模拟电子技术基础第24讲-正弦波振荡电路的振荡条件和RC正弦波振荡电路

9.1正弦波振荡电路的振荡条件9.2RC正弦波振荡电路9.3LC正弦波振荡电路9.4非正弦波振荡电路学习指导小结在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，就其波形来说，可能是正弦波或非正弦波。在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术领域的应用是十分广泛的。非正弦信号(方波、锯齿波等)发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。学习指导电压比较器不仅是波形产生电路中常用的基本单元，也广泛用于测量电路、自动控制系统和信号处理电路中。因此要予以足够重视。主要内容：(1)正弦波振荡电路的振荡条件(2)RC、LC正弦波振荡电路(3)非正弦信号产生电路基本要求及学习目标:(1)掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件。(2)掌握RC串并联式正弦波振荡电路的工作原理、起振条件、稳幅原理及振荡频率的计算。(3)了解LC正弦波振荡电路的工作原理、组成原则、振荡频率的计算。(4)掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理，理解方波、矩形波、三角波、锯齿波发生器的工作原理。9.1正弦波振荡电路的振荡条件1.振荡条件2.起振和稳幅3.振荡电路基本组成部分正反馈放大电路如图示。（注意与负反馈方框图的差别）1.振荡条件fiaXXX若环路增益1FA则，faXX去掉，iXoX仍有稳定的输出又fafaAFFAFA所以振荡条件为1)()(FA振幅平衡条件n2)()(fa相位平衡条件说明faXX与同相位或引入的反馈为正反馈。负反馈放大电路的自激条件自激振荡反馈深度时，01FA即1FA为环路增益）（FAVf反馈网络F基本放大电路AVo–1Vid又)()()()(faFAFA得自激振荡条件1)()(kkFA180)12()()(kfkan幅值条件相位条件（附加相移）FAAA1F闭环增益起振条件2.起振和稳幅#振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声1)()(FAn2)()(fa当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到1AF。1AF平衡点一个反馈放大电路若能同时满足自激振荡的幅度和相位平衡条件，就一定能产生自激振荡，但并不见得一定能产生正弦波自激振荡，即输出信号不一定是正弦波。3.基本组成部分这是因为，若同时有多种频率的正弦波信号都满足自激振荡条件，则反馈放大电路就能够在多种频率下产生振荡。它的输出信号就是一个由多种频率的正弦波信号合成的非正弦波信号。为了获得单一频率的正弦波振荡，可在反馈放大电路中引入选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率），使反馈放大电路对不同频率的正弦波信号产生不同的相位移和放大倍数，使电路只让某一特定频率的正弦波信号满足自激振荡条件，保证电路输出正弦波信号。放大电路（包括负反馈放大电路）3.正弦波振荡电路的基本组成部分反馈网络（构成正反馈）选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率，经常与反馈网络合二为一。）稳幅环节RC振荡器低频1MHZLC振荡器高频1MHZ9.2RC正弦波振荡电路1.电路组成2.RC串并联选频网络的选频特性3.振荡电路工作原理4.振荡的建立与稳定6.稳幅措施5.振荡频率与振荡波形1.电路组成反馈网络兼做选频网络RC振荡电路有很多种：桥式的、移相式、双T型的，但最常用的是桥式振荡电路。放大电路：运放、R1、Rf组成同相比例运算电路反馈网络选频网络RC串并联网络1fvRR1A电压串联负反馈由选频网络可知2.RC串并联选频网络的选频特性sC1RZ1sCsCR1则反馈系数为：2212of)sCR(3sCR1sCRZZZ)s(V)s(V)s(VFsC1RsC1RZ2R1RsC反馈系数2.RC串并联选频网络的选频特性)()()(ofsVsVsFV幅频响应又212ZZZ2)(31sCRsCRsCRjs且令RC10则)(j3100VF2002)(31VF相频响应3)(arctg00f2.RC串并联选频网络的选频特性当2002)(31VF幅频响应有最大值3)(arctg00fRCffRC21100或31maxVF相频响应0f3.振荡电路工作原理1、会找出三个组成部分；2、用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件n2fa(+)(+)(+)(+)分析方法：首先找出反馈线，在A处断开反馈线，假设在放大电路的输入端加一个输入电压Vi，Vi的频率正好是选频网络的固有频率f0，即f=f0=1/2πRC，假定某一瞬时Vi对地极性为（+），Vo在同一瞬时对地极性为（+），由于f=f0=1/2πRC，根据相频特性来判断，若Vo的频率也为f0，A点在同一瞬时对地的极性也为（+）。再接上反馈线，看Vf和Vi的相位是否相同，若同相，则说明此电路满足相位平衡条件。A3、振幅平衡条件：AvFv=1；Av=1+Rf/R1、Fv=1/3Rf=2R13.振荡电路工作原理此时若放大电路的电压增益为用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件0f当RC10时，n2fa(+)(+)(+)(+)Av311fRRAV1313VVFA电路可以输出频率为的正弦波RCf210RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波4.振荡的建立与稳定就是要使电路自激，从而产生持续的振荡，由直流电变为交流电。