第10章 正弦波振荡电路

第10章 正弦波振荡电路
2．品质因数Q
定义：谐振时，谐振回路中的感抗 0 L （或容抗
电阻R之比，即： 3．谐振阻抗Z0
Q
0L
R

1
0 CR

1 R
L C
R↓→Q↑
L Q
0 C ）与回路
1
当 0 时，电路的等效阻抗：Z 0 CR C 0 可见，L↑→Z0↑；R↓、C↓→Z0↑。
所 以 ， 要 维 持 等 幅 振 荡 的 平 衡 条F 件 1 为 A （ U f FU o AFU i ）
产生自激振荡的两个平衡条件：
相位平衡条件： AF A F 2 n 即反馈电压的相位与所需输入电压的相位相同（形成正反馈）
第10章 正弦波振荡电路
第10章 正弦波振荡电路
10 — 1 正弦波振荡的基本概念
10 — 2 RC正弦波振荡电路
10 — 3 LC正弦波振荡电路
10 — 4 石英晶体振荡器
1
第10章 正弦波振荡电路
10－1 正弦波振荡的基本概念
10－1－1 产生正弦波振荡的条件
一般采用正反馈方法正弦波振荡，其方框图如图10－1所示。
22
第10章 正弦波振荡电路
1．相位平衡条件 如图中极性所示，形成了正反馈，满足相位平衡条件。 2．振荡频率和起振条件 l 该电路的振荡近似等于LC回路的谐振频率。
f osc f o 1 2
L1 L 2
2 M C

1 2 LC
。
L L1 L2 2 M
为回路总电感，M为L1和L2的互感
24
第10章 正弦波振荡电路
1．相位平衡条件 ① 晶体管产生1800的相差； XL I U ② 在L、C1支路中， X C ，所以 滞后ce 900。 U f ，而电容上的电压滞后电流900。 ③ C1上的电压即反馈电压 所以总的相差为3600，满足相位平衡条件。 2．振荡频率和起振条件
二、LC并联回路的频率特性
仅考虑 ，
0附近的情况，则 0， RL RL Q 0 2 0
0
0 ，所以有：
Z
Z0 2 1 jQ 0
21
第10章 正弦波振荡电路
幅频特性：
Z
Z0 2 1 Q 0
正弦波振荡电路由放大电路和反馈网络组成。要获得 频谱纯度高、幅度稳定的振荡，电路中必须包含有选频
网络和稳幅环节。
由R、C元件组成的选频网络称为RC正弦波振荡电 路。由L、C元件组成的选频网络称为LC正弦波振荡电路 实际电路的起振是由于电路中的微小的电扰动引起的。如 图10-2所示电路中。微小的电扰动→LC选频→反馈回输入
F
1 0 2 3 0
2
0 相频特性： 1 0 F tg
当时 0 输出 最大。
1 RC
3
时 ，F
max

