电工学-第四章 正弦波振荡电路

R
1 jL jC j(L 1
C
)
( R L)
.
I
L/C
R j(L 1 )
C
+ L
•
U
C
_
R
2020/4/18
24
LC并联谐振回路的选频特性
•
Z
U
•
I
L/C
R j(L
1)
C
.
I
+ L
•
U
C
_
R
•
当LC并联回路发生谐振时，端电压 U 与总电
流
•
I
同相，即阻抗Z表现为纯电阻性。
谐振频率
o
Uf
•
F
Uo
•
•
由以上知，放大电路产生自激振荡的条件是 U f U i
••
•
则
AuF
Uo
•
U
•
f
U
•
f
1
Ui Uo Ui
2020/4/18
7
自激振荡
总结出自激振荡的条件：
（1）相位平衡条件
反馈电压
•
U
f
与输入电压
•
U
i
同相位，形成正反馈
（2）幅值平衡条件
反馈电压与输入电压大小相等： U f U i
C2
uf
首先判断相位平衡条件，见瞬时极性
2020/4/18
35
RB1
RC
+
RB2
uf
+
ube
RE
UCC
+
C1
L
+
C2
CE
电容三点式正弦波振荡电路
uo
uf
L
+
C1
C2
•
j 1
1
Uf
•
Uo
C2 j(L 1
C2 ) L 1
C2
C2
在谐振时L 1 1
•
C1 C2
U
•
f
0
Uo
2020/4/18
1 LC
fo
2
1 LC
2020/4/18
25
LC并联谐振回路的选频特性
.
I
谐振时回路阻抗为最大，且为纯电阻
+
L
•
Zo
Zmax
L RC
U
C
_
R
谐振时，对于相同大小的电流 I，U 达到最大，这也就是信号 的选频
设：i sint sin2t sin3t
则有：u ZO sint Z2 sin(2t ) Z3 sin(3t )
只有（1），（2）同时满足，才能使振荡电路维 持一定频率的正弦波等幅振荡。
•
•
U f Ui
2020/4/18
8
1S
2
ui
Au
uf
F
自激振荡
uo
若相位平衡条件满足，而幅值条件 AuF 1，
则振荡幅度逐渐减小，以致停振；
uf ( AuF )n uf 0
(n )
2020/4/18
9
1S
2
RB1 C1
CL
UCC
L1
uf
RB2
ube
RE
CE
变压器反馈式LC振荡器的幅值平衡条件是由变压器的匝数比N1/N2 和β共同决定的，只要这两个参数选择得合适，即可使反馈电压Uf与输 入电压Ui相等，从而满足AF=1的幅度平衡条件。
2020/4/18
29
变压器反馈式正弦波振荡器
LC振荡器也是靠电路中的扰动电压而起振的。
2020/4/18
12
振荡的建立
1S
2
ui
Au
uo
uf
F
另外，起振时电路中的扰动信号是非正弦的，含 有各种频率的谐波分量，为了得到单一频率的正弦 输出电压，振荡电路必须具有选频性。
2020/4/18
13
正弦波振荡电路
正弦波振荡电路都包含放大电路，正反馈电路和选频电路三部分
放大电路： 由三极管、场效应管和集成运放等器件为核心构成放大器。
选频电路： 由LC，RC电路和石英晶体等不同的电路形式构成，并依 靠其选频特性，使振荡器输出单一频率的正弦波。
根据选频电路的不同，分为LC振荡电路和RC振荡电路
正反馈电路： 由变压器，R，L，C及其组合电路构成，它与放大网络一起组成闭合 回路，形成正反馈，将最初的微小扰动逐步放大到所需要的幅度。
2020/4/18
此时电路便稳定在某一振荡幅度下工作
从 AuF 1 到 AuF 1 ，这是自激振荡建立的过程
2020/4/18
11
自激振荡最初是如何产生的？
1S
2
ui
Au
uf
F
振荡的建立
uo
实际上，振荡电路在接通电源时，在电路的输入端会产生一 个微小的扰动信号，从而激起一个微小的输出信号，并由反 馈网络加到输入端，这就是输入信号的由来。
第四章 正弦波振荡电路
