模拟电子技术基础第九讲正弦波信号产生电路

(2)串联晶体振荡电路－ －工作在串联谐振状态， 石英晶体作为一个正反馈 通路元件。(呈阻性)
串联型晶体振荡器
由晶体电抗特性可知，当 ƒ=ƒs时，晶体相当于一个“短路” 元件，串联型晶体振荡器正是 利用晶体这一特性构成的正弦 波振荡电路。
石英晶体接在T1、T2组成的两极放大器的正反馈网络中， 起到选频和正反馈作用。当电路调谐到石英晶体的串联谐振频 率ƒs时，石英晶体阻抗最小(相当于短路)，电路的正反馈最强， 且相移为零，满足振荡条件。而对其它频率的信号，晶体阻抗 很大，正反馈很弱，电路不能起振。可见这种电路的振荡频率ƒ0 是由石英晶体的串联谐振频率ƒs所决定的，即： ƒ0 = ƒs而不取 决于振荡回路。
9.2.1 9.2.2 9.2.4 9.2.5
9.3 LC正弦波振荡器
9.3.1 LC选频放大电路 9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路 9.3.3 三点式LC振荡电路
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9.3 LC正弦波振荡器
9.3.1 LC选频放大电路
1. 并联谐振回路
一般有
则
等效损耗电
阻
当
时，电路谐振。
×
满足相位平衡条件
例：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡
× ×
满足相位平衡条件
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满足相位平衡条件
分析三种LC正弦波振荡电路能否正常工作的步骤可归纳如下：
（1）检查电路是否具备正弦波振荡器的基本组成 部分，即基本放大器和反馈网络，并且有选频环 节。
（2）检查放大器的偏置电路，看静态工作点是否 能确保放大器正常工作。
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分别标出图中所示各电路中变压器的同名端，使 之满足正弦波振荡的相位条件。
+
-
+
+
×+
+
×+ +
+ +× +
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+-
-
×+
分别判断图中所示各电路是否满足正弦波振 荡的相位条件，不满足的请改正
-
＋× +
×+
电容三点式
+ + +×
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2. 相位平衡条件
3. 幅值平衡条件
通过选择高值/gm和R的BJT 、FET和调整变压器的匝数比， Cg
可以满足
,电路可以起振。
4. 稳幅 BJT/FET进入非线性区，波形
R
VDD
g
d
T
g
s
出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。 5. 选频
虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选
频特性好，所以仍能选出ω0= 的正弦波信号。
•放大电路Av为电压串联负反 馈，具有Ri高，Ro低的特点
Av为同相比例运算电路
•Z1、Z2、R1、Rf构成一个四臂电桥
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2. RC串并联选频网络的选频特性
反馈系数
又
且令
幅频响应
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则 相频响应
当
幅频响应有最大值
相频响应
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×
则，输出频率为
的正弦波。
RC正弦波电振子荡技术电基路础一精般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波
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5. 稳幅措施
●采用非线性元件自动调 整反馈的强弱从而稳幅。
(1)热敏元件 起振时，
即 负温度系数热敏电阻的作用
热敏电阻
稳幅
思考？ 可否采用正温度系数的热敏电阻？应怎样连接？
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例如文氏桥典型电路
+×+
+
T2
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例9-1：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否 振荡
Rb1
RC1
+
T1
+
× Re1
RC2 +Vcc
-
T2
C
R-
Ce Re2
RC
不满足相位平衡条件，不能振荡 电子技术基础精 品课程——模拟
作业
• P312 • • • •
结构：
晶体机械变形
极板间加机械力
晶体产生电场
压电效应： 交变电压
机械振动 交变电压
机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高
当交变电电压子频技率术基=础固精有频率时，振幅最大 －－压电谐振
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2. 石英晶体的基本特性与等效电路
等效电路
C0——静态电容(两极板之间 的电容，几PF~几十PF)
相位相反。 B. 若首端或尾端交流接地，则其他两
端相位相同。
电感三点式
适当选取L2/L1可起振
对高次谐波阻抗大，输 出谐波分量大，波形不 理想
适当选取C2/C1可起振 对高次谐波阻抗小，输 出波形好
电容三电点子式技术基础精 品课程——模拟
2. 电感三点式振荡电路
中间点交流接地，首 端与尾端相位相反
为谐振频率
谐振时阻抗最大，且为纯阻性，容抗等于感抗，
其中
同时有电子技术基础精
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为品质因数(几十～几百) 即
Z0为谐 振阻抗
相对失谐量 w偏离w0的程度
当Z仅局限于w0附近时， 近似有w=w0, w-w0=w
感性
容性
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9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路 1. 电路结构
• 在幅值不断增大的输出信号发生失真之前，要采取措施加以限 制（限幅、稳幅），增幅振荡→等幅振荡
→
4 正弦波振荡电路的基本组成
(1)放大电路（包括负反馈放大电路） (2)反馈网络（构成正反馈的）
(3)选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。） 常用的选频网络有RC选频（1兆以下低频信号）和LC选频（ 1兆以上高频信号）
