第 13 章正弦波振荡电路

第13章正弦波振荡电路

§13.1 正弦波振荡电路的工作原理

无ui → 有uo（正弦波） （必须要有能源Vcc）一、振荡产生的基本原理 1. 什么是正弦波振荡器？

2 S + + 1 放大器 RL 首先将开关S + 接到1端, - - - · · · · U · U U U o A i i i u + 反馈网络 · · · · · · · · - Uo Uo Ui Ui Ui Ui Uf Uf － · Au Au Au Uf · F u （开环）,→ Uim = 设：作用于 Sinωt ， = → ∴ 自激振荡的条件为： = Fu （闭环）。 Fu = = 2. 如何产生正弦波振荡？

2 S + + 1 放大器 RL + - - - · · · U · U U o A i i u + 反馈网络 - － · Uf · F u

2 S + + 1 放大器 RL + - - - · · · U · U U o A i i u + 反馈网络 · · · · - Uo Ui Ui Uf － · Uf · F u 当时，再将开关S倒向2端，此时无，但不 = 变仍为正弦波，即放大器产生了正弦波振荡。

Fu Fu Au Fu Fu Ui Uf Au Au Fu Au Au = =1 即 ∵ ∴ ︱ =︱都是复数（2）相位平衡条件： φa +φf = 2nπ （n = 0.1.2……n）︱ = 1 ︱（1）振幅平衡条件：二、电路自激振荡的条件 1. 振荡的平衡条件： (∠ψa+∠ψf)=1

振荡的建立：电源接通的瞬间在电路中产生阶跃电压 ，可作为放大器的初始输入信号。根据信号与系统理论，很窄的脉冲具有丰富的频率分量，经选频网络选频，使得只 Au Fu 有某一频率的信号能反馈到放大器的输入端，而其它频率的信号被抑制。某一频率分量的信号经放大后，又通过反馈网络回送到输入端，且信号幅度比前一瞬时要大，再经过放大→会增大一点 → 反馈 → 放大，的幅度会越来越器的增益下大，最后将使放大器进入非线性工作区，放大最后当反降，振荡电路输出幅度越大，增益下降也越多， · Uo 电压时，振荡幅度不再增大从而进馈电压正好等于原输入入平衡状态。︱＞1；要有选频网络；︱ 2 .振荡的建立与稳定 ∴ 振荡的建立过程中：振荡的稳定：负反馈；晶体管的非线性；

振荡的建立：电源接通的瞬间在电路中产生阶跃电压 ，可作为放大器的初始输入信号。根据信号与系统理论，很窄的脉冲具有丰富的频率分量，经选频网络选频，使得只 Fu Au 有某一频率的信号能反馈到放大器的输入端，而其它频率的信号被抑制。某一频率分量的信号经放大后，又通过反馈网络回送到输入端，且信号幅度比前一瞬时要大，再经过放大→会增大一点 → 反馈 → 放大，的幅度会越来越器的增益下大，最后将使放大器进入非线性工作区，放大最后当反降，振荡电路输出幅度越大，增益下降也越多， · Uo 电压时，振荡幅度不再增大从而进馈电压正好等于原输入入平衡状态。︱︱＞1； 2 .振荡的建立与稳定 ∴ 振荡的建立过程中：要有选频网络；振荡的稳定：负反馈；晶体管的非线性；

3 .正弦波振荡器的组成： 放大电路 + 反馈网络(正)，其中包括选频和稳幅环节。 4 .正弦波振荡器的分类（依据选频网络） RC正弦波振荡器（低） LC正弦波振荡器（高）石英晶体振荡器（fo的稳定性高）

13.2 RC正弦波振荡器

由集成运放担任； Fu Fu 为RC串并联网络具有选频特性（正反馈） Z1 Au Fu Uf Uo Z1+Z2 1 = = ( ） j 3+ 1 + 1 1 1 Rc R ；Z2 = R // ）（Z1 = R+ jωc jωc ωRC Z 1 _ ωRC C 1 uo = + ω0 ω _ ( ） j 3+ ω0 ω uf Z C R 2 - - 令 ωo = 则 = F 一、RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器） R1 Rf负反馈用于稳幅； 1 、 RC串并联网络的选频特性 =

