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ppt课件.ppt

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1、 9.1 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.4 非正弦波振荡电路非正弦波振荡电路学习指导学习指导小结小结作业作业 在实践中，广泛采用各种类型的信号产生电路，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，可能是就其波形来说，可能是正弦波正弦波或或非正弦波非正弦波。 在通信、广播、电视系统中，都需要射频在通信、广播、电视系统中，都需要射频( (高高频频) )发射，这里的射频波就是载波，把音频发射，这里的射频波就是载波，把音频( (低频低频) )、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生

2、高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。频信号的振荡器。 在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感在工业、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、频率或高或低的振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术领域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的应用是十分广泛的。 非正弦信号非正弦信号( (方波、锯齿波等方波、锯齿波等) )发生器在测量设发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。备

3、、数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛。 学习指导学习指导 电压比较器电压比较器不仅是波形产生电路中常用的基本单元，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。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。因此要予以足够重视。主要内容：主要内容：(1)(1)正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件(2)RC(2)RC、LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路(3)(3)非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路基本要求及学习目标基本要求及学习目标: :(1)(1)掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件。掌握正弦波振荡的相位

4、平衡条件、幅值平衡条件。(2)(2)掌握掌握RCRC串并联式正弦波振荡电路的工作原理、起振条件、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。稳幅原理及振荡频率的计算。(3)(3)了解了解LCLC正弦波振荡电路的工作原理、组成原则、振荡频率正弦波振荡电路的工作原理、组成原则、振荡频率的计算。的计算。(4)(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。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正弦波振荡电路的振荡条件1. 振荡条件振荡条

5、件2. 起振和稳幅起振和稳幅3. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分 正反馈放大电正反馈放大电路如图示。（注意路如图示。（注意与负反馈方框图的与负反馈方框图的差别）差别）1. 振荡条件振荡条件fiaXXX 若环路增益若环路增益1 FA则则， faXX 去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出仍有稳定的输出又又fafa AFFAFA所以振荡条件为所以振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件 n2)()(fa 相位平衡条件相位平衡条件说明说明 faXX与与同相位或引入的反馈为正反馈。同相位或引入的反馈为正反馈。负反馈放大电路的负反馈放大电路的自激条件自激条件自激振荡自激振荡反馈深度反馈深

6、度时，时， 01 FA即即1 FA为为环环路路增增益益）（ FA Vf反馈网络反馈网络F基本放大电路基本放大电路AVo1Vid又又)()()()(fa FAFA得自激振荡条件得自激振荡条件1)()(kk FA 180)12()()(kfkan 幅值条件幅值条件相位条件（附加相移）相位条件（附加相移）FAAA 1F闭环增益闭环增益起振条件起振条件2. 起振和稳幅起振和稳幅振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，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？起振的信号源来自何处？电路器件内部噪声电路器件内部噪声1)()( FA n2)()(fa 当输出信号幅值增加到一定程度时，

7、就要限制它继续增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。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噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号被的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。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，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件使振幅平衡条件从从 回到回到1 AF。 1 AF平衡平衡点点 一个反馈放大电路若能一个反馈放大电路若能同时满足自激振荡的幅度和相位同时满足自激振荡的幅度和相位平衡条件平衡条件，就，就一定能产生自激振荡一定能产生自激

8、振荡，但并不见得一定能产生，但并不见得一定能产生正弦波自激振荡，即正弦波自激振荡，即输出信号不一定是正弦波输出信号不一定是正弦波。3. 基本组成部分基本组成部分 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。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由多种频率的正弦波信号合成的非正弦波信号弦波信号。 为了获得单一频率的正弦波振荡为了获得单一频率的正弦波振荡，可在反馈放大电路中引，可在反馈放大电路中引入入选频网络选

9、频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率），使反馈放（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，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只让某一特定频率的正弦波信号满足自激振荡条件，保，保证电路输出正弦波信号。证电路输出正弦波信号。4放大电路（包括负反馈放大电路）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正弦波振荡电路的基本组成部分4反馈网络（构成正反馈）反馈网络（构成正反馈）4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频选频网络（选择满足相位平衡条件的

