第6章正弦波振蕩器

6.1自激振蕩原理6.2RC振蕩器

6.3LC振蕩器

6.1自激振蕩原理

6.1.1振蕩演示在圖6.1所示電路中，把直流電源UCC調到12V，閉合開關S1、S2。用示波器觀察輸出端Uo是一個穩定的正弦波交流信號。這時我們觀察到的振蕩器與前面所講的放大電路不同，放大電路是把輸入端一個較小的交流信號放大成一個較大的交流信號；而振蕩電路在沒有輸入信號的情況下，輸出端將輸出一個交流信號，這種情況稱為自激振蕩。那么振蕩器是怎樣在沒有外加輸入信號的情況下產生自激振蕩的呢？下面具體分析其工作原理。

圖6.1自激振蕩演示電路

6.1.2自激振蕩條件在圖6.2所示電路中，假設將開關S合在2端，就是一個交流電壓的放大電路，當輸入信號電壓為，輸出電壓為，其放大倍數為，那么圖6.2自激振蕩產生

如果將輸出電壓通過反響支路反響到輸入端，反響電壓為，并使=，用反響信號電壓代替輸入信號，這就是將開關合在1端，那么輸出電壓仍保持不變。這時放大電路就轉變成了自激振蕩電路，從而使我們得到了自激振蕩的條件為，這就是自激振蕩的幅值條件和相位條件。

1.幅值條件因為所以(6—2)式中為反響電壓;為輸出電壓;為放大倍數;為反響系數。例如，放大電路的放大倍數A=100，那么反響系數就應為F≥0.01，這樣才能滿足振蕩的幅值條件。2.相位條件因為與同相位,所以假設放大器將輸入信號相移了±180°，那么反響支路必須將輸出信號相移±180°，也就是說為正反響時，才能滿足振蕩的相位條件。(6—3)6.1.3自激振蕩的建立及穩幅問題但凡振蕩電路，均沒有外加輸入信號，那么，電路接通電源后是如何產生自激振蕩的呢？這是由于在電路中存在著各種電的擾動〔如通電時的瞬變過程、無線電干擾、工業干擾及各種噪聲等〕，使輸入端有一個擾動信號。這個不規那么的擾動信號可用傅氏級數展開成一個直流和屢次諧波的正弦波疊加。如果電路本身具有選頻、放大及正反響能力，電路會自動從擾動信號中選出適當的振蕩頻率分量，經正反響，再放大，再正反響，使，即，從而使微弱的振蕩信號不斷增大，自激振蕩就逐步建立起來，如圖6.3所示。圖6.3振蕩電壓的建立

當振蕩建立起來之后，這個振蕩電壓會不會無限增大呢？由于根本放大電路中三極管本身的非線性或反響支路自身輸出與輸入關系的非線性，當振蕩幅度增大到一定程度時，或便會降低，使自動轉變成，振蕩電路就會穩定在某一振蕩幅度。6.1.4正弦波振蕩電路的組成從以上分析可知，一個自激振蕩電路應由以下幾個局部組成：(1)放大電路。放大局部使電路有足夠的電壓放大倍數，從而滿足自激振蕩的幅值條件。(2)正反響網絡。它將輸出信號以正反響形式引回到輸入端，以滿足相位條件。(3)選頻網絡。由于電路的擾動信號是非正弦的，它由假設干不同頻率的正弦波組合而成，因此要想使電路獲得單一頻率的正弦波，就應有一個選頻網絡，選出其中一個特定信號，使其滿足自激振蕩的相位條件和幅值條件，從而產生振蕩。(4)穩幅環節。一般利用放大電路中三極管本身的非線性，可將輸出波形穩定在某一幅值，但假設出現振蕩波形失真，可采用一些穩幅措施，通常采用適當的負反響網絡來改善波形。綜上所述，一個正弦波振蕩電路應當包括放大電路、反響網絡、選頻網絡和穩幅環節四個組成局部。6.2RC振蕩器

RC振蕩器一般工作在低頻范圍內，它的振蕩頻率約為20Hz~200kHz。常用的RC振蕩器有RC橋式和RC移相式振蕩器。6.2.1RC橋式振蕩器1.RC串并聯網絡的頻率特性RC串并聯電路如圖6.4〔a〕所示，在信號頻率很低時，可等效成圖6.4〔b〕電路。在低頻等效電路中，Z1=-jXc1，Z2=R2。低頻時，由于Xc1>>R2，所以。在信號頻率很高時，其等效電路如圖6.4〔c〕所示。在高頻等效電路中，Z1=R1，Z2=-jXc2。高頻時，由于R1>>Xc2，所以。圖6.4RC串并聯網絡及低、高頻率等效電路〔a〕RC串并聯電路;〔b〕低頻等效電路;〔c〕高頻等效電路圖6.4RC串并聯網絡及低、高頻率等效電路〔a〕RC串并聯電路;〔b〕低頻等效電路;〔c〕高頻等效電路在上下頻兩端，都很小，說明在中間某一頻率上會出現最大值，即F=/為最大。又由于低頻時相位超前，而高頻時相位滯后，說明當頻率由低到高變化時，的相位由超前變到滯后，必然有一頻率fo使Uf與Uo同相，即φ=0°。在圖6.4〔a〕中，(6—5)(6—4)從以上分析可知，當f=fo時，，F為最大值,且相角φf=0，即與同相位。正是RC串并聯網絡的這一特點，可用它來作為選頻網絡，同時起到正反響作用。其頻率特性如圖6.5所示。

