第六章集成功率放大電路第七章正弦波振蕩電路7.17.2正弦波振蕩電路概述LC振蕩電路7.3RC振蕩電路01正弦波振蕩電路概述一、正弦波振蕩電路簡介正弦波振蕩電路是用來產生一定頻率和幅度的正弦交流信號的電子電路。它的頻率范圍可以從幾赫茲到幾百兆赫茲,輸出功率可能從幾毫瓦到幾十千瓦。廣泛用于各種電子電路中。正弦波振蕩電路用來產生一定頻率和幅值的正弦交流信號。它的頻率范圍很廣，可以從一赫茲以下到幾百兆赫茲以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉換而來的。主要應用在無線電通訊、廣播電視，工業上的高頻感應爐、超聲波發生器、正弦波信號發生器、半導體接近開關等方面。常用的正弦波振蕩器分為：1.LC振蕩電路：輸出功率大、頻率高。2.RC振蕩電路：輸出功率小、頻率低。3.石英晶體振蕩電路：頻率穩定度高。二、振蕩電路框圖圖7.1正反饋放大電路的方框圖在放大器的輸入端存在下列關系：Xi=Xs+Xf其中Xi為凈輸入信號，且及，則正反饋放大器的閉環增益，最后得到：

（7.1）（7.2）三、自激振蕩1、自激振蕩的定義：在放大電路中，輸入端接有信號源后，輸出端才有信號輸出。如果一個放大電路當輸入信號為零時，輸出端有一定頻率和幅值的信號輸出，這種現象稱為放大電路的自激振蕩。圖7.2自激振蕩方框圖在正反饋放大電路中，如果滿足條件|1-AF|=0（或AF=1），則在圖7.1中如果有很小的信號Xs輸入，便可以有很大的信號Xo=AfXs輸出。如果使反饋信號與凈輸入信號相等，即Xf=Xi，那么可以不外加信號Xs而用反饋信號Xf取代輸入信號Xi。仍能確保信號的輸出，這時整個電路就成為一個自激振蕩電路，自激蕩器的方框圖就可以繪成如圖7.2所示的形式。2、自激振蕩的條件：當AF=1自激振蕩可維持振蕩。AF=1即為自激振蕩的平衡條件，其中A和F都是頻率的函數，可用復數表示為

和，則，即：

式（7.3）稱為自激振蕩的振幅平衡條件。幅度條件表明反饋放大器要產生自激振蕩，還必須有足夠的反饋量（可以通過調整放大倍數A或反饋系數F達到）。式（7.4）稱為自激振蕩的相位平衡條件。相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋。

（7.3）

（7.4）綜上所述，振蕩器就是一個沒有外加輸入信號的正反饋放大器，要維持等幅自激振蕩，放大器必須滿足振幅平衡條件和相位平衡條件。上述振蕩條件如果僅對某一單一頻率成立時，則振蕩波形為正弦波，稱為正弦波振蕩器。三、正弦波振蕩電路基本構成1.基本放大電路：提供足夠的增益，且增益的值具有隨輸入電壓增大而減少的變化特性。2.反饋網絡：它的主要作用是形成正反饋，以滿足相位平衡條件。3.選頻網絡：它的主要作用是實現單一頻率信號的振蕩。在構成上，選頻網絡與反饋網絡可以單獨構成，也可合二為一。很多正弦波振蕩電路中，選頻網絡與反饋網絡在一起，選頻網絡由LC電路組成稱為LC正弦波振蕩電路，由RC正弦波振蕩電路，由石英晶體組成稱石英晶體正弦波振蕩電路。4.穩幅環節：引入穩幅環節可以使波形幅值穩定，且波形的形狀良好。判斷電路能否產生振蕩的分析方法：（1）檢查電路是否滿足以上幾個組成部分；（2）檢查放大電路是否正常工作；（3）將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件；（4）分析是否滿足振蕩產生的幅度條件，一般AF應略大于1。四、振蕩電路的起振過程振蕩電路剛接通電源時，電路中會出現一個電沖擊，從而得到一些頻譜很寬的微弱信號，它含有各種頻率的諧波分量。經過選頻網絡的選頻作用，使f=f0的單一頻率分量滿足自激振蕩條件，其他頻率的分量不滿足自激振蕩條件，這樣就將f=f0的頻率信號從最初信號中挑選出來。在起振時，除滿足相位條件（即正反饋）外，還要使AF>1，這樣，通過放大→輸出→正反饋→放大的循環過程，f=fo的頻率信號就會由小變大，其他頻率信號因不滿足自激振蕩條件而衰減下去。振蕩就建立起來。由于晶體管的特性曲線是非線性的，當信號幅度增大到一定程度時，電壓放大倍數Au就會隨之下降，最后達到AF=1，振蕩幅度就會自動穩定在某一振幅上。從AF>1到AF=1過程，就是振蕩電路看激振蕩的建立與穩定的過程。02LC振蕩電路LC振蕩電路的選頻電路由電感和電容構成，可以產生高頻振蕩（幾百千赫以上，運放價格較高，使用較少）。本節對LC振蕩電路的結構和工作原理作簡單介紹。采用LC諧振網絡作選頻網絡的振蕩電路稱為LC振蕩電路。LC振蕩電路通常采用電壓正反饋。按反饋電壓取出方式不同，可分為變壓器反饋式、電感三點式、電容三點式，三種典型電路。三種電路的共同特點是采用LC并聯諧振回路作為選頻網絡。一、LC回路的頻率特性（a）LC并聯回路

