正弦波振荡器

**大学 正弦波振荡器 1 正弦波振荡器 本文重点 1．了解调谐放大器的电路结构、工作特点及工作原理。 2．理解正弦波振荡电路的工作原理、振荡条件。 3．掌握变压器耦合及三点式LC振荡电路的工作原理及振荡频率。 4．了解石英晶体振荡电路。

本文难点 1．调谐放大器的选频能力。 2．正弦波振荡电路的振荡条件。

1 正弦波振荡器的基本知识 正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。 .1 自激振荡的工作原理 LC回路中的自由振荡 如图5 2.1(a)所示。 自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。 阻尼振荡——因损耗等效电阻R将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。图6.2.1(b)所示。 等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，图6.2.1(c)所示。这种等幅正弦波振荡的频率称为LC回路的固有频率，即

LCf210 (5.2.1)

图5 2.1 LC回路中的电振荡 一、自激振荡的条件 振荡电路如图5.2.2所示。 振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。 **大学 正弦波振荡器 2 1．相位平衡条件 反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180的偶数倍，即 2n (5.2.2)

其中， 为vf与vi的相位差，n是整数。vi、vo、vf的相互关系参见图6.2.3。 2.振幅平衡条件 反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即 AVF1     (5.2.3)

图5.2.2 变调谐放大器为振荡器 图5.2.3 自激振荡器方框图 三、自激振荡建立过程 自激振荡器：在图5.2.2中，去掉信号源，把开关S和点“2”相连所组成的电路。 自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号vi，振荡管V产生集电极电流iC，因iC具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。经LC并联电路选出频率为f0的信号，由输出端输出vo，同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降低到AVF1时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡。如图5.2.4所示。 [例5.2.1] 判断图5.2.5(a)所示电路能否产生自激振荡。 解 (1) 振幅条件：因V基极偏置电阻Rb2被反馈线圈Lf短路接地，使V处于截止状态，故电路不能起振。 (2) 相位条件：采用瞬时极性法，设V基极电位为“正”，根据共射电路的倒相作用，可知集电极电位为“负”，于是L同名端为“正”，根据同名端的定义得知，Lf同名端也为“正”，则反馈电压极性为“负”。显然，电路不能自激振荡。 如果把图5.2.5(a)改成图(b)。因隔直电容Cb避免了Rb2被反馈线圈Lf短路，同时反馈电压极性为“正”，电路满足振幅平衡和相位平衡条件，所以电路能产生自激振荡。

图5.2.4 振荡的建立过程 **大学 正弦波振荡器 3 图5.2.5 自激振荡的判别 图5.2.6 共发射极变压器耦合振荡器 2 LC振荡器 一、变压器耦合式LC振荡器 电路特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。常用的有以下两种。 1．共发射极变压器耦合LC振荡器 (1) 电路结构 如图5.2.6(a)所示。图中V为振荡放大管，电阻R1、R2、R3为分压式稳定工作点偏置电路，C1、C2为旁路电容，LC并联回路为选频振荡回路，L3-4为反馈线圈，L7-8为振荡信号输出端，电位器RP和电容C1组成反馈量控制电路。 (2) 工作原理 交流通路如图5.2.6(b)所示。对频率ff0的信号，LC选频振荡回路呈纯阻性，此时ov和vf，反相，即φ1180º。输出电压vo再通过反馈线圈L3-4，使4端为正电位，即fv与ov的

φ2180º。于是36018018021，保证了正反馈，满足了相位条件。如果电

路具有足够大的放大倍数，满足振幅条件，电路就能振荡。调节RP可改变输出幅度。 2．共基极变压器耦合LC振荡器 (1) 电路结构 如图5.2.7(a)所示。图中V为振荡放大管，电阻R1、R2、R3为分压式稳定工作点偏置电路，C1为基极旁路电容，C2为隔直耦合电容，L2

为反馈线圈，L与C串联组成选频振荡电路。

(2) 工作原理 交流通路如图5.2.7(b)所示。接通电源瞬间，LC回路振荡电压加到管子基射之间，形成输入电压，经V放大后，输出信号经反馈线圈 图5 2.7 共基极变压器耦合振荡电路 **大学 正弦波振荡器 4 L2与L之间的互感耦合反馈到管子基射之间，若形成正反馈。在满足振幅平衡条件下，电路产生振荡。 综上分析，变压器反馈电路的反馈强度，可通过L2与L1之间的距离来调节。变压器耦合振荡电路的振荡频率为