振荡建立：当电路一接上直流电源，由于电冲击或噪声或干扰等信号的存在，它们都含有丰富的谐波，总有与振荡频率f0相同的谐波，这个信号虽然很微弱，但经过放大电路和反馈网络的作用，使输出信号的幅值越来越大，正弦波振荡由小到大地建立起来。稳定：输入谐波经过放大反馈再放大的循环，使输出幅度不断增加，但由于幅度增大到一定程度时，运算放大器工作在非线性区，或三极管工作在非放大区，所以输出幅度就会下降并趋于稳定。平衡点5.振荡频率与振荡波形因为只有在f=f0=1/2πRC时才满足相位平衡条件，所以振荡频率即为选频网络的固有频率f=1/2πRC。振荡频率：振荡波形：当AvFv稍大于1时，Vo接近于正弦波；当AvFv远大于1时，Vo波形会严重失真。采用非线性元件6.稳幅措施热敏元件热敏电阻起振时，311fRRAV即1VVFA热敏电阻的作用oVoI功耗fR温度fR阻值fR3VA1VVFA稳幅VA采用非线性元件6.稳幅措施场效应管（JFET）31DS3p3RRRAV稳幅原理oV)(GS负值VDSR3VA1VVFA稳幅VA34CRD、、整流滤波T压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V可变电阻区，斜率随vGS不同而变化采用非线性元件6.稳幅措施二极管当输出幅值很小时，二极管D1、D2接近开路，由D1、D2和R3组成的并联支路的等效电阻近似为2.7千欧，A约3.3，3，有利于起振。当输出幅值较大时，二极管D1或D2导通，由D1、D2和R3组成的并联支路的等效电阻减小，A随之下降，输出幅值趋于稳定。作业P429-9.2.1、9.2.2P431-9.2.5、9.2.69.3LC正弦波振荡电路9.3.1LC并联谐振回路选频特性9.3.2变压器反馈式LC振荡电路9.3.3三点式LC振荡电路9.3.4石英晶体振荡电路LC振荡电路主要用来产生高频正弦信号，一般在1MHz以上。它与RC振荡电路的不同之处是它由电感和电容组成，所以命名为LC正弦波振荡电路。1.等效阻抗9.3.1LC并联谐振回路选频特性LRCLRCZjj1)j(j1等效损耗电阻)1j(CLRCLZ一般有LR则CQLQRCLZ000即时，LC10电路发生谐振。LC10为谐振频率谐振时阻抗最大且为纯阻性其中CLRRCRLQ1100为品质因数，同时有IQIICL即IIICLCL001若用来评价回路损耗大小的指标2.频率响应9.3.1LC并联谐振回路选频特性RCLZ000211jQZZ200)2(11QZZ)2(0Qarctg谐振回路具有选频特性1由相频特性可知，当ωω0时，由于ωL1/ωC，回路的等效电抗呈感性；反之，回路的等效电抗呈容性。虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。9.3.2变压器反馈式LC振荡电路1.电路结构2.相位平衡条件3.幅值平衡条件4.稳幅5.选频通过选择高值的BJT和调整变压器的匝数比，可以满足1FA，电路可以起振。BJT进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。（定性分析）(+)(－)同名端(+)VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)9.3.2变压器反馈式LC振荡电路反馈满足相位平衡条件，可能振荡满足相位平衡条件，可能振荡反馈仍然由LC并联谐振电路构成选频网络9.3.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路C1C2首端尾端中间端L电容三点式C首端尾端中间端L1L2电感三点式谐振回路的三个引出端与三极管的三个电极相连(指交流连接),其中两个同性质电抗的公共点与发射极相连,而另一个异性电抗则连在集电极与基极间。方法1仍然由LC并联谐振电路构成选频网络9.3.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路C1C2首端尾端中间端L电容三点式C首端尾端中间端L1L2电感三点式谐振回路的三个引出端点与场效应管的三个电极相连（指交流连接），其中两个同性质电抗的公共点与源极相连，而另一个异性电抗则连在栅极与漏极之间。方法1仍然由LC并联谐振电路构成选频网络9.3.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路C1C2首端尾端中间端L电容三点式C首端尾端中间端L1L2电感三点式谐振回路的三个引出端与集成运放的三个端子(同相端、反相端、输出端)相连(指交流连接),其中两个同性质电抗的公共点与同相端相连，而另一个异性电抗则连在反相端与输出端之间。方法1仍然由LC并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地,则首端与尾端相位相反。9.3.3三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路C1C2首端尾端中间端L电容三点式C首端尾端中间端L1L2电感三点式中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地,则其他两端相位相同。方法29.3.3三点式LC振荡电路2.电感三点式振荡电路9.3.3三点式LC振荡电路3.电容三点式振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。9.3.4石英晶体振荡电路1.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5000009.3.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路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。压电谐振9.3.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路等效电路LCf21sA