振荡器的基本原理

8.1正弦波振荡器的基本原理本章目录总目录点击即可进入学习8.2RC正弦波振荡电路8.3LC正弦波振荡电路8.4石英晶体振荡电路8.5电压比较器8.6非正弦波发生电路习题解答模拟电子技术第八章上页首页下页一.产生自激振荡的条件fidXXX-=改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。8.1正弦波振荡器的基本原理+Xi–f基本放大器A反馈网络FX+doXX模拟电子技术第八章上页首页下页如果：,ifXX=则去掉,iX仍有信号输出。反馈信号代替了放大电路的输入信号。Xi+f基本放大器A反馈网络FX+doXXXdof基本放大器A反馈网络FXX模拟电子技术第八章上页首页下页FA=1Xd=Xf所以，自激振荡条件也可以写成：自激振荡的条件：1、振幅条件：1||=AF2、相位条件：pjjnFA2=+n是整数1..=FAAAAj=||因为：FFFj=||..Xdof基本放大器A反馈网络FXXdXXA0=0XXFf=模拟电子技术第八章上页首页下页二.起振条件和稳幅原理起振条件：结果：产生增幅振荡1||FA（略大于）1、被动稳幅：器件非线性2、主动稳幅：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益。稳幅过程：起振时，1||FA稳定振荡时，1||=FA稳幅措施：起振过程Xdof基本放大器A反馈网络FXX模拟电子技术第八章上页首页下页1.放大电路——实现能量控制。2.正反馈网络——满足起振条件。3.选频网络——只有一个频率满足振荡条件，从而获得单一频率的正弦波输出。常用的选频网络有RC选频和LC选频4.稳幅环节——使电路易于起振又能稳定振荡，波形失真小。三.正弦波振荡器的一般组成模拟电子技术第八章上页首页下页8.2RC正弦波振荡电路一.RC串并联网络的选频特性R1C1串联阻抗：212ofZZZUUF+==)j/1(111CRZ+=222222j1)j/1//(CRRCRZ+==R2C2并联阻抗：选频特性：++++Ru+-o-fu+12RC12C模拟电子技术第八章上页首页下页1.定性分析（1）当信号的频率很低时。R111CR221C其低频等效电路为：其频率特性为：当ω=0时，uf=0，│F│=0=+90°Fj当ω↑时，uf=↑，│F│↑↓Fj++++fo-+R21u-uC+0|F|0φF90°模拟电子技术第八章上页首页下页（2）当信号的频率很高时。＜＜R111C＜＜R221C其高频等效电路为：其频率特性为：当ω=∞时，uf=0，│F│=0=-90°Fj当ω↓时，uf=↑，│F│↑↓Fj++++ou-f-u+2C+1R0|F|0φF-90°模拟电子技术第八章上页首页下页ω0=？│F│max=？由以上分析知：一定有一个频率ω0存在，当ω=ω0时，│F│最大，且=0°Fj0|F|0φF90°0|F|0φF-90°频率很低频率很高模拟电子技术第八章上页首页下页2.定量分析)j/1(111CRZ+=222222j1)j/1//(CRRCRZ+==R1C1串联阻抗：R2C2并联阻抗：212ofZZZUUF+==++++Ru+-o-fu+12RC12C)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF-+++=++++=模拟电子技术第八章上页首页下页)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF-+++=++++=通常，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则有：)j(3100-+=F式中：RC10=可见：当时，│F│最大，且=0°RC10==Fj│F│max=1/3模拟电子技术第八章上页首页下页RC串并联网络完整的频率特性曲线：RC10=当时，│F│=│F│max=1/30F=jRC10==RCfp210=φFo+90°o|F|1/3模拟电子技术第八章上页首页下页二.RC桥式振荡器的工作原理0=Aj在f0处,0=Fj满足相位条件：因为：AF=131=F11f+=RRA1f2RR=只需：A=3输出正弦波频率：RCfp210=0=+FAjj振幅条件：uRf1RRRCCuf－A++∞o引入负反馈：选：模拟电子技术第八章上页首页下页RC桥式正弦波振荡电路反馈网络构成桥路EWB仿真模拟电子技术第八章上页首页下页例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20kRCfp210==1592Hz起振条件：uRf1RRRCCuf－A++∞o模拟电子技术第八章上页首页下页能自动稳幅的振荡电路u0.1u10k0.1u－++A∞fu10k10k39k100kotR半导体热敏电阻(负温度系数）起振时Rt较大使A3,易起振当uo幅度自激增长时，Rt减小，A减小。当uo幅度达某一值时，A→3当uo进一步增大时，RT再减小,使A3。因此uo幅度自动稳定于某一幅值。模拟电子技术第八章上页首页下页能自动稳幅的振荡电路起振时D1、D2不导通，Rf1+Rf2略大于2R1。随着uo的增加，D1、D2逐渐导通，Rf2被短接，A自动下降，起到稳幅作用。将Rf分为Rf1和Rf2，Rf2并联二极管u12ARCo1RR+∞C.+－D1D2Rf1f2R模拟电子技术第八章上页首页下页K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。振荡频率的调节：_++RfuoRCCR1KKR1R1R2R2R3R3振荡频率：RCfp210=模拟电子技术第八章上页首页下页一、LC并联谐振回路的选频特性RCLZ=0(阻性)LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电路呈阻性。R为电感和回路中的损耗电阻8.3LC正弦波振荡器LC10=当时，产生并联谐振。谐振时，电路呈阻性：-+LCRiCiLiu模拟电子技术第八章上页首页下页Q为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡越窄，选频特性越好。CLQCQLQRCLZ====000谐振时LC并联谐振电路相当一个大电阻。LC并联谐振回路的幅频特性曲线o|Z|Q小Q大模拟电子技术第八章上页首页下页互感线圈的极性判别1234初级线圈次级线圈同名端1234+–+–在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出-+uiLCfu同名端：模拟电子技术第八章上页首页下页二.