1、电路与模拟电子技术电路与模拟电子技术原理原理第十章正弦波振荡器3:14:581第10章 正弦波振荡器p10.1 正弦波产生原理p10.2 选频网络p10.3 典型正弦波振荡器3:14:59210.1 正弦波产生原理p放大器设计中，要避免正反馈，只有负反馈才能稳定放大倍数。不过，到了波形发生电路中，正反馈却成了必须实现的好东西。p10.1.1 正反馈的妙用p10.1.2 正弦波振荡器的组成3:14:59310.1.1 正反馈的妙用1无输入的正反馈：输出噪声n由于电路元件内部始终存在着载流子的热运动，所以即使没有输入信号，放大器的输出也不会是零，而是输出杂乱无章的噪声信号。3:14:5942选频：
2、只反馈特定频率的信号p根据傅立叶分析理论：噪声包含了任意频率正弦信号。3:14:5953起振：振荡的建立p图10-2中，各变量之间关系如下p要使输出信号的幅度增加到足够大，必须确保起振条件nAF1，即nA+F=2n oi oXFAXAX1FA1FA3:14:596起振（续）3:14:5974稳幅：振荡的稳定p一旦输出信号达到了期望的幅度，就不应继续增大；而信号的相位不应发生变化，所以必需保证平衡条件nAF=1，或nA+F=2n 1FA1FA3:14:598稳幅（续）3:14:5995自激振荡：正弦波振荡器的实质p正弦波振荡器实际上是利用了自激振荡的原理，而p则被称为自激振荡的平衡条件，其中p叫
3、做自激振荡的幅度平衡条件，A+F=2np叫做自激振荡的相位平衡条件。1FA1FA3:14:591010.1.2 正弦波振荡器的组成p根据图10-4可知，正弦波振荡器的组成环节如下：n放大环节A：利用放大器件实现xoAxi n选频环节F()：xfF()xo n正反馈环节，包括两个方面pA+F=2n：利用电容、电感等移相实现p其次是能够起振和稳幅：利用放大器件的非线性特征自动实现 3:14:5911第10章 正弦波振荡器p10.1 正弦波产生原理p10.2 选频网络p10.3 典型正弦波振荡器3:14:591210.2 选频网络p任何对特定频率正弦信号表现出独有特性的电路，都可以用来把特定频率正弦
4、信号从噪声中分离出来，从而构成选频网络。3:14:591310.2 选频网络p10.2.1 RC串并联选频p10.2.2 LC选频p10.2.3 石英晶体选频3:14:591410.2.1 RC串并联选频3:14:5915RC串并联选频（续）RC串并联电路的特征频率为当信号频率为特征频率 f0时，电压传输特性达到最大值（1/3），且呈现纯电阻特性。RCf2103oiUU3:14:591610.2.2 LC选频利用LC谐振电路在谐振频率上所表现出的特性，即可构成选频电路。3:15:00171LC串联选频电路3:15:0018LC串联选频电路（续）pLC串联谐振时，对外阻抗为零，且呈现纯电阻特性。
5、pLC串联电路仅对于频率为f0的信号阻抗为零，对其余频率信号的阻抗则很大。3:15:0019LC串联选频电路（续）3:15:0020LC串联选频电路（续）pLC串联选频电路如图10-6(c)所示。p因为LC串联环节仅仅对频率为f0的正弦波阻抗为零，所以n信号us中的频率为f0的正弦电压将不受任何阻碍地通过LC串联环节输出到RL负载上；n其余频率的电压则被LC串联环节所阻，从而无法输出到负载上。3:15:00212LC并联选频电路3:15:0022LC并联选频电路（续）pLC并联谐振时，对外导纳为零，且呈现纯电导特性。pLC并联电路仅对于频率为f0的信号导纳为零，对其余频率信号的导纳则很大。p导
6、纳越大意味着导通能力越强，导纳越小意味着导通能力越弱，导纳为零意味着根本就不能通过。LCf2103:15:0023LC并联选频电路（续）频率为f0的信号导纳为零，不能通过LC并联电路，所以能够到达负载。3:15:002410.2.3 石英晶体选频pLC选频电路的谐振频率取决于L、C的值，但是作为分立元件，L、C的值在温度、电源电压波动下会产生漂移，这会导致LC谐振频率变得不稳定，从而影响LC选频电路的稳定性。pLC选频电路的振荡波频率不够稳定。3:15:00251压电效应p正压电效应n机械形变使晶体表面带电n打火机、话筒p逆压电效应（电致伸缩效应）n压电晶体在电场作用下将发生机械形变n声波发生
