第6章 调谐放大器和正弦波振荡器

第6章调谐放大器和正弦波振荡器本章重点1．了解调谐放大器的电路结构、工作特点及工作原理。

2．理解正弦波振荡电路的工作原理、振荡条件。

3．掌握变压器耦合及三点式LC振荡电路的工作原理及振荡频率。

4．了解石英晶体振荡电路。

本章难点1．调谐放大器的选频能力。

2．正弦波振荡电路的振荡条件。

学时分配序号内容学时1 6.1调谐放大器 22 6.2正弦波振荡器 63 实验九调谐放大器 24 实验十LC正弦波振荡器 25 本章小结与习题6 本章总学时126.1调谐放大器调谐放大器：具有选频放大能力的放大电路。

电路特点：LC谐振回路作负载。

应用：无线电发射和接收设备。

6.1.1.调谐放大器的工作原理动画调谐放大器的工作原理一、LC并联电路图6.1.1所示。

R为并联电路损耗电阻。

图6.1.1 LC并联电路1．阻抗频率特性图6.1.2(a)所示。

它表示了LC并联电路的阻抗Z与信号频率f之间的变化关系。

当f = f0时，LC并联电路发生谐振，阻抗最大。

当f < f0或f > f0时，电路失谐，阻抗很小。

因此，f 0称为谐振频率，又称固有频率，即LCf π=210 可见，元件L 、C 取定值时，谐振频率f 0是一个常数。

2．相位频率特性图6.1.2(b )所示。

它表示了LC 并联电路两端电压v 和流进并联电路电流i 之间的相位角之差 ϕ与信号频率f 之间的变化关系。

当f = f 0时，ϕ = 0，电路呈纯阻性；当f < f 0时，ϕ > 0，电路呈感性；当f > f 0时，ϕ < 0，电路呈容性；可见，LC 并联电路随信号频率的变化呈现不同的性质。

3．选频特性阻频特性和相频特性统称为LC 并联电路的频率特性。

它说明了LC 并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。

如图6.1.3所示。

品质因数为 R L f R L R X Q L 002π===ω 它表征了LC 并联电路选频特性的好坏。

实验和理论证明：R 越小，Q 值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强；R 越大，Q 值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。

LC 并联电路的Q 值，一般在几十到一二百之间。

4．选频放大器图6.1.4(a )所示。

电路特点是利用LC 并联电路作为负载，因此放大电路具有选频放大能力。

工作原理：当信号频率等于谐振频率时，即f = f 0，放大器输出电压最大；放大倍数A VO 最大。

如图6.1.4(b )所示。

这种表示选频放大器的放大倍数与信号频率关系的曲线，称为调谐放大器的谐振曲线。

图6.1.4 选频放大器原理 图6.1.5 单回路调谐放大器图6.1.3 阻频特性与Q 值关系图6.1.2 LC 并联电路的频率特性6.1.2 两种基本的调谐放大电路一、单回路调谐放大器单回路调谐放大器如图6.1.5所示。

工作原理：输入信号v i经T1通过C b和C e送到晶体管的b、e极之间，放大后的信号经LC谐振电路选频由T2耦合输出。

电感抽头和变压器的作用是减少外界对谐振回路的影响，保证有高的Q值。

单回路调谐放大器的通频带和选择性取决于图6.1.4(b)谐振曲线，它与理想的矩形谐振曲线比相差甚远，因此这种电路只能用于通频带和选择性要求不高的场合。

电路优点：调整方便、工作稳定；缺点：失真大。

二、双回路调谐放大器图6.1.6所示。

电路特点是集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。

1．互感耦合图6.1.6(a)所示。

电路特点是双调谐回路依靠互感实现耦合。

调节L1、L2之间的距离或磁芯的位置，改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。

工作原理：假定L1C1和L2C2调谐在信号频率上，输入信号v i通过T1送到V时，集电极信号电流经L1C1产生并联谐振。

此时，由于互感耦合，L1中的电流在L2C2回路电感的抽头处产生很大的输出电压v o。

2．电容耦合图6.1.6(b)所示。

电路特点是通过外接电容C k实现两个调谐回路之间的耦合，改变C k 的大小就可改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。

图6.1.6 双回路调谐放大器图6.1.7 双回路调谐的谐振曲线3．选择性和通频带与耦合程度的关系：如图6.1.7(a)所示。

(1)弱耦合时，谐振曲线出现单峰；(2) 强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率f0处下凹的程度与耦合强度成正比；(3)临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率f0处曲线较平坦。

可见，谐振曲线在临界耦合时，与理想的矩形谐振曲线很接近。

结论，双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。

6.2 正弦波振荡器正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。

6.2.1 自激振荡的工作原理动画 自激振荡的工作原理一、LC 回路中的自由振荡如图6.2.1(a )所示。

自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。

阻尼振荡——因损耗等效电阻R 将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。

图6.2.1(b )所示。

等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，图6.2.1(c )所示。

这种等幅正弦波振荡的频率称为LC 回路的固有频率，即LCf π=210 (6.2.1)图6.2.1 LC 回路中的电振荡二、自激振荡的条件振荡电路如图6.2.2所示。

