1、第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-201第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-202 振蕩器的定義 振蕩器振蕩器就是自動地將就是自動地將直流直流能量轉換能量轉換為具有一定波形參數的為具有一定波形參數的交流振蕩信號交流振蕩信號的裝置。的裝置。和放大器一樣也是能量轉換器。它與放大器和放大器一樣也是能量轉換器。它與放大器的區別在于，的區別在于，不需要外加信號的激勵不需要外加信號的激勵，其輸，其輸出信號的頻率，幅度和波形僅僅由電路本身出信號的頻率，幅度和波形僅僅由電路本身的參數決定。的參數決定。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-203作用：作用：產生產

2、生一定頻率和幅度的信號一定頻率和幅度的信號利用負阻器件的負阻效應利用負阻器件的負阻效應產生振蕩產生振蕩利用利用正反饋原理正反饋原理構成構成振蕩器的作用、分類與要求振蕩器的作用、分類與要求正弦波振蕩器的要求：具有正弦波振蕩器的要求：具有較高的較高的振蕩頻率和幅度的準確性振蕩頻率和幅度的準確性 和穩定度。和穩定度。按振蕩波形不同分按振蕩波形不同分正弦波振蕩器正弦波振蕩器非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器按組成原理不同分按組成原理不同分負阻振蕩器負阻振蕩器反饋振蕩器反饋振蕩器第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2044.1 反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的工作原理主要要求：主要要求： 掌握

3、反饋振蕩器的組成和基本工作原理。掌握反饋振蕩器的組成和基本工作原理。掌握反饋振蕩器的起振條件和平衡條件。掌握反饋振蕩器的起振條件和平衡條件。掌握反饋振蕩器能否振蕩的判斷方法。掌握反饋振蕩器能否振蕩的判斷方法。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2054.1.1 反饋振蕩器產生振蕩的基本原理反饋振蕩器產生振蕩的基本原理 生活中常見的自激振蕩現象生活中常見的自激振蕩現象 ：擴音系統中的電聲振蕩擴音系統中的電聲振蕩 第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-206iUoUfU4.1.1 反饋振蕩器產生振蕩的基本原理反饋振蕩器產生振蕩的基本原理正弦波振蕩器由正弦波振蕩器由放大

4、器放大器、反饋網絡反饋網絡和和選頻網絡、選頻網絡、穩穩幅環節幅環節組成。組成。無外加輸入信號無外加輸入信號第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-207開關在位置時：開關在位置時：iUoUfU開關轉開關轉2 2位置時：位置時： 經放大器放大后輸出經放大器放大后輸出 ，經過反饋網絡，經過反饋網絡后在反饋網絡輸出端得到反饋信號后在反饋網絡輸出端得到反饋信號 , 與與 大小相等相位相同。大小相等相位相同。iUoUfUfUiU放大器和反饋網絡構成閉合環路，此時在放大器和反饋網絡構成閉合環路，此時在沒有外加輸入信號沒有外加輸入信號的情況下，輸出端仍維的情況下，輸出端仍維持一定幅度的電壓持一定

5、幅度的電壓 ，產生自激振蕩。，產生自激振蕩。oU第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-208iUoUfU起振時要滿足起振時要滿足 ifUU起始信號來起始信號來自電擾動自電擾動輸出信號大小滿足要求時，要能自動穩定輸出電壓，實輸出信號大小滿足要求時，要能自動穩定輸出電壓，實現現 使電路進入穩定狀態，輸出幅度和頻率都穩使電路進入穩定狀態，輸出幅度和頻率都穩定的信號。故要有穩幅環節。定的信號。故要有穩幅環節。正弦波還要有選頻網絡。正弦波還要有選頻網絡。ifUU第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-209振蕩的建立與條件振蕩的建立與條件振蕩的建立過程 當接通電源時，回路內的當

6、接通電源時，回路內的各種電擾動信號各種電擾動信號經選頻網絡選經選頻網絡選頻后，將其中某一頻率的信號反饋到輸入端，再經頻后，將其中某一頻率的信號反饋到輸入端，再經放大放大反反饋饋放大放大反饋反饋的循環，該信號的幅度不斷增大，振蕩由小的循環，該信號的幅度不斷增大，振蕩由小到大建立起來。隨著信號振幅的增大，放大器將進入非線性到大建立起來。隨著信號振幅的增大，放大器將進入非線性狀態，增益下降，當反饋電壓正好等于輸入電壓時，振蕩幅狀態，增益下降，當反饋電壓正好等于輸入電壓時，振蕩幅度不再增大進入平衡狀態。度不再增大進入平衡狀態。( (振蕩的建立過程動畫演示振蕩的建立過程動畫演示)第第4章章 正弦波振蕩器

