第9章振荡电路
振荡电路的工作原理
振荡电路的工作原理
振荡电路是一种能够产生连续的波形信号的电路，其工作原理基于正反馈回路和能量存储元件的作用。
在振荡电路中，通常包括一个能量存储元件（例如电容器或电感器）、一个放大器和一个反馈网络。
当电路上电源打开时，放大器开始放大输入信号。
由于反馈网络的作用，一部分放大的输出信号被送回到放大器输入端，形成正反馈。
正反馈会导致电路的输出信号不断增大，直到达到某个稳定的幅值。
然后，由于能量存储元件的作用，输出的信号会开始衰减，并且能量被转移到能量存储元件中。
当输出信号的幅值下降到一定阈值时，反馈机制再次起作用，使电路重新开始放大输出信号，形成了周期性的振荡。
振荡电路中的能量存储元件扮演了关键的角色。
在RC振荡电路中，电容器储存能量，并控制振荡频率。
而在LC振荡电路中，电感器储存能量，并决定振荡频率。
通过调整电路中的元件数值或改变反馈网络的结构，可以实现不同频率的振荡信号输出。
因此，振荡电路在许多应用中十分重要，例如无线通信、音频发生器和定时器等。
总之，振荡电路通过正反馈回路和能量存储元件的相互作用，实现了连续的波形信号的产生和输出。
这种工作原理使得振荡电路具有了广泛的应用领域和重要的作用。
波形振荡
值是固定的，有的只有一
个阈值，有的具有两个阈
值。
一、固定幅度比较器
(1) 过零比较器和电压幅度比较器
过零电 压比较器是 典型的幅度 比较电路， 它的电路图 和传输特性 曲线如图 14.01所示。
(a)
(b)
(a)电路图
(b)传输特性曲线
Байду номын сангаас
图14.01 过零电压比较器
将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到
采用反并联二极管的稳幅电路如图11.04所示。
(a) 稳幅电路
(b) 稳幅原理图
引益电联起 下R出 小 出D位 二增 降二二 于 幅较电器 极式幅 ，极极 工 度当小路下 管中过 最管管 作 小V，o的半 的程 后工大工 在 。图ARv电部 等"。达作1f时作A较p1、是压.的效当到在，0在小4B电增电平输稳A二C反，点、位、益阻均并出定极于所B器D为联值电幅幅管点是对点二上。阻度度支，V应所极半Ao值R大的路下电的v管对'f3部。到目=的降=路的等应的R1一的交稳。的效3的+电幅定。流/由增电/R等R阻电R"程电图益'阻p效Dp路值，度流(较，电RRb，R，较4)大所3阻D可R增大是，以'，p看是，并输
如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来 越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产 生非线性失真。
反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能 停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。
为了获得单一频率的正弦波输出，应该有 选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大
电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电
抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选 频网络来命名。正弦波发生电路的组成
RC串并联网络的电路如图11.02(a) 所示。RC 串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表 示。其频率响应如下:
振荡电路原理
振荡电路原理振荡电路是一种能够产生周期性交流信号的电路，它在电子设备中有着广泛的应用。
振荡电路的原理非常重要，对于电子工程师来说，了解振荡电路的原理能够帮助他们更好地设计和调试电路，提高电路的稳定性和性能。
首先，振荡电路的原理基础是正反馈。
正反馈是指电路输出的一部分被送回到输入端，加强了输入信号，从而使得输出信号增强，形成自激振荡。
在振荡电路中，正反馈使得电路产生自持振荡的能力，从而产生周期性的输出信号。
其次，振荡电路的原理与谐振有关。
谐振是指电路在特定频率下能够产生共振现象，输出信号幅度增大的现象。
振荡电路中的谐振是通过电感和电容的组合来实现的，当电路中的电感和电容达到一定的数值时，电路就会产生谐振，从而产生稳定的振荡输出。
另外，振荡电路的原理还与反馈网络的相位关系有关。
在振荡电路中，反馈网络中的相位关系对于振荡的频率和稳定性有着重要的影响。
通过合理设计反馈网络中的相位关系，可以实现电路在特定频率下产生稳定的振荡输出。
