第六节 正弦波振荡电路 第六节 正弦波振荡电路

一、正弦振荡的平衡条件 一、正弦振荡的平衡条件

二、 RC 正弦波振荡电路 二、 RC 正弦波振荡电路

三、 LC 正弦波振荡电路 三、 LC 正弦波振荡电路

四、石英晶体振荡器 四、石英晶体振荡器

本节重点讨论利用正反馈构成正弦波振荡电路的相位平衡条件和幅值平衡条件， RC 、 LC正弦波振荡电路的组成及工作原理。

电 子

一、正弦振荡的平衡条件 一、正弦振荡的平衡条件

×+

+iUiX dX oX oU

A

FfX

fid XXX

0i

X

电路将输出一个稳定的正弦波。

fX

d,X

图中 如果

而且 幅度相等且相位相同时，

由此知，振荡条件振荡条件为：df XX

而由以上方框图可得：

of UFX d0 XAU

由此产生正弦波振荡的条件产生正弦波振荡的条件为：

1FA

第六节

×+

+iUiX dX oX oU

A

FfX

正弦波振荡的条件正弦波振荡的条件：

1FA

此式可分解为：

(1) 幅度平衡条件

(2) 相位平衡条件

1FA

),2,1,0(2FA nn

电路的回路增益等于 1 ，相移为 2π 的整数倍，反馈网络必须是正反馈。

注意注意注意注意 振荡电路达到并维持稳幅振荡的条件，满足这一条件并不能使电路起振。1FA

1FA

第六节

起振条件起振条件起振条件起振条件

振荡电路初始信号的由来振荡电路初始信号的由来

电路中出现微小的扰动例如接通电源接通电源所产生的电流冲击所产生的电流冲击，或者电子元件内部产生的噪电子元件内部产生的噪声电压声电压，都可以成为振荡电路的初始信号。

