，随着AF的增大，正反响的增大，正反响减弱或负反响增强，使减弱或负反响增强，使AF下降最终到达平衡下降最终到达平衡条件。条件。稳定条件稳定条件由于振荡电路内部或外部（温度、由于振荡电路内部或外部（温度、UCC等）的干扰，使等）的干扰，使AF发生改变，破坏了原有发生改变，破坏了原有的平衡状态。电路本身必须具有自动恢复的平衡状态。电路本身必须具有自动恢复平衡的能力。平衡的能力。鉴于此，除了平衡条件外还鉴于此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。必须有稳定条件。振幅稳定条件：振幅稳定条件：相位稳定条件：相位稳定条件：维持维持或者说维持或者说维持与与同相的条件。方法：如果能实现同相的条件。方法：如果能实现的变化引起的的变化引起的变化与外界因素引起的变化与外界因素引起的变化相反，变化相反，则相位稳定平衡就可实现。以则相位稳定平衡就可实现。以n=0为例，这一过程可用为例，这一过程可用如下流程关系表示：如下流程关系表示：相位稳定条件说明相位稳定条件说明判断电路是否产生正弦波振荡的步骤：判断电路是否产生正弦波振荡的步骤：（1）是否为正反响）是否为正反响（2）是否有选频网络，且选频网络是否满）是否有选频网络，且选频网络是否满足相位条件足相位条件（3）是否）是否AF1（4）是否有稳幅电路）是否有稳幅电路（5）是否满足稳定条件。）是否满足稳定条件。判断下面电路是否能产生正弦波振荡：判断下面电路是否能产生正弦波振荡：无选频网络无选频网络判断下面电路是否能产生正弦波振荡：判断下面电路是否能产生正弦波振荡：选频网络无法实现选频选频网络无法实现选频判断下面电路是否能产生正弦波振荡：判断下面电路是否能产生正弦波振荡：可以产生正弦波振荡可以产生正弦波振荡根据选频网络不同，振荡器的分类：根据选频网络不同，振荡器的分类：（1）RC振荡器振荡器（2）LC振荡器振荡器（3）石英晶体振荡器）石英晶体振荡器10.2RC正弦波振荡器正弦波振荡器10.2.2RC选频振荡器选频振荡器选频网络由选频网络由RC网络实现。网络实现。图图3.22 3.22 文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器图图10.20RC串并联网络串并联网络首先讨论正反响网络：首先讨论正反响网络：图图10.20RC串并联网络串并联网络令：令：幅频特性和相频特性表达式为幅频特性和相频特性表达式为其中其中根据以上两式可画出相应的频率特性曲线根据以上两式可画出相应的频率特性曲线图图3.21RCRC串并联网络的频率特性曲线串并联网络的频率特性曲线 根据相位平衡条件，当根据相位平衡条件，当=O时，时，为正反响。因此振荡频率为：为正反响。因此振荡频率为：当当=O时，时，F=1/3。根据相位起振条件求振荡频率根据相位起振条件求振荡频率OSC由振幅起振条件求开环增益由振幅起振条件求开环增益A将正反响环断开得到开环电路：同相放大器将正反响环断开得到开环电路：同相放大器根据振幅起振条件根据振幅起振条件AF 1：得到：得到：A3因此：因此：通常通常R1或者或者Rf为热敏电阻。起到外稳为热敏电阻。起到外稳幅的作用：幅的作用：R1是正温度系数是正温度系数,Rf是负温度是负温度系数。系数。Rf和和R1引入的电压串联负反响有助引入的电压串联负反响有助于改善波形减小失真。于改善波形减小失真。稳幅过程：稳幅过程：UO负负反响反响电电流流TR1、Rf负负反响反响UO文氏电桥振荡器信号波形质量和稳定文氏电桥振荡器信号波形质量和稳定性好，故得到了广泛的应用。性好，故得到了广泛的应用。R2V1V2R3例：电路中例：电路中V1和和V2的作用是什么？为使电路起的作用是什么？为使电路起振振R1、R2和和R3应满足什么条件？应满足什么条件？例：以下图电路能否产生正弦波振荡？说明理例：以下图电路能否产生正弦波振荡？说明理由由解：不能，因为解：不能，因为A=1，F=1/3，AF1,不能起不能起振。振。10.3LC正弦波振荡器正弦波振荡器LC正弦波振荡器电路构成的原则正弦波振荡器电路构成的原则凡凡采采用用LC谐谐振振回回路路作作为为选选频频网网络络的的反反响响式振荡器称为式振荡器称为LC正弦波振荡器。正弦波振荡器。LC振振荡荡电电路路的的形形式式很很多多，按按反反响响网网络络的的形形式式来来分分，有有变变压压器器耦耦合合反反响响式式及及三三点点式式振振荡荡电电路两种。路两种。10.3.1变压器耦合反响式振荡器变压器耦合反响式振荡器选频网络：选频网络：LC谐振回路谐振回路反响网络：变压器耦合电路。反响网络：变压器耦合电路。相位平衡条件：依靠变压器的初次级相位平衡条件：依靠变压器的初次级线圈的同名端保证的。线圈的同名端保证的。