振荡电路

1 3
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f0
0
f
三. 文氏桥式RC振荡器
运算放大器与RC串并联 选频电路组成的文氏桥式振荡 器。运放的输出电压uo分两路 反馈，一路加于RC串并联选 R1 R3 频电路，其输出端A与运放的 C1 同相端(+)连接；另一路经电 阻R3、R4分压，反馈到运放的 _ B 反相端(-)。 A + 这种电路相当于一个电桥， + 串联RC、并联RC、R3、R4为 R C2 2 四个桥臂，A、B为电桥的两 R4 个输出端点，运放的输出电压 uo为电桥的电源，故这种电路 称为RC桥式振荡器。
式中M是线圈L1和L2之间的互感系数。

该电路振荡频率中等，一般可达到几十兆 赫，如果谐振电容C换成可变电容器，则振荡 频率可连续调节；电路比变压器反馈式振荡器 简单，只用一个线圈，且容易起振，但输出的 正弦波信号中高次谐波较多，波形欠佳。
四. 电容反馈式振荡器
+ -
+
图中L和C1、C2组成LC并联谐振回路，“1”端 接三极管的集电极，“2”端通过旁路电容CE接发射 极，“3”端经电容CB接基极，振荡电容有三个引线 点，所以这种电路常称为电容三点式振荡器，又叫考 毕兹振荡器。
为了获得不失真的正弦波及幅度稳定的输出， 图中负反馈支路的R3采用热敏电阻，它是一种负温 度系数的元件，阻值随温度的升高而变小。 当振荡器输出幅度增加时，通过R3的电流必然 增大，热敏电阻的功耗增加，温度升高，R3的阻值 降低，负反馈增强，运放的放大倍数K降低，振荡减 弱，从而限制了输出幅度的上升。 反之，如果输出电压幅度减小，则热敏电阻的 功耗降低，温度降低，R3的阻值增大，负反馈减弱， 放大倍数K上升，限制了输出幅度的下降。可见，R3 用热敏电阻起到自动稳定振荡幅度的作用。
从LC并联谐振回路的特性可知，当输 入信号的频率等于回路的谐振频率f0时，回 路的等效阻抗最大；当信号频率偏离f0时， 阻抗变小，偏离越多，阻抗降低就越多。放 大器的放大倍数随集电极负载阻抗增大而增 大。当f=f0时，调谐放大器负载阻抗最大， 放大倍数最高；当离开这个频率时，负载阻 抗急剧下降，放大倍数也随之变小；当被放 大的信号频率离f0很远时，放大器对它就没 有什么放大作用了。
这种振荡器适用于频率较低(几十 千赫到几兆赫)的情况，由于采用变压 器耦合方式，容易做到匹配，故输出振 荡电压较大，且电路比较稳定。
三. 电感反馈式振荡器
+ + +
电感反馈式振荡电路及其交流等效电路。它是一 种以LC并联谐振回路作为集电极负载的振荡器。由 于该电路的振荡线圈分成上L1和L2两段，有三个线头 (两个端头1、3和一个抽头2)，故常称为电感三点式 振荡器，又称为哈特莱振荡器。
只要放大器有足够的放大倍数，并适当地选取L1 与L2的比值，电路就可满足振荡的幅度条件，产生自 激振荡。 在选取L1与L2之比时，一方面要考虑有足够的反 馈量，以利于起振和获得较大的输出幅度；另一方面 也要考虑到，为了使波形失真小一些，反馈量又不能 太强。根据实践，取 L1:L2=3:1 时，可基本上兼顾以 上两点要。理论上可以证明，该电路的振荡频率近似 为：
在振荡电路中不可避免地含有微小的电扰动，如 接通直流电源的一瞬间所产生的电脉冲，以及电路的 热噪声等。 由于振荡电路是一个闭合的正反馈系统，因此不 管电扰动发生在电路的哪一部分，最终总要传送到基 本放大器的输入端，成为最初的输入电压。这些电扰 动一般都包含有丰富的频率成分，但在选频电路的作 用下，只有某一频率分量可以顺利的通过，其余频率 成分均被抑制。被选出的频率分量放大后，经反馈电 路又回送到基本放大器的输入端，形成一个循环。在 第一循环结束时，第二循环即开始，如此循环往复继 续下去。
第三节 晶体正弦波振荡器
前述的LC振荡器的品质因素Q值不可能做 得很高，一般在200以下，即使采取各种措施， 振荡频率的稳定度也很难超过10-5数量级。 为了进一步提高振荡频率的稳定性，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。 在超声诊断仪、各种遥测和病房监护等医 用设备中常采用这种振荡电路。
主要内容
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 RC正弦波振荡器 LC正弦波振荡器 晶体正弦波振荡器 调幅与检波 调频与鉴频
第一节 RC正弦波振荡器
一.自激振荡的基本原理 1. 自激振荡的基本条件 在前面提到，当放大电路中引入正反馈 后，往往会产生自激，从而破坏了放大器的 正常工作。这说明正反馈放大器有可能形成 振荡。那么要满足什么条件，才能使正反馈 放大器成为一个自激振荡器呢?
二. 变压器反馈式振荡器
变压器反馈式LC振荡电路 是LC选频放大器与正反馈电路 组合而成的。 图中反馈电压uf通过线圈 L2引出，再经CB送回到放大器 的输入端，加于基极与发射极 之间，三极管将L2反馈的信号 放大，加于LC并联谐振回路。
+
+
+
同名端
当直流电源Ec接通时，在LC振荡回路 内会产生一个电冲击，出现一个不大的信号， 经过多次放大、正反馈、选频后，幅度将不 断增大，在集电极负载LC回路上得到一个较 大的输出信号电压；其频率由LC并联谐振回 路的参数决定，即为f0。最后受晶体三极管 非线性的限制，幅度自动稳定在某一水平上， 这时在负载LC回路上就有一等幅的正弦波振 荡电压，经线圈L1输出。
由此可见，要产生自激振荡，必须具备 两个基本条件： (1)相位条件 反馈信号uf与输入信号ui同相位，即uf与 ui的相位差为Φ =2nπ (n=0,1,2…) (2)幅度条件 反馈信号uf应大于或等于输入信号ui， 即ui≥uf。因uf=Fuo，而uo=K0ui，所以 uf=FK0ui，故本条件可改写为：FK0≥1 只有满足了以上两个基本条件，电路才 能形成自激振荡。
若适当选择LC回路的参数，使其谐振频率f0等 于需要放大的信号频率，那么放大器对该信号有良 好的放大作用，而对不需要放大的其他频率的信号 放大作用很小。 因此，这种放大器对频率等于f0的输入信号或 在f0两边很窄的频率范围内的信号有选频作用，而 对其他频率的信号则有抑制作用，故该放大电路又 被称为为 LC选频放大器。 该放大器的通频带宽度fH-fL很窄，所以具有 很好的抗干扰能力，在超声诊断仪、广播电视等高 频放大电路中获得了广泛应用。
自激振荡器包括两部分，一是 基本放大器，放大倍数为K0；二是 反馈电路，反馈系数为F。 假设在基本放大器的输入端加 输入信号ui，经过放大后的输出信 号为uo=K0ui，然后经反馈电路，将 输出信号uo的一部分即反馈信号 uf=Fuo回送到输入端。如果反馈信 号uf与输入信号ui同相位，则构成正 反馈回路，结果将加强原输入信号。 如果此反馈信号的幅度又足够大， 即满足uf≥ui，那么即使将输入信号 拿掉，电路也能维持有信号输出， 这样就形成了振荡。

