第10章 正弦波振荡器 电子科学与工程学院,2019年10月23日8时23分,2,本章知识点及要求（4学时）,知识点一：正弦波振荡的基本概念 知识点二：RC正弦波振荡电路 知识点三：LC正弦波振荡电路 知识点四：石英晶体振荡器,1.掌握正弦波振荡电路的组成和振荡原理； 2.掌握RC桥式正弦波振荡电路的组成、工作原理； 3.了解LC正弦波振荡电路组成、工作原理和性能特点； 4.了解石英晶体正弦波振荡电路的组成、工作原理和 性能特点。,2019年10月23日8时23分,3,一、正反馈放大器基本方程,10-1 振荡的基本原理,振荡电路：没有输入信号时,能够自行产生具有一定幅度的某个频率信号的电路属于正反馈电路。 与负反馈放大电路振荡的不同之处：在正弦波振荡电路中引入的是正反馈，且振荡频率可控。,非正弦振荡电路：张弛振荡电路(产生方波、锯齿波等),正弦振荡电路,反馈型,负阻型,RC振荡器,LC振荡器,晶体振荡器,振荡电路能在某个(种)电扰动下，对于某一特定频率 f0 的信号形成正反馈：,振荡或自激：,2019年10月23日8时23分,4,二、起振过程和平衡条件,反馈型振荡器组成方框图,10-1 振荡的基本原理,1起振条件,相位起振条件：,幅度起振条件：,相位平衡条件：,幅度平衡条件：,2.平衡条件,2019年10月23日8时23分,5,输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大、平衡，直至稳幅。,幅值很小 频率丰富,频率趋于单一幅值逐渐增大,逐渐变为单一频率的稳幅振荡,三、 稳幅,10-1 振荡的基本原理,要产生正弦波振荡，必须有满足相位条件的 f0，且在合闸通电时, 对于 f = f0 , 信号有从小到大，直至稳幅的过程。,2019年10月23日8时23分,6,1) 放大电路(包括负反馈放大电路）：放大作用 2) 正反馈网络：满足相位条件 3) 选频网络：确定 f0，保证电路产生正弦波振荡 4) 非线性 (稳幅)环节：稳幅，即平衡 稳定,常合二为一,四、基本组成部分（环节）,10-1 振荡的基本原理,【注意】平衡有稳定平衡和不稳定平衡，振荡器工作时要处于稳定平衡状态。,2019年10月23日8时23分,7,【判断】下面电路是否能产生正弦波振荡？,正反馈, 但无选频网络,有选频网络, 但无法精确选频,可以产生正弦波振荡,电压串联负反馈,2019年10月23日8时23分,8,1) RC正弦波振荡电路：几百KHz以下 2) LC正弦波振荡电路：几百KHz几百MHz 3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定,六、正弦波振荡电路分类根据选频网络不同,10-1 振荡的基本原理,1) 是否存在四个主要组成部分（环节）； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点， 信号是否可能正常传递，没有被短路或断路； 3) 是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。,五、分析方法,2019年10月23日8时23分,9,10.2 RC正弦波振荡器,以 RC 电路作为选频网络的振荡器。振荡频率较低，一般在几百kHz以下。,RC移相振荡器,RC选频振荡器,选频网络为RC超前或滞后移相网络,选频网络为RC串并联谐振网络,超前型,滞后型,U0超前Ui ：0o90o,U0滞后Ui ：-90o0o,1. RC移相振荡器,2019年10月23日8时23分,10,RC串联超前、滞后网络的频率特性曲线,截止频率 c=1/,= RC,10.2 RC正弦波振荡器,2019年10月23日8时23分,11,超前移相网络振荡器,滞后移相网络振荡器,RC相移电路的选频特性不理想, 且采用内稳幅, 因而输出波形失真大, 频率稳定度低, 只能用于要求不高的设备。