第7章 振荡器及波形产生电路

第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/211第7章振荡器及波形产生电路第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/212本章基本要求•掌握正弦波振荡器的振荡条件、电路组成、工作原理及分析方法；RC正弦波振荡器、LC反馈式正弦波振荡器、LC三点式正弦波振荡器以及石英晶体振荡器的电路组成、选频特性、振荡频率及特点等；•了解非正弦波振荡器的电路组成及工作原理。第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/213信号发生器按产生的波形特点可分为正弦波信号发生器非正弦波信号发生器信号发生器常称为振荡器正弦波信号发生器是按照自激振荡原理构成的。第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2147.1正弦波振荡器的振荡条件•从电路结构上看，振荡器是一种不需要外加输入信号带选频网络的正反馈放大器。•振荡器按照振荡频率的高低可分为低频振荡器和高频振荡器；•根据选频网络的不同，可分为RC振荡器，LC振荡器，石英晶体振荡器；•按产生的波形不同可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2157.1.1振荡器的平衡振荡12AFiXoXfX图7-0正弦波振荡器的方框图idX基本放大器正反馈网络1．产生正弦波自激振荡的平衡条件idoXAXiiidofXXFAXFAXFX若ofXFX则可以产生自激振荡。其中ofidiXXXX、、、分别为：输入信号、净输入信号、反馈信号和输出信号。它们可以是电流，也可以是电压。下面以电压为例。由图7-0可得第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2167.1.1振荡器的平衡振荡idoUAUiiidofUUFAUFAUFU若则可以产生自激振荡ofUFU假设：ooffididiiUXUXUXUX、、、则由图7-1得第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/217振荡器的平衡振荡条件知电路产生自激振荡的平衡条件为由·..···idofAFUFUU··及idfUU幅值平衡条件：1FA（7-2）相位平衡条件：π2FAn2,1,0n（7-3）··1AF（7-1）第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2187.1.2振荡器的起振条件和稳幅当振荡器稳定工作时，fiidXXX若,则电路减幅振荡，最后停止振荡。1AF若，电路增幅振荡。1AF振荡器的起振条件为：1FA幅值条件：1FA（7-5）相位条件：π2FAn2,1,0n（7-6）第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/219振荡的建立与稳定A反馈特性幅度特性F太小自激振荡电路的建立过程（线性反馈）omU0fidUUid0Uid3Uid2Uid1Uod0Uod1Uod2Uod3U第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2110幅度特性B幅度特性非线性反馈非线性反馈omU0fidUU第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21117.1.3振荡器的组成及分析1．振荡器的基本组成放大环节正反馈网络选频网络稳幅环节组成第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21122.振荡器的分析一般步骤为：（1）检查振荡器是否具有振荡器的几个基本环节，即是否有放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节（选频网络常和正反馈网络合而为一，有些振荡器没有单独的稳幅部分）。（2）检查放大电路是否具有合适的静态工作点。（3）判断振荡器是否满足正反馈自激振荡的相位平衡条件。（4）判断振荡器是否满足幅值的起振条件和平衡条件，并由此确定相关的放大电路和反馈网络的参数。第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2113文氏电桥振荡电路移相式振荡电路RC正弦波振荡器主要类型双T网络式振荡电路7.2RC正弦波振荡器正弦波振荡器的分类根据选频网络所用元件分为RC型振荡器LC型振荡器晶体振荡器第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21147.2RC正弦波振荡器7.2.1.1RC串并联网络的频率特性oUfU1R2R1C2C图7-3RC串并联网络Z1Z2C1R1Zwj11C2R2Zwj1//2第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2115oUfU1R2R1C2C图7-3RC串并联网络Z1Z2当角频率较低时111RCw221RCwFo900wwF第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2116当角频率较高时111RCw221RCwoUfU1R2R1C2C图7-3RC串并联网络Z1Z2Fo90wwF00第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2117由图7-3有：221122212ofj1//jj1//CRCRCRZZZUUF)1(j)1(112211221CRCRCCRRww为了方便调节振荡频率，一般取RRR21CCC21令RC10w则有)(j31)1(j3100RCRCF（7-6）第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2118其幅频特性和相频特性分别为：2002)(31F（7-7）)](31[arctan00F（7-8）RC10ww时31maxFFoF0时0ww0FoF900F时0wwoF90相频特性曲线幅频特性曲线第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21198.2.1.2RC串并联正弦波振荡器选频网络反馈网络放大电路+-AoUfUR1RCtRRCAF图7-7文式桥正弦波振荡器1.电路组成第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21202.工作原理的幅值最大Uf·=/3Uo·Uf·与同相位Uo·Uf·(1)当f=时0f(2)当≥3时，满足振荡条件。