第六章第六章 正弦波正弦波振荡电路振荡电路8.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理8.2 RC桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路8.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路8.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路8.5 正弦波振荡电路工程应用技术正弦波振荡电路工程应用技术6.1.1. 振荡的条件振荡的条件fidXXX-=改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。6.1 正弦波振荡电路的基本原理正弦波振荡电路的基本原理+Xi f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXX如果：如果：,ifXX=则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。Xi +f基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FX+doXXXdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXXFA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：自激振荡的条件：（1）振幅条件：）振幅条件：（2）相位条件：）相位条件：pjjnFA2=+n是整数是整数因为：因为：.动画演示动画演示Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX6.1.2.振荡的物理过程振荡的物理过程起振条件：起振条件：结果：产生增幅振荡结果：产生增幅振荡（略大于）略大于）1 1、被动：器件非线性、被动：器件非线性2 2、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以、主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节调节放大电路的放大电路的增益增益稳幅过程稳幅过程：起振时，起振时，稳定振荡时，稳定振荡时，稳幅措施稳幅措施：起振过程起振过程Xdof基本放大器基本放大器A反馈网络反馈网络FXX接通电源后，各种电扰动接通电源后，各种电扰动 放大放大 选选 频频 正反馈正反馈 再放大再放大再正反馈再正反馈 振荡器输出电压振荡器输出电压 器件进入非线性区器件进入非线性区 稳幅振荡稳幅振荡过程：过程：1.1.放大电路放大电路2.2.正反馈网络正反馈网络3.3.选频网络选频网络只对一个频率满足振荡条件，只对一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。从而获得单一频率的正弦波输出。 常用的选频网络有常用的选频网络有RC选频选频和和LC选频选频4.4.稳幅电路稳幅电路使电路易于起振又能稳定振使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。荡，波形失真小。6.1.3.6.1.3.正弦波振荡电路的组成正弦波振荡电路的组成6.1.46.1.4、正弦波振荡电路的分析方法、正弦波振荡电路的分析方法（一）判断电路能否产生正弦波（一）判断电路能否产生正弦波1、检查电路中是否存在放大电路、正反馈网、检查电路中是否存在放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节。络、选频网络、稳幅环节。2、检查放大电路能否正常工作，即能否建立、检查放大电路能否正常工作，即能否建立合适的静态工作点并能正常放大。合适的静态工作点并能正常放大。3、利用瞬时极性法判断电路是否引入了正反、利用瞬时极性法判断电路是否引入了正反馈，即是否满足相位平衡条件。馈，即是否满足相位平衡条件。（二）计算振荡频率、求起振条件（二）计算振荡频率、求起振条件由维持振荡的条件由维持振荡的条件 可知，可知， 为实数，为实数，因此只要令复数表示式的虚部等于零，对频因此只要令复数表示式的虚部等于零，对频率求解，即可求得振荡频率。将振荡频率代率求解，即可求得振荡频率。将振荡频率代入起振条件入起振条件 ，可求出满足起振条件，可求出满足起振条件的有关电路参数值，即常用的以电路参数表的有关电路参数值，即常用的以电路参数表示的起振条件。示的起振条件。 （二）计算振荡频率、求起振条件（二）计算振荡频率、求起振条件6.1.5、正弦波振荡电路与负反馈放大电路、正弦波振荡电路与负反馈放大电路自激的比较自激的比较振荡电路振荡电路负反馈电路负反馈电路反馈极性不同反馈极性不同引入正反馈引入正反馈产生自激振荡产生自激振荡引入负反馈引入负反馈改善电路性能改善电路性能电路结构保证电路结构保证正反馈存在正反馈存在电抗元件使负电抗元件使负反馈变正反馈变正利用自激振荡利用自激振荡 避免自激振荡避免自激振荡振荡条件不同振荡条件不同目的不同目的不同6 . 2 RC桥式桥式正弦波正弦波振荡电路振荡电路6.2.16.2.1. . RCRC 串并联选频网络串并联选频网络R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：通常R1R2R，C1C2C，则有若令若令 则上式变为则上式变为因为式中因为式中2f ，02f0 f0 arctg RC串并联网络完整的串并联网络完整的频率特性曲线：频率特性曲线：当当 时，时， F= Fmax=1/3F+90|F|6.2.2.基本电路形式及振荡的建立过程基本电路形式及振荡的建立过程在在 f0 处处1.满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131=F1f+=RRA1f2RR=只需：只需：A=3输出正弦波频率输出正弦波频率：2.振幅条件：振幅条件：引入负反馈：引入负反馈：选：选：RC桥桥式式正正弦弦波波振振荡荡电电路路1f2RR3.起振条件起振条件4、稳幅措施、稳幅措施半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）起振时起振时Rt较大较大 使使A3,易起振。易起振。 当当uo幅度自激增幅度自激增长时，长时， Rt减小，减小，A减小。减小。 当当uo幅度达某一幅度达某一值时，值时， A3。 当当uo进一步增大进一步增大时，时， RT再减小再减小 ,使使Ar Z L= 电路发生并联谐振。电路发生并联谐振。其谐振角频率为其谐振角频率为 0 f0 Q Q为谐振回路的品为谐振回路的品质因数，质因数，Q Q值越大，值越大，曲线越陡越窄，选曲线越陡越窄，选频特性越好。频特性越好。谐振时谐振时LC并联谐振电路并联谐振电路相当一个大电阻。相当一个大电阻。LC并联谐振回路的并联谐振回路的幅频特性曲线幅频特性曲线|Z|Q小小Q大大Z arctg 互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别1234初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同名端同名端1234+ 在在LC振荡器中，反馈信号通振荡器中，反馈信号通过过互感线圈引出互感线圈引出同名端：同名端：6.3.2. 