第五章正弦波振蕩器

1、第五章第五章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器5.1 自激振蕩的工作原理自激振蕩的工作原理5.2 LC振蕩器振蕩器5.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器3.了解石英晶體振蕩電路。了解石英晶體振蕩電路。本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)正弦波振蕩電路的振蕩條件。正弦波振蕩電路的振蕩條件。本章難點(diǎn)本章難點(diǎn)1.理解正弦波振蕩電路的工作原理、振蕩條件。理解正弦波振蕩電路的工作原理、振蕩條件。 2.掌握變壓器耦合及三點(diǎn)式掌握變壓器耦合及三點(diǎn)式LC振蕩電路的工作原理及振振蕩電路的工作原理及振蕩頻率。蕩頻率。學(xué)時(shí)分配學(xué)時(shí)分配序序 號(hào)號(hào)內(nèi)內(nèi) 容容學(xué)學(xué) 時(shí)時(shí)16. .2正弦波振蕩器正弦波振蕩器62實(shí)驗(yàn)九實(shí)驗(yàn)九 調(diào)諧放大器調(diào)諧放大器 2 3

2、實(shí)驗(yàn)十實(shí)驗(yàn)十 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 2 4本章小結(jié)與習(xí)題本章小結(jié)與習(xí)題 5本章總學(xué)時(shí)本章總學(xué)時(shí)10 正弦波振蕩器正弦波振蕩器一、一、LC回路中的自由振蕩回路中的自由振蕩 正弦波振蕩器：正弦波振蕩器：一種不需外加信號(hào)作用，能夠輸出不同一種不需外加信號(hào)作用，能夠輸出不同頻率正弦信號(hào)的自激振蕩電路。頻率正弦信號(hào)的自激振蕩電路。 5.1 自激振蕩的工作原理自激振蕩的工作原理自激振蕩的工作原理自激振蕩的工作原理 自由振蕩自由振蕩電容通過(guò)電感充放電，電路進(jìn)行電能和電容通過(guò)電感充放電，電路進(jìn)行電能和磁能的轉(zhuǎn)換過(guò)程。磁能的轉(zhuǎn)換過(guò)程。 阻尼振蕩阻尼振蕩因損耗等效電阻因損耗等效電阻R將電能轉(zhuǎn)換成熱能而將電

3、能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗的減幅振蕩。消耗的減幅振蕩。 等幅振蕩等幅振蕩利用電源對(duì)電容充電，補(bǔ)充電容對(duì)電利用電源對(duì)電容充電，補(bǔ)充電容對(duì)電感放電的振蕩過(guò)程。感放電的振蕩過(guò)程。 這種等幅正弦波振蕩的頻率這種等幅正弦波振蕩的頻率稱稱LC回路的固有頻率，記作回路的固有頻率，記作f0LCf210（5. .1）二、自激振蕩的條件二、自激振蕩的條件1. 相位平衡條件相位平衡條件 反饋信號(hào)的相位與輸入反饋信號(hào)的相位與輸入信號(hào)相位相同，即為正反饋，信號(hào)相位相同，即為正反饋，相位差是相位差是180的偶數(shù)倍。即的偶數(shù)倍。即 = 2 n （5. .2） 其中，其中，為為vf與與vi的相位差，的相位差，n是整數(shù)。是整數(shù)。vi、

4、vo、vf的相的相互關(guān)系如圖所示?；リP(guān)系如圖所示。2. 振幅平衡條件振幅平衡條件反饋信號(hào)幅度與原輸入信號(hào)幅度相等。反饋信號(hào)幅度與原輸入信號(hào)幅度相等。即即 （5. .3）1uFA 自激振蕩建立過(guò)程：電路接通電源瞬間，輸入端產(chǎn)生自激振蕩建立過(guò)程：電路接通電源瞬間，輸入端產(chǎn)生瞬間擾動(dòng)信號(hào)瞬間擾動(dòng)信號(hào)ui，振蕩管，振蕩管V產(chǎn)生集電極電流產(chǎn)生集電極電流iC，因，因iC具有跳具有跳變性，它包含著豐富的交流諧波。變性，它包含著豐富的交流諧波。三、自激振蕩建立過(guò)程三、自激振蕩建立過(guò)程 自激振蕩器：去掉信號(hào)源，把開(kāi)關(guān)自激振蕩器：去掉信號(hào)源，把開(kāi)關(guān)S和點(diǎn)和點(diǎn)“2”相連所組相連所組成的電路。成的電路。 經(jīng)經(jīng)LC并聯(lián)

