第五章 振荡电路 (54)

第五章振荡电路

在一个电子线路中，不加输入信号就有信号输出的现象，称为自激振荡，实现振荡的电路称为振荡器。常见的振荡器有两类：一类是正弦波振荡器，另一类是非正弦波振荡器。

§5-1RC正弦波振荡器

一、自激振荡的基本原理

正反馈放大器有可能形成振荡。但满足什么条件时，才能使正反馈放大器成为一个自激振荡器呢？

1.自激振荡的基本条件

a.自激振荡器的原理框图如

图5-1所示。

(1)自激振荡器分为两个部分：一是基本放大器，

其放大倍数为A u;二是正反馈电路，反馈系数为F。

(2)信号的传输：设基本放大器的输入端有一初始

输入信号u i→基本放大器→u o= A u〃u i→正反馈电路→u f＝

F〃u o→基本放大器，如此循环。

显然，在将输入信号拿掉的情况下，电路能维持有信号输出的条件是：u f ≥u i。

b.产生自激振荡，必须具备的两个基本条件：

(1)相位条件：反馈信号u f与输入信号u i同相位，即u f与u i 的相位差应为ϕ＝2nπ(n＝0,1,2,3…)

(2)幅度条件：反馈信号u f应大于或等于输入信号u i ，即

FA u≥1 （u o＝A u〃u i ，u f＝F〃u o＝F A u〃u i）

只有满足了以上两个基本条件，电路才能产生自激振荡。

2.正弦波振荡器的基本组成

a.振荡电路要产生单一频率的正弦波，必须具有选频电路。

（如果有多个频率的信号满足产生振荡的条件，那么输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦波，而是一个由多种频率信号合成的非正弦波。如果有选频电路，并且选频电路只让某一频率的信号满足产生振荡的两个基本条件，那么得到的振荡信号就会是单一频率的正弦波信号。）

b.从原理上讲，一个自激正弦波振荡器必须由三个部分组成：基本放大器、正反馈电路和选频电路。

（选频电路可以由R、C元件组成，也可以由L、C元件组成，还可以由石英晶体组成。在实际的振荡电路中，选频电路可以作为一个独立的部分，但多数情况下是包含在反馈电路中或基本放大器之中。）

3.振荡的建立和稳定

a.提出问题：振荡器的最初的输入电压从何而来？

b.自激振荡的建立：

(1)因为振荡电路是一个闭合的正反馈系统，因此电路中任何地方微小的电扰动（如接通直流电源等），最终都会传送到基本放大器的输入端，而成为最初的输入电压。

(2)不规则的电扰动中包含了丰富的频率成分，选频电路从中选出满足振荡条件的某一频率信号，使其在振荡电路中经过放大－正反馈－再放大－再正反馈的循环过程，振荡将迅速增大，这样自激振荡便建立起来了。

c.振荡的稳定：上述振荡信号不会无止境地增长下去，最后会达到一个相对稳定的幅度，而获得一个等幅振荡。（因为随着振荡的增长，

必将导致晶体三极管进入非线性工作状态，使放大器的放大倍数明显下降，再加上信号在线路中的损耗，因此信号的幅度有减小的趋势，最后信号会达到一个相对稳定的幅度。）

二、RC串并联选频电路

1. RC串并联选频电路的构成及特性

a.电路的构成如图5-2(a)所示。

b.当输入电压u i的频率很低时，输出

电压u o比输入电压u i超前的相位接近 /2，

且u o 的幅度很小。（当u i 的频率很低时，C 1的容抗远大于电阻R 1，而C 2的容抗远大于电阻R 2，因此电路等效为C 1与R 2的串联，u i 主要降落在C 1

上。由等效电路的电压、电流的相量图可得出上述结论。） c.当输入电压u

i 的频率很高时，输出电压u o 比输入电压u

i 滞后的相位接近π/2，且u o 的幅度很小。（当u i

的频率很高时，C 1的容抗远小于电阻R 1，C 2的容抗也远小于电阻R 2，因

此电路等效为R 1与C 2的串联，u i 主要降落在R 1上。由等效电路

的电压、电流的相量图可得出上述结论。）

d.容易理解，在一个适当的中间频率f 0处，输出电压u o 与输入电压u i 同相位，而且输出电压u

o 的幅度最大。[ 如图5-2 (a)、(b)所示。] 2. RC 串并联电路的频率特性（详细的定量推导见教材P101）

a.幅频特性和相频特性

(1)幅频特性：电路的电压传输系数的模f of f i U U

T =随输入信号频率变化的曲线，称为该电路的幅频特性。[参见图5-2(b)]

(2)相频特性：u o 与u i 的相位差ϕ

随输入信号频率变化的曲线，称为该电路的相频特性。[参见图5-2(c)]

b.在实际应用中，通常取R 1＝R 2＝R ，C 1＝C 2＝C ，当输入信号频率为f 0＝1/2πRC 时，电压传输系数的模f T 达到最大，等于

1/3。即，此时输出电压u

o 获得最大值，且与输入电压同相位。所以，该电路具有选频作用。

三、文氏桥式RC 振荡器

1.振荡器的电路结构：

a.文氏桥式RC 振荡器由运放

和RC 串并联选频电路组成，如图

5-3所示。

b.输出电压u

o 有两条反馈路径

（①加于RC串并联选频电路两端，其输出端A与运放的同相端相连接;②经电阻R3、R4分压后，反馈到运放的反相端。）

c.桥式振荡器名称的由来。

2.工作原理：

a.当频率f＝f0＝1/2 RC时，RC选频电路构成一个正反馈支路，使信号满足振荡的相位条件，并且F＝

T＝1/3。

f

b.适当调节R3、R4，使(R3+R4)/ R4≥3，就可达到A u≥3，从

而使信号满足振荡的幅度条件。[参见P85(4-3)式，此时A

＝(R3+R4)/ R4≥3，F A u≥1。]

u

c.振荡器的稳幅措施：R3采用负温度系数（温度升高阻值减

小）的热敏电阻，使输出电压的幅度稳定。（这种稳幅方法的原理：若u

↑→R3

o

的温度↑→R3↓→A u↓→振荡减弱，u o↓。反之，若u o↓→R3的温度↓→R3↑→A u↑→振荡增强，u o↑。）

3.振荡器的特点：

振荡频率和输出电压的幅度比较稳定，波形失真小，频率调节方便，可产生几千赫兹～0.001赫兹的低频正弦波信号，而且整个电路便于小型化，因而在医学中有广泛的应用。

作业P111～112：5-1，5-2，5-3，5-4，（5-5）

§5-2 LC正弦波振荡器

由集成运放构成的RC振荡器的振荡频率一般不超过1MHz，如要产生更高频率的振荡，可采用LC振荡器。LC振荡器由具有选频作用的LC并联谐振回路、放大环节及正反馈电路所组成。

一、变压器反馈式振荡器

1.变压器反馈式LC振荡器的组成：

a.振荡器由LC选频放大器和正反馈电路组成，如图5-4所示。

b.信号的传输途径：u f 从L2引出经C B加到三极管的发射结，放大后的信号经LC并联谐振回路选频后经L1、L2输出。