第八章正弦波振荡电路讲义

第八章正弦波振荡电路讲义正弦波振荡电路是一个无外加输入信号、具有选频特性的正反馈电路。可以产生一定频率和幅值的正弦波信号。内容：产生自激振荡的条件、电路组成和分类、分析方法、几种典型的振荡电路。第一节正弦波振荡电路的一般问题本节讨论如何在电路中产生正弦波振荡，电路应满足什么条件，电路结构有何特点，振荡频率如何确定等问题。一、产生自激振荡的条件基本原理：利用正反馈产生自激振荡。关键：维持输出信号所需的完全由反馈信号提供，无需外加输入信号。===相位平衡条件和幅值平衡条件：||，n=整数幅值平衡条件是指自激振荡已经建立且电路已进入稳定的等幅振荡时所必须满足的幅值条件。两式要求反馈信号与净输入信号等值同相。·起振条件若要建立振荡，或者说“起振”，在电路满足相位平衡条件的条件下，必须使反馈信号||大于净输入信号||，即是说起振条件为：||1二、正弦波振荡电路的组成和分类·选频网络正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的条件下，在电路内部自发持续地产生具有一定频率和幅度的振荡。所以它必须满足产生自激振荡的相位条件和幅值条件。为了使振荡的频率是单一的，要求回路增益具有选频特性，即仅对某一频率的信号才满足起振和维持自激振荡的条件。选频网络应该是一个对频率有选择作用的电路，对不同频率分量呈现不同的特性，例如LC并联谐振回路。·稳幅环节随着起振过程的进行，电路中的信号幅度越来越大，为了使振荡的幅度能够自动稳定而不产生非线性失真，必要时可以在电路中设置稳幅环节来实现。电路组成：放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅环节。分类：选频网络若由电阻和电容元件组成，则称之为RC正弦波振荡电路；若由电感和电容元件组成，则构成LC正弦波振荡电路；若由石英晶体组成，则为石英晶体振荡电路。RC振荡电路一般用来产生低频信号，LC振荡电路则主要用来产生数百千赫兹以上的高频信号。三、正弦波振荡电路分析方法一般可以采用以下步骤来分析振荡电路的工作原理：1、判断能否产生正弦波振荡(1)检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分，即是否具有放大电路、反馈网络、选频网络等。(2)检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作。(3)判断电路是否满足自激振荡条件。主要检查是否满足相位平衡条件，至于幅值条件一般比较容易满足。若不满足幅值条件，可改变电路的||或||使电路满足条件。·判断是否满足相位平衡条件的方法：瞬时极性法→具体做法（举例）2、估算振荡频率和起振条件振荡频率由相位平衡条件所决定，而起振条件可由幅值条件||1的关系求得。一般情况下，主要估算振荡频率，而起振条件可通过测试调整来满足。第二节RC正弦波振荡电路RC正弦波振荡电路根据选频网络的结构的不同，分别有RC串并联网络振荡电路、RC移相式振荡电路、RC双T网络振荡电路等等。一、RC串并联网络振荡电路一种最常见的RC振荡电路。其主要特点是采用RC串并联网络作为选频网络和反馈网络。1．RC串并联网络的选频特性R1与C1的串联阻抗Z1、R2与C2的并联阻抗Z2为Z1=R1+Z2=R2//（1/jωC2）=·定性讨论：（假设输入一个幅值恒定的正弦波电压）当频率较低时，则Z1≈1/jωC1，Z2≈R2,低频等效电路是一高通电路。ω愈低，的幅值愈小且超前于的相位角也就越大，当ω趋近于零时，||趋近于零，接近于90°。当频率较高时，则Z1≈R1，Z2≈1/jωC2，高频等效电路是一低通电路。ω愈高，||愈小，而滞后于的相位角愈大，当ω趋近于无穷大时，||趋近于零，接近-90°。分析：随着的频率从低到高变化，只有当频率为某一中间值时，||可能有某一最大值，同时，相位角从超前到滞后的过程中，在某一频率下必有=0，即与同相位。