圖6.5RC串并聯網絡的頻率特性

2.RC橋式振蕩電路分析RC橋式振蕩電路如圖6.6〔a〕所示。根據自激振蕩的條件，φ=φa+Φf=2πn，其中RC串并聯網絡作為反響電路，當f=fo時，φf=0°，所以放大器的相移應為φa=0°，即可用一個同相輸入的運算放大器組成。又因為當f=fo時，F=1/3，所以放大電路的放大倍數A≥3。起振時A>3，起振后假設只依靠晶體管的非線性來穩幅，波形頂部容易失真。為了改善輸出波形，通常引入負反響電路。其振蕩頻率由RC串并聯網絡決定，fo=1/(2πRC)。圖6.6〔b〕為RC橋式振蕩電路的橋式畫法。RC串并聯網絡及負反響電路中的Rf、R′1正好構成電橋四臂，這就是橋式振蕩器名稱的由來。圖6.6RC橋式正弦波振蕩電路〔a〕RC橋式正弦波振蕩電路;〔b〕橋式畫法圖6.6RC橋式正弦波振蕩電路〔a〕RC橋式正弦波振蕩電路;〔b〕橋式畫法6.2.2RC移相式振蕩器1.RC移相選頻原理RC電路具有超前移相或滯后移相兩種，如圖6.7所示。在移相電路中，假設用其中一種移相電路作為反響網絡，至少需三節RC超前或滯后電路串接，才能相移180°，因為一節RC電路最大相移不超過90°。圖6.7RC移相電路〔a〕RC超前移相電路;〔b〕RC滯后移相電路2.RC移相式振蕩電路分析圖6.8所示放大電路為一共射極分壓式偏置放大電路，其輸出電壓與輸入電壓倒相，即：φa=-180°。圖中用三節RC超前移相電路，可使φf=+180°，那么φ=φa+φf=0°，滿足振蕩的相位條件。假設用三節RC滯后移相電路，使其中φf=-180°，即φ=φa+φf=-360°，同樣可滿足振蕩的相位條件。調整放大倍數即可滿足振蕩的幅值條件。RC移相式振蕩器的振蕩頻率為〔6—6〕

圖6.8RC移相式振蕩電路

RC移相式振蕩器的特點是結構簡單、經濟、起振容易、輸出幅度強，但變換頻率不方便，一般適用于單一頻率振蕩場合。6.3LC振蕩器

LC振蕩器是由LC并聯回路作為選頻網絡的一種高頻振蕩電路，它能產生幾十千赫茲到幾百兆赫茲以上的正弦波信號。本節主要介紹變壓器反響式、電感三點式、電容三點式及石英晶體振蕩電路。6.3.1LC并聯諧振的選頻特性圖6.9〔a〕所示為一LC并聯回路，R為回路的等效損耗電阻。在電路中,圖6.9LC并聯電路及頻率特性〔a〕LC并聯電路;〔b〕頻率特性圖6.9LC并聯電路及頻率特性〔a〕LC并聯電路;〔b〕頻率特性圖6.9LC并聯電路及頻率特性〔a〕LC并聯電路;〔b〕頻率特性(6—7)(6—8)Q為品質因數。Q值越大，R值越小，諧振時阻抗值越大，相角隨頻率變化的程度越急劇，說明選頻效果越好。LC并聯電路的頻率特性如圖6.9〔b〕、(c)所示。

