正弦波振荡器

5.1谐振放大器第5章谐振放大器和正弦波振荡器5.2正弦波振荡电路的基本工作原理5.3常用正弦波振荡器5.1.2常用谐振放大器5.1.1LC并联回路的选频特性5.1.3主要性能指标5.2.1正弦波振荡电路的组成框图5.2.3正弦波振荡器的建立与稳定过程（补充）5.2.2正弦波振荡器的振荡条件5.3.3石英晶体振荡器5.3.1LC振荡器5.3.2RC振荡器谐振放大器：具有选频和放大功能的放大器。它是利用LC并联回路的选频特性，从一个频带中选出某一频率进行放大，而将其它频率予以抑制。5.1谐振放大器谐振放大器VccVRcC2C1Rb1cviRLvoRb2ReCe宽频带放大器电路组成特点：采用LC并联谐振回路作放大器的负载。应用：无线电发射和接收设备。LCfπ210当信号频率f等于谐振频率时，LC并联电路发生谐振，阻抗Z最大。（1）LC并联回路的阻抗频率特性5.1.1LC并联回路的选频特性（2）LC并联回路的相位频率特性当f=f0时，v与i的相位差φ=0o，电路呈纯电阻性。阻频特性和相频特性统称为LC并联电路的频率特性。它说明了LC并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。LC并联回路（3）阻频特性与Q值关系RLfRLRZQL002品质因素品质因数Q表征LC并联电路选频特性的好坏。实验和理论证明：R越小，Q值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强；R越大，Q值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。LC并联电路的Q值，一般在几十到一二百之间。5.1.2常用谐振放大器（1）电路结构特点：放大管集电极负载由一个LC并联回路构成，电源经电感线圈抽头接入，其目的是使谐振回路有高的Q值，提高放大器的选择性。1.单回路谐振放大器（2）工作原理：输入信号vi经T1耦合到放大管V的基极，经V放大后，由谐振回路选出f=f0的信号，由T2耦合输出。（3）电路的通频带和选择性：主要取决于谐振曲线，而它与理想的矩形谐振曲线相比相差甚远，因此，这种电路只能用于对通频带和选择性要求不高的场合。2.双回路调谐放大器电路组成特点：集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。（1）互感耦合双回路调谐放大器电路特点：放大管集电极负载由两个LC并联回路构成，它们之间采用互感耦合。调节L1、L2之间的距离或磁芯的位置，可改变耦合程度，从而改善电路的通频带和选择性。工作原理：假定L1C1和L2C2调谐在信号频率上，输入信号vi通过T1送到V时，经V放大的信号先由L1C1并联回路选出f=f0的信号，并耦合到L2C2并联回路进一步选频，最后在电感线圈L2的抽头处产生最大的输出电压vo。电路特点是通过外接电容Ck实现两个调谐回路之间的耦合，改变Ck的大小即可改变耦合程度，从而改善电路的通频带和选择性。（2）电容耦合双回路调谐放大器（3）选择性和通频带与耦合程度的关系临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率f0处曲线较平坦，与理想的矩形谐振曲线很接近。弱耦合时，谐振曲线出现单峰；强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率f0处下凹的程度与耦合强度成正比；双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。中心频率：谐振放大电路的工作频率，一般在几百kHz到几百MHz。5.1.3谐振放大器的主要性能指标增益：指放大电路对有用信号的放大能力。通频带：指其电压增益频率响应特性由最大值下降3dB时所对应的频率宽度，通常以BW表示。选择性：指对通频带之外干扰信号的衰减能力。噪声系数：输入信号的信噪比与输出信号的信噪比之比值。工作稳定性：指当放大电路的工作状态、元件参数等发生变化时，放大器的主要性能的稳定程度。扩音机扬声器话筒5.2正弦波振荡电路自激振荡现象：扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声,其形成的过程如图所示。