这些扰动信号包含有很宽的频率成分，但只有 f=f0 的频率满足相位平衡条件。

振荡电路具有“选择频率”的特性。振荡电路的组成除了必须有放大、反馈两部分外，还必须有“选频网络”。接下来，我们讨论正弦正弦波电路的组成波电路的组成。

第六节

正弦波振荡器的电路组成正弦波振荡器的电路组成

基本电路组成：

(1) 放大电路放大电路：保证放大信号，并向电路提供能量。

(2) 反馈网络反馈网络：引入正反馈，使之满足相位和幅度平衡条件。

(3) 选频网络选频网络：选择某一频率，满足起振条件，保证输出为单一

频率的正弦波信号。(4) 稳幅措施的电路稳幅措施的电路：保证正弦波振荡器输出具有稳定幅度的正

弦波信号。

第六节

判断是否振荡的方法：

(1)是否具有正弦波振荡电路的几个基本组成部分 ,

是否满足相位条件，电路是否为正反馈。(2) 放大电路的结构是否合理，有无放大能力，

静态工作点是否合适。(3) 是否满足幅度条件，检验 FA

①

②

③

1FA

1FA

1FA

不可能振荡。

能振荡，但输出波形明显失真。

能振荡，稳定后 1FA

加上稳幅措施，振荡稳定 , 输出波形失真小。

第六节

正弦波振荡器的分类正弦波振荡器的分类

按选频网络的元件类型 ：

第六节

一、 RC 正弦波振荡电路 一、 RC 正弦波振荡电路

二、 LC 正弦波振荡电路 二、 LC 正弦波振荡电路

三、石英晶体振荡器 三、石英晶体振荡器

二、 RC 正弦波振荡电路

二、 RC 正弦波振荡电路

( 一 )RC 串并联电路的频率特性

+

-

+

-

U 1

U 2

C1

R1

R2 C 2

定性分析

①当信号频率足够低时 22

11

1,

1R

CR

C

超前 , 电路近似等效为：

+

-

+

-

U 1

U 2

C1

R2

②当信号频率足够高时 22

11

1,

1R

CR

C

滞后 , 电路近似等效为：

+

-

+

-

U 1

U 2

C2

R1

结论

超前网络

滞后网络

在高频与低频之间存在一个频率 fo ，其相位关系即不是超前也不是滞后，输出电压 与输入电压 相位一致。2U 1U

第六节

1U 2U

1U 2U

定量分析

+

-

+

-

U 1

U 2

C1

R1

R2 C2

22

2

11

22

2

22

11

22

1

2

j1j1

j1

j1

//j

1

j

1//

CRR

CR

CR

R

CR

CR

CR

U

U

整理后得

1221

2

1

1

21

2

1j1

1

CRCR

R

R

C

CU

U

通常取 R1=R2=R,C1=C2=C 则

o

o

1

2

j3

1

U

U 其中

RC

1o

即RC

f2

1o

幅频特性 2

o

o

21

2

3

1

U

U 相频

特性

o

o3

1arctan

第六节

幅频特性

RC/1o

相频特性

o

o3

1arctan

可见，当 时 达到最大值，且等于 1 ／ 3 ，而相移

12 /UU

3/1

0 0

0

o90

o90

12 /arg UU

2

o

o

21

2

3

1

U

U

1

2

U

U

0

第六节

( 二 )RC 串并联桥式振荡电路

其放大电路为同相比例电路。反馈网络和选频网络由串并联电路组成。

-+

AU o

C1

R1

C2 R2

R'

2

R'

1

12 /UU 3/1

10

1.0 10

o90

o90

0

o0

1.0 110

相位条件 由 RC 串并联网络的选频特性知

RC/1o 0, F

放大器相移 )360(0 ooA 或

放大电路选用同相输入方式的集成运放或两级共射分立元件放大电路等。

起振条件 1FA

o

o

o

f

j3

1

U

UF

31

1

f R

RA

第六节

稳幅措施

利用二极管和稳压管的非线性特性、场效应管的可变电阻特性及热敏电阻元件的非线性特性，自动地稳定振荡器输出的幅度。

两种使用热敏电阻的方法：两种使用热敏电阻的方法：1. 选择负温度系数的热敏电阻作为反馈电阻 Rf ， Rf 功耗增大

oU

它的温度上升 Rf 阻值下降 放大倍数下降

输出电压

oU 下降。 2. 选择正温度系数的热敏电阻作为反馈电阻 Rf ，

RC 振荡电路形式 (1) 串并联网络式 (2) 移相式

(3) 双 T 网络式

RC 振荡电路特点 1. 振荡频率取决于 RC 乘积，要求振荡频率较高时， RC 值必然很小。2. 普通集成运放带宽较窄，限制了振荡

频率的提高。3. 工作频率低，在 1MHz 以下。

幅值增加

第六节

三、 LC 正弦波振荡电路

( 一 )LC 并联电路的频率特性

C L

R

A

B

LC 正弦波振荡电路是以 LC 谐振电路作为选频网络的振荡电路，常用来产生频率比较高的振荡。

CLR

CL

CLR

LC

LRC

LRC

Z

1j

1j

jj

1

jj

1

jj

1

CL

oo

1

LC

1o

LCf

2

1o fo 称为谐振频率

谐振时回路等效阻抗呈现纯阻抗性质，且达到最大值，称为谐振阻抗 Z

C

L

RCRR

LQ

11

o

0

Q 值称为品质因数，它是 LC 并联回路的重要指标。

第六节

Q 的物理意义

谐振电路在工作过程中所储藏的能量（储藏在电抗中）与消耗的能量（消耗在电阻中）之比。损耗电阻 R 越小， Q 值越大， Q 的典型值约为几十到几百。

LC 并联回路谐振时的输入电流为LQ

U

Z

UI

oo

流过电感的电流为L

UI

oL

所以 IQI L

通常 Q>>1 所以 III LC

谐振时， LC 并联回路的回路电流比输入电流大得多，此时谐振回路外界的影响可忽略。

结论 谐振时 |Z|值最大 ,

0 。 Q 值越大， |Z|曲线越尖，曲线在 ωo附近越陡，选频特性越好，组成振荡器时，频率稳定性越好。

第六节C

L

RCRR

LQ

11

o

0

频率特性

Z

1Q

0f f

2Q

0f

o90

o90

1Q

2Q

利用 LC并联谐振回路组成的振荡器 ,其选频网络常常就是放大器的负载。放大电路的增益具有选频特性。在谐振时 ,LC电路呈现纯电阻性 , 对放大电路相移 的分析与电阻负载时相同。

