正弦波振蕩電路.docx

第七章 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路是用來產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流信號(hào)的電子電路。它的頻率范圍可以從幾赫茲到幾百兆赫茲,輸出功率可能從幾毫瓦到幾十千瓦。廣泛用于各種電子電路中。在通信、廣播系統(tǒng)中,用它來作高頻信號(hào)源；電子測(cè)量?jī)x器中的正弦小信號(hào)源,數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)源。另外，作為高頻加熱設(shè)備以及醫(yī)用電療儀器中的正弦交流能源。正弦波振蕩電路是利用正反饋原理構(gòu)成的反饋振蕩電路，本章將在反饋放大電路的基礎(chǔ)上，先分析振蕩電路的自激振蕩的條件，然后介紹LC和RC振蕩電路，并簡(jiǎn)要介紹石英晶體振蕩電路。第一節(jié) 振蕩電路概述在放大電路中，輸入端接有信號(hào)源后，輸出端才有信號(hào)輸出。如果一個(gè)放大電路當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出端有一定頻率和幅值的信號(hào)輸出，這種現(xiàn)象稱為放大電路的自激振蕩。一、 振蕩電路框圖圖7-1為正反饋放大器的方框圖，在放大器的輸入端存在下列關(guān)系： Xi=Xs+Xf (7-1)其中Xi為凈輸入信號(hào)，且 及 正反饋放大器的閉環(huán)增益最后得到 (7-2)如果滿足條件 |1-AF|=0，或AF=1 （7-3）則A ，這就表明，在圖7-1中如果有很小的信號(hào)Xs輸入，便可以有很大的信號(hào)Xo=AfXs輸出。如果使反饋信號(hào)與凈輸入信號(hào)相等，即Xf=Xi 圖7-1正反饋放大電路的方框圖 圖7-2自激振蕩方框圖那么可以不外加信號(hào)Xs而用反饋信號(hào)Xf取代輸入信號(hào)Xz。仍能確保信號(hào)的輸出，這時(shí)整個(gè)電路就成為一個(gè)自激振蕩電路，自激蕩器的方框圖就可以繪成如圖7-2所示的形式。二、 自激振蕩的條件由上述分析可知，當(dāng)AF=1自激振蕩可維持振蕩。AF=1即為自激振蕩的平衡條件，其中A和F都是頻率的函數(shù)，可用復(fù)數(shù)表示： ， 則 即 （7-4）和 （7-5）式（7-4）稱為自激振蕩的振幅平衡條件，式（7-5）稱為自激振蕩的相位平衡條件。綜上所述，振蕩器就是一個(gè)沒有外加輸入信號(hào)的正反饋放大器，要維持等幅的自激振蕩，放大器必須滿足振幅平衡條件和相位平衡條件。上述振蕩條件如果僅對(duì)某一單一頻率成立時(shí)，則振蕩波形為正弦波，稱為正弦波振蕩器。三、 正弦波振蕩電路基本構(gòu)成正弦波振蕩電路一般包含以下幾個(gè)基本組成部分：1基本放大電路 提供足夠的增益，且增益的值具有隨輸入電壓增大而減少的變化特性。2反饋網(wǎng)絡(luò) 它的主要作用是形成正反饋，以滿足相位平衡條件。3選頻網(wǎng)絡(luò) 它的主要作用是實(shí)現(xiàn)單一頻率信號(hào)的振蕩。在構(gòu)成上，選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)可以單獨(dú)構(gòu)成，也可合二為一。很多正弦波振蕩電路中，選頻網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)在一起，選頻網(wǎng)絡(luò)由LC電路組成稱為L(zhǎng)C正弦波振蕩電路，由RC正弦波振蕩電路，由石英晶體組成稱石英晶體正弦波振蕩電路。4穩(wěn)幅環(huán)節(jié) 引入穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可以使波形幅值穩(wěn)定，而且波形的形狀良好。四、 振蕩電路的起振過程振蕩電路剛接通電源時(shí)，電路中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電沖擊，從而得到一些頻譜很寬的微弱信號(hào)，它含有各種頻率的諧波分量。經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用，使f=fo的單一頻率分量滿足自激振蕩條件，其他頻率的分量不滿足自激振蕩條件，這樣就將f=fo的頻率信號(hào)從最初信號(hào)中挑選出來。