10、一个频率，经常与反馈率，经常与反馈 网络合二为一。）网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节RC RC 振荡器振荡器 低频低频1MHZ1MHZ1MHZ9.2 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. 电路组成电路组成2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理4. 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定6. 稳幅措施稳幅措施5. 振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形1. 电路组成电路组成反馈网络兼做选频网络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、振荡电路有很多种：桥式的、移相式、双双T型的，但最常用的是桥式振荡电路。型的，但最常用的是桥式

11、振荡电路。放大电路放大电路：运放、：运放、R1R1、RfRf组成同相组成同相比例运算电路比例运算电路反馈网络反馈网络选频网络选频网络RCRC串并联网络串并联网络1fvRR1A 电压串联负反馈电压串联负反馈由选频网络可知由选频网络可知2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性sC1RZ1 sCsCR1 则反馈系数为：则反馈系数为：2212of)sCR(3sCR1sCRZZZ) s (V) s (V) s ( VFsC1RsC1RZ2 R1RsC 反馈系数反馈系数2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性)()()(ofsVsVsFV 幅频响应幅频响应又又212ZZ

12、Z 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 则则)( j3100 VF2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctg00f 2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性当当2002)(31 VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值3)(arctg00f RCffRC 21 100 或或31max VF相频响应相频响应0f 3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理1 1、会找出三个组成部分；、会找出三个组成部分；2 2、用用瞬时极性法瞬时极性法判断电路是判断电路是否满足相位平衡条件否满足相位平衡条件 n2fa (+)(+)(+)(+)分析方法：分析方法： 首先找出反

13、馈线，在首先找出反馈线，在A A处断开反馈线，假设在放大电路的输处断开反馈线，假设在放大电路的输入端加一个输入电压入端加一个输入电压V Vi i，V Vi i的频率正好是选频网络的固有频率的频率正好是选频网络的固有频率f f0 0，即即f=ff=f0 0=1/2=1/2RCRC，假定某一瞬时，假定某一瞬时ViVi对地极性为（对地极性为（+ +），），V Vo o在同一在同一瞬时对地极性为（瞬时对地极性为（+ +），由于），由于f=ff=f0 0=1/2=1/2RCRC，根据相频特性来判，根据相频特性来判断，若断，若V Vo o的频率也为的频率也为f f0 0，A A点在同一瞬时对地的极性也为（

14、点在同一瞬时对地的极性也为（+ +）。）。再接上反馈线，看再接上反馈线，看V Vf f和和V Vi i的相位是否相同，若同相，则说明此的相位是否相同，若同相，则说明此电路满足相位平衡条件。电路满足相位平衡条件。A3 3、振幅平衡条件：、振幅平衡条件：A Av vF Fv v=1=1；A Av v=1+R=1+Rf f/R/R1 1、F Fv v=1/3 R=1/3 Rf f=2R=2R1 13. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用用瞬时极性法瞬时极性法判断可知，电判断可知，电路满足相位平衡条件路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件则振

15、荡电路满足振幅平衡条件0f 当当RC10 时，时， n2fa (+)(+)(+)(+)Av311f RRAV1313 VVFA电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波RCf 210 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波4. 振荡的建立与稳定振荡的建立与稳定 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。交流电。振荡建立振荡建立： 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

16、波，总有与振荡频率的存在，它们都含有丰富的谐波，总有与振荡频率f f0 0相同的谐相同的谐波，这个信号虽然很微弱，但经过放大电路和反馈网络的作用，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。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。稳定稳定： 输入谐波经过放大输入谐波经过放大 反馈反馈 再放大的循环，使输出幅再放大的循环，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在非线性区，或三极管工作