此外，振荡电路的原理还与电路中的放大器有关。
在振荡电路中，放大器起着放大信号和提供正反馈的作用。
放大器的增益和相位特性对于振荡电路的稳定性和频率特性有着重要的影响。
最后，振荡电路的原理与电路中的损耗有关。
在振荡电路中，电感、电容和放大器都会存在一定的损耗，这些损耗会影响振荡电路的稳定性和频率特性。
因此，在设计振荡电路时，需要考虑这些损耗，并采取相应的补偿措施，以提高电路的性能。
总之，振荡电路的原理涉及到正反馈、谐振、反馈网络的相位关系、放大器和损耗等多个方面。
了解振荡电路的原理对于电子工程师来说至关重要，它能够帮助他们更好地设计和调试电路，提高电路的稳定性和性能，从而更好地满足实际应用的需求。
振荡器逻辑
振荡器逻辑是指振荡器电路在电子系统中的工作原理和作用。
振荡器电路是一种在没有外界输入信号的情况下，能自行产生周期性交变信号输出的电子电路。
它可以作为信号源、定时源、能量变换电路、频谱变换电路等等，广泛应用于通信电子系统。
振荡器的种类很多，按原理分有反馈振荡器和负阻振荡器；按输出频率分有低频、高频、微波；按输出波形分有正弦波振荡器、非正弦振荡器。
自激振荡是振荡器逻辑中的一种重要现象。
对于任何一个带限网络来说，如果在其通频带内有增益大于0dB的频率点，那么将这个带限网络的输出、输入端通过一个全通网络相连，通过全通网络的相位调整，使得该增益大于0dB 的频率点信号是同相相接，那么这个网络就会发生自激振荡。
这时，在网络的输入不施加输入信号，其输出端就会有幅度、频率都稳定的交变信号输出。
以上信息仅供参考，如需了解更多信息，建议查阅专业书籍或咨询专业人士。
振荡电路详解
(a)电路图
(b)传输特性曲线
图14.02 固定电压比较器
(2)比较器的基本特点
• 工作在开环或正反馈状态。 • 开关特性，因开环增益很大，比较器的输出
只有高电平和低电平两个稳定状态。 • 非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线
谐振时
1 0L 0C 0
谐振频率
f0
2π
1 LC
考虑电感支路的损 耗，用R表示，如图11.06 图11.06 有损耗的谐振电路 所示谐。振时电感支路电流或电容支路电流与总电流 之比，称为并联谐振电路的品质因数
Q I L /I IC / I 0 L / R 1/ 0CR
对于图11.05(b)的谐振曲线，Q值大的曲线较陡较窄，
一、LC并联谐振电路的频率响应 LC并联谐振电路如图11.05（a）所示。显
然输出电压是频率的函数：Vo ( ) f [Vi ( )] 输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，
输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。 并联谐振曲线如图11.05（b）所示。
（a）LC并联谐振电路
（b）并联谐振曲线
图11.05 LC并联谐振电路与并联谐振曲线
第9章 波形产生与变换电路
9.1 正弦波振荡电路 9.2 非正弦波发生电路
正弦波发生电路能产生正弦波输出，它是 在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它 是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦 波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振 荡器。
9.1.1 产生正弦波的条件 9.1.2 RC正弦波振荡电路 9.1.3 LC正弦波振荡电路
三、窗口比较器
窗口比较器的电路如图 14.04所示。电路由两个 幅度比较器和一些二极管与电阻构成。
正弦波振荡电路
+VCC
RC RB1
+
+
C4
Co
+
（1）放大电路：保证能起振，实现能量控制； （2）选频网络：确定电路的振荡频率，产生单一频率的正弦波。 （3）正反馈网络：使放大电路的输入信号等于反馈信号。 （4）稳幅环节：使输出信号幅值稳定。 常将选频网络和正反馈网络合二为一。
2、电路的分类
按组成选频网络的元件类型不同，可分为： (1) RC正弦波振荡器（f<1MHz) (2)LC正弦波振荡器（f>1MHz) (3)石英晶体振荡器（f稳定度高)
ui
R
选频电路
图8.1.7 RC桥式正弦波振荡电路(a)
8.1
正弦波振荡电路——8.1.2 RC正弦波振荡电路
图8.1.7 RC桥式正弦波振荡电路
8.1
正弦波振荡电路——8.1.2 RC正弦波振荡电路
•
2. 如何满足自激振荡的条件
RF
R1
.. 为了满足 AF =1, A=3
1