（b）LC并聯回路幅頻特性

（c）LC并聯回路相頻特性圖7.3LC并聯回路及其頻率特性（Q1>Q2）一個LC并聯回路如圖7.3（a）所示，其中R表示電感線圈和回路其他損耗總的等效電阻。其幅頻特性和相頻特性如圖7.3（b）和圖7.3（c）所示。當LC并聯回路發生諧振時，諧振頻率為：電路阻抗Z達到最大，其值為：上式中Q為回路品質因數，其值為：由圖7.3（b）和圖7.3（c）可知，當外加信號頻率f等于LC回路的固有頻率f0（f=f0）時，電路發生并聯諧振，阻抗Z達到最大值Z0，相位角=0，電路呈純電阻性，當f偏離f0時由于Z將顯著減小，φ不再為零，在f<f0時，電路呈感性；f>f0時，電路呈容性，利用LC并諧振時呈高阻抗這一特點，來達到選取信號的目的，這就是LC并聯諧振回路的選頻特性。可以證明品質因數越高，選擇性愈好，但品質因數過高，傳輸的信號會失真。因此，采用LC諧振回路作為選頻網絡的振蕩電路，只能輸出f=f0的正弦波，其振蕩頻率為：當改變LC回路的參數L或C時，就可改變輸出信號的頻率。二、變壓器反饋式振蕩電路在變壓器反饋振蕩電路中，其諧振回路接在共發射極電路的集電極的稱為共射調集振蕩電路，類似的還有共射調基振蕩電路和共基調射振蕩電路。下面以共射調集變壓器反饋式LC振蕩電路為例進行分析。1、電路組成：圖7.4變壓器反饋式振蕩電路圖7.4電路就是共射調集變壓器反饋式LC振蕩電路，它由放大電路、LC選頻網絡和變壓器反饋電路三部分組成。線圈L與電容C組成的并聯諧振回路作為晶體管的集電極負載，起選頻作用，由變壓器副邊繞組來實現反饋，所以稱變壓器反饋式LC正弦波振蕩電路，輸出的正弦波通過L1耦合給負載，Cb為基極耦合電容。2、振蕩的建立與穩定首先按圖7.4所示反饋線圈L2的極性標記，根據同名端和用“瞬時極性法”判別可知，符合正反饋要求，滿足振蕩的相位條件。其次，當電源接通后瞬間，電路中會存在各種電的擾動，這些擾動都是具有諧振回路兩端產生較大的電壓，通過反饋線圈回路送到放大器的輸入端進行放大。經放大和反饋的反復循環，頻率為f0的正弦電壓的振幅就會不斷地增大，于是振蕩就建立起來。由于晶體管的輸出特性是非線性的，放大器增益將隨輸入電壓的增大而減小，直到AF=1，振蕩趨于穩定，最后電路就穩定在某一幅度下工作，維持等幅振蕩。3、振蕩頻率三、電感三點式振蕩電路三點式振蕩電路有電容三點式電路和電感三點式電路，它們的共同點是諧振回路的三個引出端點與三極管的三個電極相連接（指交流通路），其中，與發射極相接的為兩個同性質電抗，與集電極和基極相接的是異性質電抗。這種規定可作為三點式振蕩電路的組成法則，利用這個法則，可以差別三點式振蕩電路的連接是否正確。1.電路組成圖7.5電感三點式振蕩電路電感三點式振蕩電路，也稱為哈脫萊振蕩電路。由放大電路、選頻網絡和正反饋回路組成。選頻網絡是由帶中間抽頭的電感線圈L1、L2與電容C組成，將電感線圈的三個端點（首端、中間抽頭和尾端）分別與放大電路相聯。對交流通路而言，電感線圈的三個端點分別與三極管的三個極相聯，其中與發身極相接的是L1和L2。線圈L2為反饋元件，通過它將反饋電壓送到輸入端。C1、C2及Ce對交流視作為短路。2.振蕩的相位平衡條件根據“瞬時極性法”和同名端差別可知，當輸入信號瞬時極性為+時，經過三極管倒相輸出為