1 正弦波振荡电路 2 RC正弦波振荡电路 3 LC正弦波振荡电路
4 石英晶体正弦波振荡电路
5 非正弦信号发生器
2020/4/18
1
正弦波振荡电路
在计算机、自动控制和测量、仪器仪表和通信等许 多领域中，常常需要使用各种不同类型的信号源。
根据自激振荡的原理，将晶体管放大器、运算放大 器、电阻、电感、电容、变压器及石英晶体等元器件相 组合，可以构成不同种类的信号发生器（或振荡器）
2020/4/18
19
2020/4/18
RC桥式振荡器
R
C
++
+
C R ui
_
RF
_ +
+
R1
+ uo
正反馈
20
幅值平衡条件
Au
1
RF R1
F 1/3
R
RF
要满足 AuF 1 RF 2R1 C 在振荡建立期间，电路应
_
uo
+
满足起振条件AuF>1
++
即 RF略大于2R1
C R ui R1
在 AuF 1 的情况下产生自激振荡，输出电压的幅值 越来越大，使三极管工作在非线性区，电压放大倍 数Au下降，使AuF=1的幅度条件得到满足，从而可 维持电路的等幅振荡。
1
fo 2 LC
2020/4/18
30
电感三点式正弦波振荡器
电感线圈的两个端子和中间抽头分别（或通过电容）接于
T的三个极上，故将此电路称为电感三点式正弦波振荡器
的表达式。
解：标出瞬时极性，如图
+ _
+
uo
+
fo
2
1 LC
2
1 (L1 L2 2M )C
L1
C L2
+
2020/4/18
40
2020/4/18
2
正弦波振荡电路
信号发生器是一种不需要外加输入信号即能 产生一定频率和幅度的信号波形的电路。
振荡器一般分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器
本章主要介绍正弦波振荡器
2020/4/18
3
§4-1 自 激 振 荡
自激振荡
一个放大电路通常是在有输入信号的情况下才有信号输出
如果在电路的输入端不外加信号，在输出端仍有一定频率和 幅度的信号产生，这种现象称为自激振荡
号，则输出uO为正弦波信号
R1
如前所述，如果能用一个反馈信号来取代输入信号 ，且满足 AuF=1 则输出就能在没有输入的情况 下持续下去
即实现自激振荡
2020/4/18
16
RC桥式振荡器
•
Uf
•
Uo
3
1
j(RC 1 ) RC
R
+
•
C
则反馈系数
令
o
1 RC
F
U
•
f
Uo
•
C
F
U
•
f
Uo
3
1
j(
o
o )
2020/4/18
22
LC并联谐振回路的选频特性
LC并联谐振回路如图所示， 图中电阻R表示回路的等效损耗电阻。
.
I
+ L
•
U
C
_
R
2020/4/18
23
LC并联谐振回路的选频特性
在一般情况下电路参数满足 R L ，由上册可
知LC并联谐振回路的等效阻抗为
•
Z
U
•
I
1
jC
1
jC
(R jL)
R jL
相位条件，如图标出瞬时极性。
2020/4/18
32
电感三点式正弦波振荡器
+ RB1
RC
C1
RB2
ube
RE
uf
UCC
C2
L1 C
L2
CE
uo
C
uf
+
L1
L2
•
Uf
•
Uo
jL2 L2
j(L2
1
C
)
L2
1
C
在
谐
振
时（L1
L2）
1
C
•
U
•
f
0
Uo
2020/4/18
33
电感三点式正弦波振荡器
电感三点式振荡电路的振荡频率基本上等于 LC并联回路的谐振频率，即
•
U
o
与反馈电压
•
U
f
同相位
2020/4/18
18
RC桥式振荡器
RF
R
+
ui
_
uo
+
+
R1
C uo
+
C R uf
__
而对于同相比例放大电路而言，输入和输出是同相位的
•
•
•
•
•
•
U i 与U O 同相，而U f 与U O 同相，因此U f 与U i 同相
满足正反馈的条件