在起振時(shí)，除滿足相位條件（即正反饋）外，還要使AF1，這樣，通過放大 輸出正反饋放大的循環(huán)過程，f=fo的頻率信號(hào)就會(huì)由小變大，其他頻率信號(hào)因不滿足自激振蕩條件而衰減下去。振蕩就建立起來。振蕩產(chǎn)生的輸出電壓幅度是否會(huì)無限制地增長(zhǎng)下去呢？由于晶體管的特性曲線是非線性的，當(dāng)信號(hào)幅度增大到一定程度時(shí)，電壓放大倍數(shù)Au就會(huì)隨之下降，最后達(dá)到AF=1，振蕩幅度就會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定在某一振幅上。從AF1到AF=1過程，就是振蕩電路看激振蕩的建立與穩(wěn)定的過程。第二節(jié) LC正弦波振蕩電路 采用LC諧振網(wǎng)絡(luò)作選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為L(zhǎng)C振蕩電路。LC振蕩電路通常采用電壓正反饋。按反饋電壓取出方式不同，可分為變壓器反饋式，電感三點(diǎn)式、電容三點(diǎn)式，三種典型電路。三種電路的共同特點(diǎn)是采用LC并聯(lián)諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。一、 LC回路的頻率特性。 一個(gè)LC并聯(lián)回路如圖73所示，其中R表示電感線圈和回路其他損耗總的等效電阻。其幅頻特性和相頻特性如圖74所示。 (a)幅頻特性 (b)相頻特性 圖73 LC并聯(lián)回路 圖74 LC并聯(lián)回路的頻率特性（Q1Q2）當(dāng)LC并聯(lián)回路發(fā)生諧振時(shí)，諧振頻率為 （7-6）電路阻抗Z達(dá)到最大，其值為 （7-7）式（7-7）中Q為回路品質(zhì)因數(shù)，其值為 （7-8）由圖7-4可知，當(dāng)外加信號(hào)頻率f等于LC回路的固有頻率f0(f=f0)時(shí)，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，阻抗Z達(dá)到最大值Z0，相位角=0，電路呈純電阻性，當(dāng)f偏離f0時(shí)由于Z將顯著減小， 不再為零，在ff0時(shí)，電路呈容性，利用LC并諧振時(shí)呈高阻抗這一特點(diǎn)，來達(dá)到選取信號(hào)的目的，這就是LC并聯(lián)諧振回路的選頻特性?？梢宰C明品質(zhì)因數(shù)越高，選擇性愈好，但品質(zhì)因數(shù)過高，傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)失真。因此，采用LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路，只能輸出f=f0的正弦波，其振蕩頻率為 （7-9）當(dāng)改變LC回路的參數(shù)L或C時(shí)，就可改變輸出信號(hào)的頻率。二、 變壓器反饋式振蕩電路在變壓器反饋振蕩電路中，其諧振回路接在共發(fā)射極電路的集電極的稱為共射調(diào)集振蕩電路，類似的還有共射調(diào)基振蕩電路和共基調(diào)射振蕩電路。下面以共射調(diào)集變壓器反饋式LC振蕩電路為例進(jìn)行分析。1、 電路組成圖7-5電路就是共射調(diào)集變壓器反饋式LC振蕩電路，它由放大電路、LC選頻網(wǎng)絡(luò)和變壓器反饋電路三部分組成。線圈L與電容C組成的并聯(lián)諧振回路作為晶體管的集電極負(fù)載，直選頻作用，由變壓器副邊繞組來實(shí)現(xiàn)反饋，所以稱變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路，輸出的正弦波通過L1耦合給負(fù)載，CB為基極耦合電容。圖7-5 變壓器反饋式振蕩電路2、振蕩的建立與穩(wěn)定首先按圖7-5所示反饋線圈L2的極性標(biāo)記，根據(jù)同名端和用“瞬時(shí)極性法”判別可知，符合正反饋要求，滿足振蕩的相位條件。其次，當(dāng)電源接通后瞬間，電路中會(huì)存在各種電的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)都是具有諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓，通過反饋線圈回路送到放大器的輸入端進(jìn)行放大。