，即=180°，整個閉環相移 =360°，即反饋信號與輸入信號同相，電路形成正反饋，滿足相位平衡條件。3振蕩的振幅平衡條件只要晶體三極管的β值足夠大，該電路就能滿足振蕩的振幅平衡條件。L2越大，反饋越強，振蕩輸出越大，電路越容易起振，只要求用較小β的晶體管就能夠使振蕩電路起振。4.振蕩頻率（7.10）式（7.10）中M為耦合線圈的互感系數。通過改變電容C可改變輸出信號頻率。5.電路優缺點（1）電路較簡單，易聯接。（2）耦合緊，同名端不會接錯，易起振。（3）采用可變電容器，能在較寬范圍內調節振蕩頻率，振蕩頻率一般為幾十赫茲至幾十兆赫茲。（4）高次諧波分量大，波形較差。四、電容三點式振蕩電路1.電路組成圖7.6電容三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路又稱為考畢茲電路，電路如圖7.6所示，反饋電壓取自C1、C2組成的電容分壓器。三極管T為放大器件，Rb1、Rb2、Rc、Re用來建立直流通路和合適的工作點電壓，Cb為耦合電容，Ce為旁路電容，L、C1、C2并聯回路組成選頻反饋網絡。與電感三點式振蕩電路的情況相似，這樣的聯接也能保證實現正反饋，產生振蕩。2.振蕩頻率（7.11）3.電路優缺點（1）反饋電壓從電容C2兩端取出，頻率越高，容抗越小，反饋越弱，減少了高次諧波分量，從而輸出波形好，頻率穩定性也較高。（2）振蕩頻率較高，可達100MHz以上。（3）要改變振蕩頻率，必須同時C1和C2調節不方便，并將導致振蕩穩定性變差。4.改進型電容三點式振蕩電路為了方便地調節電容三點式振蕩電路的振蕩頻率，通常在線圈L上串聯一個容量較小的可變電容C3，電路如圖7.7所示。圖7.7改進型電容三點式振蕩電路03RC振蕩電路LC振蕩電路的振蕩頻率過低時，所需的L和C就很大，這將使振蕩電路結構不合理，經濟不合算，而且性能也變壞，在幾百千赫茲以下的振蕩電路常采用RC振蕩電路。由RC元件組成的選頻網絡有RC稱相型，RC串并聯型，RC雙T型等結構。這里主要介紹RC串并聯型網絡組成的振蕩電路，即RC橋式正弦波振蕩電路。一、RC串并聯型網絡的選頻特性（a）RC串并聯回路

（b）RC串并聯回路幅頻特性

（c）RC串并聯回路相頻特性圖7.8RC串并聯回路及其頻率特性RC橋式電路如圖7.8所示，設R1=R2=R，C1=C2=C，則因此反饋系數為：（7.12）令

，即

，則式（7.12）可寫為：（7.13）其頻率特性曲線如圖7.8（b）、圖7.8（c）所示。從圖中可看出，當信號頻率f=f0時，uf與u0同相，且有反饋系數

為最大。二、RC橋式振蕩電路的起振條件同相放大器的輸出電壓

與輸入電壓

同相，即

，從分析RC串并聯網絡的選頻特性知，當輸入RC網絡的信號頻率

f=f0時，

與同相，即，整個電路的相移

，即為正反饋，滿足相位平衡條件。放大器的放大倍數

，從分析RC串聯網絡的選頻特性知，在R1=R2=R，C1=C2=C的條件下，當f=f0時，反饋系數F=1/3達到最大，此時，只要放大器的電壓放大倍數略大于連（即Rf≥2R），就能滿足AF＞1的條件，振蕩電路能自行建立振蕩。3.穩幅方法根據振蕩幅度的變化來改變負反饋的強弱是常用的自動穩幅措施。如圖7.10所示電路就是一個穩幅的文氏振蕩電路。圖中R1、R2、C1、C2構成正反饋選