模拟电子技术基础第九讲 正弦波信号产生电路

上页下页1/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础9.1正弦波振荡器的振荡条件9.2RC正弦波振荡器9.3LC正弦波振荡器9.4非正弦波振荡器基本要求:1掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅度平衡条件2理解RC串并联式正弦波振荡电路、LC振荡器的工作原理3掌握RC和LC振荡电路能否自激的判别及振荡频率的计算9正弦波信号产生电路上页下页2/45•正弦波振荡电路–没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路•组成：1.放大电路2.正反馈网络3.选频网络4.稳幅环节9.1正弦波振荡器的振荡条件上页下页3/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1振荡条件正反馈框图如图示。（注意与负反馈方框图的差别）fiaXXX若环路增益1FA则，faXX去掉，iXoX仍有稳定的输出又)(fafaFAFAFA所以振荡条件为1|)()(|FA振幅平衡条件n2)()(fa相位平衡条件更关键上页下页4/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础1振荡条件1|)()(|FA振幅平衡条件n2)()(fa相位平衡条件思考？与自激振荡条件有何异同？常据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断电路可否振荡。振荡条件1|)()(|FA自激振荡幅值条件1FA自激振荡条件1FA自激振荡相位条件)12()()(fan上页下页5/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础•要使电路自行振荡，需满足起振条件思考？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？电路的电磁波干扰1|)()(|FAn2)()(fa1|)()(|FA振幅平衡条件n2)()(fa相位平衡条件•是平衡条件，电路处于稳态振荡2起振条件上页下页6/451)()(FAπ2)()(anf•频率成分丰富的随机噪声信号中恰好有ω0=2πf0，使起振条件得以满足（选频网络），产生增幅振荡，自激•在幅值不断增大的输出信号发生失真之前，要采取措施加以限制（限幅、稳幅），增幅振荡→等幅振荡起振稳幅1FA起振时，→1FA稳定振荡时，3起振与稳幅上页下页7/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础(2)反馈网络（构成正反馈的）(3)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。）(4)稳幅环节（电路易于起振并逐步稳幅振荡，使波形失真小）(1)放大电路（包括负反馈放大电路）4正弦波振荡电路的基本组成常用的选频网络有RC选频（1兆以下低频信号）和LC选频（1兆以上高频信号）上页下页8/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础9.2RC正弦波振荡器1.电路原理图2.RC串并联选频网络的选频特性3.振荡的建立与稳定4.振荡频率与振荡波形5.稳幅措施上页下页9/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础•反馈网络兼做选频网络,为正反馈。•Z1、Z2、R1、Rf构成一个四臂电桥•放大电路Av为电压串联负反馈，具有Ri高，Ro低的特点Av为同相比例运算电路1RR1Afv1.电路原理图上页下页10/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.RC串并联选频网络的选频特性反馈系数)()()(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)j/1(1CRZRCRCRZj1)j/1//(2上页下页11/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础当2002)(31VF幅频响应有最大值3)(arctg00fRCffRC21100或31maxVF相频响应0f上页下页12/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础此时若放大电路的电压增益为用瞬时极性法判断可知，则振荡电路满足振幅平衡条件0f当RC10时，n2fa(+)(+)(+)(+)Av311fRRAV1313VVFA3.振荡的建立与稳定0a电路满足相位平衡条件上页下页13/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础电路满足相位平衡条件0,0fa因RC10时，n2fa(+)(+)(+)(+)Av所以，振荡频率为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.振荡频率与振荡波形若适当调整负反馈的强弱，使Av的值在起振时略大于3，达到稳幅时Av=3，则，输出频率为RCf210的正弦波。上页下页14/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础5.稳幅措施●采用非线性元件自动调整反馈的强弱从而稳幅。(1)热敏元件热敏电阻起振时，311fRRAV即1VVFA负温度系数热敏电阻的作用oVoI功耗fR温度fR阻值fR3VA1VVFA稳幅VA思考？可否采用正温度系数的热敏电阻？应怎样连接？