变压器反馈式LC振荡电路工作原理：三极管共射放大器:利用互感线圈的同名端：0180=Aj0180=Fj0360=+FAjj满足相位条件。振荡频率:LCfp210+－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU模拟电子技术第八章上页首页下页判断是否是满足相位条件——相位平衡法：+－－ccVRb1Rb2eRUfCbo1L2LCU断开反馈到放大器的输入端点，假设在输入端加入一正极性的信号，用瞬时极性法判定反馈信号的极性。若反馈信号与输入信号同相，则满足相位条件；否则不满足。(+)(-)(+)模拟电子技术第八章上页首页下页(+)(+)(+)(+)LC正弦波振荡器举例满足相位平衡条件Vb221eLCeccCbb1RRRLC模拟电子技术第八章上页首页下页（+）（+）（–）（+）LC正弦波振荡器举例振荡频率:（–）LCfp210满足相位平衡条件VRReb1ccLCCeC2RcC1Rb2模拟电子技术第八章上页首页下页(a)(b)(c)例有以下三个变压器反馈式的电路，试分析能否满足相位平衡条件？都能满足相位平衡条件模拟电子技术第八章上页首页下页仍然由LC并联谐振电路构成选频网络三.三点式LC振荡电路原理：uf与uo反相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与uo同相电感三点式：电容三点式：uuf2o1CCLuf与uo反相uuLCoC12fuf与uo同相模拟电子技术第八章上页首页下页uf与uo反相uuCLL12fouuo1LC2Lfuf与uo同相电感三点式：电容三点式：uuf2o1CCLuf与uo反相uuLCoC12fuf与uo同相中间点交流接地，则首尾端相位相反首端或尾端交流接，则余下不接地两点相位相同模拟电子技术第八章上页首页下页1.电感三点式LC振荡电路振荡频率：CMLLLCf)2(2121210++==ppVRccCbcRb1Rb2eLe2CRC1L（+）（+）（-）VCbRLb2b1ccL1eR2CeCR（+）（+）（+）满足相位平衡条件满足相位平衡条件模拟电子技术第八章上页首页下页2.电容三点式LC振荡电路振荡频率：212102121CCCCLLCf+==ppV2eRRRb1CCcceb2c1RbCCL（+）（+）（-）VRRReb21eCcc2CLbb1CC（+）（+）（+）模拟电子技术第八章上页首页下页例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。V21CCL+－A∞+RRuo1Rf（+）（+）（-）满足相位平衡条件模拟电子技术第八章上页首页下页Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。8.4石英晶体振荡电路频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量0ff——频率偏移量。f0f——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——10000500000模拟电子技术第八章上页首页下页一.石英晶体2.基本特性1.结构：极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应：交变电压机械振动交变电压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=固有频率时，振幅最大VV晶片敷银层符号VV压电谐振模拟电子技术第八章上页首页下页3.石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：uu石英晶体uuLCCoR静电电容（平行板电容）约几~几十皮法模拟晶体机械振动惯性10-3~10-2H晶体弹性电容10-4~10-1pF模拟机械振动摩擦损耗，很小又因加工精度很高，所以能获得很高的频率稳定度。因L大，C、R小，则很大CLRQ1=模拟电子技术第八章上页首页下页等效电路：LCfp21s=（1）串联谐振频率特性：晶体等效纯阻且阻值≈00p121CCLCf+=p（2）并联谐振通常0CC0s1CCf+=所以很接近与psffuu石英晶体uuLCCoRfX感性0fsfp容性容性模拟电子技术第八章上页首页下页二.石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。1.并联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。+－A∞+CC12Cs石英晶体+－A∞+CC12LCsfX感性0fsfp容性容性模拟电子技术第八章上页首页下页2.串联型石英晶体振荡器石英晶体工作在fs处，呈电阻性，而且阻抗最小，正反馈最强，相移为零,满足振荡的相位平衡条件。对于fs以外的频率，石英晶体阻抗增大,且相移不为零，不满足振荡条件，电路不振荡。U+VRRRRebbe122C(+)(+)石英晶体.oCC1(+)RRb1c(+)fX感性0fsfp容性容性模拟电子技术第八章上页首页下页思考：下图的振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？VbecRccReb1Rb2CCRCC石英晶体12模拟电子技术第八章上页首页下页8.5电压比较器将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。功能：构成：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。uuu-+－ui+OA∞+uoui0+UOM-UOM模拟电子技术第八章上页首页下页1.运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态基本分析方法2.运放工作在非线性状态的分析方法：若U+＞U-则UO=+UOM；若U+＜U-则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！uuu-+－ui+OA∞+uoui0+UOM-UOM模拟电子技术第八章上页首页下页uoui0+UOM-UOM1.过零比较器:（门