(44)--7-6正弦波振荡电路.ppt

模拟电子技术模拟电子技术基础模拟电子技术7.67.6 正弦波振荡电路7.6.1 7.6.1 概述概述一、产生正弦波振荡的条件一、产生正弦波振荡的条件二、电路的组成和分类二、电路的组成和分类三、判断方法三、判断方法7.6.2 7.6.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.6.3 7.6.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.6.4 7.6.4 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路模拟电子技术 无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。无外加信号，输出一定频率一定幅值的信号。与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是中引入的是正反馈，且振荡频率可控。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。一、一、产生产生正弦波正弦波振荡的条件振荡的条件模拟电子技术一、一、产生产生正弦波正弦波振荡的条件振荡的条件放大器放大器反馈网络反馈网络XiAFXoXfRLuf 7.6.1 概述模拟电子技术正弦波振荡电路应满足的条件：正弦波振荡电路应满足的条件：1、反馈信号能够取代输入信号，而若要如此，、反馈信号能够取代输入信号，而若要如此，电路中必须引入正反馈；电路中必须引入正反馈；2、要有外加的选频网络，用以、要有外加的选频网络，用以确定振荡频率。确定振荡频率。幅值平衡条件幅值平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件n=0,1,2,起振条件：起振条件：振荡的平衡条件：振荡的平衡条件：uf 模拟电子技术 一旦产生稳定的振荡，则一旦产生稳定的振荡，则电路的输出量电路的输出量自自维持，即维持，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，且在合闸通电时对于合闸通电时对于f=f0信号有信号有从小到大从小到大直至稳幅的过程，直至稳幅的过程，即满足起振条件。即满足起振条件。模拟电子技术问问题题1 1：振振荡荡电电路路是是单单口口网网络络，无无须须输输入入信信号号就就能能起起振振，起起振的信号源来自何处？振的信号源来自何处？电路器件内部噪声。电路器件内部噪声。振振荡荡电电路路中中的的选选频频网网络络，只只使使噪噪声声中中某某一一频频率率 0 满满足足相相位位平平衡衡条条件件，形形成成正正反反馈馈，成成为为振振荡荡电电路路的的输输出出信信号号；而而其其它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉。它频率的信号，则不满足相位平衡条件，逐渐被抑制掉。问问题题2 2：电电路路器器件件的的内内部部噪噪声声不不是是单单一一频频率率噪噪声声，而而电电路路输输出的是单一频率的正弦波，如何实现？出的是单一频率的正弦波，如何实现？问问题题3 3：起起振振条条件件 是是否否意意味味着着输输出出电电压压将将越来越大，趋于无穷越来越大，趋于无穷？振振荡荡电电路路中中的的稳稳幅幅环环节节，将将限限制制输输出出信信号号幅幅度度无无限限增增长长，当当输输出出信信号号达达到到一一定定值值后后（放放大大倍倍数数的的数数值值将将减减小小），将将使使其其稳稳定定。一一是是可可以以另另加加稳稳幅幅电电路路；二二是是直直接接依依靠靠放放大大电电路路中中晶晶体管的非线性作用实现。体管的非线性作用实现。模拟电子技术正弦波振荡电路必须由以下四个部分组成：正弦波振荡电路必须由以下四个部分组成：(1)放大电路：放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。使电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。(2)选频网络：选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。(3)正反馈网络：正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的引入正反馈，使放大电路的输入信号等输入信号等于反馈信号。于反馈信号。(4)稳幅环节：稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。值稳定。二、正弦波振荡电路的组成及分类其其中中选选频频网网络络往往往往与与反反馈馈网网络络合合二二为为一一；振振荡荡电电路路中中的的稳稳幅幅环环节节，在在分分立立元元件件放放大大电电路路中中常常依依靠靠放放大大电电路路中中晶晶体管的非线性作用实现，而不另加稳幅电路。体管的非线性作用实现，而不另加稳幅电路。