·定量分析：RC串并联网络的电压传输系数（即反馈系数）为=通常取R1=R2=R，C1=C2=C，此时如令ωo=，则上式可简化为由上式可分别得的幅频特性为||=的相频特性为=－arctg()结论：当ω=ωo=时，的幅值最大，为||max=，且的相位角为零，即=0。这说明当f=f0=时，的幅值达到最大，等于幅值的1/3，且与同相位。2．RC串并联网络正弦波振荡电路（1）电路组成原理图见图8-2-3所示。元件作用·RC桥式振荡电路或文氏电桥振荡电路名称（2）产生自激振荡的条件1)产生振荡的相位平衡条件=,=，则=+=。满足相位平衡条件。2)产生振荡的幅值条件起振条件：||3同相比例放大电路电压放大倍数为=1+所以1+3，或RF2R1上式是RC串并联网络振荡电路的起振条件。考虑到维持等幅振荡的条件是RF＝2R1，所以电路在RF和R1的取值上需要仔细调试，使电路既能起振，又不失真。若RF过大，虽起振容易，但过大的输入信号将使放大管进入非线性区，输出波形畸变，若RF偏小，虽不失真，但起振困难。最好在电路起振阶段，应满足RF2R1，而当振幅增大到一定程度后，应转变成RF＝2R1。具体实施办法见图8-2-4。（3）振荡频率f0=改变R、C的值，就可调节振荡频率，通常以调节电容为频率粗调，调节R为频率细调。RC串并联网络振荡电路的振荡频率范围为几赫兹至几百千赫兹。说明：放大电路的输入、输出电阻对振荡频率有影响。对电路输入、输出电阻的要求→对负反馈类型的要求（电压串联负反馈）。（4）振荡的稳幅目的：①使起振后输出电压幅度达到稳定；②避免外界因素影响；实现稳定的等幅振荡。原因：RF2R1和RF=2R1不容易平衡（又能可靠起振又不失真）；外界温度、电源电压等因素的变化→电路元器件参数变化→打破原有平衡→可能停振、可能失真加剧。方法：①用热敏电阻实现负反馈网络；②利用二极管的正向特性改变负反馈系数；③利用FET的线性电阻区实现压控负反馈；……总之，利用非线性元件使负反馈网络的反馈系数成为非线性的。二、RC移相式振荡电路RC移相式振荡电路由一个反相输入比例电路和三节RC移相电路组成，电路原理图如图8-2-6所示。放大电路的相位移。三节RC移相网络每节移相60°，则反馈网络的，此时=+=0，满足产生振荡的相位平衡条件，只要适当调节电阻RF使||适当，就可同时满足产生振荡的幅值平衡条件和起振条件，产生正弦波振荡。第三节LC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路同样是利用正反馈产生振荡，因LC谐振电路选频特性较好，振荡频率也更高些，所以它主要用来产生几兆赫以上的高频正弦波信号。根据其电路结构，有变压器反馈式、电感反馈式和电容反馈式及其改进型等多种电路形式。一、LC并联谐振回路特性LC并联回路如图所示，其中R表示回路中和回路所带负载的等效总损耗电阻。由图8-3-1可得LC并联谐振回路的等效阻抗为Z=≈当回路发生谐振时,、同相，Z为一实数，则上式虚部为零，即ωL－=0→谐振时的角频率ω=ω0=→f=f0=谐振时，回路的等效阻抗为纯电阻性质，其值最大，即=通常令Q=Q称为谐振回路的品质因素，是用来衡量回路损耗大小的指标。在L、C为定值的情况下，回路损耗R愈小，则Q值愈大。一般Q值约为几十到几百。Z0=由上式可知，Q值愈大，谐振时回路的阻抗Z0也愈大。·关于电流谐振的说明谐振时，若电压一定的情况下，电流||将达到最小值，即||=||=所以，此时各并联支路的电流为结论：谐振时，电容、电感中C和L大小相等、相位相反，且其模值是电流||的Q倍，即谐振时，只需模值较小的激励电流便可在并联谐振回路内产生很大的谐振电流。所以并联谐振又称为电流谐振。·推导阻抗的频率特性Z≈如果上式中所讨论的并联等效阻抗只局限于ω0附近，即当ω≈ω0，可认为，Z≈从而阻抗的模为|Z|≈其阻抗角为≈－arctg讨论：①谐振时，Z达最大值Z0=L/RC。当角频率ω偏离ω0时，|Z|将减小，且|ω－ω0|愈大，|Z|愈小。②谐振时，电路中与同相；等效阻抗为纯电阻性。当ωω0时，等效阻抗为电容性，为负值，即滞后于。反之，当ωω0时，等效阻抗为电感性，为正值，超前于。