5、電路選出頻率為并聯(lián)電路選出頻率為f0 的信號(hào)，由輸出端輸出的信號(hào)，由輸出端輸出uo，同時(shí)通過(guò)反饋電路回送到輸入端，經(jīng)過(guò)放大、選頻、正反同時(shí)通過(guò)反饋電路回送到輸入端，經(jīng)過(guò)放大、選頻、正反饋、再放大不斷地循環(huán)過(guò)程，將振蕩由弱到強(qiáng)的建立起來(lái)。饋、再放大不斷地循環(huán)過(guò)程，將振蕩由弱到強(qiáng)的建立起來(lái)。當(dāng)信號(hào)幅度進(jìn)入管子非線性區(qū)域后，放大器的放大倍數(shù)降當(dāng)信號(hào)幅度進(jìn)入管子非線性區(qū)域后，放大器的放大倍數(shù)降低到低到 時(shí)，振幅不再增加，自動(dòng)維持等幅振蕩。時(shí)，振幅不再增加，自動(dòng)維持等幅振蕩。1FAV （2）相位條件）相位條件 采用瞬時(shí)極性法，設(shè)采用瞬時(shí)極性法，設(shè)V基極電位為基極電位為“正正”，根據(jù)共射電路的倒相作用，可

6、知集電極電位為，根據(jù)共射電路的倒相作用，可知集電極電位為“負(fù)負(fù)”，于是，于是L同名端為同名端為“正正”，根據(jù)同名端的定義得知，根據(jù)同名端的定義得知，Lf f同名端也為同名端也為“正正”，則反饋電壓極性為，則反饋電壓極性為“負(fù)負(fù)”。顯然，。顯然，電路不能自激振蕩。電路不能自激振蕩。 例例5. .1 判斷電路能否產(chǎn)生自激振蕩。判斷電路能否產(chǎn)生自激振蕩。 （1）振幅條件）振幅條件 因因V基極偏置電阻基極偏置電阻Rb2被反饋線圈被反饋線圈Lf短路接地，使短路接地，使V處于截止?fàn)顟B(tài)，故電路不能起振。處于截止?fàn)顟B(tài)，故電路不能起振。解解圖圖(b)：因隔直電容：因隔直電容Cb b避免了避免了Rb2b2被反饋線

7、圈被反饋線圈Lf f短路，同時(shí)短路，同時(shí)反饋電壓反饋電壓極性為極性為“正正”，電路滿，電路滿足足振幅平衡和相位平衡振幅平衡和相位平衡條件，所以電路能產(chǎn)生條件，所以電路能產(chǎn)生自激振蕩。自激振蕩。圖圖(a)： 圖中圖中V為振蕩放大管，電阻為振蕩放大管，電阻R1、R2、R3為分壓式穩(wěn)定工作為分壓式穩(wěn)定工作點(diǎn)偏置電路，點(diǎn)偏置電路，C1、C2為旁路電為旁路電容，容，LC并聯(lián)回路為選頻振蕩回并聯(lián)回路為選頻振蕩回路，路，L3-4為反饋線圈，為反饋線圈，L7-8為振為振蕩信號(hào)輸出端，電位器蕩信號(hào)輸出端，電位器RP和電和電容容C1組成反饋量控制電路。組成反饋量控制電路。 5.2 LC振蕩器振蕩器一、變壓器耦合式

8、一、變壓器耦合式LC振蕩器振蕩器 1、 電路特點(diǎn)：用變壓器耦合方式把反饋信號(hào)送到輸入電路特點(diǎn)：用變壓器耦合方式把反饋信號(hào)送到輸入端。端。2、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)3、工作原理、工作原理 交流通路。對(duì)頻率交流通路。對(duì)頻率f = f0的信號(hào)，的信號(hào)，LC選頻振蕩回路呈選頻振蕩回路呈純阻性，此時(shí)純阻性，此時(shí) 和和 反相，即反相，即 1 = 180。輸出電壓。輸出電壓 再通再通過(guò)反饋線圈過(guò)反饋線圈L3-4，使，使4端為正電位，即與的端為正電位，即與的2 = 180。于是于是 ，保證了正反饋，滿足，保證了正反饋，滿足了相位條件。如果電路具有足夠大的放大倍數(shù)，滿足振幅了相位條件。如果電路具有足夠大的放大倍數(shù)，

9、滿足振幅條件，電路就能振蕩。調(diào)節(jié)條件，電路就能振蕩。調(diào)節(jié)RP可改變輸出幅度?？筛淖冚敵龇取ufuoufuou36018018021 相位條件：當(dāng)線圈相位條件：當(dāng)線圈1端電位為端電位為“”時(shí)，時(shí)，3端電位為端電位為“”，此時(shí)，此時(shí)2端電位低于端而高于端電位低于端而高于3端，即端，即uf與與u uo反相，反相，經(jīng)倒相放大后，形成正反饋，即滿足相位條件。經(jīng)倒相放大后，形成正反饋，即滿足相位條件。二、三點(diǎn)式二、三點(diǎn)式LC振蕩電路振蕩電路電路特點(diǎn)：電路特點(diǎn)：LC振蕩回路三個(gè)端點(diǎn)與晶體管三個(gè)電極相連。振蕩回路三個(gè)端點(diǎn)與晶體管三個(gè)電極相連。1. 電感三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器1uFA 振幅條件：適當(dāng)選

