正弦波振荡电路

第七章 正弦波振荡电路

正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦交流信号的电子电路。它的频率范围可以从几赫兹到几百兆赫兹,输出功率可能从几毫瓦到几十千瓦。广泛用于各种电子电路中。在通信、广播系统中,用它来作高频信号源；电子测量仪器中的正弦小信号源,数字系统中的时钟信号源。另外，作为高频加热设备以及医用电疗仪器中的正弦交流能源。

正弦波振荡电路是利用正反馈原理构成的反馈振荡电路，本章将在反馈放大电路的基础上，先分析振荡电路的自激振荡的条件，然后介绍LC 和RC 振荡电路，并简要介绍石英晶体振荡电路。

第一节 振荡电路概述

在放大电路中，输入端接有信号源后，输出端才有信号输出。如果一个放大电路当输入信号为零时，输出端有一定频率和幅值的信号输出，这种现象称为放大电路的自激振荡。

一、 振荡电路框图

图7-1为正反馈放大器的方框图，在放大器的输入端存在下列关系：

X i =X s +X f (7-1)

其中X i 为净输入信号，且

f o

X F X =

及 o

i

X A X =

正反馈放大器的闭环增益

o i i

f s i f i i

X AX AX A X X X X AFX =

==-- 最后得到

1f A

A AF

=- (7-2)

如果满足条件

|1-AF|=0，或AF=1 （7-3）

则A ，这就表明，在图7-1中如果有很小的信号X s 输入，便可以有很大的信号X o =A f X s 输出。如果使反馈信号与净输入信号相等，即

X f =X i

图7-1正反馈放大电路的方框图 图7-2自激振荡方框图

那么可以不外加信号X s 而用反馈信号X f 取代输入信号X z 。仍能确保信号的输出，这时整个电路就成为一个自激振荡电路，自激荡器的方框图就可以绘成如图7-2所示的形式。

二、 自激振荡的条件

由上述分析可知，当AF=1自激振荡可维持振荡。AF=1即为自激振荡的平衡条件，其中A 和F 都是频率的函数，可用复数表示： a A A ϕ= ，f F F ϕ= 则 a f AF AF

ϕϕ=+

即 1AF AF == （7-4） 和 2a f n ϕϕπ+= 0,1,2,3n =L （7-5） 式（7-4）称为自激振荡的振幅平衡条件，式（7-5）称为自激振荡的相位平衡条件。

综上所述，振荡器就是一个没有外加输入信号的正反馈放大器，要维持等幅的自激振荡，放大器必须满足振幅平衡条件和相位平衡条件。上述振荡条件如果仅对某一单一频率成立时，则振荡波形为正弦波，称为正弦波振荡器。

三、 正弦波振荡电路基本构成

正弦波振荡电路一般包含以下几个基本组成部分：

1．基本放大电路 提供足够的增益，且增益的值具有随输入电压增大而减少的变化特性。

2．反馈网络 它的主要作用是形成正反馈，以满足相位平衡条件。

3．选频网络 它的主要作用是实现单一频率信号的振荡。在构成上，选频网络与反馈

网络可以单独构成，也可合二为一。很多正弦波振荡电路中，选频网络与反馈网络在一起，选频网络由LC电路组成称为LC正弦波振荡电路，由RC正弦波振荡电路，由石英晶体组成称石英晶体正弦波振荡电路。

4．稳幅环节引入稳幅环节可以使波形幅值稳定，而且波形的形状良好。

四、振荡电路的起振过程

振荡电路刚接通电源时，电路中会出现一个电冲击，从而得到一些频谱很宽的微弱信号，它含有各种频率的谐波分量。经过选频网络的选频作用，使f=f o的单一频率分量满足自激振荡条件，其他频率的分量不满足自激振荡条件，这样就将f=f o的频率信号从最初信号中挑选出来。在起振时，除满足相位条件（即正反馈）外，还要使AF>1，这样，通过放大→输出→正反馈→放大L L的循环过程，f=f o的频率信号就会由小变大，其他频率信号因不满足自激振荡条件而衰减下去。振荡就建立起来。

振荡产生的输出电压幅度是否会无限制地增长下去呢由于晶体管的特性曲线是非线性的，当信号幅度增大到一定程度时，电压放大倍数Au就会随之下降，最后达到AF=1，振荡幅度就会自动稳定在某一振幅上。从AF>1到AF=1过程，就是振荡电路看激振荡的建立与稳定的过程。

第二节LC正弦波振荡电路

采用LC谐振网络作选频网络的振荡电路称为LC振荡电路。LC振荡电路通常采用电压正反馈。按反馈电压取出方式不同，可分为变压器反馈式，电感三点式、电容三点式，三种典型电路。三种电路的共同特点是采用LC并联谐振回路作为选频网络。

一、LC回路的频率特性。

一个LC并联回路如图7—3所示，其中R表示电感线圈和回路其他损耗总的等效电阻。其幅频特性和相频特性如图7—4所示。

I s

C

L

R

U o

+

－

(a)幅频特性 (b)相频特性 图7—3 LC 并联回路 图7—4 LC 并联回路的频率特性（Q1>Q2） 当LC 并联回路发生谐振时，谐振频率为

02f LC

π=

（7-6）

电路阻抗Z 达到最大，其值为

000Q L

Z Q L C RC

ωω=

== （7-7） 式（7-7）中Q 为回路品质因数，其值为

001

L

Q R

CR

ωω=

=

（7-8） 由图7-4可知，当外加信号频率f 等于LC 回路的固有频率f 0(f=f 0)时，电路发生并联谐振，阻抗Z 达到最大值Z 0，相位角ϕ=0，电路呈纯电阻性，当f 偏离f 0时由于Z 将显著减小，ϕ 不再为零，在ff 0时，电路呈容性，利用LC 并谐振时呈高阻抗这一特点，来达到选取信号的目的，这就是LC 并联谐振回路的选频特性。可以证明品质因数越高，选择性愈好，但品质因数过高，传输的信号会失真。

因此，采用LC 谐振回路作为选频网络的振荡电路，只能输出f=f 0的正弦波，其振荡频率为

02f f LC

π==

（7-9）

当改变LC 回路的参数L 或C 时，就可改变输出信号的频率。

二、 变压器反馈式振荡电路

在变压器反馈振荡电路中，其谐振回路接在共发射极电路的集电极的称为共射调集振荡电路，类似的还有共射调基振荡电路和共基调射振荡电路。下面以共射调集变压器反馈式