Uf __ = __ 1 F= • , Uo 3 • RF A=（1+ R ）,
1 R LC 1 1 L 谐振频率f 0 ，品质因数Q R C 2 LC 1 当f f 0时， 0 Z R＋Q 2 R QX L QX C Y0 品质因数Q ，当Q 1时， 0
0 L
图8.1.10 LC并联网络 (b)考虑电路损耗时的网络
8.1
正弦波振荡电路——8.1.3 LC正弦波振荡电路
8.1
正弦波振荡电路——8.1.3 LC正弦波振荡电路
8.1.3 LC正弦波振荡电路
当f0很高时，放大电路多用分立元件（甚至共b）的 LC振荡电路。
频率发生电路
基本RC桥式振荡电路用示波器观察振荡电路的输出波形,若输出无波形或输出波形出现明显失真，应调节Rp，使输出Vo为一失真较小的稳定正弦波。
具有稳幅环节的RC桥式振荡电路将稳幅环节接入电路中，调节电位器Rp，用示波器观察振荡电路的输出波形,观察振荡电路的输出波形的变化,我们就会明白稳幅环节对正弦波振荡电路性能的影响。
门电路构成的晶体并联谐振振荡器门电路构成的晶体并联谐振振荡器石英晶体在外加电压的作用下，它会产生一个压电效应，石英晶体产生机械振动，当外加电压的频率与晶体固有振荡频率相同时，晶体的机械振幅最大，产生的交变电场也就最大，形成压电谐振。
从石英晶体的电抗频率特性可知，它有两个相当接近的谐振额率，一个串联谐振频率，一个并联谐振频率，当石英晶体处于串联谐振时电抗最小，当处于并联谐振时电抗最大，当处于这两个频率范围之间时，石英晶体呈电感性，当游离这两个频率之外时，石英晶体呈容性。
图A是工作于串联谐振状态的TTL门电路振荡器（摘Protel99SE附带例），当电路频率为串联谐振频率时，晶体的等效电抗接近零（发生串联谐振），串联谐振频率信号最容易通过N1、N2闭环回路，这个频率信号通过两级反相后形成反馈振荡，晶体同时也担任着选频作用。
也就是说在工作于串联谐振状态的振荡电路，它的频率取决于晶体本身具有的频率参数。
图B是工作于并联谐振状态的CMOS门电路振荡器，晶体等效一个电感（晶体工作于串联谐振频率与并联谐振频率之间时，晶体呈电感性）与外接的电容构成三点式LC振荡器，通过外接的电容可对频率进行微调。
电阻R接在反相器N3的输入与输出端，其目的是将N3偏置在线性放大区，构成放大器。
从晶体X的两端看C1、C2（图B），它们是通过GND串联成一个电容（这个串联电容（Cx）可以由公式《Cx＝C1C2/C1+C2》求出），X与串联电容构成一个并联共振电路（为了方便，我这里只简单的将晶体等效为电感性），从电容一分为二的电路形态上看，晶体和电容C1、C2也是构成一个π型选频网络反馈通道（也称π型谐振电路，见图B2、3）。
电路基础与集成电子技术-第9章习题解答
第9章 集成振荡电路习题解答【9-1】判断下列说法是否正确。
1.只要具有正反馈，电路就一定能产生振荡。
（ 否，还要看幅度平衡条件。
）2.只要满足正弦波振荡电路的相位平衡条件，电路就一定振荡。
（ 否，还要看幅度平衡条件。
）3.凡满足振荡条件的反馈放大电路就一定能产生正弦波振荡。
（ 否，需要有选频网络。
）4.正弦波振荡电路自行起振荡的幅值条件是1=F A 。
（ 否，应1AF> ） 5.正弦波振荡电路维持振荡的条件时F A =-1。
（ 否）6.在反馈电路中，只要有LC 谐振电路，就一定能产生正弦波振荡。
（ 否，还需 要有正反馈）7.对于LC 正弦波振荡电路，若已满足相位平衡条件，则反馈系数越大越容易起振。
（ 是，反馈系数决定振荡的幅度条件）【9-2】在题图9-2所示的三个电路中，应如何进一步连接，才能成为正弦波振荡电路？ 解：图(a)，①接④；②接⑤；③接地。
图(b)，①接⑤；②接⑥；⑦接④；③接⑧。
图(c)，①接④；②接⑤；③接⑥。
o④③EE+V 21L L C(b)④③L(c)图9-2 题9-2电路图【9-3】为了使题图9-3中各电路能够产生正弦波振荡，请将图中j、k、m、n、 p各点正确连接。
+VCC+VCC332kp2(a)图9-3 题9-3电路图解：正确连线分别见解图9-3中的(d)、(e)、(f)，晶体呈电感性。
+V CCC32解图9-3 题9-3的解【9-4】根据相位平衡条件判断题图9-4所示各电路是否能产生正弦波振荡？并说明理由。
图中的二极管有何作用?u o图9-4 题9-4电路图解：此电路是RC文氏桥振荡器，R w调节电路增益略大于3，保证起振和不产生大的失真。
二极管VD1、VD2起稳幅作用。
当振幅增大时，二极管因非线性正向导通电阻减少，负反馈增强，限制了振幅继续增长；反之，当振幅减少时，二极管因非线性正向导通电阻加大，负反馈减弱，防止振幅继续下降，起到自动稳幅的作用。
【9-5】电路如题图9-5所示。