7、正弦波振蕩器2021-11-20104.1.2 振蕩的起振條件和平衡條件振蕩的起振條件和平衡條件 ofi UUFUUAFAo；系系數數是是反反饋饋網網絡絡的的電電壓壓傳傳輸輸大大倍倍數數，是是放放大大器器的的開開環環電電壓壓放放 iOfUAFUFU第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2011一、一、 振蕩的起振條件振蕩的起振條件1FA2FAnn=0,1,21.FA振幅振幅起振起振條件條件相位起振相位起振條件條件相位條件是構成振蕩電路的關鍵相位條件是構成振蕩電路的關鍵,振蕩閉合環路必須是正反振蕩閉合環路必須是正反饋。相位起振條件和相位平衡條件是一致的饋。相位起振條件和相位平衡條件

8、是一致的（正反饋）（正反饋）。進入平衡狀態進入平衡狀態，振動幅度不再增大而，振動幅度不再增大而直到直到大倍數跟隨減小，大倍數跟隨減小，著振蕩幅度的增大，放著振蕩幅度的增大，放振蕩幅度迅速增大，隨振蕩幅度迅速增大，隨，大，滿足大，滿足起振時，放大倍數比較起振時，放大倍數比較11 FAFA放大環節必須具有非線性放大特性。放大環節必須具有非線性放大特性。為獲得正弦波，振蕩電路中要有選頻環節。振蕩頻率通常為獲得正弦波，振蕩電路中要有選頻環節。振蕩頻率通常就由選頻環節確定。就由選頻環節確定。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2012ifUU ofi UUFUUAFAo；系系數數是是反反

9、饋饋網網絡絡的的電電壓壓傳傳輸輸大大倍倍數數，是是放放大大器器的的開開環環電電壓壓放放二、二、 振蕩的平衡條件振蕩的平衡條件兩者大小相等、相位相同。兩者大小相等、相位相同。 iOfUAFUFU由由 ifUU可得可得1 FA第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-20131 FA2FAn n=0,1,21 FA振幅平衡條件振幅平衡條件相位相位平衡條件平衡條件即正反饋即正反饋振幅條件和相位條件必須同時滿足。振幅條件和相位條件必須同時滿足。 相位平衡條件確定振蕩頻率；相位平衡條件確定振蕩頻率；振幅平衡條件確定振蕩輸出信號的幅值。振幅平衡條件確定振蕩輸出信號的幅值。第第4章章 正弦波振蕩器

10、正弦波振蕩器2021-11-2014變壓器反饋變壓器反饋LC 振蕩器振蕩器fuiuou例例 分析下圖振蕩電路的工作原理分析下圖振蕩電路的工作原理放大部分放大部分選頻部分選頻部分正反饋部分正反饋部分LCf210 振蕩頻率振蕩頻率 放大器在小信號時工放大器在小信號時工作于甲類，以保證起振時作于甲類，以保證起振時有較大的環路增益。有較大的環路增益。12ofNNUUF 第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2015起始時小信起始時小信號線性放大號線性放大大信號工大信號工作，丙類作，丙類作業：作業：直到直到 ，進，進入平衡狀態。入平衡狀態。1 FA第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器振蕩平

11、衡狀態的穩定條件振蕩平衡狀態的穩定條件 平衡狀態有平衡狀態有穩定平衡穩定平衡和和不穩定平衡不穩定平衡，振蕩器，振蕩器工作時要處于穩定平衡狀態。工作時要處于穩定平衡狀態。振幅穩定條件振幅穩定條件：AF與與Ui的變化方向相反。的變化方向相反。相位穩定條件相位穩定條件：相位與頻率的變化方向相反。：相位與頻率的變化方向相反。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器振蕩頻率的穩定度=000fffff時間間隔/0maxff頻率準確度與穩定度頻率準確度與穩定度（1）頻率準確度）頻率準確度絕對頻率準確度：絕對頻率準確度：相對頻率準確度：相對頻率準確度：fff0 （2）頻率穩定度）頻率穩定度第第4章章 正弦波振蕩器

