模拟电子技术基础第24讲 正弦波振荡电路的振荡条件和RC正弦波振荡电路

稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使 振幅平衡条件从 AF 回1 到 AF 1 。
3. 基本组成部分
一个反馈放大电路若能同时满足自激振荡的幅度和相位 平衡条件，就一定能产生自激振荡，但并不见得一定能产生 正弦波自激振荡，即输出信号不一定是正弦波。
这是因为，若同时有多种频率的正弦波信号都满足自激 振荡条件，则反馈放大电路就能够在多种频率下产生振荡。 它的输出信号就是一个由多种频率的正弦波信号合成的非正 弦波信号。
主要内容：
(1)正弦波振荡电路的振荡条件
(2)RC、LC正弦波振荡电路
(3)非正弦信号产生电路
基本要求及学习目标:
(1)掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件。
(2)掌握RC串并联式正弦波振荡电路的工作原理、起振条件、 稳幅原理及振荡频率的计算。
(3)了解LC正弦波振荡电路的工作原理、组成原则、振荡频率 的计算。
为了获得单一频率的正弦波振荡，可在反馈放大电路中引 入选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率），使反馈放 大电路对不同频率的正弦波信号产生不同的相位移和放大倍数， 使电路只让某一特定频率的正弦波信号满足自激振荡条件，保 证电路输出正弦波信号。
3. 正弦波振荡电路的基本组成部分
放大电路（包括负反馈放大RC电振路荡）器 低频 反馈网络（构成正反馈）<LC1M振H荡Z器 高频 选频网络（选择满足相位>平1M衡H条Z 件的一个频 率，经常与反馈 网络合二为一。） 稳幅环节
Rf R1
3
Av
则振荡电路满足振幅平衡条件
AV FV
3 1 1 3
电路可以输出频率为
f0

1
2RC
的正弦波
RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波
4. 振荡的建立与稳定
振荡建立： 就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交
流电。 当电路一接上直流电源，由于电冲击或噪声或干扰等信号
( 0 )
相频响应 f arctg
0
3
2. RC串并联选频网络的选频特性
FV
1
32 ( 0 )2 0
( 0 )
f arctg
0
3
当

0

1 RC
或
f

1
f0 2RC
幅频响应有最大值
1 FVmax 3
相频响应 f 0
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
谐振回路的三个 引出端点与场效 应管的三个电极 相连（指交流连 接），其中两个 同性质电抗的公 共点与源极相连， 而另一个异性电 抗则连在栅极与
漏极之间。
方法1
首端
中间端
L1 C
L2
尾端
电感三点式
首端 中间端
尾端
C1 L
C2
电容三点式
9.3.3 三点式LC振荡电路
3 、 振 幅 平 衡 条 件 ： AvFv=1 ； Av=1+Rf/R1 、 Fv=1/3 Rf=2R1
3. 振荡电路工作原理 (+)
当
0
1 RC
时，
f
0
(+) (+) (+)
用瞬时极性法判断可知，电 路满足相位平衡条件
a f 2n
此时若放大电路的电压增益为
AV
1
当输出幅值较大时，二 极管D1或D2导通，由D1、 D2和R3组成的并联支路的 等效电阻减小，A随之下降， 输出幅值趋于稳定。
作业
P429 - 9.2.1、 9.2.2 P431 - 9.2.5、 9.2.6
9.3 LC正弦波振荡电路
LC振荡电路主要用来产生高频正弦信号， 一般在1MHz以上。它与RC振荡电路的不同 之处是它由电感和电容组成，所以命名为LC正 弦波振荡电路。
Vo
A
反馈深度 1 AF 0 时，
Vf
自激振荡 即 AF 1（ AF为环路增益）
反馈网络ห้องสมุดไป่ตู้F
又 AF A( ) F( ) a ( ) f ( )
得自激振荡条件
A(k ) F(k ) 1
幅值条件
a (k ) f (k ) (2n 1) 180 相位条件（附加相移）
9.3.1 LC并联谐振回路选频特性 谐振回路具
2. 频率响应
有选频特性
Z0