221RRRA+=(3)振荡频率RCfπ210=第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2121稳幅措施图7-8是利用二极管的非线性自动实现稳幅的电路。3//13d54RrRRA选频网络反馈网络限幅网络【例7-1】链接第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21227.2.2移相式RC振荡器RC移相式振荡器可由一个反相输入比例放大电路和一个三级RC超前移相电路组成，如图8-9所示。由于运放是反相输入，其相移为oA180，三级RC超前移相电路移相范围为o270~0，在某一频率处，可获得移相oF180，故可满足振荡的相位条件oFA360，即正反馈条件。只要放大电路的增益足够大，就可以振荡。第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2123在图7-10中，第三级RC网络的电阻是放大器的输入电阻。321RRR通常取321CCC由相位平衡条件和幅值平衡条件推得：RCfπ3210振荡频率振幅条件RR12f（7-9）（7-10）第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21247.2.3双T选频网络RC振荡器双T选频网络RC振荡器电路原理图如图7-11所示。RCf510当0ff时双T网络的相位移oF180,而反相比例放大电路的相移oA180，因此可以满足振荡的相位条件。第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21257.3LC正弦波振荡器7.3.1LC并联网络的频率特性如图7-12所示是一个LC并联电路，其中r是电感和电路中其他损耗的总等效电阻。并联LC电路的等效阻抗表达式为：LrCLrCLrCIUZ)j(j1)j//(j1第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2126通常rLw，上式可写成：)1(j)1(jjj1CLrCLCLrLCZ（7-12）当CLww1时，阻抗Z为实数，即纯电阻性。电压U和电流源I同相，发生了并联谐振。谐振时的角频率为：LC10wLCfπ2107.3.1LC并联网络的频率特性第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2127谐振时的阻抗为CrLZ0定义谐振时的品质因素CLrCrrLQ1100ww（7-16）阻抗一般表达式可写为)(j1)(j1000000ffffQZQZZ（7-17）第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2128其幅频特性和相频特性分别为20020)(1ffffQZZ)](arctan[00ffffQ第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2129从以上分析可以得到如下几个结论•（1）并联网络具有选频特性。当电流源频率为时，，，达到最大值且为纯阻性；当时，值大大减小，且相角故可将频率为的正弦信号从各种谐波中选择出来。•（2）电路的品质因素越大，幅频特性越尖锐，选择性越好，同时越大。故要提高选择性，可以通过降低等效电阻r或电容C、或提高电感L来实现。0ff0ZZo00ffZZo00ffQ0Z第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21307.3.2变压器反馈式振荡器如图7-13所示为变压器反馈式正弦波振荡器。电路由放大电路、LC选频网络、2N反馈绕组、3N输出绕组组成。LC并联网络作为选频网络，同时又是单管共射放大电路的集电极负载，当LCffπ210时，发生并联谐振，其等效为一个电阻。第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2131a.用LC并联谐振回路作为选频网络b.主要用来产生1MHz以上的高频信号主要特点c.频率稳定性较好第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2132首先判断电路是否满足振荡的相位平衡条件。LCfπ210πAπFπ2FA满足相位平衡条件断开反馈回路第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2133(a)(b)V/CEut图7-15振荡的建立、稳定与稳幅00mA/CiV/BEu1Q2Q0V/BEutmA/Ci0tmA/Ci0CEUCICCUV/CEu【例7-2】链接第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21347.3.3电感三点式振荡器图7-17所示是三点式振荡器的交流等效电路的一般形式，三极管的3个电极b、e、c分别接谐振回路的3个引出端。当时，集电极输出回路的阻抗为CLww/1CrLZRP/0第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2135PwoUiU忽略三极管的电抗效应，对于谐振频率,与反相即w)(pA设回路Ｑ值较高，由图7-17得322ofjXjXjXUU322ofXXXUUF图7-17三点式振荡器交流等效电路第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2136电路谐振时，回路呈纯阻性，在平衡状态下，振荡频率近似等于回路的谐振频率，即能满足Ｘ1＋Ｘ2＋Ｘ3=0(4-2-2)-X1=Ｘ2＋Ｘ3即有12XX322ofXXXUUFw)(pA考虑到正弦波振荡的相位条件，也就是Ｘ1与Ｘ2为同性质电抗。则当φF=π时，电路满足，第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2137于是可得到LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则：(1)Ｘ1与Ｘ2为同性质电抗；(2)Ｘ1、Ｘ2与Ｘ3为异性质电抗。换句话说，与三极管发射极相连的电抗应为同性质电抗，接在B-C极之间的电抗与前者互为异性质电抗。射同他异第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/21387.3.3电感三点式振荡器iUfU2RbC1RCeRTeCLR1L2L3N132CCU图7-18电感三点式振荡器A如图7-18所示，由于1L、2L引出三个连接端，分别和三极管的三个管脚相连（在交流通路中2端可以看作和发射极相连），故称为电感三点式振荡器。反馈到放大电路输入端的电压是1L上的电压。第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/2139振荡电路的交流通路TL2R1//R2L1CC+T+N1N2L2L11RbC2ReCCCU第7章波形产生电路模拟电子技术2020/1/