上页下页15/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础●采用非线性元件(2)工作在可变电阻区的场效应管(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一般只要调节RP3、RP4上页下页16/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础●采用非线性元件(3)正反并联二极管输出电压的幅值：3VRRRVVO112DonO2O1O1Don1ORVRVRV3RV3211DonORR2RV3V0D/V0.20.40.60.810203040510152010203040iD/AiD/mA死区VthVBR当vo很小，D1、D2截止33.3RRR1A132V起振当vo较大，D1、D2之一导通，R3’变小，且vo增大RD减小，直至Vom，Av趋于3当Av＝3时上页下页17/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础T2例如文氏桥典型电路++-+×上页下页18/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+VccCeCRe1RC2Rb1T1RC1Re2RT2RC例9-1：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡+×-+-不满足相位平衡条件，不能振荡oa180of0ofa180上页下页19/45作业•P312•9.2.1•9.2.2•9.2.4•9.2.5上页下页20/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础9.3LC正弦波振荡器9.3.1LC选频放大电路9.3.2变压器反馈式LC振荡电路9.3.3三点式LC振荡电路上页下页21/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础LRCLRCZjj1)j(j1等效损耗电阻)C1Lj(RCLZ一般有LR则CQLQRCLZ000当时，LC10电路谐振。LC10为谐振频率谐振时阻抗最大，且为纯阻性，容抗等于感抗，其中CLR1RC1RLQ00为品质因数(几十～几百)同时有SLCIQII即SLCIII同相与OSVI1.并联谐振回路9.3.1LC选频放大电路9.3LC正弦波振荡器上页下页22/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础200220))((RLj1RCL)1(RLj1RCL)C1Lj(RCLZ当Z仅局限于0附近时，近似有=0,-0=002Qj1ZZ2002Q11Z|Z|02arctgQ相对失谐量偏离0的程度Z0为谐振阻抗感性容性上页下页23/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础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/gm和R的BJT、FET和调整变压器的匝数比，可以满足1FA,电路可以起振。BJT/FET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。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ω0=的正弦波信号。LC1即振荡频率为LC21f09.3.2变压器反馈式LC振荡电路VDDdsTggCgR上页下页24/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈oa180of180ofa036oa0of0ofa0××上页下页25/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础仍然由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。1.三点式LC并联电路电容三点式C1C2首端尾端中间端LC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。适当选取L2/L1可起振对高次谐波阻抗大，输出谐波分量大，波形不理想适当选取C2/C1可起振对高次谐波阻抗小，输出波形好9.3.3LC三点式振荡电路上页下页26/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础2.电感三点式振荡电路振荡频率:CMLf)2(L21210LC21中间点交流接地，首端与尾端相位相反oa180of180ofa036上页下页27/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础3.电容三点式振荡电路LCCCCCL1121210谐振频率oa180of180ofa036上页下页28/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础例9-2：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡?若能，写出振荡频率表达式谐振频率LCf210oa180of180ofa360+×-++上页下页29/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础210LLLLC21f，满足相位平衡条件oa0of0ofa0oa180of180ofa360满足相位平衡条件210LLLLC21f，+×++×上页下页30/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础例：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡oa180of180ofa360满足相位平衡条件210LLLLC21f，oa180of180ofa360满足相位平衡条件LCCCCCL1121210××上页下页31/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础（1）检查电路是否具备正弦波振荡器的基本组成部分，即基本放大器和反馈网络，并且有选频环节。（2）检查放大器的偏置电路，看静态工作点是否能确保放大器正常工作。（3）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和相位平衡条件(主要看是否满足相位平衡条件，即用瞬时极性法判别是否存在正反馈)。分析三种LC正弦波振荡电路能否正常工作的步骤可归纳如下：上页下页32/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础+VCCC2C1ReRb2Rb1CeCbLT例9-3：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡oa180of0ofa018不满足相位平衡条件+×--上页下页33/459.4石英晶体振荡电路上页下页34/45电子技术基础精品课程——模拟电子技术基础Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。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50000