模拟电子技术基础 2篇 6章1

第六章正弦波发生电路半导体器件工作在线性放大区时，主要用来组成放大电路。另外，在该工作区，还能用来组成产生正弦信号的振荡电路。正弦信号普遍存在，用途十分广泛，是大家都十分熟悉的一种信号。我们将讨论能产生正弦信号的各种各样电路。产生正弦信号的原理，电路组成，信号频率的具体计算等。2.6.1产生正弦振荡的条件正弦振荡器：即不需要任何输入信号，能产生稳定输出并具有的一定幅度和频率的正弦波。在负反馈放大电路中，放大器在通频带以内是负反馈，而在通频带以外，由于附加相位移的原因，可能会形成正反馈，从而产生自激振荡（产生的也是正弦波—为什么？）。这是不希望的，必须加以消除和克服。而在正弦波振荡电路中，目的是产生正弦波。所以在通频带以内，就要求连接成正反馈。这是构成正弦振荡电路的首要条件。如能在无输入信号下（）也能振荡起来（称自激），应使电路的环0.sX如图所示：路增益应大于1（即），这样能利用开启电源时的噪声，使不断地增大，最终产生自激振荡。1||..FAifXX..产生自激振荡必须满足下列两个条件：nAFA2....1||..FA幅度条件相位条件但是稳定的正弦波振荡还应该具备：单一频率的正弦波—所以要有选频网络稳定的正弦波—环路增益自动达到1||..FA2.6.2RC正弦波振荡电路用RC选频网络实现正弦波振荡的电路。通常满足了这两个条件，电路一定振荡。●具有负反馈的放大器Av部分；.FvA.放大电路中反馈量能自动调节—稳定振荡幅度。电路由二部分组成：●RC串并联反馈网络—形成正反馈,决定着振荡频率（选频网络）；.FvA.RC选频网络电路是如何振荡起来的呢？.FvA.当然应该从振荡的相位条件和幅度条件来分析。.FvA.RC串并联网络的频率特性可用下式表示，ofVVF..)(.)(从正反馈支路分析相位ooVVCjRCjRCjR..2211221//11//)1()1(1)(12212112..)(.CRCRjRRCCVVFof将上式整理后得：.FvA.)1()1(1)(12212112..)(.CRCRjRRCCVVFof当参数选取后CCCRRR2121,)1(31)(..)(.RCRCjVVFof令式中RC1o则)(31)(..)(.ooofjVVF正反馈网络的幅频表达式：22)(.)(31||ooF正反馈网络的相频表达式：)3arctan()(.ooF由图说明：频率特性如左图所示⑴当时或RCfRCo2110电路为正反馈，而且正反馈最强。所以，只有在此时才能产生单一频率的振荡。22)(.)(31||ooF)3arctan()(.ooF⑵时o31.F所以有3131//'1'2..)(....RRVVVVAOOFOv.FvA.看幅度条件：这又说明，只要有大于3倍的闭环增益，电路就能起振。3倍的闭环增益可方便地通过调节负反馈网络的两只电阻实现。.FvA.起振后，如不加稳幅措施，则输出幅度会越来越大，最终出现非线性失真（饱和和截止失真）→停振→又慢慢起振→…。.FvA.为使输出信号幅度稳定，必须有一个稳幅电路。稳幅过程实际上是使环路增益自动保持在1（即）的过程。..FA=1.FvA.当输出幅度增加时，希望负反馈加强；幅度减少时，负反馈减弱。这个过程可由负反馈网络实现，如固定，则用负温度系数的热敏电阻；如固定，则用正温度系数的热敏电阻。'2R'1R'2R'1R.FvA.请分析振荡电路是如何自动稳幅的。用二极管实现自动稳幅的RC正弦振荡电路。RC正弦振荡电路的其它类型1.移相式RC正弦振荡电路RCCRRCRCRCRC超前移相式滞后移相式iV.0.ViV.0.VA1RfR'R以下放大器如何连成正弦振荡器呢？RCCRRC621RCfo振荡频率也可以用一只晶体三极管或是一只场效应管组成超前移相式，滞后移相式RC正弦振荡电路。同学可以自画电路。2.双T选频网络RC正弦振荡器2RCRCRC2iV.0.VRC正弦振荡只适于低频振荡，振荡频率在1Hz～1MHz范围。2.6.3LC正弦波振荡器LC正弦振荡器通常用LC并联谐振回路作为选频网络，所以，其振荡频率即为谐振回路的谐振频率ƒO。根据电路理论，回路总阻抗：)1(/)//(1CLjRCLLjRCjZ①谐振时CLoo1LCfo21②电路谐振时，回路呈现纯阻特性，且阻抗最大CLQCQLQRCLZooomax③电路谐振时，谐振回路电流比外电路的电流大得多，所以可以略去外电路的参数影响。④电路谐振时的谐振特性和品质因数QCLRRCRLQoo11谐振回路的频率特性如图所示。Q越高，选频特性越好。（这和收音机中的选择性好坏相一致）在LC正弦波振荡器中，由于放大电路都采用共射或共基放大电路，不用共集电路，所以增益大，环路增益大于1的条件很容易满足，因此只要保证其满足正反馈（即相位条件）就能振荡。电路类型有电感反馈式和变压器反馈等几种。分析时应注意电容容量大小，是耦合电容还是谐振电容（决定振荡频率）。