幅频特性： = 相频特性：φf = – arctg 当ω= ωo = 即f = fo = 则：Fu = Fumax = φf= 0

Fu Au Au Fu ；φa +φf = 2nπ； 1/3；φf = 0；︱ ∣= ︱ = 1 ︱要求： = 3；φa = 2nπ；︱︱ 3 振荡电路分析（1）起振条件：由自激振荡条件：及RC串并联网络的选频特性：

由集成运放担任； Au Uf Fu Rf 为RC串并联网络（正反馈），具有选频特性； R1 RP V1 V2 R2 ∞ - Au Uo + + C R R （2）实际振荡电路： R1 Rf负反馈用于稳幅； RC串联、RC并联及R1 Rf 构成电桥；

幅频条件：当ω=ωo时 ∣ ∣= Fu R R1 C R1 Rf构成电压串联负反馈 Au = 1+ R2 Z2 Z1 C a 分析电路是否满足振荡条件 ∴ 只需Au = 3即可相频条件：已知 φf = 0；且可分析出φa= 0 ∴ φa+φf = 0 满足相频条件。

其实一般情况下，只要是正反馈就一定可以满足其实一般情况下，只要是正反馈就一定可以满足 φa +φf= 2nπ ∴ 相频条件的判断可用瞬时极性法解决。 b 振荡频率fo fo = c 其它：R1 、Rf构成负反馈用于稳幅；以保证输出为不失真的正弦波，其中V1、V2非线性起到了自动稳幅作用，还可将R2或Rf换成热敏电阻（R2为正温度系数；Rf为负温度系数；）。

+VCC C R C R (a) 试用振荡平蘅条件判断各图所示电路能否产生正弦波振荡？为什么？（Rt为正温度系数）

+VCC R C R R C R （b）

RF=R1 R1 ∞ - UO + Au + R C R C （C）

+VCC R C R C -VEE (d)

RF>2R1 ∞ - UO + Au R1 + R C R C （e）

(1) LC并联谐振回路 L i Z = // (R+jωL)， c R Z = 13.3 LC正弦波振荡器一、LC选频电路 (2) 等效阻抗通常R «ωL ，

(a )ωL = 时发生并联谐振。谐振频率为ωo= 或fo = Zo = = Qωo L = Z = Zo最大；（Q越大，其选择性越好） (3) 特点： (b) 谐振时，Z为纯阻性且最大用Zo表示。（Q：品质因数） ( 4 )LC并联谐振回路的选频特性 ω=ωo即f = fo时 φ = 0 —— 纯电阻

Z (a)ωL = 时发生并联谐振。 Q值大谐振频率为ωo= 或fo = Q值小 Zo = = Qωo L = ψ +90o Q值大 0o Z = Zo最大；（Q越大，其选择性越好） Q值小 -90o (3) 特点： (b) 谐振时，Z为纯阻性且最大用Zo表示。（Q：品质因数） (4)LC并联谐振回路的选频特性 ω=ωo即f = fo时 φ = 0 —— 纯电阻

+ + uf N1 N2 _ _ RL +VCC Rb2 C1 T 耦合电容； + LC选频网络作为放大器的集电极负载； C1 Ui Rb1 _ Ce Re CE：发射极旁路电容； RB1 RB2 RE为直流偏置电阻；二、变压器反馈式LC振荡器

(2) 振荡频率 fo = (1) 电路分析：幅频条件：只要初次级间有足够的耦合度，一般都能满足。相频条件：ω=ωo即f = fo时，LC回路为纯电阻，用瞬时极性法分析反馈为正反馈，即满足φa +φf=2nπ。

+ + uf N2 N1 _ _ RL +VCC Rb2 C1 T + Ui Rb1 _ Ce Re (2) 振荡频率 fo = (1) 电路分析：幅频条件：只要初次级间有足够的耦合度，一般都能满足。相频条件： ω=ωo即f = fo时，LC回路为纯电阻，用瞬时极性法分析反馈为正反馈，即满足φa +φf=2nπ。