特点：特点：共射接法共射接法共基接法共基接法10.3.2三点式振荡器三点式振荡器X2X3X1+_Ui=UfUO+_X1,X2,X3组成并联组成并联LC谐振网络。谐振谐振网络。谐振网络中的三个引出网络中的三个引出点分别接至三极管点分别接至三极管的三个极。因此称的三个极。因此称为三点式振荡器。为三点式振荡器。讨论：讨论：X1,X2,X3放置何种电抗元件，才放置何种电抗元件，才能满足相位条件？能满足相位条件？X2X3X1+_UO+_Ui=Uf为了满足相位条件，为了满足相位条件，Uf与与UO呈反相关系。呈反相关系。X2、X3代表的电抗元件极性必须相反。即代表的电抗元件极性必须相反。即一个为电容，则另一个必为电感。一个为电容，则另一个必为电感。谐振时，谐振时，LC回路呈现纯电阻特性，即：回路呈现纯电阻特性，即：X1+X2+X3=0,因此，因此，X2+X3=X1，带带入上式：入上式：X1与与X3的电抗特性相同。的电抗特性相同。三点式：三点式：电容反响式振荡器电容反响式振荡器电感反响式振荡器电感反响式振荡器LC2C1+_UO+_CL2L1+_UO+_“射同基反射同基反”：射极接的是相同性质的电：射极接的是相同性质的电抗元件抗元件,而基极接的是相反性质的电抗元而基极接的是相反性质的电抗元件。件。判断三点式振荡电路是否满足相位起振判断三点式振荡电路是否满足相位起振条件的原则：条件的原则：例：判断下面电路振荡频率例：判断下面电路振荡频率OSC满足何种条件，满足何种条件，电路才能振荡？电路才能振荡？O2OSCO1OSCmin(O1、O2)不能振荡不能振荡10.3.2电容三点式振荡器电路电容三点式振荡器电路图图10.25电容三点式振荡器电容三点式振荡器(a)电路图电路图1)画画出出该该振振荡荡器器的的交交流流等等效效电电路路，判判断断其其电路类型电路类型(b)交流通路交流通路2)求该振荡器的工作角频率求该振荡器的工作角频率OSC3)求反响系数求反响系数F当当Cbefg条条件件下下，晶晶体体管管极极间间电电容容的的影影响响可可忽忽略略不不计计。振振荡荡器器的的工工作频率作频率(3.210)(b)交流通路交流通路10.3.4其他其他LC振荡器电路振荡器电路1.克拉拨振荡器和席勒振荡器克拉拨振荡器和席勒振荡器图图3.13克拉拨振荡器及交流等效电路克拉拨振荡器及交流等效电路(a)原理图；原理图；(b)交流等效电路交流等效电路图图3.14席勒振荡器及交流等效电路席勒振荡器及交流等效电路(a)原理图；原理图；(b)交流等效电路交流等效电路2.LC差分振荡器差分振荡器图图3.15(a)差分振荡器原理图差分振荡器原理图图图3.15(b)差分振荡器交流等效电路差分振荡器交流等效电路通通过过耦耦合合电电容容CC2输输出出，外外负负载载为为RL。V1集集电电极极外外接接的的LC回回路路作作为为输输出出带带通通滤滤波波器器，不不参参与与振振荡荡器器的的工工作作，所所以以外外负负载载不不影影响响振振荡荡器器的的工工作作，从从而而提提高高了了振振荡器的稳定性。该振荡器的工作频率荡器的稳定性。该振荡器的工作频率反响系数反响系数根根据据起起振振条条件件AF1，可可求求得得满满足足起起振振条条件件的的恒恒流流源源Io的数值范围的数值范围(3.221)RL是是V2管管集集电电极极等等效效交交流流负负载载电电阻阻,ri是是V1管管的的基基极极输输入入电电阻阻。差差分分振振荡荡器器与与单单个个晶晶体体管管的的振振荡荡器器相相比比，有有很很多多优优点。参见书本点。参见书本P49。其中其中10.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器10.4.2石英谐振器的物理特性和电特性石英谐振器的物理特性和电特性1.石英谐振器的物理特性石英谐振器的物理特性石英晶体是石英晶体是SiO2的天然晶体。的天然晶体。图图3.31晶体的形状及横断面晶体的形状及横断面(a)晶体外形；晶体外形；(b)横断面横断面图10.29石英谐振器的结构1）具）具有正反压电效应有正反压电效应正正压压电电效效应应是是指指在在晶晶体体片片两两个个侧侧面面上上施施加加压压力力时时，晶晶体体片片就就会会产产生生机机械械变变形形，与与此此同同时时，在在它它的的外外表表上上还会产生异性电荷。还会产生异性电荷。正压电效应是将机械能转变为电能。正压电效应是将机械能转变为电能。反反压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩）是是指指在在晶晶体体片片两两个个外外表表上上施施加加电电压压E，晶晶体体会会产产生生机机械械变变形形，如如延延伸伸。当当电电压压的的极性相反时，晶体就会收缩。极性相反时，晶体就会收缩。