一、变压器反馈式正弦波振荡器(a)(b)(c)例:有以下三个变压器反馈式的电路，试分析能否产生正弦振荡？解(a)电路在谐振频率下，Cb和Ce都可视作短路。因此用瞬时极性法，可得反馈到基极的信号vƒ与原假设输入同相，即满足相位条件。是一个正弦波振荡器。(b)电路同样在谐振时，Cb和Ce都可视作短路，由瞬时极性分析，同样满足相位条件，所以，也能产生正弦振荡。这是一个共射电路组成的正弦振荡电路。信号从基极注入，(c)电路用瞬时极性方法，电路同样满足相位条件，所以是一个正弦波产生电路。这是共基正弦波振荡器；反馈信号从发射极注入；二、三点式LC正弦波发生器三点式是指：LC并联谐振电路的三个引出端分别与三极管的三个电极（或运算放大器的三个端子）相连接，然后组成振荡器。在略去电源及偏置电路后，三点式振荡器的基本电路结构如图所示。Z1、Z2、Z3是谐振电路的三个电抗，它们可以是电容和电感元件。根据谐振电路中间的矢量关系可以证明：当Z1、Z2同为电感foVV..和（或电容），而Z3为电容（或电感）时，foVV..和.F2..FA相位反相，（即）才能满足正反馈的相位要求，（即）三点式振荡有电感三点式和电容三点式两种电路⑴电感三点式LC正弦振荡器谐振在fo时的交流通路假定基极的瞬时极性为正，则谐振回路极性是上负下正，反馈到基极的信号同相位，即为正，所以为正反馈，能产生正弦振荡。fV.电感三点式非常容易起振，但波形不理想。其振荡频率仍是并联谐振回路决定为：CLLLCfo)(212121⑵电容三点式LC正弦振荡器电容三点式振荡电路在振荡频率f0时的交流通路fV.该电路在射极注入正极性的电压后，并联谐振回路产生上正下负的瞬时极性，所以反馈回到射极的极性仍为正，满足正反馈的相位要求，电路能产生正弦振荡。振荡频率为：21212121CCCCLLCfofV.该电路的优点是波形好，原因是反馈信号取自电容两端，不含有高次谐波。缺点是不容易起振。三、振荡电路中的稳幅和稳频问题⑴要求振荡频率稳定，应选用高质量的电感L和电容C，提高谐振回路的Q值。在频率高稳定要求场合，可用石英晶体振荡器。⑵振荡幅度稳定基本思路是使环路增益能自动地维持在1上，（即）1..FA这可在电路中设置稳幅电路实现，如下面的两种情况。ov如放大器因某种原因使输出增大时，放大器的增益下降，反之增益增加。假如放大器振荡时，其输出在上1ov1..FA反馈系数F不变时，用调节增益A来自动稳幅（即使）稳幅环节设在A中1||..FA增益A不变时，用调节反馈系数F来自动稳幅（即使）稳幅环节设在F中利用器件的非线性特性实现稳幅的说明（以电感三点式为例说明）。Rb1、Rb2并联电阻电容上充足的直流电压电感L2上的反馈信号振荡电路的基极回路稳幅过程：开始起振时，因振幅小，信号正负半周对电容的充放电基本相等，VBQ电压基本不变，电路以正反馈使振荡加强振荡电路的基极回路电容上充足的直流电压电感L2上的反馈信号Rb1、Rb2并联电阻输出幅变增大。当幅度大到一定程度，反馈信号也增大，在正半周时，Cb放电快（VBE正偏时电阻和R`并联），使VBQ下降，rbe变大，增益AfV.下降，从而使输出幅度变小。反之，也一样，使输出幅度增大，达到稳幅的目的。2.6.4其它正弦波振荡器一、石英晶体振荡器石英晶体是一种谐振器件（利用了SiO2结晶体的压电效应原理制成）外形结构等效电路电路符号静电电容（平行板电容）约几～几十皮法晶体弹性电容10-4～10-1pF模拟晶体机械振动惯性10-3～10-2H模拟机械振动摩擦损耗，很小因L大，C、R小，则很大CLRQ1又因加工精度很高，所以能获得很高的频率稳定度。在略去R下，其两端看进去的等效电抗为：)(1)1(1)1(122CLCCLCCLCCLCXOOOO其电抗频率特性如图所示：当电抗为，回路产生串联谐振。012LCLCfs21当时，LCR支路呈感性，与CO构成并联谐振，谐振频率为：SffpfSoSoooopfCCfCCCLCCCCCLf12121石英晶体振荡器的电路主要有两种结构：它是将振荡频率设计在之间，使晶体呈感性，它和两只电容构成电容三点式正弦振荡。pffS和①并联式石英晶体正弦振荡器②串联式石英晶体正弦振荡器它将原电容三点式中的电感用晶体代替罢了，所以有振荡频率为：'1CCffsooCCCCCC2121'其中这时把振荡频率设计在，此时，晶体电抗为0，晶体接在正反馈支路，而且是正反馈最强。sf二、数字式正弦波发生器用D/A转换方式将数字量变换成模拟量，即脉冲波变换成正弦波输出，电路方案如框图所示。转换后的波形是一个台阶式的连续波形，加滤波后便可得到平滑的正弦波。上节课的主要内容一、正弦波振荡器1.正弦波振荡的基本条件2.RC正弦振荡电路类型特点4.三点式LC正弦振荡电路5.石英晶体正弦振荡电路二、要求掌握的内容1.能否产生正弦振荡的判别2.振荡频率的计算习题2.6.42.6.72.6.82.6.9