1 3
的信号有选择作用，即电路对 0 信号引起的相移为零，且
F 0 。电路对 0 1 ，
①电路振荡频率较高，一般可达100MHz以上；
②频率调节不方便，且频率调节范围窄； ③输出波形较好，谐波分量较少。
26
第10章 正弦波振荡电路
4．三点式LC振荡电路的共同特点 ① Xce和Xbe符号相同 ② Xbc和Xce、Xbe符号相反 具有上述两点的三点式LC振荡电路满足自激所需的相位条 件 三、差分对管振荡电路
适用场合：适用于频率可调的音频信号发生器。
12
第10章 正弦波振荡电路
10-2-2 移相式振荡电路 由RC移相电路和放大器组成。 一、RC移相电路
图10-6(a)为超前移相电路，
图10-6(b)为滞后移相电路
j 0 R U F 2 1 U1 R 1 j j C 0
u o t A sin 0 t
2RC
u o1 t A cos 0 t
二、用单片函数发生器5G8038产生正弦波振荡
18
第10章 正弦波振荡电路
10-3 LC正弦波振荡电路
LC振荡电路以L和C构成选频电路。可分为：变压器耦合、电 感反馈式、电容反馈式、差分对管振荡器等几种形式
2
相频特性： Z tg 1Q
2
0
（1）Q↑→Z0↑→幅频特性愈尖锐→选频 特性越好。 时（2） 时， 0 ，Z0为纯电阻性； 时，Z0呈 Z 0 0 容性，电压滞后电流； 时，Z0呈感性，电压超前电流。
0
10-3-2 LC正弦波振荡电路分析 一、电感反馈式振荡电路 如图10-13(a)所示。因为晶体管的三个电极直接和电感线圈的 三个点相接，所以又称为电感三点式振荡电路。
11
第10章 正弦波振荡电路
3．振荡幅度的稳定 R1、R2 构成负反馈起稳定输出幅度的作用。若用负温度系 数热敏电阻替换R1 ；正温度系数热敏电阻替换R2，稳幅效果 会更好。 稳幅过程：温度↑→Uo↑→Uf↑→负反馈↑→Uo↓ 文氏桥振荡电路的优点：频率易调，波形较好。
缺点：要求放大器Ri高，Ro低。
27
第10章 正弦波振荡电路
10-4 石英晶体振荡器
10-4-1 频率稳定度和稳频措施 一、频率稳定度
用频率的相对变化值 f 来表示。f osc为标称振荡频率， osc 为 f 振荡频率与 f osc 的偏离。 二、影响频率稳定度的主要因素 ①电源电压或温度的变化，使静态工作点发生变化。 ②L、C元件的老化而引起的阻值变化。 ③负载的变化。 三、稳频措施 ①稳压电源稳定直流工作点 ②在负载和振荡电路间加缓冲级
16
第10章 正弦波振荡电路
三、双T选频网络振荡电路
图10-8(a)是双T选频网络，(b)为其频率特性。图10-9为由
运放和双T选频网络构成的振荡电路。
17
第10章 正弦波振荡电路
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
振荡频率为：f osc
1 2RC
优点：选频特性好。缺点：频率调节困难。
适用场合：适用于固定的单一频率正弦波发生器。 10-2-3 由集成电路构成的振荡器 一、正交振荡器 可产生两个相差900的正弦波振荡，即一个为正弦波，一个为 余弦波。也称为积分式正弦发生器。如图10-10所示。 A1为同相积分器，A2为反相积分器。 1 fo 振荡频率为：
23
第10章 正弦波振荡电路
起振条件：