,【讨论1】RC相移振荡器分析,2019年10月23日8时23分,12,2. RC选频振荡器,10.2 RC正弦波振荡器,2019年10月23日8时23分,13,13,3.基本RC桥式振荡器,(1)相位条件,(2)振幅条件,(3)振荡频率,根据 AF 1，而谐振时F=1/3，,则 振幅起振条件：A 3 振幅平衡条件：A = 3,10.2 RC正弦波振荡器,正反馈,且运放A 远大于3, 能起振, 但为确保进入稳定平衡, 还应引入负反馈稳幅环节文氏电桥振荡器。,2019年10月23日8时23分,14,外稳幅原理：通过非线性器件Rf自动调整反馈强弱。 Uo If Rf 功耗 Rf 温度( t o ) A Uo,4.文氏电桥振荡器,10.2 RC正弦波振荡器,热敏电阻Rf :负温度系数！,或热敏电阻R1:正温度系数！,多用于产生20Hz200kHz的低频信号发生器。,2019年10月23日8时23分,15,(c)不满足正反馈条件,【讨论2】,试用相位平衡条件判断哪个电路可能振荡?,(a)V1和V2的作用: 易于起振,自动稳幅。R2+R32R1。,(b)A=1, F=1/3, AF1, 不能起振。,（a）,（b）,（c）,2019年10月23日8时23分,16,图（a）由反相放大器和两节RC超前型移相网络组成，不满足相位平衡条件。 图（b）由T1基极同T2集电极组成同相放大器和三节RC超前网络组成，每节移相60，为负反馈，不满足相位平衡条件。 图（c）三节RC超前型移相网络相移180，满足相位平衡条件，可以振荡。 图（d）T1和T2组成同相放大器，和一节RC串并联移相网络组成，但反馈到T1射极，为负反馈，不满足相位平衡条件。,试用相位平衡条件判断： 图例所示电路是否可能产生正弦波振荡，并简述理由。,【讨论3】,2019年10月23日8时23分,17,电路如图所示. 1.保证电路振荡，求RP的最小值； 2.求振荡频率fo 的调节范围。,解：为RC文氏桥振荡器，根据振荡条件，,，,【讨论4】,2019年10月23日8时23分,18,10.3 LC正弦波振荡器,采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC正弦波振荡器。可以产生几十兆赫以上的正弦波信号变压器耦合反馈式、电感或电容反馈式。,图10.23 变压器耦合反馈式振荡器(三种接法),CE,CB,CB,2019年10月23日8时23分,19,a. 判断Uf和Ui是否同相 b. 判断是否为正反馈,相位条件：,起振条件：,振荡频率：,10.3.1 变压器耦合反馈式振荡器,当 f =f0时，发生并联谐振，电压放大倍数的数值最大，且附加相移为0。,结构简单，易起振，输出幅度大，调节方便。,变压器反馈式振荡电路特点：,2019年10月23日8时23分,20,10.3.2 三点式振荡器,X1, X2, X3 组成并联 LC 谐振网络。谐振网络中的三个引出点分别接至三极管的三个极，称为三点式振荡器。,【问题】X1, X2, X3 应为何种电 抗元件，才能满足相位条件？,答：为了满足相位条件, Uf 应与Uo呈反相关系:,设LC 回路有电流 I 流动, 则谐振时：,jX1+jX2+jX3=0, 即 X1+X2+X3=0,2019年10月23日8时23分,21,由于 X1+X2+X3=0,故X1与X3的电抗特性相同，且二者与X2的电抗特性相反。,1.电感反馈式振荡器,2.电容反馈式振荡器,10.3.2 三点式振荡器,且,2019年10月23日8时23分,22,三点式振荡器,电容反馈式振荡器,电感反馈式振荡器,满足相位条件的原则“射同基反”： 射极接的是相同性质的电抗元件,而基极接的是 相反性质的电抗元件。,10.3.2 三点式振荡器,2019年10月23日8时23分,23,例：下面电路振荡频率 g 满足何种条件, 电路才能振荡？