經(jīng)放大和反饋的反復(fù)循環(huán)，頻率為f0的正弦電壓的振幅就會(huì)不斷地增大，于是振蕩就建立起來。由于晶體管的輸出特性是非線性的，放大器增益將隨輸入電壓的增大而減小，直到AF=1，振蕩趨于穩(wěn)定，最后電路就穩(wěn)定在某一幅度下工作，維持等幅振蕩。2、 振蕩頻率 （7-10）4、電路的優(yōu)缺點(diǎn)變壓器反饋式振蕩電路通過互感實(shí)現(xiàn)耦合和反饋，很容易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和達(dá)到起振要求，所以效率較高，應(yīng)用很普遍?？梢栽贚C回路中裝置可變電容器來調(diào)節(jié)振蕩頻率，調(diào)頻范圍較寬，一般在幾千赫茲幾百千赫茲，為了進(jìn)一步提高振蕩頻率，選頻放大器可改為共基極接法。該電路在安裝中要注意的問題是反饋線圈的極性不能接反，否則就變成負(fù)反饋而不能起振，若反饋線圈的連接正確仍不能起振，可增加反饋線圈的匝數(shù)。三、電感三點(diǎn)式振蕩電路三點(diǎn)式振蕩電路有電容三點(diǎn)式電路和電感三點(diǎn)式電路，它們的共同點(diǎn)是諧振回路的三個(gè)引出端點(diǎn)與三極管的三個(gè)電極相連接（指交流通路），其中，與發(fā)射極相接的為兩個(gè)同性質(zhì)電抗，與集電極和基極相接的是異性質(zhì)電抗。這種規(guī)定可作為三點(diǎn)式振蕩電路的組成法則，利用這個(gè)法則，可以差別三點(diǎn)式振蕩電路的連接是否正確。1、 電路組成電感三點(diǎn)式振蕩電路，也稱為哈脫萊振蕩電路，電路如圖7-6所示。由放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋回路組成。選頻網(wǎng)絡(luò)是由帶中間抽頭的電感線圈L1、L2與電容C組成，將電感線圈的三個(gè)端點(diǎn)首端、中間抽頭和尾端分別與放大電路相聯(lián)。對(duì)交流通路而言，電感線圈的三個(gè)端點(diǎn)分別與三極管的三個(gè)極相聯(lián)，其中與發(fā)身極相接的是L1和L2。線圈L2為反饋元件，通過它將反饋電壓送到輸入端。C1、C2及CE對(duì)交流視作為短路。圖7-6 電感三點(diǎn)式振蕩電路2、振蕩的相位平衡條件根據(jù)“瞬時(shí)極性法”和同名端差別可知，當(dāng)輸入信號(hào)瞬時(shí)極性為時(shí)，經(jīng)過三極管倒相輸出為 ，即 =180，整個(gè)閉環(huán)相移 即反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，電路形成正反饋，滿足相位平衡條件。3、振蕩的振幅平衡條件只要晶體三極管的值足夠大，該電路就能滿足振蕩的振幅平衡條件。L2越大，反饋越強(qiáng)，振蕩輸出越大，電路越容易起振，只要求用較小的晶體管就能夠使振蕩電路起振。3、 振蕩頻率 （7-11）式（7-11）中M為耦合線圈的互感系數(shù)。通過改變電容C可改變輸出信號(hào)頻率。5、電路優(yōu)缺點(diǎn)（1）電路較簡(jiǎn)單，易聯(lián)接。（2）耦合緊，同名端不會(huì)接錯(cuò)，易起振。（3）采用可變電容器，能在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振蕩頻率，振蕩頻率一般為幾十赫茲至幾十兆赫茲。（4）高次諧波分量大，波形較差。四、電容三點(diǎn)式振蕩電路1、電路組成電容三點(diǎn)式振蕩電路又稱為考畢茲電路，電路如圖7-7所示，反饋電壓取自C1、C2組成的電容分壓器。晶體管VT為放大器件，Rb1、Rb2、RC、Re用來建立直流通路和合適的工作點(diǎn)電壓，Cb為耦合電容，Ce為旁路電容，L、C1、C2并聯(lián)回路組成選頻反饋網(wǎng)絡(luò)。與電感三點(diǎn)式振蕩電路的情況相似，這樣的聯(lián)接也能保證實(shí)現(xiàn)正反饋，產(chǎn)生振蕩。 圖7-7 電容三點(diǎn)式振蕩電路 圖7-8 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路2、振蕩頻率 （712）式（712）中 3、電路優(yōu)缺點(diǎn)（1）反饋電壓從電容C2兩端取出，頻率越高，容抗越小，反饋越弱，減少了高次諧波分量，從而輸出波形好，頻率穩(wěn)定性也較高。