模拟电子技术正弦波振荡电路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：正弦波振荡电路：1兆赫兆赫以下以下2)LC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：1兆赫兆赫以以上上3)石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率非常非常稳定稳定模拟电子技术信号产生电路的信号产生电路的命名命名(振荡器振荡器Oscillators)振荡器分类：振荡器分类：正弦波振荡正弦波振荡:非正弦波振荡：非正弦波振荡：RC 振荡器振荡器(1 MHz以下以下)LC 振荡器振荡器(1 MHz以上以上)石英晶体振荡器石英晶体振荡器(频率稳定度高频率稳定度高)方波、方波、三角波、三角波、锯齿波等锯齿波等主要性主要性能能要求：要求：输出信号的输出信号的幅度幅度准确稳定准确稳定输出信号的输出信号的频率频率准确稳定准确稳定模拟电子技术三、判断电路是否可以产生正弦波振荡方法和步骤三、判断电路是否可以产生正弦波振荡方法和步骤(1)观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和观察电路是否包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。稳幅环节四个组成部分。(2)判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点作点Q点点且动态信号是否能够输入、输出和放大。且动态信号是否能够输入、输出和放大。(3)利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。(正反馈正反馈)(4)判断电路是否满足正弦波振荡起振的幅值条件，即是否满判断电路是否满足正弦波振荡起振的幅值条件，即是否满足起振条件。足起振条件。(|AF|1）模拟电子技术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 ff0的信号Ui，且规定其极性，然后根据 Ui的极性 Uo的极性 Uf的极性若Uf与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。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？图图7.6.3 利用瞬时极性法判断相位条件利用瞬时极性法判断相位条件模拟电子技术一、一、RCRC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，F0。7.6.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路模拟电子技术RC串并联选频网络的频率响应当当 f=f0时，不但时，不但=0，且，且 最大，为最大，为1/3。（8.1.7）（8.1.6）模拟电子技术二、二、RC 桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路电压串联电压串联负反馈负反馈(8.1.8)输入电阻应大输入电阻应大输出电阻应小输出电阻应小应为应为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、输入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于入电阻趋于无穷大、输出电阻趋于0的放大电路。的放大电路。模拟电子技术图图7.6.7 RC桥式桥式正弦波振荡电路正弦波振荡电路 (7.6.9)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。模拟电子技术图图7.6.7 RC 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因同相比例运算电路有非常好的线性度，故线性度，故 R1 或或 Rf 用热敏电阻，或用热敏电阻，或加二极管作为非线性环节。加二极管作为非线性环节。文氏桥振荡文氏桥振荡器的特点？器的特点？以以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点一对顶点作为作为输出电输出电压压，一对顶点一对顶点作为放大电路的作为放大电路的净输入电压净输入电压，就构成文氏桥，就构成文氏桥振荡器。振荡器。模拟电子技术稳幅措施：稳幅措施：热敏电阻稳幅热敏电阻稳幅8CR1RfRCR为使为使Au 为非线性，起振时，应使为非线性，起振时，应使 Au 3，稳幅后，稳幅后 Au=3。正温度系数正温度系数负温度系数负温度系数1、二极管稳幅、二极管稳幅起振时信号小，起振时信号小，二极管电阻大二极管电阻大Au 1+(Rf+Rd)/R1 3Rf 2R1-Rd起振后二极管电阻逐渐减小起振后二极管电阻逐渐减小Au 1+Rf/R1=3R1RfV1V2Au 1+(Rf+Rd)/R12、热敏电阻稳幅、热敏电阻稳幅模拟电子技术当当里里面面的的电电容容和和电电阻阻都都不不相相等等的的情情况况下下，计计算算振振荡荡频率。频率。方法：计算方法：计算RC 桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路模拟电子技术三、振荡频率可调的三、振荡频率可调的RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路几几Hzf0 几百几百kHz振荡频率振荡频率:0.01u 0.1u 1u 10u例题例题：7.6.10.01u 0.1u 1u 10u5010k10k?f0?1.59Hzf0 1时，有：时，有：模拟电子技术LC并联网络电抗的并联网络电抗的频率特性：频率特性：0Z Z 0 Q 大大Q 小小 0 f90-90Q 增大增大幅频特性幅频特性相频特性相频特性Z是频率的函数，是频率的函数，Q值愈大，曲值愈大，曲线愈陡，选频特性愈好。线愈陡，选频特性愈好。电抗电抗模拟电子技术图图7.6.12 选频放大电选频放大电路路当当f=f0时：时：电压放大倍数的数值最电压放大倍数的数值最大，且无附加相移。大，且无附加相移。