LCf210 (5.2.4)

若调节L、C，可改变振荡频率。 二、三点式LC振荡电路 电路特点：LC振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。

图5.2.8 电感三点式振荡器 图5.2.9 电容三点式振荡器 1．电感三点式振荡器 电路如图5.2.8(a)，交流通路如图5 2.8(b)所示。 相位条件：当线圈1端电位为“”时，3端电位为“”，此时2端电位低于1端而高于3端，即vf与vo反相，经倒相放大后，形成正反馈，即满足相位条件。 振幅条件：适当选择Ｌ2和Ｌ1的比值。使1FAV，满足振幅条件。电路就能振荡。 由于反馈电压vf取自Ｌ2两端，故改变线圈抽头位置，可调节振荡器的输出幅度。Ｌ2越大，反馈越强，振荡输出越大，反之，Ｌ2越小，反馈越小，不易起振。 电路振荡频率为

CMLLLCf)2(212121 (5.2.5)

其中M是Ｌ1与Ｌ2之间的互感系数。 优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫；缺点：波形失真较大。 2．电容三点式振荡器 电容三点式振荡器电路如图5.2.9(a)所示，交流通路如图5.2.9(b)所示。 相位条件：当线圈1端电位为“”时，3端电位为“”。此电压经Ｃ1、Ｃ2分压后，2端电位低于1端而高于3端，即vf与vo反相，经V倒相放大后，使1端获“”电位，形成正反馈，满足相位条件。 振幅条件：适当的选择Ｃ1、Ｃ2的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。 电路振荡频率为 **大学 正弦波振荡器 5 CLf210 (5.2.6)

而 2121CCCCC 电路特点：频率较高，可达100MHz以上。优点：输出波形好。缺点：调节频率不方便。

3 石英晶体振荡器 电路特点：频率稳定度高，可达101011量级。 一、石英晶体的基本特性及其等效电路

1．压电效应 石英晶体谐振器如图5.2.11所示。它是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。 压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。如图5.2.12(a)所示。 压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称晶体谐振器的振荡频率。图5.2.12(b)所示。

图5.2.12 压电效应和谐振现象 图5.2.13 石英晶体谐振器 2．符号和等效电路 符号如图5.2.13(a)所示。当晶体不振动时，可用静态电容CO来等效，一般约为几个皮法到几十皮法；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感L来等效，一般为103102H；晶片的弹性可用电容C来等效，一般为102101pF；晶片振动时的损耗用R来等效，阻值约

为102。由CLRQ1可知，品质因数Q很大，可达104106。加之晶体的固有频率只与 晶片的几何尺寸有关，其精度高而稳定。所以，采用石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。等效电路如图5.2.13(b)所示，它有两个谐振频率。 (1) 当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为

LCf21S (5.2.8) **大学 正弦波振荡器 6 (2) 当等效电路并联谐振时，并联谐振频率为

000

121CCfCCCCLfSP (5.2.9)

由于CC0，因此fs和fp两个频率非常接近。 图5.2.13(c)为石英晶体谐振器的电抗-频率特性，在fs和fp之间为感性，在此区域之外为容性。 二、石英晶体振荡电路 1．并联型晶体振荡电路 图5.2.14(a)所示。振荡回路由C1、C2和晶体组成。其中，晶体起电感L的作用，等效电路如图5.2.14(b)所示。即振荡频率在晶体谐振器的fs与fp之间。由于回路电容是C1和C2

串联后与C0并联，再与C串联，则回路电容为)()(00CCCCCC。故振荡回路的谐振频率为

000)(21CCCCCLCf



 (5.2.10)

由于CCC0，则谐振频率近似为 s021fLCf



(5.2.11) 可见，振荡频率基本上取决于晶体的固有频率f s。故其频率稳定度高。 2．串联型晶体振荡电路 如图5.2.15所示。晶体与电阻R串联构成正反馈电路。当振荡频率等于晶体的固有频率fs时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路满足自激振荡条件而振荡，其振荡频率为f0fs。否则不能振荡。调节电阻R可获得良好的正弦波输出。

图5.2.15 串联晶体振荡电路 图5.2.16 集成运放LC正弦波振荡器 5.2.4 用集成运算放大器组成的振荡电路 用集成运算放大器组成的振荡电路如图5.2.16所示。L和C构成选频网络与电阻R3组成正反馈支路；R1和R2组成负反馈支路。当电源接通后，集成运放输出信号经选频网络选出

图52.14 并联型晶体振荡器