12、正弦波振蕩器2021-11-20184.2 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器掌握三點式振蕩器的組成原則、工作原理、典型掌握三點式振蕩器的組成原則、工作原理、典型電路。電路。掌握掌握 LC LC 振蕩器實用電路的分析方法。振蕩器實用電路的分析方法。了解頻率穩定度的概念，了解影響頻率穩定度的主了解頻率穩定度的概念，了解影響頻率穩定度的主要因數及提高頻率穩定度的措施。要因數及提高頻率穩定度的措施。主要要求：主要要求： 第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-20194.2.1 三點式振蕩器的基本工作原理三點式振蕩器的基本工作原理 三個電抗元件三個電抗元件X1、X2、X3組成組成LC諧振回路，

13、回路三個引諧振回路，回路三個引出端分別與晶體管三個電極相連，諧振回路既是晶體管的集出端分別與晶體管三個電極相連，諧振回路既是晶體管的集電極負載，又是正反饋選頻網絡。電極負載，又是正反饋選頻網絡。X1、X2的電抗性質必的電抗性質必須相同，須相同，X3與與X1、X2的電抗性質必須相異。的電抗性質必須相異。與與E相連的為同性質電相連的為同性質電抗，不與抗，不與E端相連的為端相連的為異性質電抗。異性質電抗。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2020？ 為什么只有為什么只有這樣，才能構這樣，才能構成正反饋！成正反饋！ 為便于說明，忽略電抗元件的損耗及管子輸入、輸出阻 抗的影響。12Of

14、XXUUF 反饋系數反饋系數時，當X1 + X2 + X3 = 0回路等效為純電阻，因此 必須.oU.iU與 反相，才能構成正反饋。.oU.fU回路諧振，得到 與 反相。因此：因此：與與E相連的必須為同相連的必須為同性質電抗，不與性質電抗，不與E端相連的端相連的為異性質電抗。為異性質電抗。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2021電感三點式電感三點式電容三點式電容三點式與與E相連相連是電感是電感與與E相連相連是電容是電容第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2022試分析下圖電路是否可能產生振蕩？試分析下圖電路是否可能產生振蕩？解：解：該電路由共基放大電路和該電

15、路由共基放大電路和LC反饋選頻網絡構成，反饋選頻網絡構成，在在LC回路的諧振頻率上構成正反饋，滿足相位平衡條件。回路的諧振頻率上構成正反饋，滿足相位平衡條件。而共基放大電路具有較大增益，又具有內穩幅作用，而共基放大電路具有較大增益，又具有內穩幅作用，因此合理選擇電路參數可滿足振幅起振和平衡調節。因此合理選擇電路參數可滿足振幅起振和平衡調節。故此電路可能產生振蕩故此電路可能產生振蕩。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-20234.2.2 電感三點式振蕩器（哈脫萊電感三點式振蕩器（哈脫萊Hartley）CMLLf)2(21210原理電路原理電路交流通路交流通路振蕩頻率振蕩頻率反饋系

16、數反饋系數MLMLF12優點：優點：易起振，易起振， 頻率易調（調頻率易調（調C）。）。缺點：缺點：高次諧波成分較大，高次諧波成分較大，輸出波形差。輸出波形差。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-20244.2.3 電容三點式振蕩器（考畢茲電容三點式振蕩器（考畢茲Colpitts）LCf210原理電路原理電路交流通路交流通路振蕩頻率振蕩頻率反饋系數反饋系數21CCF優點優點：高次諧波成分小，高次諧波成分小，輸出波形好。輸出波形好。缺點缺點： 頻率不易調頻率不易調（調（調L，調節范圍小），調節范圍小）第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2025 增大增大 C1/

17、C2 ，可增大反饋系數，提高輸出幅值，但會使，可增大反饋系數，提高輸出幅值，但會使三極管輸入阻抗的影響增大，使三極管輸入阻抗的影響增大，使Q值下降，不利于起振，且值下降，不利于起振，且波形變差，故波形變差，故C1/ C2不宜過大，一般取不宜過大，一般取0.10.5 。4.2.3 電容三點式振蕩器（考畢茲電容三點式振蕩器（考畢茲Colpitts）原理電路原理電路交流通路交流通路第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-20264.2.4 改進型電容三點式振蕩器改進型電容三點式振蕩器（一）克拉潑（一）克拉潑Clapp振蕩器振蕩器考畢茲電路中，晶體管極間電容與回路電容并聯，考畢茲電路中，晶