10、擇振幅條件：適當(dāng)選擇L和和L的比值。使的比值。使 ，滿足振幅，滿足振幅條件。電路就能振蕩。條件。電路就能振蕩。由于反饋電壓由于反饋電壓uf取自取自L兩端，故改變線圈抽頭位置，兩端，故改變線圈抽頭位置，可調(diào)節(jié)振蕩器的輸出幅度?？烧{(diào)節(jié)振蕩器的輸出幅度。L越大，反饋越強(qiáng)，振蕩輸越大，反饋越強(qiáng)，振蕩輸出越大，反之，出越大，反之，L2越小，反饋越小，不易起振。越小，反饋越小，不易起振。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率很高，一般振蕩頻率很高，一般可達(dá)到幾十兆赫可達(dá)到幾十兆赫；缺點(diǎn)：波形；缺點(diǎn)：波形失真較大。失真較大。CMLLLCf)2(212121電路振蕩頻率為電路振蕩頻率為 （5.5）其中其中M是是L與與L之間的

11、互感系數(shù)。之間的互感系數(shù)。2. 電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器 相位條件：當(dāng)線圈相位條件：當(dāng)線圈1端電位為端電位為“”時(shí)，時(shí)，3端電位為端電位為“”。此電壓經(jīng)。此電壓經(jīng)C1、C2分壓后，分壓后，2端電位低于端電位低于1端而高于端而高于3端，即端，即uf與與uo反相，經(jīng)反相，經(jīng)V倒相放大后，使倒相放大后，使1端獲端獲“”電位，電位，形成正反饋，滿足相位條件。形成正反饋，滿足相位條件。 振幅條件：適當(dāng)?shù)倪x振幅條件：適當(dāng)?shù)倪x擇擇C、C的數(shù)值，使電的數(shù)值，使電路具有足夠大的放大倍數(shù)，路具有足夠大的放大倍數(shù)，電路可產(chǎn)生振蕩。電路可產(chǎn)生振蕩。電路電路交流通路交流通路電路振蕩頻率為電路振蕩頻率為 （5.6

12、）CLf21o而而2121CCCCC電路特點(diǎn)：頻率較高，可達(dá)電路特點(diǎn)：頻率較高，可達(dá)100MHz以上。優(yōu)點(diǎn)：輸出以上。優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)頻率不方便。波形好。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)頻率不方便。3. 改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩器改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩器 這樣，振蕩頻率這樣，振蕩頻率f0與與C1、C2 、Ci、Co基基本無(wú)關(guān)，只取決于本無(wú)關(guān)，只取決于C3和和L。振蕩頻率為。振蕩頻率為3o21LCf（5.7）OCC 1iCC 2 Ci和和Co分別是三極管的輸入和輸出電容，分別是三極管的輸入和輸出電容，其數(shù)值隨溫度而變化，直接影響其數(shù)值隨溫度而變化，直接影響LC回路的振蕩回路的振蕩頻率。取頻率。取 ，以減小，以減

13、小Ci和和Co對(duì)振對(duì)振蕩頻率的影響，提高其穩(wěn)定性。蕩頻率的影響，提高其穩(wěn)定性。 由于由于C1、C2的增大，會(huì)導(dǎo)致的增大，會(huì)導(dǎo)致Q值下降，值下降，且調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，必須同時(shí)改變且調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，必須同時(shí)改變C1、C2，實(shí)屬困難。為此，在實(shí)屬困難。為此，在LC回路中的電感支路回路中的電感支路串入一小電容串入一小電容C3，得到改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振，得到改進(jìn)的電容三點(diǎn)式振蕩器。蕩器。13CC 23CC 取取優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：振蕩波形好，頻率比較穩(wěn)定。振蕩波形好，頻率比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)C3時(shí)，輸出信號(hào)幅度會(huì)隨頻率增大而降低。時(shí)，輸出信號(hào)幅度會(huì)隨頻率增大而降低。 石英晶體諧振器是在晶片的兩個(gè)對(duì)面上噴涂

14、一對(duì)金屬石英晶體諧振器是在晶片的兩個(gè)對(duì)面上噴涂一對(duì)金屬極板，引出兩個(gè)電極，加以封裝所構(gòu)成。極板，引出兩個(gè)電極，加以封裝所構(gòu)成。5.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器電路特點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高，可達(dá)電路特點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高，可達(dá)1010量級(jí)。量級(jí)。一、石英晶體的基本特性及其等效電路一、石英晶體的基本特性及其等效電路 壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)：晶片在電壓產(chǎn)生的機(jī)械壓力下，其表面電荷晶片在電壓產(chǎn)生的機(jī)械壓力下，其表面電荷的極性隨機(jī)械拉力而改變的一種現(xiàn)象。的極性隨機(jī)械拉力而改變的一種現(xiàn)象。 壓電諧振：壓電諧振：外加交變電壓的頻率等于晶體固有頻率時(shí)，外加交變電壓的頻率等于晶體固有頻率時(shí)，回路發(fā)生串聯(lián)諧振，電流振幅最大