7、器3:15:00262压电晶体的谐振频率p某些晶体、陶瓷以及木材、生物骨骼等都具有压电效应，每种材料都具有不同的频率特性。p利用石英晶体实现机械能和电能转换的效果并不好，但是温度变化时，石英晶体的谐振频率却非常稳定，利用这个特性，就可获得高稳定度的选频电路。3:15:00273石英晶体的阻抗特性3:15:0028石英晶体的阻抗特性（续）p石英晶体阻抗的频率特性中，有两个极值点，n频率fs对应的阻抗最小值，n频率fp对应的阻抗最大值。3:15:0029石英晶体串联谐振频率p阻抗在频率fs达到最小值，意味着频率fs的电流最容易流过石英晶体，所以只要我们把石英晶体串联到输入端口和输出端口之间，就可以
8、在输出端得到频率为fs的信号，如图10-8(c)所示，所以频率fs被称为串联谐振频率。3:15:0030石英晶体并联谐振频率p阻抗在频率fp达到最大值，意味着频率fp的电流最难流过石英晶体（其他频率的信号则更容易流过），所以只要我们把石英晶体并联到输入端口和输出端口之间，就可以在输出端得到频率为fp的信号，如图10-8(d)所示，所以频率fp被称为并联谐振频率。3:15:0031石英晶体选频电路3:15:0032第10章 正弦波振荡器p10.1 正弦波产生原理p10.2 选频网络p10.3 典型正弦波振荡器3:15:003310.3 典型正弦波振荡器p把放大器、选频网络按照图10-2接成正反馈
9、形式，就可以构成正弦波振荡器。p10.3.1 文氏桥振荡器p10.3.2 LC振荡器p10.3.3 石英晶体振荡器3:15:003410.3.1 文氏桥振荡器3:15:0035并联深度负反馈的虚断p文氏桥（Wien-Bridge）振荡器，n以同相比例放大电路作为放大器，n以RC串并联电路作为选频和反馈网络。3:15:0036振荡原理（判断能否振荡）p根据正弦波振荡器的组成n首先，考虑选频特性。n其次，考虑正反馈条件中的相位平衡条件。n再次，考虑正反馈条件中的幅度平衡条件。n最后，考虑起振条件。3:15:0037首先，考虑选频特性p根据RC串并联电路的传输特性可知，当p时，反馈电压uf达到最大值
10、，所以其选择的频率为 RC10RCf2103:15:0038其次，考虑相位平衡条件p其次，考虑正反馈条件中的相位平衡条件。因为当=0时，反馈电压uf与输出电压uo同相，即反馈网络相移F=0；又因为同相放大电路的输出电压uo与输入电压ui同相，即放大电路的相移A=0，所以A+F=0，满足相位平衡条件。3:15:0039再次，考虑幅度平衡条件3:15:0040最后，考虑起振条件3:15:0041首先，考虑选频特性p根据RC串并联电路的传输特性可知，当p时，反馈电压uf达到最大值，所以其选择的频率为 RC10RCf2103:15:0042其次，考虑相位平衡条件p因为当=0时，反馈电压uf与输出电压u
11、o同相，即反馈网络相移F=0；p又因为同相放大电路的输出电压uo与输入电压ui同相，即放大电路的相移A=0，p所以A+F=0，满足相位平衡条件。3:15:0043再次，考虑幅度平衡条件p因为当=0时，反馈系数p，为确保，必须保证。p又因为同相比例放大电路的放大倍数p欲使，必须要求R2=2R1。31ofUUF1FA3A121RRA3A3:15:0044最后，考虑起振条件p为保证电路起振，应该使放大器最初的放大倍数，等到输出电压达到期望值后，再使放大倍数。p为此还应设计起振环节，例如用二极管、场效应管、热敏电阻等可变电阻替代R1或R2，具体电路从略。3A3A3A3:15:0045RC振荡电路的缺点