18、體管極間電容與回路電容并聯，會使振蕩頻率偏移，且極間電容隨晶體管工作狀態而變，會使振蕩頻率偏移，且極間電容隨晶體管工作狀態而變，會使振蕩頻率不穩定。會使振蕩頻率不穩定。改進改進: 在諧振回路電感支路中串接一個電容在諧振回路電感支路中串接一個電容第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2027原理電路原理電路交流通路交流通路C3 C1 ， C3 C2 33211111CCCCC 212130LCLCf 極間電容影響很小，且調節反饋系數時基本不影響頻率極間電容影響很小，且調節反饋系數時基本不影響頻率第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2028實際振蕩頻率必定略高于實際振

19、蕩頻率必定略高于 f0，因為要使，因為要使L、C3支路呈感性。支路呈感性。接入接入C3使使 三極管輸出三極管輸出 端（端（C、E）與回路的耦合減弱，三）與回路的耦合減弱，三極管等效負載阻抗減小，放大器放大倍數下降，振蕩器輸極管等效負載阻抗減小，放大器放大倍數下降，振蕩器輸出幅度減小。出幅度減小。 C3越小，放大倍數越小，如越小，放大倍數越小，如C3過小則振蕩器過小則振蕩器不滿足振幅起振條件而停振。不滿足振幅起振條件而停振。原理電路原理電路交流通路交流通路C3 C1 ， C3 C2 第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2029具有克拉潑振蕩器頻率和反饋系數獨立的優點，頻率基本上僅

20、由C3和C4及L決定；調節C4時不影響電路增益，輸出幅度穩定。)(21430CCLf(2) 西勒西勒(Seiler)振蕩器振蕩器交流通路交流通路的基本形式的基本形式：在在L兩端又并聯了一兩端又并聯了一可調電容可調電容C4振蕩頻率振蕩頻率：電路特點電路特點：第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-20304.3 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器主要要求：主要要求： 了解石英諧振器的結構和特性了解石英諧振器的結構和特性掌握典型石英晶體振蕩器的組成、工作原理掌握典型石英晶體振蕩器的組成、工作原理和性能特點。和性能特點。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-20314.3.1 石

21、英諧振器及其特性石英諧振器及其特性 石英是一種各向異性的結晶體，其化學成分是石英是一種各向異性的結晶體，其化學成分是SiO2 。從從一塊晶體上按一定的方位角切割成的薄片稱為晶片。一塊晶體上按一定的方位角切割成的薄片稱為晶片。在晶片在晶片的兩面涂上銀層作為電極的兩面涂上銀層作為電極，電極上焊出兩根引線固定在管腳，電極上焊出兩根引線固定在管腳上，就構成了上，就構成了石英晶體諧振器石英晶體諧振器。 晶體的特性與其切割的方位角有關。晶體的特性與其切割的方位角有關。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2032電極間加電場電極間加電場電極間加機械力電極間加機械力晶體機械變形晶體機械變形晶體

22、產生電場晶體產生電場壓電效應壓電效應交變電壓交變電壓機械振動機械振動交變電流交變電流當交變電壓頻率當交變電壓頻率 = 固有頻率時，共振，振幅最大，產生的固有頻率時，共振，振幅最大，產生的交變電流最大。類似串聯諧振。交變電流最大。類似串聯諧振。壓電諧振壓電諧振第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2033 C0是晶片的靜態電容，相當于平板電容，即由晶片作介是晶片的靜態電容，相當于平板電容，即由晶片作介質，鍍銀電極和支架引線作極板構成。質，鍍銀電極和支架引線作極板構成。幾十幾皮法。幾十幾皮法。 Lq、Cq、rq為晶片振動時的等效動態電感、電容和摩擦為晶片振動時的等效動態電感、電容和摩

23、擦損耗。損耗。 Lq很大，幾十幾百很大，幾十幾百mH； Cq很小，百分之幾很小，百分之幾pF； rq 為幾幾百歐。為幾幾百歐。石英諧振器石英諧振器Q值很高，值很高，且性能很穩且性能很穩定，因此有定，因此有很高的回路很高的回路標準性。標準性。基頻等效電路基頻等效電路含泛音頻率的等效電路含泛音頻率的等效電路第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2034fs 串聯諧振頻率串聯諧振頻率fp 并聯諧振頻率并聯諧振頻率qqs21CLf 21 q0q0qPCCCCLf 1 0qSCCf 串聯諧振頻率串聯諧振頻率并聯諧振頻率并聯諧振頻率通常通常0qCC 所以所以很很接接近近與與 psff 石英諧

