模拟电子技术-第十章-正弦波振荡器

第10章正弦波振荡器补充讲义第10章正弦波振荡器第10章正弦波振荡器在没有输入信号的条件下，能够自行产生一定幅度、一定频率的输出信号的电路。振荡电路的定义：振荡电路的特点：（1）不需要输入信号控制，与电压放大器不同。（2）属于信号发生电路，不属于信号处理电路。第10章正弦波振荡器振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器（三角波、方波、锯齿波等）第10章正弦波振荡器图10.1反馈放大器10.1振荡的基本原理AF＋iU'iUfUOU第10章正弦波振荡器(10.1―1)FAAUUAiof1'FjofFeUUFAj'ioAeUUA第10章正弦波振荡器产生正弦波振荡的条件由放大到振荡的示意框图放大电路反馈网络oU&fU&iU&12'iU当K接在1端时，；再将K接到2端，，要维持不变则必须使。ioUAU&&&ofUFU&&&ifUU&&第10章正弦波振荡器事实上，自激振荡器并不需要外部Ui激发。开关始终接在2端。只要接通电源，UO就会从无到有，逐渐增大，最后达到平衡，输出稳定的正弦波。整个过程实现由三个条件保证：（1）起振条件（2）平衡条件（3）稳定条件第10章正弦波振荡器要实现正弦波振荡还有一个条件：整个环路中必须含有选频网络（LC选频、RC选频或石英晶体选频），用来选出振荡频率。第10章正弦波振荡器起振条件FjofFeUUFAj'ioAeUUA振幅起振条件：AF1(使信号从无到有逐渐增大)相位起振条件：φA+φF=2nπ（正反馈）oU&fU&'iUAF第10章正弦波振荡器平衡条件起振后，为了防止输出UO无限制的增大，整个环路必须有稳幅电路，使输出稳幅振荡。稳幅振荡的平衡条件：振幅平衡条件：AF=1(使信号稳幅振荡)相位平衡条件：φA+φF=2nπ（正反馈）第10章正弦波振荡器振荡平衡条件可归纳如下：(1)根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。(2)根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。第10章正弦波振荡器稳幅电路内稳幅：通过放大器本身的非线性特性实现。过程：AF1Ui’↑放大器进入非线性区间A↓AF↓AF=1外稳幅：反馈网络采取措施，随着AF的增大，正反馈减弱或负反馈增强，使AF下降最终达到平衡条件。第10章正弦波振荡器稳定条件由于振荡电路内部或外部（温度、UCC等）的干扰，使AF发生改变，破坏了原有的平衡状态。电路本身必须具有自动恢复平衡的能力。鉴于此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。振幅稳定条件：相位稳定条件：01AFiUAF01AF第10章正弦波振荡器维持或者说维持与同相的条件。方法：如果能实现ω的变化引起的φΣ变化与外界因素引起的φΣ变化相反，则相位稳定平衡就可实现。以n=0为例，这一过程可用如下流程关系表示：fUiUnFA2相位稳定条件说明第10章正弦波振荡器判断电路是否产生正弦波振荡的步骤：（1）是否为正反馈（2）是否有选频网络，且选频网络是否满足相位条件（3）是否AF1（4）是否有稳幅电路（5）是否满足稳定条件。第10章正弦波振荡器R2c1R1R5R4R6RLC1＋＋－Uf.R3＋＋C3V1V2c2＋C2＋－UoUCC＋－Ui.反馈网络e1b1+iU&判断下面电路是否能产生正弦波振荡：无选频网络第10章正弦波振荡器R2c1R1R5R4R6RLC1＋＋－Uf.R3＋＋C3V1V2c2＋C2＋－UoUCC＋－Ui.反馈网络e1b1+iU&判断下面电路是否能产生正弦波振荡：选频网络无法实现选频第10章正弦波振荡器R2c1R1R5R4R6RLC1＋＋－Uf.R3＋＋C3V1V2c2＋C2＋－UoUCC＋－Ui.