模拟电子技术基础简明教程(第三版)第九章

第一节正弦波振荡电路的分析方法正弦波振荡电路的组成产生正弦波振荡的条件正弦波振荡电路的分析步骤下页总目录正弦波和非正弦波发生电路常常作为信号源被广泛应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。电子技术试验中经常使用的低频信号发生器是一种正弦波振荡电路。大功率振荡电路还可以直接为工业生产提供能源，例如高频加热炉的高频电源。此外，如超声探伤、无线电和广播电视信号的发送和接收等，都离不开正弦波振荡电路。下页上页首页一、产生正弦波振荡的条件·A·F=1所以产生正弦波振荡的条件是下页上页反馈放大电路产生自激振荡的条件1SA·Ui··Uo=放大电路A·Ui··Uf·Uo=·F反馈网络·F2放大电路产生自激振荡的条件可表示为fiUUfoiiUFUFAUU首页·A·F=1相位平衡条件=1·A·F幅度平衡条件负反馈放大电路产生自激振荡的条件是·A·F=-1下页上页AFArg20,1,2,AFnn与产生正弦波振荡的条件差一个负号。产生这个差别的根本原因在于两种情况下反馈的极性不同。可分别用幅度平衡条件和相位平衡条件来表示：首页二、正弦波振荡电路的组成组成放大电路：实现能量控制。选频网络：确定电路的振荡频率。正反馈网络：使输入信号等于反馈信号。稳幅电路：使输出信号幅值稳定。分类RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路石英晶体正弦波振荡电路下页上页首页1·A·F根据估算起振条件φA+φF=±2nπf=f0估算振荡频率根据即3.估算振荡频率和起振条件1.检查电路是否具备正弦波振荡的基本组成部分，并检查放大电路的静态工作点是否能保证电路工作在放大状态。三、正弦波振荡电路分析步骤2.分析电路是否满足自激振荡条件。下页上页首页第二节RC正弦波振荡电路RC串并联网络的选频特性RC串并联网络振荡电路RC移相式振荡电路双T选频网络振荡电路下页总目录ω低ω高R2C1+U·+--Uf·(b)低频等效电路1/ωC1＞＞R1当ω较低时1/ωC2＞＞R2可忽略R1和1/ωC21/ωC1＜＜R1当ω较高时1/ωC2＜＜R2可忽略R2和1/ωC1下页上页R1R2C1C2+-U·+-Uf·(a)RC串并联电路R1C2+U·+--·Uf(c)高频等效电路fU相位滞后于UfU相位超前于U一、RC串并联网络的选频特性首页Z1Z2取R1=R2=R,C1=C2=C下页上页R1R2C1C2+-U·+-Uf·RC串并联电路f212111RUZjRCFRUZZRjCjRC22211112111RCjCRRCCR113FjCRCR则左式可简化为：此时如令01RC0013Fj首页其幅频特性为其相频特性为即当f=fo=时12πRC31U·等于幅值的。Uf·的幅值达到最大,而φF=031·Fmax=当ω=ω0=1RC时,··Fω0ω0φF1/3ω0ω0+900-900下页上页22001||3F0013FjFarctg00[]3首页+-ARFR´Uo·R1R2C1C2RC串并联网络振荡电路放大电路二、RC串并联网络振荡电路反馈网络选频网络R1、C1和R2、C2及RF和R´组成一四臂电桥,因此电路又称为：文氏电桥振荡电路。下页上页1.电路组成首页2.振荡频率和起振条件fo=12πRC（2)起振条件A3·1+RFR´Auf=RF2R´（1)振荡频率1·A·F31·F=下页上页+-ARFR´Uo·R1R2C1C2RC串并联网络振荡电路首页仿真3.振荡电路中的负反馈可在负反馈支路中采用热敏电阻自动稳幅。负反馈的作用：改善振荡波形，减小放大电路对选频特性的影响，提高振荡电路的带负载能力。RF和R´引入了一个电压串联负反馈。F=RF+R´R´负反馈系数:下页上页+-ARFR´Uo·R1R2C1C2RC串并联网络振荡电路首页+-ARFR´Uo·RRC2RwRwC1C3C2C1C34.振荡频率的调节fo=12πRC只要改变电阻R或电容C的值，即可调节振荡频率。