A

第六节

Q1 > Q2

( 二 ) 变压器反馈式振荡电路

振荡电路的放大环节采用特征频率高的分立的晶体管来实现，避免采用运放组件。产生频率较高的正弦波。

CRb2

V cc

L1 L2

C1

Rb1

ReCe

RLL3

变压器的原边绕组 L1 和副边绕组 L2各有一端交流接地，其它两端的相位关系是：

若互为同名端，则相位相同。若互为同名端，则相位相同。

若互为异名端，则相位相反。若互为异名端，则相位相反。

这个电路的反馈是通过 L1 和 L2 之间的变压器耦合来实现的。

第六节

反馈极性的判断

CRb2

V cc

L1 L2

C1

Rb1

ReCe

RLL3

(1) 在反馈信号的引入处假设一个输入信号的瞬时极性，将反馈先断开。

(+)

(2)依次判别出电路各处的电压极性。

(-)

(+)

(+)fU

如果反馈电压输入信号的极性一致 , 则为正反馈 , 且满足相位条件的要求。如不满足 , 可十分方便的改变变压器同名端的连接 ,使之满足振荡器的相位条件 .

的极性与假设fU

起振的振幅条件

if UU 只要变压器的匝数比设计恰当，一般都可满足。

振荡频率CL

f1

o2

1

CL1

o

1

第六节

稳幅措施

LC正弦波振荡电路的稳幅措施是利用放大电路的非线性实现的。

第六节

( 三 ) 三点式振荡电路

LC 并联谐振电路三个端子分别接至晶体管的 e, b, c 上，满足相位平衡条件和振幅平衡条件，这样组成的振荡电路称为三点式振荡电路。

CL

L1

L2 C2

1

2

3

1

2

3

C1

第六节

振荡频率：

CMLL )2(

1

21

o

1. 1. 电感三点式电感三点式

C RLL1

L2

M

Ce

Rb2V cc

C1 Rb1

Re

1

2

3一、分析相位条件瞬时极性法

电感三点式正弦波振荡电路中，电电感三点式正弦波振荡电路中，电感的首端、中间抽头、尾端三点中感的首端、中间抽头、尾端三点中通常有一点交流接地（直接或对于通常有一点交流接地（直接或对于交流信号而言是接地的），因此对交流信号而言是接地的），因此对于并联谐振频率而言，电感三个端于并联谐振频率而言，电感三个端点的相位关系有以下两种情况。点的相位关系有以下两种情况。

① 若电感的中间抽头交流接地，则首端与尾端的相位相反。② 若电感的首端与尾端交流接地，则电感其他两个端点的相位相同。

反馈流向

(+)

(-)

(+)

电感中间抽头交流接地，故1端与3端相位相反。

反馈是从电感 L2端 (1端 )接回到基极中去的，所以称为电感三点式振荡电路，也叫哈特来电路。

第六节

二、幅值条件 电感三点式正弦波振荡电路幅值条件很容易满足。只要满足相位条件，即可起振。

三、振荡频率

正弦波振荡电路振荡频率为

CLf

2

1o

MLLL 221 是谐振回路的等效电感。

M 是绕组 N1 与 N2 之间的互感。

CL

1o

第六节

C RLL1

L2

M

C e

Rb2V cc

C1 Rb1

Re

1

2

3

2. 2. 电容三点式电容三点式

Ce

Rb2

Cb Rb1

Re

LC2

1

2

3

C1

RL

V cc

L

Rc

反馈是从电容反馈是从电容 CC22 的下端的下端 (1(1 端端 ))接回到基极中去的，所以接回到基极中去的，所以称为电容三点式振荡电路，也叫考毕兹电路。称为电容三点式振荡电路，也叫考毕兹电路。

一、分析相位条件

(+)

(-)

(+)