12、p除了失真问题之外，RC振荡电路的输出频率还要受到集成运放频率特性的限制，通常最高可以产生1MHz的正弦波。p在更高频率要求的场合，通常采用LC振荡器。3:15:004610.3.2 LC振荡器pLC振荡器采用LC谐振电路作为选频和反馈网络，而且通常采用晶体管或场效应管作为放大环节，以摆脱集成运放频率特性的限制。3:15:00471阿姆斯特朗振荡器p采用变压器（反馈线圈）耦合实现正反馈p变化类型很多。3:15:0048首先，考虑选频特性p由于反馈网络为LC并联电路，可知所选频率为 11021CLf3:15:0049其次，考虑相位平衡条件p因为放大环节为共发射极放大电路，其输出电压与输入电压相位
13、相反，可知放大电路的相移A=180。p反馈网络的相移由LC并联电路的相移与变压器相移两部分组成，n在LC并联电路部分，因为当f=f0时，LC并联电路呈现纯电阻特性，所以其相移为零；3:15:0050考虑相位平衡条件（续）n在变压器部分，由于线圈L1和L2的同名端相反，所以变压器的相移原边和副边绕组上的信号相位相反，即变压器带来的相移是180，p所以反馈网络的总相移F=180。p由此可知A+F=0，满足相位平衡条件。3:15:0051瞬时极性法判断相位平衡条件 p用瞬时极性法判断相位平衡条件更方便，图10-10中演示。3:15:0052再次，考虑幅度平衡条件p可以通过配置三极管放大电路中各电阻阻
14、值来改变放大倍数A，以及通过改变线圈L1和L2的匝数比来改变反馈系数F，从而满足AF=1的幅度平衡条件。3:15:0053最后，考虑起振条件p为满足起振条件，可以首先使AF略大于1，随着信号幅度的增大，三极管放大倍数逐渐下降，从而变为AF=1。3:15:0054相位平衡条件的重要性p总之，如果已经满足相位平衡条件，幅度平衡条件和起振条件总可以通过配置元件参数来实现，所以后文将仅仅讨论相位平衡条件，不再讨论幅度平衡条件和起振条件。3:15:01552考毕兹振荡器（电容三点式）p阿姆斯特朗振荡器的反馈网络必须使用变压器，使得其体积较大，p考毕兹振荡器克服了这个缺点。3:15:0156考毕兹振荡器的
15、选频原理3:15:0157考毕兹振荡器的谐振频率p考毕兹振荡器的谐振频率取决于谐振回路中的总电感和总电容。p其中CT为谐振回路总电容（C1和C2的串联）TLCf21021111CCCT3:15:0158相位平衡条件p谐振时的反馈系数为p画出各点电压的瞬时极性可知，该电路满足正反馈的相位平衡条件。21CCF3:15:01593哈特莱振荡器（电感三点式）p哈特莱振荡器利用电感反馈，这使得它的高频特性不是很好；p考毕兹振荡器利用电容反馈，高频特性要好得多，但是却很容易受到晶体管自身电容的影响，3:15:0160哈特莱振荡器的谐振频率p哈特莱振荡器的谐振频率为p其中，LT为谐振回路总电感LTL1L2
16、CLfT2103:15:016110.3.3 石英晶体振荡器pRC振荡器存在失真和振荡频率不够高的问题，只能用来产生普通的正弦波。p如果要减小失真和提高振荡频率，可以采用LC振荡器，但由于电感、电容元件本身的缺点，使得LC振荡器的振荡频率不够稳定。p如果要求更高的稳定性，就必须采用更加稳定的石英晶体振荡器。3:15:01621串联型石英晶体振荡器3:15:0163串联型石英晶体振荡器（续）p当工作在串联谐振频率fs时，石英晶体相当于一个小电阻，每个电容都将带来90的相移，所以反馈网络的总相移为180，从而确保了正反馈的相位平衡条件。p因为频率fs时，石英晶体的阻抗达到最小值，所以反馈电路对于频率为fs的信号衰减最小，即反馈信号的幅度也可以达到最大。3:15:01642并联型石英晶体振荡器p石英晶体将阻止谐振频率fp的信号通过，所以反馈电压uf上将只含有频率为fp的信号。电容C1和C2的作用是确定反馈系数。3:15:0165思考p图10-14电路为何使用电容分压来确定反馈系数，换成电阻分压电路可不可以？如果换成电感分压又会有什么问题？p图10-14中的放大器不一定要求是集成运算放大器，晶体管电路、场效应管电路也都可以。3:15:0166