反馈网络e1b1+iU&判断下面电路是否能产生正弦波振荡：可以产生正弦波振荡第10章正弦波振荡器根据选频网络不同，振荡器的分类：（1）RC振荡器（2）LC振荡器（3）石英晶体振荡器第10章正弦波振荡器10.2RC正弦波振荡器10.2.2RC选频振荡器选频网络由RC网络实现。＋－ARCCR＋－Uf·＋－Uo·Rft°＋－Ui·t°R1＋－ARCRfR1RC(a)(b)图3.22文氏电桥振荡器第10章正弦波振荡器＋－Uo·RCCR＋－Uf·(a)0＝1RC13H(0(＋90°－90°(b)(c)图10.20RC串并联网络首先讨论正反馈网络：CRCRjCRjRCjRCRjRCjRCjRCjRUUFOF131111111第10章正弦波振荡器＋－Uo·RCCR＋－Uf·(a)0＝1RC13H(0(＋90°－90°(b)(c)图10.20RC串并联网络CRCRjUUFOF131RC10ooOFjUUF31令：第10章正弦波振荡器幅频特性和相频特性表达式为4210313210912..arctan)(..)(FooFooRCo1其中第10章正弦波振荡器根据以上两式可画出相应的频率特性曲线图3.21RC串并联网络的频率特性曲线＋－Uo·RCCR＋－Uf·(a)0＝1RC13H(0(＋90°－90°(b)(c)RC10第10章正弦波振荡器根据相位平衡条件，当ω=ωO时，nFA2为正反馈。因此振荡频率为：RCoOSC1当ω=ωO时，F=1/3。根据相位起振条件求振荡频率ωOSC第10章正弦波振荡器由振幅起振条件求开环增益A＋－ARCCR＋－Uf·＋－Uo·Rft°＋－Ui·t°R1＋－ARCRfR1RC(a)(b)将正反馈环断开得到开环电路：同相放大器11RRAf根据振幅起振条件AF1：131A得到：A312RRf因此：第10章正弦波振荡器通常R1或者Rf为热敏电阻。起到外稳幅的作用：R1是正温度系数,Rf是负温度系数。Rf和R1引入的电压串联负反馈有助于改善波形减小失真。稳幅过程：UO↑负反馈电流↑T↑R1↑、Rf↓负反馈↑UO↓第10章正弦波振荡器文氏电桥振荡器信号波形质量和稳定性好，故得到了广泛的应用。第10章正弦波振荡器R2V1V2R3例：电路中V1和V2的作用是什么？为使电路起振R1、R2和R3应满足什么条件？第10章正弦波振荡器例：下图电路能否产生正弦波振荡？说明理由解：不能，因为A=1，F=1/3，AF1,不能起振。第10章正弦波振荡器10.3LC正弦波振荡器LC正弦波振荡器电路构成的原则凡采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC正弦波振荡器。LC振荡电路的形式很多，按反馈网络的形式来分，有变压器耦合反馈式及三点式振荡电路两种。第10章正弦波振荡器10.3.1变压器耦合反馈式振荡器选频网络：LC谐振回路反馈网络：变压器耦合电路。相位平衡条件：依靠变压器的初次级线圈的同名端保证的。特点：第10章正弦波振荡器＋－Tr＋－Uf·Uo·＋－Ui·(a)(b)＋－Tr＋－Uf·Uo·＋－Ui·＋－Tr＋－Uf·Uo·＋－Ui·(c)共射接法共基接法第10章正弦波振荡器10.3.2三点式振荡器(a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)Ⅱ(01)Ⅰ(c)L2L3C2C1L1(01)Ⅰ(02)ⅡX2X3X1+_Ui’=UfUO+_X1,X2,X3组成并联LC谐振网络。谐振网络中的三个引出点分别接至三极管的三个极。因此称为三点式振荡器。第10章正弦波振荡器讨论：X1,X2,X3放置何种电抗元件，才能满足相位条件？(a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)Ⅱ(01)Ⅰ(c)L2L3C2C1L1(01)Ⅰ(02)ⅡX2X3X1+_UO+_Ui’=Uf第10章正弦波振荡器为了满足相位条件，Uf与UO呈反相关系。