模拟电子技术基础第九 讲正弦波信号产生电路
2020年7月18日星期六
9.1 正弦波振荡器的振荡条件
• 正弦波振荡电路
– 没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输 出信号的电路
• 组成：
1. 放大电路 2. 正反馈网络 3. 选频网络 4. 稳幅环节
正反馈框图如图示 。（注意与负反馈方
框图的差别）
1 振荡条件
3. 振荡的建立与稳定
当
时，
用瞬时极性法判断可知，
(+)
(+) (+) (+)
电路满足相位平衡条件
Av
此时若放大电路的电压增益为
则振荡电路满足振幅平衡条件
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4. 振荡频率与振荡波形
因
时，
(+)
(+) (+) (+)
电路满足相位平衡条件
所以，振荡频率为
Av
若适当调整负反馈的强弱，使Av的值在起振时略大于3， 达到稳幅时Av=3，
若环路增益 则
去掉
仍有稳定的输出
又 所以振荡条件为
振幅平衡条件 相位平衡条件
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更关键
1 振荡条件
振荡条件
振幅平衡条件 相位平衡条件
思考？ 与自激振荡条件有何异同？
自激振荡条件 自激振荡幅值条件
ja (w) + jf (w) = (2n +1)p 自激振荡相位条件
常据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断电路可否振荡。
振荡频率:
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3. 电容三点式振荡电路
谐振频率
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例9-2：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振 荡?若能，写出振荡频率表达式
+
+
-
×
+
谐振频率
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+ + ×+
满足相位平衡条件
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即振荡频率为
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(+)
× (+)
(+) (-)
反馈
(+) (+)
(+)
(+) ×
反馈
满足相位平衡条件 电子技术基础精 品课程——模拟
满足相位平衡条件
9.3.3 LC三点式振荡电路
1. 三点式LC并联电路
仍然由LC并联谐振电路构成选频网络 中间端的瞬时电位一定在首、尾端
电位之间。 三点的相位关系 A. 若中间点交流接地，则首端与尾端
所以
2. 石英晶体的基本特性与等效电路 实际使用时外接一小电容Cs
则新的谐振频率(标称频率)为
由于
由此看出
调整
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3. 石英晶体振荡电路
(1)并联晶体振荡电路－－工作在 并联谐振状态，晶振作为电容三 点式LC选频网络中的一个元件（ 代替L）。
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(4)稳幅环节（电路易于起振并逐步稳幅振荡，使波形失 真小）
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9.2 RC正弦波振荡器
1. 电路原理图 2. RC串并联选频网络的选频特性 3. 振荡的建立与稳定 4. 振荡频率与振荡波形 5. 稳幅措施
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1. 电路原理图
•反馈网络兼做选频网络,为正 反馈。
（3）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和相位平 衡条件(主要看是否满足相位平衡条件，即用瞬 时极性法判别是否存在正反馈) 。
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例9-3： 根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡
+VCC Rb1
×
Cb
Rb2
L
+T
Re
C1
C2 -
Ce
不满电足子相技位术平基衡础精条件
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振幅平衡条件 相位平衡条件
•是平衡条件，电路处于稳态振荡
•要使电路自行振荡，需满足起振条件
2 起振条件
思考？ 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振 的信号源来自何处？
电路的电磁波干扰
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3 起振与稳幅
起振
稳幅
• 频率成分丰富的随机噪声信号中恰好有ω0=2πf0，使起振条件得 以满足（选频网络），产生增幅振荡，自激
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9.4 石英晶体振荡电路
1. 频率稳定问题 频率稳定度一般由
来衡量
——频率偏移量。 ——振荡频率。 Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。
LC振荡电路 石英晶体振荡电路
Q =数百 Q =10000 500000
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2. 石英晶体的基本特性与等效电路
极板间加电场
●采用非线性元件 (2)工作在可变电阻 区的场效应管(JFET)
整流滤波 T 压控电阻
稳幅原理
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一般只要调节RP3、RP4 稳幅
●采用非线性元件 (3)正反并联二极管 当vo很小，D1、D2截止
起振 当vo较大，D1、D2之一导通， R3’变小，且vo增大RD减小，直 至Vom，Av趋于3 当Av＝3时 输出电压的幅值：
L——机械振荡的惯性10~102mH C——晶片的弹性10-4~10-1PF R——晶片振动时因摩擦而造成 的损耗 102Ω
特性:2个谐振频率 A. 串联谐振
R、L、C支路串联谐振
晶体等效阻抗为纯阻性
B. 并联谐振 当f高于fs，R、L、C支路呈感性，与Co并联谐振
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通常