自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。阻尼振荡——在振荡过程中，因损耗等效电阻R将部分电能转换成热能而出现的减幅振荡。等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电过程中的能量损耗。vvVC5.2.1正弦波振荡电路的组成框图1.振荡器振荡器是一种无需外加信号，就能自动将直流电能转换成某一频率的交流信号的电路。vovf振荡电路框图正反馈电路放大器vivbvovf电压放大电路框图放大器负反馈电路振荡器与电压放大器组成框图的比较：振荡器的组成部分：放大器和正反馈电路。正弦波振荡器：具有单一工作频率的自激振荡电路。v0v0vfvf正弦波振荡器的组成框图放大器选频正反馈电路正反馈电路选频放大器正弦波振荡器组成：放大电路、选频电路和正反馈网络。2.正弦波振荡器放大器——维持振荡器连续工作。选频电路——保证电路仅对某个特定(单一）的频率信号产生谐振。正反馈网络——使电路产生自激振荡。正弦波振荡器与谐振放大器电路的比较：+VccVvf开关S：掷“1”端，电路为谐振放大器；掷“2”端,电路为正弦波振荡器。①相位平衡条件：反馈信号的相位与输入信号的相位相同，即为正反馈，即=2n（n为自然数）其中，φ为vf与vi的相位差，n是整数。②振幅平衡条件：反馈信号幅度与原输入信号幅度相等，即1FAV5.2.2正弦波振荡器的振荡条件2.振荡的起振条件①振幅起振条件：反馈信号幅度大于原输入信号幅度，即1FAV1.振荡的平衡条件②相位起振条件：=2n（n为自然数）viv0vf放大器选频正反馈电路5.2.3正弦波振荡器的建立与稳定过程初始信号由接通电源的瞬间产生，该信号包含一系列频率不同的正弦分量。选频电路放大器正反馈电路当振荡信号幅度较小时，放大管处于线性放大区，因AVF1，振荡信号被不断放大，直到信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时，即当AVF=1时，电路变为等幅振荡。+VccVvf石英晶体振荡器（频率稳定度极高）并联型串联型RC振荡电路(低频振荡)RC桥式振荡电路变压器耦合式LC振荡电路(高频振荡)三点式电容式电感式正弦波振荡器的分类根据选频电路组成元件的不同共基极共发射极5.3常用正弦波振荡器5.3.1LC振荡器1.变压器耦合式LC振荡器电路组成特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。（1）共发射极变压器耦合LC振荡器LC振荡器：利用LC选频回路进行选频的振荡器。LC振荡器用来产生频率为几千赫~十几兆赫的高频信号。LC振荡器分为变压器耦合式振荡器和三点式振荡器两大类。（2）共基极变压器耦合LC振荡器①振荡条件：电路能满足相位平衡条件和振幅平衡条件。（1）共发射极变压器耦合LC振荡器VL3456C假设的瞬时电压极性。反馈信号的瞬时电压极性。交流通路假设基极的瞬时电压极性为负。从反馈线圈L3-4送回基极的瞬时电压极性也为负，与假设的瞬时电压极性相同，电路为正反馈。LC选频电路21②工作原理：初始信号经LC选频回路产生频率为fo的振荡信号，其中一部分信号经L3-4正反馈回到振荡管基极，由放大器放大后，再选频，再放大，不断地循环，振荡由弱到强逐渐建立，当信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时，电路自动满足振幅平衡条件AVF=1，电路作等幅振荡。③振荡频率电路的振荡频率为LC并联回路的固有振荡频率，即LCf210调节LC并联回路中的电感量L或电容量C，均可改变电路的振荡频率fo。21（2）电路不满足相位平衡条件。由图中标出的瞬时电压极性可知，电路为负反馈。[例]判断如下电路能否产生自激振荡。（1）电路不满足振幅起振条件。因三极管的基极被反馈线圈Lf短路接地，使V处于截止状态。+Vcc解：判断一个振荡电路是否能产生振荡的一般步骤是：①检查电路的直流通路是否正确，即振荡管能否处于放大状态；②检查电路的交流通路是否存在正反馈。[例]判断电路能否产生自激振荡。解：电路满足振幅起振条件和相位平衡条件，能产生自激振荡。