L1L2为带抽头的 自耦变压器； 1. +VCC RC RB1 V — RB2 RE C L1 CE L2 + 三、三点式LC振荡器 (1)电感三点式 2 . 从下图的交流通路看，晶体管的三个电极接L的三个端点 ——电感三点式； 3. Uf= UL2

幅平条件：β为几十， = = 3~7 ； +VCC RC RB1 2. 振荡频率： fo = V — RB2 RE C L1 CE L2 + 1. 电路分析：相平条件：ω=ωo即f = fo时， LC回路为纯电阻， → 正反馈； 3. 特点： • L1、 L2耦合紧， • 因此容易起振。 b. 调节频率方便。（可调节C） c. 由于Uf 取自L ，∴Uf中含高次谐波多，Uo波形差。

(2) 电容三点式： 从交流通道看，晶体管的三个电极接C的三个端点 ——电容三点式；Uf= Uc2 C3 C1 C2 L 1. 电路分析（相平条件）： ω=ωo即f = fo时，LC回路为纯电阻→ 正反馈； ∴ 满足相平条件。 • 振荡频率： • fo = 3.特点: a. 由于Uf取自C， ∴Uf中含高次谐波少， Uo波形好。 b. ∵ C1 C2可以很小 ∴fo可以很高。 c. 调节fo可使Uf改变， → 改进型电容三点式：

从交流通道看，晶体管的三个电极接C的三个端点从交流通道看，晶体管的三个电极接C的三个端点 ——电容三点式；Uf= Uc2 • 振荡频率： • fo = (2) 电容三点式： 1. 电路分析（相平条件）： ω=ωo即f = fo时，LC回路为纯电阻→ 正反馈； 3.特点: a. 由于Uf取自C， ∴Uf中含高次谐波少， Uo波形好。 b. ∵ C1 C2可以很小 ∴fo可以很高。 c. 调节fo可使Uf改变， → 改进型电容三点式：

L1 C x1 x3 L2 x2 (3 ) 三点式振荡器的组成原则：电感三点式三点式:

L C1 x1 x3 C2 x2 电容三点式三点式: ∴ X1 X2必须是同类电抗，而X3的电抗类型与X1 X2相反。

V C C 330pF 100μH 例：分析下列电路，标明二次线圈的同名端，使之满足相位平衡条件，并求出振荡频率。

+ V C C 360pF 100pF 140μF

560μH + V C C 200pF IO VEE

13.4 石英晶体振荡器 Q值很高（＞105）∴振荡频率的稳定度高。

管脚晶片敷银层管脚 (b) (a) 一、石英晶体的阻抗特性 1.结构示意图（a）及电路符号(b)：

Iq cq co rq (a) x fp fs f (b) 2. 等效电路（左右图a）： Co：静态电容； rq为损耗； Cq、Lq：动态参数； 3. 阻抗特性(见右图b) 感性区很窄，Lq很大， ∴ Q很高；机械振动稳定。 f = fs时，Cq、Lq串联谐振； f = fp时，Lq起主要作用，Lq 与Co并联谐振；

+VCC Rb2 Rb1 Re1 Re2 二、石英晶体振荡电路 1. 串联型石英晶体振荡器电路如图所示：

c1 v JT L c2 交流通路：此时JT工作于串联谐振以低阻抗接入电路原理：f = fs时，JT为纯电阻最小，正反馈最强，电路产生自激振荡。 f≠fs时，JT为一阻抗使幅（相）平条件难以满足无法振荡。 ∴ 振荡频率f0 =fs

+VCC Rc Rb2 Ce Rb1 Re C1 C2 2 并联型石英晶体振荡器电路如图所示：

C1 C3 v C2 JT fo = fp ≈ 交流通路：根据三点式振荡器的组成条件， JT应工作于fs与fp 之间的感性区，构成改进型电容三点式

例：根据相平条件，判断下列 电路能否产生正弦波振荡。

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