,(a),(b),(c)不能振荡,10.3.2 三点式振荡器,02 g01,g min(01 , 02),2019年10月23日8时23分,24,图例中三个谐振回路振荡 器交流等效电路的参数： (1) L1C1 = L2C2 L2C2 L3C3 电路能否起振? 若能起振, 应属哪种类型振荡电路? 其振荡频率与各回路固有 谐振频率之间的关系？,（1）L1C1 = L2C2 3,满足X1+X2+X3=0的角频率为0 , 且满足相位平衡条件，故电路可能振荡在0上。此时, X1和X2 呈现感抗, X3呈现容抗电感三点式振荡。,分析：,（2）L1C1 L2C2 L3C3 时，1 2 3,满足X1+X2+X3=0的角频率为I和II , 但只有II满足相位平衡条件, 电路只可振荡在II上。此时, X1和X2呈容抗, X3呈感抗电容三点式振荡。,2019年10月23日8时23分,25,共基组态,10.3.2 电容反馈式振荡电路,共射组态,2019年10月23日8时23分,26,10.3.3 电感反馈式振荡电路,交流通路,电感反馈式振荡电路,注：L1与L2之间无互感。,共射组态,2019年10月23日8时23分,27,特点：高次谐波成份小, 波形好; 调节频率影响反馈系数, 适于频率固定的场合。,电感三点式振荡电路,电容三点式振荡电路,特点：波形较差，常含有高次谐波; 耦合紧, 易起振, 振幅大,调节频率不影响反馈系数。,10.3.2 三点式振荡器,2019年10月23日8时23分,28,(1)根据性能指标选择电路,(2) 振荡管选择：fmax 3fosc 特征频率： fT (210)fosc (3) 回路参数: C 尽可能大，L 不宜过小，一般采用电容部分接 入方法。 (4) 静态工作点：软激励状态 IEQ(15)mA (5) 选择合适的 kfv ：一般变压器耦合LC振荡器 三点式振荡器 kfv= 0.10.4,LC振荡器设计的几个问题,2019年10月23日8时23分,29,反馈系数F 的计算： 图中, B、C、E 分 别表示晶体管的三 个电极,共射组态与共基组态 对比参考,2019年10月23日8时23分,30,10.4 石英晶体振荡器,10.4.1关于振荡频率的几个指标,1.频率的准确性,2.频率的稳定性,中波广播发射机：10-5；,电视发射机：10-7,测量值,设计值,2019年10月23日8时23分,31,10.4.2 石英晶体的物理特性和电特性,1.石英谐振器的物理特性,1)正压电效应：把机械能转化成电能。,2)反压电效应：把电能转化成机械能。,交变电场 机械形变振动,通常, 机械振动振幅和外加交变电场的振幅都非常微小,只有外加交变电压的频率为某一 特定频率时, 振幅才突然增加, 机械振动最强, 电路高频电流最大, 此现象称为压电谐振。通常说石英晶体就是指石英谐振器。,注：石英谐振器可谐振在晶体的基音（Fundamental） 或奇次泛音（Overtone, 3、5、7、次泛音）上 。,2019年10月23日8时23分,32,2.石英谐振器的电特性,(a)晶体符号,(b)电等效电路,频率丰富的谐振系统,支架电容 几个pF,亨利,0.001pF,几百,某些支路失谐, 近似开路,(C)某一频率等效电路,电抗特性,约为10-3量级,2019年10月23日8时23分,33,10.4.3 串联型石英晶体振荡器,图10.31串联型晶体振荡器,串联型石英晶体振荡器把石英晶体用作选频短路线,即提供正反馈通道。,2019年10月23日8时23分,34,串联型晶振 当osc= s时，晶体 JT 在振荡电路中等效 于一根短路线；或当s osc p时，等效为电感元件。,2019年10月23日8时23分,35,并联型石英晶体振荡器的工作原理与三点式LC振荡器相同，只是把石英晶体当做电感元件使用。,振荡频率一定满足： s p,10.4.4 并联型石