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A F 2n
n是整数
相位条件意味着振荡电路必须是正反馈； 幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡，还 必须有足够的反馈量(可以通过调整放大倍数A 或 反馈系数F 达到) 。
9.1.3 起振及稳幅振荡的过程
设：Uo 是振荡电路输出电压的幅度， B 是要求达到的输出电压幅度。 起振时Uo 0，达到稳定振荡时Uo =B。 起振过程中 Uo < B，要求AuF > 1， 可使输出电压的幅度不断增大。 稳定振荡时 Uo = B，要求AuF = 1， 使输出电压的幅度得以稳定。 从AuF > 1 到AuF = 1，就是自激振荡建立 的过程。 起始信号的产生：在电源接通时，会在电路中激 起一个微小的扰动信号，它是个非正弦信号，含有 一系列频率不同的正弦分量。
+
u C
_
L R
R为电感线圈中电阻
LC并联谐振特点：谐振时，总路电流很小，支 路电流很大，电感与电容的无功功率互相补偿，电 路呈阻性。用于选频电路。
LC并联谐振回路的幅频特性曲线
L = Qω L = Q = Q L Z0 = 0 RC ω0C C
Q为谐振回路的品质因数，Q值越大，曲线越陡 越窄，选频特性越好。图中Q1＞Q2。并联谐振阻抗 为Z0
U o AuU f 自激振荡状态
开关合在“2”时,，去掉ui 仍有稳定的输出。 反馈信号代替了放大电路的输入信号。
9.1.2 自激振荡的条件
由：Uo AuUf U f FU o U o Au FU o
1. 幅度条件： 2. 相位条件：
自激振荡的条件
Au F 1 即： Au A F F 1
（1）结构：
（2）基本特性 极板间加电场
晶体机械变形 极板间加机械力 晶体产生电场
压电效应：
交变电压 交变电压 机械振动
V V
当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大 压电谐振 机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高。
（3）石英晶体的等效电路与频率特性
等效电路： 频率特性： 串联谐振
fs 1 2 LC
0
导通
保持 保持 T 截止 导通
综上所述，555功能表为： V6 V2
<2/3 UCC <1/3 UCC >2/3 UCC >1/3 UCC
<2/3 UCC >1/3 UCC 保持 保持
2.由555定时器构成的多谐振荡器
多谐振荡器是一种无稳态触发器，接通电源后， 不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。由于 矩形波中含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。 多谐振荡器是一种常用的脉冲波形发生器,触发 器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器 产生的。
+UCC
1 f0 C1C 2 2π L C1 C 2
通常再与线圈串联一 个较小的可变电容来调 节振荡频率。
C1 RB2
RE
－
CE
选频电路
－
C1 L
反馈网络
C2
反相
振荡频率可达100MHz以上。
反馈电压取自C2
电工电子技术
例：图示电路能否产生正弦波振荡, 如果不能振荡 ，加以改正。 解：直流电路合理。 +UCC C1 旁路电容CE将反馈信 RB1 L－ 号旁路，即电路中不存 － C2 在反馈，所以电路不能 正反馈 振荡。将CE开路，则电 － RB2 RE 路可能产生振荡。 C
第9章 振荡电路
9.1 自激振荡 9.2 RC振荡电路
9.3 LC振荡电路 9.4 两种常见的振荡电路
学习目标及考核标准
1. 了解正弦波振荡电路自激振荡的条件。
2. 了解LC振荡电路和RC振荡电路的工作原理。
3. 了解常见的振荡电路
9.1 自激振荡
正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交 流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百 兆赫以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出 的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。 常用的正弦波振荡器 LC振荡电路:输出功率大、频率高。 RC振荡电路:输出功率小、频率低。 石英晶体振荡电路：频率稳定度高。 应用：无线电通讯、广播电视，工业上的高频感 应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体 接近开关等。