uo
RC串并联选频电路在f=f0=1/2πRC时， 其输出电压与输入电压同相位，而运放输出 电压与其同相端输入电压同相位。这样，当 f=f0时，RC选频电路构成一个正反馈支路， 满足振荡的相位条件。这时RC选频电路的反 馈系数最大，为1/3，因此要维持振荡就要求 运放的电压放大倍数K≥3。R3、R4组成深度 负反馈支路，只要适当调节R3、R4的阻值， 使(R3+R4)/R4≥3，就可达到K≥3，从而满足振 荡的幅度条件。
2. 正弦波振荡器的基本组成 虽然具备了上述两个条件的正反馈放大器 能够产生自激振荡，但如果同时有许多频率的 信号(而不是一种频率)都满足这些条件，那么 输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦 波，而是一个包含有多种频率信号合成的非正 弦波或矩形波。为了获得单一频率的正弦波， 振荡电路还必须具有选频作用，具有这种特性 的电路称选频电路。多频率的信号通过选频电 路后，只有某一频率才满足振荡的两个基本条 件，从而得到单一频率的正弦波信号。
如果在每次循环中，被选频率分量的反馈 电压与循环开始时的输入电压相比较，不仅相 位相同，而且振幅也增大，那么经过上述放 大—正反馈—再放大—再正反馈的循环过程， 被选频率分量的振荡将迅速增大，这样自激振 荡就建立起来了。
上述的振荡信号会不会无止境地增长下 去呢? 不会。因为随着振荡的增长，反馈信号愈 来愈大，必将导致晶体三极管进入非线性工作 状态，放大器的放大倍数反而降低，使信号幅 度有减少的趋势。因此正反馈使整个电路的振 幅不断增长，而放大器的非线性则使之减小， 最后达到一个相对稳定的幅度，从而获得一定 幅度的等幅振荡。
若适当选取C1和C2的比值，放大器有足够的放 大倍数，就可满足振荡的幅度条件，产生正弦波振 荡信号。其振荡频率近似为：
式中C为C1与C2的串联等效电容。
这种电路振荡频率较高，一般可达到 100MHz以上。 由于电路是通过电容器分压反馈，对 高频呈现较小的阻抗，振荡时高次谐波的 反馈量弱，其输出波形失真小，更接近正 弦，但频率调节不方便。
C2 u o
当输入电压ui的频率很高时，C1的容 抗远小于R1，C2的容抗远小于R2，这时 R2C2并联电路两端的输出电压uo幅度很小， 且uo比ui落后的相位接近90°。 因此，在一个适当的中间频率f0处， 输出电压uo与输入电压ui同相位，而且这 时的输出电压幅度最大。
RC串并联电路的电压传输系 数T以及uo与ui之间的相位差Φ 随 输入信号的频率而变化。右图为其 电压传输系数T随频率变化的曲线， U o 称为幅频特性，及Φ 随频率变化的 U i 曲线，称为相频特性。 在实际的电路中，通常取 R1=R2=R，C1=C2=C。理论和实 践证明，当输入信号频率f0： f0=1/2πRC 时，电压传输系数T最大，且等于 +90 1/3，即输出电压uo获得最大值， 并与输入电压同相位。 –90 可见，RC串并联电路对不同 频率的输入信号有不同的响应特性， 所以它具有选频作用。
二. RC串并联选频电路
RC串并联选频电路 由一个R1C1串联电路与一 个R2C2并联电路连接而成。 当输入电压ui的频率 很低时，C1的容抗远大于 电阻R1，而C2的容抗远大 于R2，这时在R2C2并联电 u i 路两端的输出电压uo幅度 很小，且uo比ui超前的相 位接近90°。