L RC
1
Z Z0
1
1
jQ 2
0
Z
1
Z0 1 (Q 2 )2
0
由相频特性可知，当ω<ω0时，


arctg (Q
2
)
0
由于ωL<1/ωC，回路的等效电抗 呈感性；反之，回路的等效电抗呈 容性。
Rf R1
3
即 AV FV 1
热敏电阻的作用
热敏电阻
Vo
Io
Rf 功耗
Rf 温度
Rf 阻值
AV
AV 3
AV FV 1 稳幅
6. 稳幅措施
采用非线性元件
场效应可管变电（阻JF区E，T）斜率
DiD
、R4随、vGCS3不同整而流变滤化波
vG S=0V
-1V
-2V
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
谐振回路的三个 引出端与三极管 的三个电极相连 (指交流连接),其 中两个同性质电 抗的公共点与发 射极相连,而另一 个异性电抗则连 在集电极与基极
间。
方法1
首端
中间端
L1 C
L2
尾端
电感三点式
首端 中间端
尾端
C1 L
C2
电容三点式
9.3.3 三点式LC振荡电路
3. 振荡电路工作原理 (+)
分析方法：
1、会找出三个组成部分；
(+) (+)
A
(+)
2、用瞬时极性法判断电路是
否满足相位平衡条件
a f 2n 首先找出反馈线，在A处断开反馈线，假设在放大电路的
输入端加一个输入电压Vi，Vi的频率正好是选频网络的固有频 率f0，即f=f0=1/2πRC，假定某一瞬时Vi对地极性为（+）， Vo在同一瞬时对地极性为（+），由于f=f0=1/2πRC，根据相 频特性来判断，若Vo的频率也为f0，A点在同一瞬时对地的极性 也为（+）。再接上反馈线，看Vf和Vi的相位是否相同，若同相， 则说明此电路满足相位平衡条件。
学习指导 9.1 正弦波振荡电路的振荡条件 9.2 RC正弦波振荡电路 9.3 LC正弦波振荡电路 9.4 非正弦波振荡电路
小结
学习指导
在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路， 就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波。
在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频) 发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视 频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频 信号的振荡器。
(4)掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理，理解方 波、矩形波、三角波、锯齿波发生器的工作原理。
9.1 正弦波振荡电路的振荡条件
1. 振荡条件 2. 起振和稳幅 3. 振荡电路基本组成部分
1. 振荡条件
正反馈放大电 路如图示。（注意 与负反馈方框图的 差别）
Xa Xi Xf
若环路增益 AF 1 则 Xa Xf ， 去掉 Xi ， Xo 仍有稳定的输出
的存在，它们都含有丰富的谐波，总有与振荡频率f0相同的谐 波，这个信号虽然很微弱，但经过放大电路和反馈网络平的衡作用， 使输出信号的幅值越来越大，正弦波振荡由小到大地建点立起来。
稳定： 输入谐波经过放大 反馈 再放大的循环，使输出幅度不
断增加，但由于幅度增大到一定程度时，运算放大器工作在非 线性区，或三极管工作在非放大区，所以输出幅度就会下降并 趋于稳定。
C
若0
L

1
0C
电路发生谐振
即 。
0
0
1 LC
1 时， LC 为谐振频率
谐振时阻抗最大且为纯阻性 其中 Q 0 L 1 1 L
R 0 RC R C
Z0

L RC
Q0 L
Q
0C
为品质因数，用来评价回路损
耗大小的指标
同时有 IL IC Q I 即 IL IC I
2. 起振和稳幅
起振条件
A() F() 1
a ( ) f ( ) 2n
平衡
# 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起点振，
起振的信号源来自何处？ 电路器件内部噪声
噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被
放大，成为振荡电路的输出信号。
当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增 加，否则波形将出现失真。
又 AF AFa f AF a f
所以振荡条件为
A() F() 1 振幅平衡条件 a ( ) f ( ) 2n 相位平衡条件
说明 Xa与Xf 同相位或引入的反馈为正反馈。
负反馈放大电路的自激条件
闭环增益
AF