③选频特性与回路的Q值有密切联系，Q值愈大，曲线愈尖锐，且相角变化愈快，在ω0附近|Z|值和值变化更急剧，选频特性愈好；同时，谐振时的阻抗值|Z0|也愈大。二、变压器反馈式振荡电路既然LC并联谐振回路谐振时表现为一个很大的纯阻，而一旦偏离了谐振频率，就会出现剧烈的相角变化，等效阻抗也迅速减小。那么如果将其作为三极管的集电极负载应用于放大电路中，就可以使放大电路只对与谐振频率相同的输入信号具有很强的放大能力，对于谐振频率之外的信号，则放大倍数迅速下降，并产生较大的附加相移。这种放大电路被称为选频放大电路。或者将LC并联谐振回路应用于反馈网络中，使反馈网络具有选频特性。这两种方法都可以使电路在构成正反馈的同时具有很好的选频特性。归纳：LC并谐回路的应用：①与放大器结合→选频放大；②与反馈网络结合；电路：先画共射放大→Rc改LC→说明选频放大特性（幅频、相频）→添加反馈→同名端原理电路：·谐振频率f0下，LC并联谐振回路为纯电阻，增益最大，电路输出电压与输入电压反相；·谐振频率之外，增益迅速减小，放大器的相移或超前，或滞后，迅速偏离-180°。·如果反馈网络也能移相180°，则电路将在谐振频率处满足相位平衡条件，振荡频率fo；·同名端复习·为避免三极管因信号振幅过大，进入饱和区，引起Q值下降电路停振，静态工作点通常设置的较低，靠近截止区。相位条件分析：瞬时极性法·画交流通路时，谐振回路中的电容不能短接。·关于幅值条件：因为以LC并联谐振回路为负载的电路放大倍数很大，比较容易满足幅值条件。如果不能起振，只需调整N2与N1的耦合程度或变比即可。·关于振幅稳定利用BJT的非线性来实现,随着振幅逐渐增大，三极管的工作点将有一段时间进入截止区。使得集电极电流波形不再连续，变成电流脉冲，如图所示。BJT的集电极电流平均值会有所增大，使得BJT的UBEQ减小，促使BJT进一步靠近截止区。iC波形产生这种失真后，出现了高次谐波，其中基波成分在出现失真后便逐渐趋于一个定值，导致放大倍数减小（基波输出电压随输入变化的趋势变缓）。由于LC并联谐振回路具有很好的选频能力，通过变压器绕组N3送到负载的电压波形一般失真不大。·集电极调谐式振荡电路、发射极调谐式振荡电路、基极调谐式振荡电路。振荡频率：仅在谐振频率上，电路才满足振荡条件，所以f0=三、电感反馈式振荡电路电路结构：用具有抽头的电感与电容组成LC并联谐振回路。反馈网络由电感L2组成，即反馈电压取自电感L2，故而得此名。由于电感L1和L2引出的三个端点与放大管VT的三个电极分别相连，故该电路也常称为电感三点式LC正弦波振荡电路。电路分析：①放大电路为共射组态，=；②在谐振频率f0处|XC||XL2|，L2C串联支路的电抗X呈容性，在作用下，L2C串联支路电流超前，在L2上产生的压降即反馈电压超前，所以超前（与反相），即=；改变L1与L2的匝比（一般取L2/L1=），可使振荡器满足幅度条件。振荡频率：f0=其中L为回路的总电感。M为L1与L2之间的互感系数。电感反馈式的特点：L1、L2之间耦合较紧，易起振；调节频率方便，调节频率范围较宽，可用来产生几十兆赫兹以下的正弦信号；反馈电压取自电感L2，因电感对高次谐波的阻抗较大，使反馈电压中高次谐波分量较多，输出波形中含有较大的高次谐波。四、电容反馈式LC振荡电路LC并联谐振回路由电容C1、C2，电感L组成，电容支路C1、C2有三个端点分别与放大管VT的三个电极相连，故该电路也称为电容三点式振荡电路。电路分析：①放大电路采用共射组态，=；②在谐振频率f0处|XL||XC2|，LC2串联支路的电抗X呈感性，在作用下，LC2串联支路电流滞后90°，在C2上产生的压降即反馈电压滞后90°，所以滞后180°，即=；至于起振的幅值条件，只要保证管子的β值在几十倍以上，适当选取C1/C2的值，即可正常工作，通常选取≤1。振荡频率f0=式中C为LC并联谐振回路总的电容量。电容反馈式特点：反馈电压取自电容C2，因电容对高次谐波的阻抗小则反馈电压中谐波分量小，使得输出波形较好；电容C1、C2的容量可以选得较小，可使电路的振荡频率较高，一般可达100MHz