（2）振蕩頻率較高，可達(dá)100MHz以上。（3）要改變振蕩頻率，必須同時(shí)C1和C2調(diào)節(jié)不方便，并將導(dǎo)致振蕩穩(wěn)定性變差。4、克拉潑振蕩電路為了方便地調(diào)節(jié)電容三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩頻率，通常在線圈L上串聯(lián)一個(gè)容量較小的可變電容C3，電路如圖7-8所示。例7-1 標(biāo)出圖7-9所示電路中變壓器的同名端，使之滿足產(chǎn)生振蕩的相位條件。解 運(yùn)用“瞬時(shí)極性法”，欲使電路滿足相位條件，則應(yīng)符合圖中標(biāo)識(shí)的極性，那么，與是同名端，與是同名端。 圖7-9 例7-1的圖 圖7-10 例7-2的圖例72 電路如圖76所示，L1=0.3mH，L2=0.2mH，M=0.1mH，電容C在33pF到330pF范圍內(nèi)可調(diào)，求：（1）畫出交流通路（2）振蕩頻率f的變化范圍。解 交流通路如圖7-10所示。答：振蕩頻率f在331.31kHz1.048MHz范圍內(nèi)可調(diào)。第三節(jié) RC振蕩電路LC振蕩電路的振蕩頻率過低時(shí)，所需的L和C就很大，這將使振蕩電路結(jié)構(gòu)不合理，經(jīng)濟(jì)不合算，而且性能也變壞，在幾百千赫茲以下的振蕩電路常采用RC振蕩電路。由RC元件組成的選頻網(wǎng)絡(luò)有RC稱相型，RC串并聯(lián)型，RC雙T型等結(jié)構(gòu)。這里主要介紹RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)組成的振蕩電路，即RC橋式正弦波振蕩電路。一、RC串并聯(lián)型網(wǎng)絡(luò)的選頻特性RC橋式電路如圖7-11所示，設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C，則反饋系數(shù)令 ，即 （713）則式（7-13）可寫為其頻率特性曲線如圖7-12（a）、（b）所示。從圖中可看出，當(dāng)信號(hào)頻率f=f0時(shí)，uf與u0同相，且有反饋系數(shù) 為最大。 (a)幅頻特性 (b)相頻特性 圖711 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 圖712 RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性二、RC橋式振蕩電路1、電路組成圖7-13所示電路是文氏電橋振蕩電路的原理圖，它由同相放大器及反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。圖中RC串并聯(lián)電路組成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，電阻Rf、R是同相放大器中的負(fù)反饋回路，由它決定放大器的放大倍數(shù)。2、 RC橋式振蕩電路的起振條件同相放大器的輸出電壓與輸入電壓同相，即，從分析RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性知，當(dāng)輸入RC網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)頻率f=f0時(shí)，與同相，即，整個(gè)電路的相移，即為正反饋，滿足相位平衡條件。放大器的放大倍數(shù)，從分析RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性知，在R1=R2=R，C1=C2=C的條件下，當(dāng)f=f0時(shí)，反饋系數(shù)F=1/3達(dá)到最大，此時(shí)，只要放大器的電壓放大倍數(shù)略大于連（即Rf2R），就能滿足AF1的條件，振蕩電路能自行建立振蕩。 圖7-13 文氏電橋振蕩電路的原理圖 圖7-14 穩(wěn)幅的振蕩電路3、穩(wěn)幅方法根據(jù)振蕩幅度的變化來改變負(fù)反饋的強(qiáng)弱是常用的自動(dòng)穩(wěn)幅措施。如圖714所示電路就是一個(gè)穩(wěn)幅的文氏振蕩電路。