1
A AF
–1 Vid 基本放大电路
Av

1
Rf R1
电压串联负反馈
反馈网络
反馈网络兼做选频网络
选频网络 RC串并联网络
2. RC串并联选频网络的选频特性
由选频网络可知
Z1

R

1 sC
1 sCR sC
R 1
Z2

R
sC 1
R 1 sCR
sC
则反馈系数为：
FV (s)

Vf (s) Vo (s)

Z2 Z1 Z2
在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应 加热、熔炼，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成 像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡 器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术领域的 应用是十分广泛的。
非正弦信号(方波、锯齿波等)发生器在测量设备、 数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。
电压比较器不仅是波形产生电路中常用的基本单元，也广 泛用于测量电路、自动控制系统和信号处理电路中。因此 要予以足够重视。
9.2 RC正弦波振荡电路
1. 电路组成 2. RC串并联选频网络的选频特性 3. 振荡电路工作原理 4. 振荡的建立与稳定 5. 振荡频率与振荡波形 6. 稳幅措施
1. 电路组成
RC振荡电路有很多种：桥式的、移相式、
双T型的，但最常用的是桥式振荡电路。
放大电路：运放、 R1、Rf组成同 相比例运算电路
5. 振荡频率与振荡波形
振荡频率： 因为只有在f=f0=1/2πRC时才满足相位平
衡条件，所以振荡频率即为选频网络的固有频 率f=1/2πRC。
振荡波形： 当AvFv稍大于1时，Vo接近于正弦波； 当AvFv远大于1时，Vo波形会严重失真。
6. 稳幅措施
采用非线性元件
热敏元件
起振时，
AV
1
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
谐振回路的三个引 出端与集成运放的 三个端子(同相端、 反相端、输出端)相 连(指交流连接),其 中两个同性质电抗 的公共点与同相端 相连，而另一个异 性电抗则连在反相 端与输出端之间。
9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路 （定性分析）
1. 电路结构 2. 相位平衡条件 3. 幅值平衡条件
同名端
通过选择高值的BJT和
调整变压器的匝数比，可以
满足 AF 1 ，电路可以起振。
(+)
(－)
(+)
4. 稳幅 BJT进入非线性区，波形
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0的正弦波信号。
9.3.2 变压器反馈式LC振荡电路
(+)
C1
VCC
M vo
Rb1
C
L
(+)
c (-) (+) b T
Rb2
e
Re
Ce
反馈
满足相位平衡条 件，可能振荡
VCC
M (+)
Rb1
L (+) C
(+) c
bT
(+)
C1
Rb2
e
Re
反馈
满足相位平衡条 件，可能振荡
9.3.3 三点式LC振荡电路
sCR 1 3sCR (sCR)2
2. RC串并联选频网络的选频特性
反馈系数
FV (s)

Vf (s) Vo (s)

Z2 Z1 Z2
sCR
1 3sCR (sCR )2
又 s j
且令
0

1 RC
则
FV

3
j(
1


0
)
0
幅频响应 FV
1
32 ( 0 )2 0
-3V
vDS
T 压控电阻
稳幅原理
Vo
VGS (负值)
RDS
AV
1
Rp3 R3 RDS
3
AV
AV 3
AV FV 1 稳幅
6. 稳幅措施
采用非线性元件 二极管
当输出幅值很小时，二极 管D1、D2接近开路，由D1、 D2和R3组成的并联支路的等 效电阻近似为2.7千欧，A约 3.3，>3，有利于起振。
9.3.1 LC并联谐振回路选频特性 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 9.3.4 石英晶体振荡电路
9.3.1 LC并联谐振回路选频特等性效损耗电阻
1. 等效阻抗
1 (R jL)
Z
jC 1 R jL
jC
一般有 R L 则
L
Z
C
R j(L 1 )