24、振器只在石英諧振器只在 之間的很窄頻率范圍內呈感性，之間的很窄頻率范圍內呈感性，且感抗曲線很陡，故當工作于該區域時，具有很強的穩頻作用。且感抗曲線很陡，故當工作于該區域時，具有很強的穩頻作用。一般不用電容區。一般不用電容區。 psff 和和第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2035石英諧振器的使用注意事項石英諧振器的使用注意事項:（2）要有合適的激勵電平。過大會影響頻率穩定度、）要有合適的激勵電平。過大會影響頻率穩定度、 振壞晶片；過小會使噪聲影響大，輸出減小，振壞晶片；過小會使噪聲影響大，輸出減小， 甚至停振。甚至停振。（1）要接一定的負載電容）要接一定的負載電容CL (微

25、調微調)，以達標稱頻率。，以達標稱頻率。 高頻晶體通常高頻晶體通常CL為為30pF或標為或標為。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-20364.3.2 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器并聯型晶體振蕩器并聯型晶體振蕩器串聯型晶體振蕩器串聯型晶體振蕩器fs f 2R1時，振蕩幅度增加，但輸出波形失真度增大。時，振蕩幅度增加，但輸出波形失真度增大。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2047思考討論題思考討論題右圖的右圖的RC橋式振蕩器中，已知橋式振蕩器中，已知R1=10k。若發生下列情況，。若發生下列情況，試說明輸出電壓的變化。試說明輸出電壓的變化。（1）R1與與R2位

26、置互換位置互換解解：圖中的：圖中的R2是負溫度系數的熱敏電阻，是負溫度系數的熱敏電阻，R1是固定電阻。為是固定電阻。為了滿足起振條件，了滿足起振條件，R2的冷態電阻取值必須大于的冷態電阻取值必須大于2 R1 ，即大于，即大于20k，現兩者位置互換后，即，現兩者位置互換后，即R1變為負溫度系數的熱敏性，變為負溫度系數的熱敏性，且且冷態電阻大于冷態電阻大于20k，而，而R2變為固定電阻變為固定電阻10k，這樣起振時，這樣起振時放大器的放大倍數小于放大器的放大倍數小于3，振蕩器不能振蕩，故輸出電壓為零。，振蕩器不能振蕩，故輸出電壓為零。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2048思考

27、討論題思考討論題右圖的右圖的RC橋式振蕩器中，已知橋式振蕩器中，已知R1=10k。若發生下列情況，。若發生下列情況，試說明輸出電壓的變化。試說明輸出電壓的變化。（2）R2改為改為43k固定電阻固定電阻解解：當：當R2改用改用43k固定電阻后，放大器的放大倍數固定電阻后，放大器的放大倍數A=1+ R2 /R1=1+43/10=5.33，因此振蕩振幅不斷增大，最終使放大器，因此振蕩振幅不斷增大，最終使放大器進入非線性限幅區，輸出電壓變成一方波信號。進入非線性限幅區，輸出電壓變成一方波信號。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2049思考討論題思考討論題右圖的右圖的RC橋式振蕩器中，

28、已知橋式振蕩器中，已知R1=10k。若發生下列情況，。若發生下列情況，試說明輸出電壓的變化。試說明輸出電壓的變化。（3）R2改為改為15k固定電阻固定電阻解解：當：當R2改用改用15k固定電阻，此時放大器的放大倍數固定電阻，此時放大器的放大倍數A=1+ R2 /R1=1+15/10=2.53，振蕩器不能振蕩，所以輸出電壓為零。，振蕩器不能振蕩，所以輸出電壓為零。第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器2021-11-2050本課題小結本課題小結正弦波振蕩器用于產生一定頻率和幅度的正弦波信號。按正弦波振蕩器用于產生一定頻率和幅度的正弦波信號。按組成選頻網絡元件的不同，可分為組成選頻網絡元件的不同，可分為LC、晶體和、晶體和RC振蕩器三振蕩器三類；類；按組成原理不同，可分為反饋和負阻振蕩器，不過反按組成原理不同，可分為反饋和負阻振蕩器，不過反饋振蕩器本質上也是負阻振蕩器。饋振蕩器本質上也是負阻振