振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。

1．相位平衡条件反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180︒ 的偶数倍，即ϕ = 2n π (6.2.2) 其中，ϕ 为v f 与v i 的相位差，n 是整数。

v i 、v o 、v f 的相互关系参见图6.2.3。

2.振幅平衡条件反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。

即A V F = 1 (6.2.3)图6.2.2 变调谐放大器为振荡器 图6.2.3 自激振荡器方框图三、自激振荡建立过程自激振荡器：在图6.2.2中，去掉信号源，把开关S和点“2”相连所组成的电路。

自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号v i，振荡管V产生集电极电流i C，因i C具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。

经LC并联电路选出频率为f0的信号，由输出端输出v o，同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。

当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降低到 A V F = 1时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡。

如图6.2.4所示。

[例6.2.1]判断图6.2.5(a)所示电路能否产生自激振荡。

解(1)振幅条件：因V基极偏置电阻R b2被反馈线圈L f短路接地，使V处于截止状态，故电路不能起振。

(2)相位条件：采用瞬时极性法，设V基极电位为“正”，根据共射电路的倒相作用，可知集电极电位为“负”，于是L同名端为“正”，根据同名端的定义得知，L f同名端也为“正”，则反馈电压极性为“负”。

显然，电路不能自激振荡。

如果把图6.2.5(a)改成图(b)。

因隔直电容C b避免了R b2被反馈线圈L f短路，同时反馈电压极性为“正”，电路满足振幅平衡和相位平衡条件，所以电路能产生自激振荡。

图6.2.5 自激振荡的判别图6.2.6 共发射极变压器耦合振荡器6.2.2 LC振荡器一、变压器耦合式LC振荡器电路特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。

常用的有以下两种。

1．共发射极变压器耦合LC振荡器(1)电路结构图6.2.4 振荡的建立过程如图6.2.6(a )所示。

图中V 为振荡放大管，电阻R 1、R 2、R 3为分压式稳定工作点偏置电路，C 1、C 2为旁路电容，LC 并联回路为选频振荡回路，L 3-4为反馈线圈，L 7-8为振荡信号输出端，电位器R P 和电容C 1组成反馈量控制电路。

(2) 工作原理交流通路如图6.2.6(b )所示。

对频率f = f 0的信号，LC 选频振荡回路呈纯阻性，此时ov '和v f ，反相，即φ1 = 180º。

输出电压v o '再通过反馈线圈L 3-4，使4端为正电位，即f v '与ov '的φ2= 180º。

于是︒=︒+︒=+36018018021ϕϕ，保证了正反馈，满足了相位条件。

如果电路具有足够大的放大倍数，满足振幅条件，电路就能振荡。

调节R P 可改变输出幅度。

2．共基极变压器耦合LC 振荡器(1) 电路结构如图6.2.7(a )所示。

图中V 为振荡放大管，电阻R 1、R 2、R 3为分压式稳定工作点偏置电路，C 1为基极旁路电容，C 2为隔直耦合电容，L 2为反馈线圈，L 与C 串联组成选频振荡电路。

(2) 工作原理交流通路如图6.2.7(b )所示。

接通电源瞬间，LC 回路振荡电压加到管子基射之间，形成输入电压，经V 放大后，输出信号经反馈线圈L 2与L 之间的互感耦合反馈到管子基射之间，若形成正反馈。

在满足振幅平衡条件下，电路产生振荡。

综上分析，变压器反馈电路的反馈强度，可通过L 2与L 1之间的距离来调节。

变压器耦合振荡电路的振荡频率为LC f π=210 (6.2.4)若调节L 、C ，可改变振荡频率。

二、三点式LC 振荡电路电路特点：LC 振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。

图6.2.8 电感三点式振荡器 图6.2.9 电容三点式振荡器 1．电感三点式振荡器电路如图6.2.8(a )，交流通路如图6.2.8(b )所示。

图6.2.7 共基极变压器耦合振荡电路相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”，此时2端电位低于1端而高于3端，即v f 与v o 反相，经倒相放大后，形成正反馈，即满足相位条件。

振幅条件：适当选择Ｌ2和Ｌ1的比值。

使1>F A V ，满足振幅条件。

电路就能振荡。

由于反馈电压v f 取自Ｌ2两端，故改变线圈抽头位置，可调节振荡器的输出幅度。

Ｌ2越大，反馈越强，振荡输出越大，反之，Ｌ2越小，反馈越小，不易起振。

电路振荡频率为C M L L LC f )2(212121++π=π= (6.2.5)其中M 是Ｌ1与Ｌ2之间的互感系数。

优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫；缺点：波形失真较大。

2．电容三点式振荡器电容三点式振荡器电路如图6.2.9(a )所示，交流通路如图6.2.9(b )所示。

相位条件：当线圈1端电位为“+”时，3端电位为“-”。

此电压经Ｃ1、Ｃ2分压后，2端电位低于1端而高于3端，即v f 与v o 反相，经V 倒相放大后，使1端获“+”电位，形成正反馈，满足相位条件。

振幅条件：适当的选择Ｃ1、Ｃ2的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。

电路振荡频率为C L f 'π≈210 (6.2.6)而 2121C C C C C +=' 电路特点：频率较高，可达100 MHz 以上。