反压电效应把电能转换成机械能。反压电效应把电能转换成机械能。当外加电压频率等于晶体的固有频率当外加电压频率等于晶体的固有频率时，振动幅度最大，称为谐振。时，振动幅度最大，称为谐振。晶体是一种具有谐振性能的换能器，晶体是一种具有谐振性能的换能器，因此称为石英谐振器。因此称为石英谐振器。3)具有各向异性具有各向异性石英晶体的性能各个方向不同。石英晶体的性能各个方向不同。4)具有多模性具有多模性石英谐振器是一个频率极其丰富的谐振系统。谐石英谐振器是一个频率极其丰富的谐振系统。谐振频率不仅有基音，还有泛音。振频率不仅有基音，还有泛音。2)物理特性和化学特性及其稳定物理特性和化学特性及其稳定石英晶体机械振动频率的稳定性非常好，受外界石英晶体机械振动频率的稳定性非常好，受外界影响小。影响小。2.石英谐振器的电特性石英谐振器的电特性图图3.33石英晶体的等效电路和电抗特性石英晶体的等效电路和电抗特性(a)晶体符号；晶体符号；(b)基音和泛音等效电路；基音和泛音等效电路；图图10.30石英晶体的等效电路和电抗特性石英晶体的等效电路和电抗特性(c)某一频率等效电路；某一频率等效电路；感性感性容性容性容性容性(c)(d)C0CqrqLqZ(j)Xe0sp由于由于rq很小，当忽略它的影响时，等效电路两端的电抗很小，当忽略它的影响时，等效电路两端的电抗式中式中称为晶体的串联谐振角频率。称为晶体的串联谐振角频率。称为晶体的并联谐振角频率。称为晶体的并联谐振角频率。(d)电抗特性电抗特性感性感性容性容性容性容性(c)(d)C0CqrqLqZ(j)Xe0sp10.4.3石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路石石英英晶晶体体振振荡荡器器电电路路有有两两种种：并并联联型型石石英英晶晶体体振振荡器，串联型石英晶体振荡器。荡器，串联型石英晶体振荡器。1.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器并并联联型型石石英英晶晶体体振振荡荡器器是是把把石石英英晶晶体体当当做做电电感感元元件使用。件使用。CL1+_UO+_C2C1(b)振荡频率一定满足：振荡频率一定满足：s p图图3.34并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器(a)原理电路原理电路图图3.34并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器(b)交流等效电路交流等效电路其中其中负载电容负载电容说说明明市场上出售的石英晶体盒子上标注市场上出售的石英晶体盒子上标注的频率值即非的频率值即非fs，也非，也非fp，而是指石英谐，而是指石英谐振器与规定的电容振器与规定的电容CL相并联的谐振频率值。相并联的谐振频率值。此电容此电容CL叫负载电容，厂家在产品说明书叫负载电容，厂家在产品说明书中都会给出。因此要使振荡器的工作频率中都会给出。因此要使振荡器的工作频率fg严格等于铭牌上标注的频率值，必须使严格等于铭牌上标注的频率值，必须使，否则就会有微小的偏差。，否则就会有微小的偏差。图图3.35用电抗曲线说明稳频原理用电抗曲线说明稳频原理石英晶体的稳频原理：石英晶体的稳频原理：C2C1泛音晶振原理泛音晶振原理以上的晶体振荡器的标称频率为石以上的晶体振荡器的标称频率为石英晶体的基频，为了提高晶体振荡器的英晶体的基频，为了提高晶体振荡器的工作频率，可使电路振荡在晶体的奇次工作频率，可使电路振荡在晶体的奇次谐波上，此时为泛音晶体振荡器。谐波上，此时为泛音晶体振荡器。图图3.36泛音晶振的原理电路及泛音晶振的原理电路及L1C1回路电抗曲线回路电抗曲线(a)交流电路；交流电路；(b)电抗曲线电抗曲线10.4.3串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器是把石英谐振器串联型石英晶体振荡器是把石英谐振器做一根短路线用。晶体接在正反响回路中，做一根短路线用。晶体接在正反响回路中，当振荡器的工作频率当振荡器的工作频率g等于晶体的串联谐振等于晶体的串联谐振频率频率s时，晶体谐振器的阻抗近似为零；正时，晶体谐振器的阻抗近似为零；正反响最强。反响最强。图图10.31(a)串联型晶体振荡器原理电路；串联型晶体振荡器原理电路；图图10.31(b)串联型晶体振荡器电路的交流通路串联型晶体振荡器电路的交流通路谢谢观看/欢送下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY 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