15、的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生壓電諧回路發(fā)生串聯(lián)諧振，電流振幅最大的一種現(xiàn)象。產(chǎn)生壓電諧振時(shí)的振蕩頻率稱晶體諧振器的諧振頻率。振時(shí)的振蕩頻率稱晶體諧振器的諧振頻率。. .壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)CLRQ1 當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí)，可用靜態(tài)電容C0來(lái)等效，一般約為幾個(gè)皮法到幾十皮法；當(dāng)晶體振動(dòng)時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效，一般為10-310-2H；晶片的彈性可用電容C來(lái)等效，一般為10-210-1pF；晶片振動(dòng)時(shí)的損耗用R來(lái)等效，阻值約為102。由 可知，2. 符號(hào)和等效電路符號(hào)和等效電路 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)很大，可達(dá)104106。加之。加之晶體的固有頻率只與晶片的幾何尺寸有關(guān)，晶體的固有頻率只與晶片的幾何尺

16、寸有關(guān)，其精度高而穩(wěn)定。所以，采用石英晶體諧其精度高而穩(wěn)定。所以，采用石英晶體諧振器組成振蕩電路，可獲得很高的頻率穩(wěn)振器組成振蕩電路，可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。定度。由于由于CC0，因此，因此s和和P兩個(gè)頻率非常接近。兩個(gè)頻率非常接近。 石英諧振器在石英諧振器在s和和P之間為感性，之間為感性，在此區(qū)域之外為容性。在此區(qū)域之外為容性。3.電抗頻率特性電抗頻率特性 (1)當(dāng)當(dāng)L、C、R支路串聯(lián)諧振時(shí)，等效電路的阻抗支路串聯(lián)諧振時(shí)，等效電路的阻抗最小，串聯(lián)諧振頻率為最小，串聯(lián)諧振頻率為 LCf21S (2)當(dāng)?shù)刃щ娐凡⒙?lián)諧振當(dāng)?shù)刃щ娐凡⒙?lián)諧振時(shí)，并聯(lián)諧振頻率為時(shí)，并聯(lián)諧振頻率為0S00P121CCfC

17、CCCLf 它有兩個(gè)諧振頻率：它有兩個(gè)諧振頻率：)()(00CCCCCC 振蕩頻率在晶體諧振器的振蕩頻率在晶體諧振器的f fS S與與f fP P之間。之間。由于回路電容是由于回路電容是C1和和C2串聯(lián)后與串聯(lián)后與Co并聯(lián)，并聯(lián)，再與再與C串聯(lián)，則串聯(lián)，則回路電容為。回路電容為。二、石英晶體振蕩電路二、石英晶體振蕩電路1. 并聯(lián)型晶體振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩電路 振蕩回路由振蕩回路由C1、C2和晶體組成。其和晶體組成。其中，晶體起電感中，晶體起電感L L的作用。等效電路：的作用。等效電路：00o)(21CCCCCLCf振蕩回路的諧振頻率為：振蕩回路的諧振頻率為：CCC0S021fLCf由于，則諧

18、振頻率近似為由于，則諧振頻率近似為可見(jiàn)，振蕩頻率基本上取決于晶體的固有頻率可見(jiàn)，振蕩頻率基本上取決于晶體的固有頻率fS。故其頻。故其頻率穩(wěn)定度高。率穩(wěn)定度高。 晶體與電阻晶體與電阻R串聯(lián)構(gòu)成正反饋電路。當(dāng)振蕩頻率等于串聯(lián)構(gòu)成正反饋電路。當(dāng)振蕩頻率等于晶體的固有頻率晶體的固有頻率fS時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，電路時(shí)，晶體阻抗最小，且為純電阻，電路滿足自激振蕩條件而振蕩，其振蕩頻率為滿足自激振蕩條件而振蕩，其振蕩頻率為f0 = fS。否則不。否則不能振蕩。調(diào)節(jié)電阻能振蕩。調(diào)節(jié)電阻R可獲得良好的正弦波輸出?？色@得良好的正弦波輸出。2. 串聯(lián)型晶體振蕩電路串聯(lián)型晶體振蕩電路5.4 用用集成運(yùn)算放大器組成的振蕩電路集成運(yùn)算放大器組成的振蕩電路L和和C構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)與電阻構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)與電阻R3組成正反饋支路；組成正反饋支路；R