+Vcc（2）共基极变压器耦合LC振荡器1①电路结构特点：L与C组成选频回路；C1为旁路电容，使基极交流接地；C2为隔直耦合电容，将选频回路中的一部分振荡信号反馈到振荡管的发射极；L1为反馈线圈，将放大后的信号送回到选频回路，以补充回路中的能量损耗。②振荡条件：电路满足振幅平衡和相位平衡条件，能产生自激振荡。③振荡频率LCf210电路满足相位条件；适当选择L２和L１的比值，使AVF1，电路满足振幅条件，电路即能产生振荡，其振荡频率为：2.三点式LC振荡电路电路特点：LC振荡回路的三个端点与三极管的三个电极相连。(1)电感三点式振荡器+Vcc_CMLLLCf)2(π21π2121其中M是L１与L２之间的互感系数。优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫。缺点：波形失真较大。(2)电容三点式振荡器相位条件：当振荡管基极为“－”时，线圈1端电位为“＋”，3端电位为“－”，电路形成正反馈，满足相位条件。振幅条件：适当的选择C１、C２的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。电路的振荡频率为2121o21CCCCLf电路特点：频率较高，可达100MHz以上。优点：输出波形好。缺点：调节频率不方便。+Vcc−1.RC串并联网络的选频特性+--C1C2R1R2+viv05.3.2RC正弦波振荡电路RC正弦波振荡器是利用电阻和电容组成选频电路的振荡器。一般用来产生频率在200HZ以下的低频正弦信号。（1）电路组成：RC串并联电路如图所示。（2）选频特性①幅频特性：当输入信号频率为0时，C1、C2开路，输出电压vo为0。随着输入信号频率f的增加，C1与C2的容抗逐渐减小，电路中出现电流，输出电压vo逐渐增大，在输入信号频率为无穷大的情况下，C1、C2短路，输出电压vo又为0。当输入信号频率f=fo时，输出电压最大，即。其幅频特性曲线描述了这个变化过程。+F(vo/vi)--0f幅频特性曲线1/3f0C1C2R1R2+viuivoioVV31②相频特性：当输入信号频率为0时，输出电压v0超前于输入电压vi90o；当输入信号频率为fo时，输出电压与输入电压同相位；当输入信号频率为无穷大时，输出电压落后于输入电压90o。综上所述，只有当f=fo时，фF=0，且此时输出电压达到最大。由此可见，RC串并联网络具有选频特性。+0f--相频特性曲线90°-90°f0C1C2R1R2+viv0ioVV312.RC桥式振荡器电路如图所示，其中RC串并联电路起正反馈和选频作用，放大部分由同相放大电路组成。R3、R9是本级电流串联负反馈电阻。Rf是级间电压串联负反馈电阻，它们的作用是减小失真、稳定输出。由于RC串并联网络和Rf、R3组成电桥电路，所以这种电路又称为RC桥式振荡电路。+VccRfR5R4R6R8C3voC1C2R1R2R3C5C4R7R9R10V1V2C5R1C1RfC3R2C2R3V1vo（1）由分立元件构成的RC桥式振荡器电路如图所示。其中，放大元件由集成运放LM741承担，它与R1、RP、R2、R3、V1、V2组成同相放大器，V1，V2起稳幅作用；R4、C1、R5、C2组成RC串并联选频网络，在电路中起正反馈作用。（2）由集成运放构成的RC桥式振荡器RCf21（4）振荡频率（5）电路的优缺点该电路频率调节方便、调节范围宽。由于电路引入了负反馈，所以工作稳定，波形较好。目前，音频（低频）振荡器多采用这种电路。在RC串并联选频网络中，取R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则振荡频率为（3）电路的起振荡条件只要同相放大器的放大倍数AV≥3，即有AVF≥1，电路即满足起振荡条件。石英晶体谐振器是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。5.3.3石英晶体振荡器电路优点：频率稳定度高，可达10－６～10－１１量级。1.石英晶体的基本特性及其等效电路压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称为晶体谐振器的谐振频率。(１)压电效应当晶体不振动时，可用静态电容C0来等效；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效；晶片的弹性可用电容