粗调细调采用这种方法可以很方便地在一个比较宽广的范围内对振荡频率进行连续调节。下页上页首页[例9.2.1]判断以下电路是否满足相位平衡条件？若满足，RF为多大才能保证电路起振？已知Re1=4.7KΩ。满足相位平衡条件。1+RFRe1Auf=RF2Re1=9.4kΩUf·Uo·=RF+Re1Re1解：下页上页VT1VT2Rc2Rc1Re2Re1+VCCRFC1RbRRCCUo·Uf·首页三、RC移相式振荡电路放大电路的相位移φA=1800一节RC电路的移相范围0~900两节RC电路的移相范围0~1800三节RC电路的移相范围0~2700f027001800当f=f0时满足相位平衡条件,常选C1=C2=C3=CR1=R2=R3=R起振条件：RF12R至少要用三节RC电路f0=2√3πRC1振荡频率：foφ三节RC电路的相频特性下页上页+-ARFR´Uo·R1R2C1C2C3首页四、双T选频网络振荡电路R3应略小于R/2f0≈5RC1此时值很低··F因此必须足够大以满足起振条件。A·特点：选频特性好，输出信号的频率稳定性较高，应用较广泛。当f=f0时，φF=1800而φA=1800因此满足振荡的相位平衡条件。下页上页+-ARFR´Uo·R3CC2CRR首页结论:RC串并联网络振荡电路调频方便,便于加负反馈稳幅电路,输出波形良好。移相式振荡电路电路结构简单经济;选频较差,调频不方便,输出波形较差，适用于频率固定,波形要求不高的轻便测试设备中。双T选频网络振荡电路选频特性好,输出波形的非线性失真较小,但调频困难，适用于产生单一频率的振荡波形。以上三种电路的振荡频率均与RC成反比，一般用来产生几赫~几百千赫的低频信号。下页上页首页第三节LC正弦波振荡电路变压器反馈式振荡电路电容三点式振荡电路LC并联电路的选频特性电感三点式振荡电路下页总目录当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。并联电路的导纳：当电路发生并联谐振。2222)(j)(j1jLRLCLRRLRCY0)(20200LRLC图9.3.1并联谐振角频率LCLR11)(1200令：RLQ0——谐振回路的品质因数当Q1时LC10LCf210谐振频率：)11(j1)1j(j)1j(j1j)j(1j2LCRLCRLCLRLCLRCLRCZ回路等效阻抗：RCLYZ001LC并联回路的阻抗：发生并联谐振时，LC10在谐振频率附近，)1(j12200QZZ可见，Q值不同，回路的阻抗不同。Z0不同Q值时，LC并联电路的幅频特性：Z01Z02Q1Q2Q1Q2相频特性：0F+90º-90ºQ1Q2Q1Q2感性纯阻容性结论：1.当f=f0时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当ff0时，电路为感性；当ff0时，电路为容性。所以LC并联电路具有选频特性。2.电路的品质因数Q愈大，选频特性愈好。图9.3.2谐振时LC回路中的电流ULRLUCI20200C)(电容支路的电流：并联回路的输入电流：ULRRI202)(所以：IQIC当Q1时，IICIILLCII结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。二、变压器反馈式振荡电路振荡频率：f0≈1LC2π起振条件：βMrbeR´CRLCRb1Rb2+Cb+VCCReCeL•N1•N2N3+-+Ui·Uf·+与相位相同Ui·Uf·下页上页首页CRb1Rb2+Cb+VCCReCe•+RLL1•电感三点式振荡电路L2bce123三、电感三点式振荡电路ui·uf·-++相位相同与ifuu电路满足相位平衡条件下页上页首页起振条件：振荡频率：f0=1LC2π=1(L1+L2+2M)C2πβR´L1+ML2+Mrbe•下页上页式中为回路的总电感，即L=L1+L2+2M其中M为L1与L2之间的互感。式中R´为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。