圖中R1、R2、C1、C2構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6作可變電阻的穩(wěn)幅電路，這種電路使場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，使其成為壓敏電阻。D和S兩端的等效阻抗隨柵壓而變，以控制反饋通路的反饋系數(shù)，從而穩(wěn)定振幅。第四節(jié) 晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。在晶體的兩個(gè)電極上加交流電壓時(shí)，晶體就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，而這種機(jī)械振動(dòng)反過來又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)，在電極上出現(xiàn)交流電壓，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果外中交變電壓的頻率與晶片本身的固有振動(dòng)頻率相等，振同明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電振蕩，稱該晶體為石英晶體振蕩器，簡(jiǎn)稱晶振，它的諧趣振頻率僅為晶片的外形尺寸與切割方式等有關(guān)。一、石英晶體的頻率特性石英晶體的符號(hào)和等效電路如圖7-15（a）、（b）所示。從石英晶體振蕩器的等效電路可知，他有串聯(lián)諧趣振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp。（1）當(dāng)LCR支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，它的等效阻抗最?。ǖ扔赗），諧振頻率為 （714）（2）當(dāng)頻率高于fs時(shí)，LCR支路呈感性，可與電容CO發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振頻率為 （715）由于CC0，因此fs和fp非常接近。根據(jù)石英晶體的等效電路，可定性的畫出它的電抗曲線，如圖715（d）所示，當(dāng)頻率ffs或ffp 時(shí)，石英晶體呈容性；當(dāng)fsffp時(shí)，石英晶體呈感性。 （a） （b） （c） （d） 圖7-15 石英晶體的符號(hào)、等效電路和電抗頻率特性通常，石英晶體產(chǎn)品給出的標(biāo)稱頻率不是fs也不是fp，而是串接一個(gè)負(fù)載小電容CL時(shí)的校正振蕩頻率，如圖7-15（c）所示。利用CL可使得石英晶體的諧振頻率在一個(gè)小范圍內(nèi)（即fsfp之間）調(diào)整。CL值應(yīng)比C大。二、石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路的形式是多種多樣的，但其基本電路只有兩類，即并聯(lián)晶體振蕩器和串聯(lián)晶體振蕩器。現(xiàn)以圖7-16所示的并聯(lián)晶體諧振器的原理圖為例作簡(jiǎn)要介紹。圖716 并聯(lián)型晶體振蕩電路圖7-16所示電路是石英晶體以并聯(lián)諧振電路的形式出現(xiàn)，從圖中可看出，該電路是電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，晶體在此起電感的作用。諧振頻率f在fs與fp之間，由C1、C2、C3和石英晶體等效電感L決定，由于C1C3和C2C3，所以振蕩頻率主要取決于石英晶體與C3諧振頻率。石英晶振的頻率相對(duì)偏移率為10-910-11，RC振蕩器在10-3以上，LC振蕩器在10-4左右。晶振的頻率穩(wěn)定度遠(yuǎn)高于后兩者，一般用在對(duì)頻率穩(wěn)定要求較高的場(chǎng)合，如用在數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)中的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器等。習(xí)題七7-1產(chǎn)生自激蕩的振幅平衡條件和相位平衡條件是什么？滿足穩(wěn)定振蕩條件是什么？7-2正弦波振蕩電路一般包括哪幾個(gè)組成部分？各部分的作用是什么？7-3簡(jiǎn)述變壓器反饋式振蕩電路的組成，振蕩原理。