RC串并联电路作为振荡器的选频网络和正反馈网络
此时输出电压信号的频率即为
o
1 LC
fo
2
1 LC
2020/4/18
26
变压器反馈式正弦波振荡器
RB1 C1
CL
UCC
L1
uf
RB2
ube
RE
振荡电路的放大环节 为三极管T
CE
选频环节为接于集电极回路中的LC并联谐振回路
反馈是通过电感L1和L之间的变压器耦合来实现的。
2020/4/18
27
变压器反馈式正弦波振荡器
首先讨论该电路是否满足
自激振荡的相位条件。 利用瞬时极性法来分析
RB1
CL
UCC
+
L1
uf
电路的反馈极性，如图 所示
C1
+
•
•
显然U f 与 U i 同相位，即满 RB2
足振荡器的相位平衡条件
ube
RE
CE
因此由变压器耦合形成的反馈为正反馈。
2020/4/18
28
变压器反馈式正弦波振荡器
可取代原先的输入电压 ui，同时输出电压 uo 保持不变
1S
2 ui
Au
uo
uf
F
2020/4/18
5
1S
2
ui
Au
uf
自激振荡
uo
F
•
放大电路的开环电压放大倍数
Au
UO
•
Ui
反馈电路的反馈系数
•
F
Uf
•
Uo
2020/4/18
6
自激振荡
•
1S
Au
UO
•
2
ui
Au
uo
Ui
•
uf
F
_
在通电的瞬间产生一个 uo 信号，则经过选频电路后的uf
是一个特定频率的正弦波信号，其频率是
0
1 RC
2020/4/18
21
§ 4-3 LC振荡电路
LC正弦波振荡电路主要用来产生高频信号。 常见的LC振荡电路有变压器反馈式，电感三点式和 电容三点式三种电路形式。
它们的共同特点是采用LC谐振回路作为选频网 络，而且较多采用LC并联谐振回路。
自激振荡在放大电路中并非好事，它使放大电路不能正常工作， 所以要采用消振电路以消除振荡。
然而，振荡电路（信号发生电路）则是利用自激振荡而工作的。
2020/4/18
4
自激振荡
下图中，当 开关 S 接于 2 时，为一般的放大电路
当开关接于2且放大电路有了稳定的输出以后，
再将S转到位置“1”，此时如果u f ui ，则反馈电压u f
+
CE
C2
uf
☺ 振荡频率较高，输出波形较好。
38
+
ui
R1
R2
RF
_ +
uo
+
R1
ui + R2
RF
_ +
uo
+
+
2020/4/18
39
举例
例1 图示电路为一正弦波振荡电路，其放大环节为
运放，C1 为耦合电容，设电感 L2 与 L1 之间互感为
M，试根据振荡条件判断该电路能否起振，并求 fo
+
R uf
_
uo
_
幅频特性F U f Uo
2020/4/18
1
32 ( o )2 o
相频特性
arctg[1 ( o )] 3 o
17
U f /Uo
1 3
RC桥式振荡器
90
fo
f
fo
f
90
幅频特性曲线
相频特性曲线
当
0
1 / RC或f
fo
1 时，F
2RC
1/ 3
达到幅频特性曲线的最大值，相移为零，输出电压
14
§ 4-2 RC振荡电路
适用于较低频率（几Hz—几十kHz）的振荡电路中
RC正弦波振荡器的选频网络常采用RC串并联 电路，RC移相电路，双T型RC电路等形式。
2020/4/18
15
放大环节的电压放大倍数
RC桥式振荡器
RF
Au
uo ui
1
RF R1
ui
_
uo
+
如果输入信号 ui 为正弦波信
+
ui
Au
uf
F
自激振荡
uo
uf ( AuF )n uf 0
(n )
若 AuF 1 ，则振荡会逐渐增大，以至发生
输出电压波形的非线性失真。
2020/4/18
10
1S
2 ui
Au
uf
自激振荡
uo
F
但输出电压不会无限增大，由于反馈元件或晶体管
的非线性， Au 将随着振荡幅度的增大而自动减小 ，最后达到 AuF 1
fo
2
1 LC
2
1 (L1 L2 2M )C