由瞬时极性法判断可见满足相位条件。

二、幅值条件电路参数合适，便可满足幅值条件。

三、振荡频率

21

21

o

11

CCCC

LLC

21

21

o

2

1

CCCC

L

f

第六节

四、电路特点

(1) 电容三点式电路由于其反馈电压取自电容电容三点式电路由于其反馈电压取自电容 CC22 ，反馈，反馈电压中高次谐波分量较小，从而输出波形较好。电压中高次谐波分量较小，从而输出波形较好。

(2) 电容三点式电路的反馈系数决定于两个电容容抗的电容三点式电路的反馈系数决定于两个电容容抗的比值比值 ((FF==XXC2C2//XXC1C1))，调节振荡频率，电容三点式电路反馈系数，调节振荡频率，电容三点式电路反馈系数就会随着频率改变而改变。电感三点式则没有这个问题。就会随着频率改变而改变。电感三点式则没有这个问题。

五、改进电路

C e

Rb2

C b Rb1

Re

C2

C1

V cc

RL

Rc

C3

L改变 C3电容量，从而改变电路的振荡频率

改变 C3，可改变电路的振荡频率。但不影响 C1和 C2的比值，不影响反馈系数。 这个电路的频率调节范围较小。

第六节

注意

1.首先通过直流通路检查 LC 振荡电路，确保晶体管正常工作所必需的直流工作条件。

2.把谐振回路中的电容与作为耦合或旁路的电容区分开。

3. 用瞬时极性法判断是否满足相位平衡条件，判断各点在同一瞬时对地的极性。

4. 振幅平衡条件，只要放大器有一定的放大倍数，通常是可以满足的。

第六节

四、石英晶体振荡器

( 一 ) 石英晶体的压电效应及其等效电路

石英晶体是一种各向异性的结晶体，化学成分是二氧化硅 (SiO2) 。从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片称为晶片，在晶片的两个对应表面上涂敷银层并装上一对金属板，就构成石英晶体产品，用金属或玻璃壳封装。

压电效应

若在石英晶片两极加一电压，晶片就会产生机械变形。相反，若在晶片上施加机械压力，则在晶片相应方向上会产生一定电压。

压电谐振 晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常小，在外加某一特定频率交变电压时，振幅才明显加大。

第六节

符号和等效电路

A

B

石英晶体

金属夹板 A

B

Co

LCR

电路中 L 、 C 、 R 和 Co 等参数决定于晶片的几何尺寸和切割方式。故电路的谐振频率十分稳定。

第六节

振荡频率A

B

Co

LCR

石英晶体有两个振荡频率，当 L、 C、 R 支路发生谐振时，它的等效阻抗最小（等于 R）。串联谐振频率为：

LCf

2

1s

当频率高于 fs时， L、 C、 R 支路呈感性，可与电容 Co发生并联谐振，并联谐振频率为：

os

o

o

p 1

2

1

C

Cf

CCCC

L

f

由于 C<<Co ，因此 fs 和 fP 非常接近。

电抗－频率特性曲线图sf Pf

X

0 f

当 f在 fs和 fP之间时，石英晶体呈感性，其余频率成电容性。

第六节

( 二 ) 石英晶体振荡电路

石英晶体振荡电路可以归结为两类：

并联式 石英晶体的阻抗呈电感性，与外接电容器构成并联谐振，振荡频率在 fs 和 fP

之间。例-

+

C 2

C1 C s

晶体

振荡频率由谐振回路的参数 C1、 C2、 Cs和石英晶体的等效电感 Leq决定。由于 C1>>Cs,C2>>Cs,所以振荡频率主要取决于石英晶体与 Cs的谐振频率，谐振频率很稳定。

呈感性

电容三点式

第六节

串联式 石英晶体的阻抗呈电阻性，石英晶体的阻抗呈电阻性，发生串联谐振，振荡频率等于发生串联谐振，振荡频率等于 ffss 。。

-

+

C1

R1

R2

uo

晶体置于正反馈中，工作于串联谐振，反馈最强，易于振荡。

作为电压比较器

输出方波输出方波

同相输入端同相输入端为正弦波为正弦波

频率为串联谐振频率 fs。

第六节