17、在非放大区，所以输出幅度就会下降并趋于稳定。降并趋于稳定。平衡平衡点点5. 振荡频率与振荡波形振荡频率与振荡波形 因为只有在因为只有在f=ff=f0 0=1/2=1/2RCRC时才满足相位平时才满足相位平衡条件，所以振荡频率即为衡条件，所以振荡频率即为选频网络的固有频选频网络的固有频率率f=1/2f=1/2RCRC。振荡频率振荡频率： 振荡波形振荡波形：当当A Av vF Fv v稍大于稍大于1 1时，时，VoVo接近于正弦波；接近于正弦波；当当A Av vF Fv v远大于远大于1 1时，时，VoVo波形会严重失真。波形会严重失真。采用非线性元件采用非线性元件6. 稳幅措施稳幅措施4热敏元件

18、热敏元件热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，311f RRAV即即1 VVFA热敏电阻的作用热敏电阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA采用非线性元件采用非线性元件6. 稳幅措施稳幅措施4场效应管（场效应管（JFETJFET）31DS3p3 RRRAV稳幅原理稳幅原理 oV )(GS负负值值V DSR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA34 CRD、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻vDSiDvGS=0V-1V-2V-3V可变电阻区，斜率可变电阻区，斜率随随vGS不同而变化不同而变化采用非线性元件采用非线性元件6. 稳幅措施稳幅措施4

19、二极管二极管 当当输出幅值很小时输出幅值很小时，二极，二极管管D1、D2接近开路，由接近开路，由D1、D2和和R3组成的并联支路的等组成的并联支路的等效电阻近似为效电阻近似为2.7千欧，千欧，A约约3.3，3，有利于起振。，有利于起振。 当当输出幅值较大时输出幅值较大时，二，二极管极管D1或或D2导通，由导通，由D1、D2和和R3组成的并联支路的组成的并联支路的等效电阻减小，等效电阻减小，A随之下降，随之下降，输出幅值趋于稳定。输出幅值趋于稳定。作业作业P429 - 9.2.1、 9.2.2P431 - 9.2.5、 9.2.69.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.3.1 LC并联谐振回

20、路选频特性并联谐振回路选频特性9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路 LCLC振荡电路主要用来产生高频正弦信号，振荡电路主要用来产生高频正弦信号，一般在一般在1MHz1MHz以上。它与以上。它与RCRC振荡电路的不同之处振荡电路的不同之处是它由电感和电容组成，所以命名为是它由电感和电容组成，所以命名为LCLC正弦波正弦波振荡电路。振荡电路。1. 1. 等效阻抗等效阻抗9.3.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性LRCLRCZ jj1)j(j1 等效损耗电阻等效损耗电阻)1j(C

21、LRCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 即即 时，时，LC10电路发生电路发生谐振谐振。LC10 为谐振频率为谐振频率谐振时阻抗最大且为纯阻性谐振时阻抗最大且为纯阻性其中其中CLRRCRLQ1100 为为品质因数，品质因数，同时有同时有IQII CL即即III CLCL001若用来评价回路损用来评价回路损耗大小的指标耗大小的指标2. 频率响应频率响应9.3.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性RCLZ 000211jQZZ200)2(11QZZ)2(0Qarctg谐振回路具谐振回路具有选频特性有选频特性1 由相频特性可知，当由相频特性可知，当0 0时，时，由于由于

22、L1/L1/C C，回路的等效电抗，回路的等效电抗呈感性；反之，回路的等效电抗呈感性；反之，回路的等效电抗呈容性呈容性。 虽然波形出现了失真，但由于虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的谐振电路的Q值很高，值很高，选频特性好，所以仍能选出选频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路1. 电路结构电路结构2. 相位平衡条件相位平衡条件3. 幅值平衡条件幅值平衡条件4. 稳幅稳幅5. 选频选频 通过选择高通过选择高 值的值的BJT和和调整变压器的匝数比，可以调整变压器的匝数比，可以满足满足1 FA，电路可以起振。，电路可以起振。