RF Au 1 3 R1
稳定振荡条件AuF = 1 ，| F |= 1/ 3，则 考虑到起振条件AuF > 1, 一般应选取 RF 略大 2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严 重失真。 由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运 放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外 部引入负反馈来达到稳幅的目的。
u u
C C0
L
R
X 感性
晶体等效纯阻且阻值≈0 并联谐振
C C fp 1 fs 1 C0 C0 2 LC 1
0 容性
fs
fp
f
通常 C C0 所以 fs 与 fp 很接近
9.4.2 石英晶体振荡电路
1. 并联型石英晶体振荡器
X 感性
f
RB1 C1
RC
+UCC
+
0 容 性
fs
正反馈
放大电路 RB1 RC
电工电子技术
+UCC
振荡频率 1 f0 2π ( L1 L2 2 M )C 通常改变电容 C 来 调节振荡频率。
C1
RB2
RE
－
CE
选频电路 L1 C
L2
－
反馈网络
振荡频率一般在几十MHz以下。
反馈电压取自L2
9.3.4 电容三点式振荡电路
正反馈 放大电路 RB1 RC 振荡频率
UCC 8
电压 5 控制端 高电平 6 触发端 低电平 2 触发端
4 复位端
5K Ω VA
5K Ω + VB 5K Ω T
+
C1+
RD Q
C2 +
SD Q
3 输出端
放电端 7
放电管
1 地 分压器 比较器
R-S触发器
2/3 UCC
UCC
5K Ω
比较结果
5
6
. V
A
+
C1 +
RD
V6
V2
RD SD
9. 2 RC 振荡电路
9.2.1 电路结构
选出单一频 率的信号 RC选频网络 正反馈网络 R RF
C + uf R –
C R 1
– + +
∞
+ uO –
用正反馈信号uf 作为输入信号
同相比例电路 放大信号
9.2.1 RC串并联选频网络的选频特性
传输系数：
1 R // 2 U jC F 1 1 U1 R R // jC jC
0 1 1 0
<2/3 UCC <1/3 UCC 1 >2/3 UCC >1/3 UCC 0
5K Ω
2 VB 5K Ω
1/3 UCC
.
+
C2 +
SD <2/3 UCC >1/3 UCC 1 >2/3 UCC <1/3 UCC 0
不允许
RD Q SD Q
RD
SD 0
Q 1
T 截止
T
输出
1
0
1
1
1 Q 1 0
9.1.1 自激振荡
电工电子技术
放大电路在无输入信号的情况下，就 能输出一定频率和幅值的交流信号的现 象。 1 S
Ui
Uf 2
Au
Uo
开关合在“1”为无反馈 放大电路。
F
Ui
1 S
2 Uf
Au
Uo
Uo AuU i
开关合在“2”为有反馈 放大电路
F
如果：U f U i
E
反馈电压取自C1
9.4 两种常见的振荡电路
频率稳定问题
频率稳定度一般由
f 来衡量 f0
f ——频率偏移量。
f 0 ——振荡频率。
Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。 LC振荡电路 Q ——数百 Q ——10000 500000
石英晶体振荡电路
9.4.1 石英晶体正弦波振荡电路
1.石英晶体的基本特性与等效电路
相频特性
（f）
0ο
fo
f u2 与 u1 波形
fo
90ο
u2
u1
9.2.3 工作原理
输出电压 uo 经正反馈（兼选频）网络分压后， 取uf 作为同相比例电路的输入信号 ui 。 1. 起振过程
2. 稳定振荡
电工电子技术
3. 振荡频率 振荡频率由相位平衡条件决定。 A = 0，仅在 f 0处 F = 0 满足相位平衡条件， 所以振荡频率 f 0= 1 2RC。 改变R、C可改变振荡频率 RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。
接通电源
R1
2
+UCC
RD=0 Q=0 SD=1 Q=1
2/3UCC
. R u .
C
.
C
5 8 4 6 3 2 71
uC
T导通 C放电
uO
1/3UCC
O
t Q=1 Q=0
T截止 C充电
RD=1
tp1 =(R1+R2)C ln2=0.7(R1+R2)C tp2 =R2C ln2=0.7R2C T=tp1+tp2 =0.7(R1+2R2)C
RF Au 1 3 R1
带稳幅环节的电路