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 工作原理：工作原理：三极管共射放大器。三极管共射放大器。利用互感线圈的同利用互感线圈的同名端：名端： 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:判断是否是满足判断是否是满足相位条件相位条件相相位平衡法：位平衡法： 断开反馈到放大断开反馈到放大器的输入端点，假设器的输入端点，假设在输入端加入一正极在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与极性。若反馈信号与输入信号同相，则满输入信号同相，则满足相位条件；否则不足相位条件；否则不满足。满足。(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例满足相位平衡条件满足相位平衡条件（+）（+）（）（+） LC正弦波振荡器举例正弦波振荡器举例振荡频率振荡频率:（）满足相位平衡条件满足相位平衡条件仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络6.3.3. 电感三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路原理：原理：uf与与uo反相反相uf与与uo同相同相电感三点式：电感三点式：电容三点式：电容三点式：uf与与uo反相反相uf与与uo同相同相 电感三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：6.3.4. 电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路振荡频率：振荡频率：例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。位平衡条件。V2eRRRb1CCcceb2c1RbCCLC3Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。6.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 几百几百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 500000 频率稳定问题频率稳定问题6.4.1. 石英晶体的特性及等效电路石英晶体的特性及等效电路（一）结构及压电效应：（一）结构及压电效应：极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大固有频率时，振幅最大 符号符号压电谐振压电谐振压电效应：压电效应： 基本特性基本特性（二）石英晶体的等效电路（二）石英晶体的等效电路等效电路：等效电路：（1）串联谐振）串联谐振（三）电抗特性：（三）电抗特性： 晶体等效纯阻且阻值晶体等效纯阻且阻值0（2）并联谐振）并联谐振通常通常所以所以X感性感性0容性容性6.4.2. 石英晶体正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。振荡电路。1. 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s与与fp p之间，相当一个大电感，与之间，相当一个大电感，与C C1 1、C C2 2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。X感性感性0容容性性2. 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s处，处，呈呈电电阻性，而且阻抗最小，正反阻性，而且阻抗最小，正反馈馈最最强强，相移，相移为为零零, ,满满足振足振荡荡的相位平衡条件。的相位平衡条件。 对对于于f fs s以外的以外的频频率，石英晶体阻抗增大率，石英晶体阻抗增大, ,且相移不且相移不为为零，不零，不满满足振足振荡荡条件，条件，电电路不振路不振荡荡。 X感性感性0容容性性U+VRRRRebbe122C(+)(+).oCC1RRb1c(+)例：例：分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振分析下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡荡, ,石英晶体处于何种状态？石英晶体处于何种状态？6.5 正弦波振荡电路工程应用技术正弦波振荡电路工程应用技术振荡电路形式振荡电路形式适适应应范范围围RC桥式桥式几十几十kHz变压器反馈式变压器反馈式几十几十MHz电感三点式电感三点式几十几十MHz电容三点式电容三点式数百数百MHz频率稳定频率稳定石英晶体振荡器石英晶体振荡器振幅稳定振幅稳定加外稳幅电路加外稳幅电路1 电电路路形形式式的的选选择择6.5.2、有源器件的选用、有源器件的选用双极型三极管、场双极型三极管、场效应管、集成运放效应管、集成运放6.5.3、振荡管工作点的选定、振荡管工作点的选定将静态工作将静态工作点选定在靠近截止区点选定在靠近截止区6.5.4、振荡信号输出方式的选择、振荡信号输出方式的选择在振在振荡电路与负载之间加隔离和缓冲电路，尽可能荡电路与负载之间加隔离和缓冲电路，尽可能从低阻抗点取信号。从低阻抗点取信号。6.5.5、典型故障的分析和处理、典型故障的分析和处理减小正反馈量，提高负反馈量改变布线，缩短接线，增加去耦电路波形严重失真提高正反馈量，减小负反馈量不起振、停振本章小结本章小结1正弦波振荡的条件：正弦波振荡的条件： AF=1 （振幅条件）振幅条件） （相位条件相位条件正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。2正正弦弦波波振振荡荡电电路路主主要要有有RC振振荡荡电电路路和和LC振振荡荡电电路路两两种种。RC振振荡荡电电路路主主要要用用于于中中低低频频场场合合，LC振振荡荡电电路路主主要要用用于于高高频频场场合合。石石英英晶晶体体振振荡电路是一种特殊的荡电路是一种特殊的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。3当当运运放放开开环环工工作作或或引引入入正正反反馈馈时时，运运放放工工作作在在非非线线性性状状态态。其其分分析析方法为：方法为： 若若U U+ +U U- - 则则U UO O=+U=+UOMOM； 若若U U+ +U U- - 则则U UO O=-U=-UOMOM。 虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0=0）4 比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。 5在在方方波波、锯锯齿齿波波和和三三角角波波等等非非正正弦弦波波信信号号发发生生器器中中，运运放放一一般般也也工工作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。