23、 BJT进入非线性区，波形进入非线性区，波形出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。出现失真，从而幅值不再增加，达到稳幅目的。（定性分析）（定性分析）(+)()同名端(+)VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(+)(+)(+)(+)9.3.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路反馈反馈满足相位平衡条满足相位平衡条件，可能振荡件，可能振荡满足相位平衡条满足相位平衡条件，可能振荡件，可能振荡反馈反馈仍然由仍然由LCLC并联谐振电并联谐振电路构成选频网络路构成选频网络9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1

24、. 1. 三点式三点式LCLC并联电路并联电路C1C2首首端端尾尾端端中中间间端端L电容三点式电容三点式C首首端端尾尾端端中中间间端端L1L2电感三点式电感三点式谐振回路的三个谐振回路的三个引出端与三极管引出端与三极管的三个电极相连的三个电极相连(指交流连接指交流连接),其其中两个同性质电中两个同性质电抗的公共点与抗的公共点与发发射极射极相连相连,而另一而另一个异性电抗则连个异性电抗则连在集电极与基极在集电极与基极间。间。方法方法1 1仍然由仍然由LCLC并联谐振电并联谐振电路构成选频网络路构成选频网络9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1. 1. 三点式三点式LCLC并联电路并联电路

25、C1C2首首端端尾尾端端中中间间端端L电容三点式电容三点式C首首端端尾尾端端中中间间端端L1L2电感三点式电感三点式谐振回路的三个谐振回路的三个引出端点与场效引出端点与场效应管的三个电极应管的三个电极相连（指交流连相连（指交流连接），其中两个接），其中两个同性质电抗的公同性质电抗的公共点与共点与源极源极相连，相连，而另一个异性电而另一个异性电抗则连在栅极与抗则连在栅极与漏极之间。漏极之间。方法方法1 1仍然由仍然由LCLC并联谐振电并联谐振电路构成选频网络路构成选频网络9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1. 1. 三点式三点式LCLC并联电路并联电路C1C2首首端端尾尾端端中中间间端

26、端L电容三点式电容三点式C首首端端尾尾端端中中间间端端L1L2电感三点式电感三点式谐振回路的三个引谐振回路的三个引出端与集成运放的出端与集成运放的三个端子三个端子( (同相端、同相端、反相端、输出端反相端、输出端) )相相连连( (指交流连接指交流连接),),其其中两个同性质电抗中两个同性质电抗的公共点与的公共点与同相端同相端相连，而另一个异相连，而另一个异性电抗则连在反相性电抗则连在反相端与输出端之间。端与输出端之间。方法方法1 1仍然由仍然由LCLC并联谐振电并联谐振电路构成选频网络路构成选频网络A.A.若中间点交流接地若中间点交流接地, ,则首端与尾端相位相反。则首端与尾端相位相反。9.

27、3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1. 1. 三点式三点式LCLC并联电路并联电路C1C2首首端端尾尾端端中中间间端端L电容三点式电容三点式C首首端端尾尾端端中中间间端端L1L2电感三点式电感三点式 中间端的瞬时电位一中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。定在首、尾端电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B.B.若首端或尾端交流接若首端或尾端交流接地地, ,则其他两端相位相同。则其他两端相位相同。方法方法2 29.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路9.3.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路Q值越

28、高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1. 频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 5000009.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2. 2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路结构结构极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动

29、机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高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当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。固有频率时，振幅最大。 压电谐振压电谐振9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路等效电路等效电路LCf 21s A. 串联谐振串联谐振特性特性 晶体等效阻抗晶体等效阻抗为纯阻性为纯阻性0p121CCLCf B. 并联谐振并联谐振通常通常0CC 0s1CCf 所以所以很很接接近近与与 psff9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )( 21s0ssCCCff；时时， 0 pssffC sss ffC 时时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC 9.3.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路串联晶体振荡器串联晶体振荡器 并联晶体振荡器并联晶体振荡器 +作业作业P432 - 9.3.1、9.3.2P434 - 9.3.3