对于其余频率的信号：对于其余频率的信号：电压放大倍数不但数值电压放大倍数不但数值减小，而且有附加相移。减小，而且有附加相移。电路具有选频特性，故称电路具有选频特性，故称之为之为选频放大电路。选频放大电路。模拟电子技术模拟电子技术 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正反馈。正反馈。附加相移附加相移LC选频放大电路正弦波振荡电路 当当 f=f0时，电时，电压放大倍数的数压放大倍数的数值最大，且附加值最大，且附加相移为相移为0。共射电路共射电路A=-模拟电子技术例题：判断图示电路有无可能产生正弦波振荡例题：判断图示电路有无可能产生正弦波振荡RC 振荡1)是否存在主要组成部分；是否存在主要组成部分；2)放放大大电电路路能能否否正正常常工工作作，即即是是否否有有合合适适的的Q点点，交流交流信号是否可能正常传递，没有被短路或断路信号是否可能正常传递，没有被短路或断路；3)是是否否满满足足相相位位条条件件（正正反反馈馈），即即是是否否存存在在f0，是否可能是否可能振荡；振荡；4)是否满足幅值条件，即是否满足幅值条件，即是否一定是否一定振荡。振荡。LC 振荡模拟电子技术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 双双T选频网络选频网络 选频网络和正反馈选频网络和正反馈网络是两个网络。网络是两个网络。正反馈正反馈网络网络选频选频网络网络RC 桥式瞬时极性法判断反馈类型瞬时极性法判断反馈类型模拟电子技术图图7.6.13 在选频放大电路中引正反馈在选频放大电路中引正反馈二、变压器反馈式振荡电路二、变压器反馈式振荡电路模拟电子技术图图7.6.14 变压器反馈式振荡电路变压器反馈式振荡电路模拟电子技术图图7.6.15 变压器反馈式振荡变压器反馈式振荡 电路的电路的交流通路交流通路模拟电子技术图图7.6.16 变压器反馈式振荡电路的交流等效电路变压器反馈式振荡电路的交流等效电路模拟电子技术当当Q1时，振荡频率时，振荡频率（7.6.19)回路品质因数回路品质因数 Q（7.6.20)模拟电子技术图图7.6.17 电感反馈式振荡电路电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路三、电感反馈式振荡电路M模拟电子技术图图7.6.18 电感反馈式振荡电路的交流通电感反馈式振荡电路的交流通路路模拟电子技术图图7.6.19 电感反馈式振荡电路电感反馈式振荡电路 的交流等效电路的交流等效电路模拟电子技术电感反馈式振荡电路的振荡频率电感反馈式振荡电路的振荡频率优点：优点：缺点：缺点：易起振易起振(L 间耦合紧间耦合紧)；易调节易调节(C 可调可调),),最高振荡频率可到几十兆赫。最高振荡频率可到几十兆赫。输出取自电感，对高次谐波阻抗大输出取自电感，对高次谐波阻抗大，输出波形差。输出波形差。(7.6.24)模拟电子技术四、电容反馈式振荡电路四、电容反馈式振荡电路电容三点电容三点式电路式电路(7.6.30)模拟电子技术图图7.6.21 频率可调的频率可调的选频网络选频网络模拟电子技术分布电容、结电容影响分布电容、结电容影响 f0图图7.6.22 电容反馈式振荡电路的改进电容反馈式振荡电路的改进C 的改进的改进模拟电子技术图图7.6.23 采用采用共基放大电路共基放大电路的的 电容反馈式振荡电路电容反馈式振荡电路当振荡频率高达当振荡频率高达100MHz以上时以上时模拟电子技术例例7.6.2 说明说明电路图的电路图的原边线圈和副边线圈的同名端。原边线圈和副边线圈的同名端。同名端同极性同名端同极性E输入，输入，C同号同号模拟电子技术例例7.6.3电路图电路图错误：错误：C、E交流短路交流短路B、C近似短路近似短路与图与图8.1.20比较比较模拟电子技术例例7.6.3 所示电路的改正电路所示电路的改正电路模拟电子技术7.6.4 石英晶体石英晶体(Crystal)正弦波正弦波振荡电路振荡电路一、石英晶体的特点一、石英晶体的特点结构结构SiO2晶片晶片涂银层涂银层焊点焊点符号符号模拟电子技术1.压电效应压电效应形变形变形变形变机械振动机械振动外力外力压电谐振压电谐振外加交变外加交变电压的频率等电压的频率等于晶体固有频于晶体固有频率时，机械振率时，机械振动幅度急剧加动幅度急剧加大的现象。大的现象。模拟电子技术2.等效电路和谐振频率等效电路和谐振频率RC0CLL 晶体的动态电感晶体的动态电感 (10-3 102 H)(大大)C 晶体的动态电容晶体的动态电容 (0.1 pF)(小小)R 等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻(小小)Co 晶片静态电容晶片静态电容 (几几 几十几十 pF)模拟电子技术C起作用起作用串联谐振串联谐振C0起作用起作用并联谐振并联谐振低频时低频时C0 容抗大，容抗大，不起作用，电路不起作用，电路为串联谐振为串联谐振高频时高频时C0 容抗小，电路容抗小，电路变为并联谐振变为并联谐振容性容性容性容性感性感性模拟电子技术低频时，电容器容抗大，低频时，电容器容抗大，C0 不起不起作用。作用。谐振频率为：谐振频率为：模拟电子技术高频时，电容器容抗小，高频时，电容器容抗小，C0 起作起作用，电路为并联谐振。用，电路为并联谐振。模拟电子技术fXfPfS容性容性感性感性容性容性模拟电子技术图图7.6.29 并联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路模拟电子技术图图7.6.30 串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路