波形发生电路(自激振荡电路

第八章 波形发生电路（自激振荡电路）

8.1 正弦波发生电路原理 8.2 RC 正弦波振荡电路 8.3 LC 正弦波振荡器

8.4 石英晶体振荡器(简称晶振)

波形发生电路的基本类型有两种：正弦波发生电路与非正弦波发生电路。

§8.1 正弦波发生电路原理

正弦波发生电路通常称为正弦波振荡器。是模拟电子电路的一种重要形式。特点是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的正弦波信号。这种特点称为“自激振荡”。

波形发生电路是非常典型的正反馈放大电路。

一、 产生自激振荡的条件

假设图示电路中：先通过输入一个正弦波 信号，产生一个输出信号，此时，以极快的速度 使输出信号，通过反馈网络送到输入端，且使

反馈信号与原输入信号“一模一样”，同时切断原输入信号，由于放大器本身不能识别此时的输入究竟来自信号源，还是来自本身的输出，既然切换前后的输入信号“一模一样”，放大器就一视同仁地给予放大，形成：

输出→反馈→输入→放大→输出→反馈→……

这是一个循环往复的过程，放大器就构成了一个“自给自足”的自激振荡器。 上述假设指出：只有反馈到输入端的信号与原输入信号“一模一样”。才能产生自激振荡，“一模一样”就是自激振荡的条件——亦称平衡条件。

i U U =5 是正弦波，而描述正弦波的三要素是：振幅、频率和相位。 i U U =5 振幅相等；相位相同（若相位总相同，则频率和初相一定都相等）

因为自激振荡是一个正反馈放大器，故可用反馈的概念来描述振荡条件。

当

f

i U U =时

u u i

u u i f A F U U A F U U ===11

由于u A 和u F 都是复数 A j u u e A A φ=

F j u u e F F ϕ=

)(1F A j u u u u e F A F A ϕϕ+==∴

此式要成立，则必有

1=u u F A ，πϕϕn F A 2=+（ 2.1.0=n ）

∴ 1=u u F 振幅平衡条件

πϕϕn F A 2=+（ 2.1.0=n ）相位平衡条件 （正反馈相移为0、2π……） 要维持自激振荡必须满足这两个条件：

（可以用荡秋千为例说明两个条件） 一要“顺势”（相位平衡条件） 二要用力足够（振幅平衡条件） 保证两个条件，秋千才能等幅摆动。其中“顺势”（更重要，顺势才能省力） * 回过来再看负反馈放大器中产生自激的情况：

负反馈放大器中，为了改善电路的性能，引入的是负反馈，即

'(i

f i U U U +=）

o U U U f

i i =-= ' （深度负反馈的条件）

一旦在多级放大电路的低频或高频段上，附加相移 12.1()12(=+=+n n F A πϕϕ）

使

0'==+i

f i U U U （深度负反馈条件下的自激条件）（

F A

A

A f

+=1中的01=+F A ）

1+=u u F A

1-=F A u 负反馈变成了正反馈

2.1.0()12(=+±=+n n F A πϕϕ）

这种情况是要设法避免的。

但我们若要使放大器产生振荡时，就要有意识地将电路接成正反馈。

* 振荡的建立与稳定

实际上，振荡不需要上述假设就可建立起来。

接通电源的瞬间，总会有通电瞬间的电冲击、电干扰、晶体管的热噪声等，尽管这些噪声很微弱，也不是单一频率的正弦波，但却是由许多不同频率的正弦波叠加组合而成的。在不断放大→反馈→选频→放大→反馈→选频…的过程中，振荡就可以自行建立起来。这个过程可简述为；

电干扰→放大→选频→正反馈→放大→选频→正反馈→…

显然，建立过程中，每一次反馈回来的信号都比前一次大。那么，振荡输出会不会无休止的增长呢？

晶体管是一个非线性元件，只有在线性区才会有放大作用。开始振荡时，信号较小，工作在线性区，

u A 正常值，正反馈，使1〉u u F A ； 当信号增大到进入非线性区时，输出信号

产生削波失真，在信号的一个周期的部分时间内才有放大作用，平均放大量要减小，u u F A 也

随之下降，当降到

1=u u F A 时，输出和反馈的振幅不再增长，振荡就稳定下来了，可见，

稳幅的关键在于晶体管的非线性特性，所以：

起振条件

1〉u u F A 稳定条件（平衡条件）1=u u F A

二、 正弦波振荡器的组成和分析步骤

组成：上述分析已经指出：正弦波振荡器必须包含这样几个组成部分：

放大部分——振荡器的核心，将直流电源提供的能量转换成交流信号能量；补充振荡

过程中的能量损耗，以获得连续的等幅正弦波。

选频部分——从信号中选出所需的频率。

正反馈电路——将选出来的所需频率的信号送回到输入端放大。

稳幅电路——一般靠振荡管自身的非线性稳幅，要求高的振荡器有专门的稳幅电路。 在实际应用中，放大和稳幅“三合一”；选频和正反馈“二合一”。 2、分析步骤

（1） 判断能否产生正弦波振荡， 组成是否完整，静态工作点是否能够保证放大电

路正常工作；用瞬时极性法或电路特点判断电路是否引入正反馈（是否满足相位平衡条件）等。

（2） 分析振荡频率和起振条件

§8.2 RC 正弦波振荡电路

由放大器和具有选频正反馈特性的RC 网络所组成的。放大器+RC 选频反馈网络。 教材中介绍了三种RC 振荡电路：高低电桥振荡器，相移式振荡器，双T 型选频网振荡器。

一、 RC 网络的选频特性和传输特性 1、单节RC 网络

电容上电流超前电压

90；电阻上电流电压相移为0，该网络

o U 超前于i U 一个ϕ，

900〈〈ϕ，超前型具体分析以超前型单节RC 网络为例：

该网络o U 滞后于i U 一个相角

090〈〈-ϕ ，称为滞后型。 传输系数jwcR jwcR jwc jwc R I

R I U U F i o +=

+=+==1111)1(

模：

22

22)

1(11)(1)(1)(wcR wcR wcR wcR wcR F

+=

+=+=

相角：

wcr arct

1=ϕ

可以看出：模和相角都是角频率的函数。

讨论：（1）w 很小，使1〈〈WCR 时，0=F 90=∞=arctg ϕ 输出0==i o

FU U （2）w 很小，使1〉〉WCR 时，1=F 00==arctg ϕ 输出i i o

U FU U == 结论：单节RC 网络在传输信号时，传输系数在0~1之间，相移在

0~90之间，输出

在

i U ~0之间。