首页1.由于线圈之间耦合很紧，较易起振。改变L2/L1的比值，可获满意的正弦波，且振幅较大。据经验，L2的圈数选为整个线圈的1/8到1/4。具体的圈数比应通过实验调整来确定。2.调节频率方便。采用可变电容，频率调节范围宽。3.一般用于产生几十兆赫以下的频率。特点：下页上页首页4.由于反馈电压取自电感L2，而电感对高次谐波的阻抗较大，不能将高次谐波短路掉。因此输出波形中有较大的高次谐波，故波形较差。5.由于此电路的输出波形较差，且频率稳定度不高，因此通常用于要求不高的设备中，例如高频加热器、接收机的本机振荡等。特点：下页上页首页Rb1Rb2+Cb+VCCReCe+LRL电容三点式振荡电路bce123RcC1C2四、电容三点式振荡电路ui·uf·-++电路满足相位平衡条件下页上页首页振荡频率：f0≈1LC2π起振条件：=1L2πC1C2C1+C2βR´rbe•C2C1下页上页式中R´为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。首页1.由于反馈电压取自电容C2，电容对于高次谐波阻抗很小，于是反馈电压中的谐波分量很小，所以输出波形较好。2.因为电容C1、C2的容量可以选得较小，并将放大管的极间电容也计算到C1、C2中去，因此振荡频率较高，一般可以达到100MHz以上。特点：下页上页首页3.调节C1或C2可以改变振荡频率，但同时会影响起振条件，因此这种电路适于产生固定频率的振荡。如果要改变频率，可在两端并联一个可变电容.由于固定电容C1、C2的影响，频率的调节范围比较窄。另外也可以采用可调电感来改变频率。通常选择两个电容之比为C1/C2≤1，可通过实验调整来最后确定电容的比值。特点：下页上页首页五、电容三点式改进电路选择参数时，C1、C2的容值较大以掩盖极间电容变化的影响，C容值较小，即CC1,CC2,则可忽略C1、C2对振荡频率的影响。012fLC振荡频率上页Rb1Rb2+Cb+VCCReCe+LRcC1C2C首页第四节石英晶体振荡器石英晶体振荡电路石英晶体的基本特性和等效电路下页总目录在LC振荡电路中，Q值愈大，LC并联电路的选频特性愈好。LC回路的Q值为可见，为了提高LC回路的品质因数，应尽量减小回路的损耗电阻，并增大L/C值。但实际上LC回路的L/C值不能无限制地增大。L/C值有一定限制。一般LC回路的Q值最高可达数百。LC振荡电路的频率稳定度较低，在要求高频率稳定度的场合，往往采用高Q值的石英晶体谐振器代替一般的LC回路。下页01LLQRRC上页首页下页上页一、石英晶体的基本特性和等效电路1.石英晶体的基本特性在石英晶片的两极加上一个交变电压，晶片将会产生机械变形振动。相反，若使晶片发生机械振动，则在晶片的相应方向上将产生一定的交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅都非常小，只有当外加交变电压的频率为某一特定频率时，振幅才会突然增大，这种现象称为压电谐振。上述特定频率称为晶体的固有频率或谐振频率。石英晶体又称为石英谐振器。首页下页上页2.石英晶体的等效电路符号RCL等效电路C0当晶体不振动时，可以看成是一个平板电容器C0，称为静电电容。C0与晶片的几何尺寸和电极面积有关，一般约为几个皮法到几十皮法。当晶体振动时，有一个机械振动的惯性，用电感L来等效，一般L值为10-3~102H。晶片的弹性一般以电容C来等效，C值为10-2~10-1pF。晶片振动时，因摩擦而造成的损耗用电阻R来等效，它的阻值约为102Ω的数量级。首页下页上页由于晶体的等效电感L很大，而等效电容C很小，电阻R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达104~106，再加上晶片本身的固有频率很稳定，而且可做得很精确。因此，利用石英谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定性。石英