rbe L2 M R
L1 M
rbe为晶体管的输入电阻，R 为折合到L1两端的等效并联总电阻。 3．电感反馈式振荡电路的特点：
①电感自耦很紧，起振容易；
②频率调节方便，且频率调节范围宽，一般几十千Hz至几 十兆Hz； ③输出波形较差，且频率稳定度不高。 二．电容反馈式振荡电路 也称电容三点式振荡电路。如图10-14所示。
Z R j L
L 1 j RC L 0 0 R
R j L
2
式中 0
1 LC
一、谐振时回路参数
1．谐振角频率 0
又称为固有角频率。当外加信号角频率 0 时，①Z达 到最大值；②端电压与端电流同相（纯电阻性）。 20
3
第10章 正弦波振荡电路
振幅平衡条件 ： A F 1
即反馈电压与所需输入电压相等 当 A F 1 时，反馈电压大于所需输入电压，输出为
增幅振荡；当 A F 1 时，反馈电压小于所需输入电压，
输出为减幅振荡。
4
第10章 正弦波振荡电路
10－1－2
振荡电路的组成及起振条件
RC
频率特性如图10-4所示。
9
第10章 正弦波振荡电路
二、文氏电桥振荡电路 电路如图10-5所示。
10
第10章 正弦波振荡电路
1．振荡频率fosc 集成运放接成同相放大器，相移为零。只有当振荡频率 fosc=fo时，RC串并联网络才为零相移。所以文氏电桥振荡器 的振荡频率为：fosc=fo= 2．起振条件
1 2RC
1 F 在f=fo时， max 。而起振为 A F 1 ，所以必须满足 3 A 3 。这里 A 为负反馈网络的闭环增益，在深度负反馈
1 ，而 1 R1 R 2 1 R1 3 ，所以必须满足 时，A F R2 R2 F 振荡电路才 R1 2R 2 能起振。
29
第10章 正弦波振荡电路
二、符号及等效电路
如图10-16所示。
石英晶体的谐振特性
可用串联谐振回路来
表示。
石英晶体的最大特点是：L值很大，C值很小，R也很小， 因此其Q值很高。 三、电抗频率特性
30
第10章 正弦波振荡电路
如图10-16(c)
u
串联谐振频率
并联谐振频率
fs
fp
1 2 LC
电路如图10-3所示。 电压传输系数表达式为：
R U2 F U
1
1 1 j RC 1 R R 3 j 0 j C 1 j RC 0
式中
0
1 RC
7
第10章 正弦波振荡电路
8
第10章 正弦波振荡电路
幅频特性：
28
f
第10章 正弦波振荡电路
③元件应挑选。 ④选用高Q的振荡电路。 ⑤采用石英晶体振荡器。 10-4-2 石英晶体的基本特性及等效电路 一、压电效应 力→电；电压变化→机械变形。当几何尺寸和结构一定时，晶 体本身有一个固有的机械振动频率。 当外加高频信号频率与晶体固有振动频率相等时，机械振动最 强，电路中高频电流最大，此现象称为压电谐振。 二、符号及等效电路 如图10-16所示。
l
该电路的振荡近似等于LC回路的谐振频率。
25
第10章 正弦波振荡电路
f osc f o 2 L
1 C1C 2 C1 C 2

1 2 LC
起振条件： C1 rbe C2 R R rbe为晶体管的输入电阻， 为折合到C1两端的等效并联 总电阻。
l
3．电容反馈式振荡电路的特点：
10-3-1 LC并联谐振回路的特性
图10-12是一个LC并联谐振回路。R表示折算到该回路的等效 负载电阻和回路电感L的损耗电阻之和。
19
第10章 正弦波振荡电路
R j L
1 j C 1 j C
LC并联谐振回路的等效阻抗为：
一般R较小，上式可近似为：
j L Z 1 j C 1 j C L RC L 02 1 2 1 j R
14
第10章 正弦波振荡电路
图(a)、(b)的振荡频率为：
f osc
1 2 6 RC
图(a)、(b)的起振条件分别为：
RF R
29 ；β>29
15
第10章 正弦波振荡电路
图(a)常画成：
移相式优点：电路简单，经济方便。缺点：波形较差，调 频不便，不够稳定。
适用范围：用于固定频率，要求不高的场合。
端→放大（U F U i , 即 A F 1 ）→电扰动↑→此时振荡器为
增幅振荡，直到平衡状态。
5
第10章 正弦波振荡电路
6
第10章 正弦波振荡电路
10-2 RC正弦波振荡电路
产生振荡频率较低，一般在几百千赫以下。其电路有文 氏电桥振荡器和RC移相振荡器等。 10-2-1 文氏电桥振荡电路 由RC串并联电路和放大器组成。 一、RC串并联选频电路
它由一个放大器（ A ）和反馈网络（ F ）组成。
1 放大电路 2
Us
Uo
Uf
反馈网络
图10-1
由放大到振荡的示意框图
2
第10章 正弦波振荡电路
U 当K接在1端时， o A U i ；再将K接到2端，U f FU o ，要维
持 U o 不变则必须使 U f U i 。
图(a)的传输系数为：
式中 1 0 RC
13
第10章 正弦波振荡电路
u
幅频特性： F
0
1 0
2
u
相频特性：
1 F tg 2 0
图(b)可同理求得。
二、移相式振荡电路
如图10-7所示，运放（或放大器）为反相，则移相电路必须 提供1800相移，而一节RC电路提供的相移小于900（达900时， 输出已趋于0），因此至小三节RC电路才能提供1800相移
1 C0C C0 C fs 1 C C0