6.3.2變壓器反響式LC振蕩電路1.電路組成圖6.10所示為一變壓器反響式LC振蕩電路。圖中，LC并聯回路作為三極管的集電極負載，是振蕩電路的選頻網絡。變壓器反響式振蕩電路由放大電路、反響網絡和選頻網絡三局部組成。電路中三個線圈作變壓器耦合。線圈L與電容C組成選頻電路，L2是反響線圈，與負載相接的L3為輸出線圈。2.振蕩條件及振蕩頻率集電極輸出信號與基極的相位差為180°，通過變壓器的適當連接，使L2兩端的反響交流電壓又產生180°相移，即可滿足振蕩的相位條件。自激振蕩的頻率根本上由LC并聯諧振回路決定。即(6—9)當電路電源接通瞬間，在集電極選頻電路中激起一個很微弱的電流變化信號。選頻電路只對諧振頻率fo的電流，呈現很大阻抗。該頻率的電流在回路兩端產生電壓降，這個電壓降經變壓器耦合到L2，反響到三極管輸入端；對非諧振頻率的電流，LC諧振回路呈現的阻抗很小，回路兩端幾乎不產生電壓降，L2中也就沒有非諧振頻率信號的電壓降，當然這些信號也沒有反響。諧振信號經反響、放大、再反響就形成振蕩。當改變L或C的參數時，振蕩頻率將發生相應改變。圖6.10變壓反響式振蕩電路3.電路特點變壓器反響式振蕩電路的特點是電路結構簡單，容易起振，改變電容大小可方便地調節振蕩頻率。在應用時要特別注意線圈L2的極性，否那么沒有正反響，無法振蕩。6.3.3電感三點式LC振蕩器1.電路結構圖6.11所示為電感三點式LC振蕩器，圖〔a〕是用晶體管作放大電路;圖〔b〕是用運放作放大電路。特點是電感線圈有中間抽頭，使LC回路有三個端點，并分別接到晶體管的三個電極上〔交流電路〕，或接在運放的輸入、輸出端。2.振蕩條件及頻率在圖6.11〔a〕中，用瞬時極性法判斷相位條件，假設給基極一個正極性信號，晶體管集電極得到負的信號。在LC并聯回路中，1端對“地〞為負，3端對“地〞為正，故為正反響，滿足振蕩的相位條件。振蕩的幅值條件可以通過調整放大電路的放大倍數Au和L2上的反響量來實現。該電路的振蕩頻率根本上由LC并聯諧振回路決定。式中，L=L1+L2+2M。圖6.11電感三點式LC振蕩器〔a〕放大局部為晶體管;〔b〕放大局部為運算放大器圖6.11電感三點式LC振蕩器〔a〕放大局部為晶體管;〔b〕放大局部為運算放大器3.電路特點電感三點式LC振蕩電路，由于L1和L2是由一個線圈繞制而成的，耦合緊密，因而容易起振，并且振蕩幅度和調頻范圍大，使得高次諧波反響較多，容易引起輸出波形的高次諧波含量增大，導致輸出波形質量較差。

6.3.4電容三點式LC振蕩器1.電路組成圖6.12所示為電容三點式LC振蕩電路。電容C1、C2與電感L組成選頻網絡，該網絡的端點分別與三極管的三個電極或與運放輸入、輸出端相連接。圖6.12電容三點式LC振蕩器〔a〕放大局部為晶體管;〔b〕放大局部為運算放大器圖6.12電容三點式LC振蕩器〔a〕放大局部為晶體管;〔b〕放大局部為運算放大器2.振蕩條件和振蕩頻率以圖6.12(b)為例，用瞬時極性法判斷振蕩的相位條件。假設反相輸入端為正極性信號，LC網絡的1端點產生負極性信號;3端點相應為正極性信號，從而構成正反響形式，滿足相位條件〔反響電壓〕。幅值條件如前所述，其振蕩頻率為(6—11)式中，C=C1·C2/(C1+C2)。3.電路特點由于反響電壓取自C2，電容對高次諧波容抗小，反響中諧波分量少，振蕩產生的正弦波形較好，但這種電路調頻不方便，因為改變C1、C2調頻的同時，也改變了反響系數。為了克服上述缺點，常采用圖6.13所示的選頻網絡，其中圖(a)電路的振蕩頻率為(6—12a)式中，C′為C1、C2與C3相串聯后的等效電路，但一般情況C1>>C′，C2>>C′，所以C′≈C3。圖(b)電路的振蕩頻率為式中，C″=C1×C2/(C1+C2)+C3。三端式振蕩器選頻網絡由三局部電抗組成，有三個端子對外，分別接在三極管的三個極上或集成運放的兩個輸入端和輸出端上。用三極管作放大器時，從發射極向另外兩個極看，應是同性質的電抗，而集電極與基極間應接與上述兩電抗性質相反的電抗。用集成運放作放大器時，從同相輸入端向反相入端及輸出端看去時，應是同性質的電抗，反相輸入端和輸出端之間的電抗應是與上述兩電抗性質相反的電抗。(6—12b)6.3.5石英晶體振蕩電路有些電路要求振蕩頻率的穩定性非常高〔如無線電通信的發射機頻率〕。其Δf/fo達10-8~10-10數量級，用前面所討論的電路很難實現這種要求。采用石英晶體振蕩器，那么可以滿足這樣高的穩定性。其外形及結構如圖6.14所示。圖6.14石英晶體外形及結構圖〔a〕石英晶體外形圖；〔b〕石英晶體結構圖1.石英晶體的特性及等效電路石英晶體之所以能做成諧振器是基于它的壓電效應。假設在晶片兩面施加機械力，那么沿受力方向產生電場，晶片兩側產生異性電荷。假設在晶片兩面加一交變電場，晶片就會產生機械振動。當外加電場的頻率等于晶體的固有頻率時，機械振動幅值明顯加大，這種現象稱為“壓電效應〞。由于石英晶體的這種特性，可以把它的內部結構等效成如圖6.15〔a〕所示的等效電路。圖6.15石英晶體的等效電路、頻率特性及符號(a)等效電路；(b)頻率特性；(c)符號由等效電路可知，石英晶體振蕩器應有兩個諧振頻率。在低頻時，可把靜態電容Co看作開路。假設f=fs時，L、C、R串聯支路發生揩振，XL=XC，它的等效阻抗Zo=R，為最小值串聯諧振頻率為(6—13)