0OfUU0323XXXX2、X3代表的电抗元件极性必须相反。即一个为电容，则另一个必为电感。谐振时，LC回路呈现纯电阻特性，即：X1+X2+X3=0,因此，X2+X3=–X1，带入上式：013XXX1与X3的电抗特性相同。第10章正弦波振荡器三点式：电容反馈式振荡器电感反馈式振荡器(a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)Ⅱ(01)Ⅰ(c)L2L3C2C1L1(01)Ⅰ(02)ⅡLC2C1+_UO+_(a)RLC1C2CC1000pFRE700RB22kCB0.033FRB1*L1.3H0.033FEC(＋15V)2000pF(a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)Ⅱ(01)Ⅰ(c)L2L3C2C1L1(01)Ⅰ(02)ⅡCL2L1+_UO+_(a)RLC1C2CC1000pFRE700RB22kCB0.033FRB1*L1.3H0.033FEC(＋15V)2000pF(a)RLC1C2CC1000pFRE700RB22kCB0.033FRB1*L1.3H0.033FEC(＋15V)2000pF21211CCCCLOSCCLLOSC211第10章正弦波振荡器“射同基反”：射极接的是相同性质的电抗元件,而基极接的是相反性质的电抗元件。判断三点式振荡电路是否满足相位起振条件的原则：第10章正弦波振荡器(a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)Ⅱ(01)Ⅰ(c)L2L3C2C1L1(01)Ⅰ(02)Ⅱ例：判断下面电路振荡频率ωOSC满足何种条件，电路才能振荡？ωO2ωOSCωO1ωOSCmin(ωO1、ωO2)不能振荡第10章正弦波振荡器10.3.2电容三点式振荡器电路图10.25电容三点式振荡器(a)电路图(a)RLC1C2CC1000pFRE700RB22kCB0.033FRB1*L1.3H0.033FEC(＋15V)2000pF第10章正弦波振荡器1)画出该振荡器的交流等效电路，判断其电路类型(b)交流通路(b)RE＋－Ui·＋－Uo·LRe0C1C2＋－Uf·RL第10章正弦波振荡器2)求该振荡器的工作角频率ωOSC012121gCCLCC3)求反馈系数F112beCFCCC当Cb′eC2时112CFCC第10章正弦波振荡器10.3.3电感三点式振荡器电路图3.12电感回授三点式振荡器电路(a)L1CC1RERB2CBRB1LC＋ECCEL2CCC2RL＋－·Ui＋－·Uf在fTfg条件下，晶体管极间电容的影响可忽略不计。振荡器的工作频率121()gLLC(3.2―10)第10章正弦波振荡器UfUbUoILICRBRLcL1L2Cbe(b)(c)RBRLcL1L2Cerbeb+-·Ui+-·Uf·gmUi(b)交流通路)9.2.10(1212LLLjILjIUUFLcof第10章正弦波振荡器10.3.4其他LC振荡器电路1.克拉拨振荡器和席勒振荡器图3.13克拉拨振荡器及交流等效电路(a)原理图；(b)交流等效电路(a)(b)RLC1C2RERB2CBRB1ECRCC3LABRCC1C2RECcbBCceCbeebRe0RLLcC3A第10章正弦波振荡器图3.14席勒振荡器及交流等效电路(a)原理图；(b)交流等效电路RLC1C2RELVC4C3(a)(b)RLC1C2RERB2CBRB1＋ECRCLVC4C3第10章正弦波振荡器2.LC差分振荡器图3.15(a)差分振荡器原理图CCC2LRLRBV1V2＋－Ui·CC1＋－Uf·C1C2＋－Uo·L＋ECCBRBV3IoRE－EE(a)第10章正弦波振荡器图3.15(b)差分振荡器交流等效电路(b)CLRLV1V2＋－Ui·＋－Uf·C1C2＋－Uo第10章正弦波振荡器通过耦合电容CC2输出，