武汉理工大学模电课件10波形电信

1、10.1 正弦波振荡器的基本概念,10.2 RC正弦波振荡器,10.3 LC正弦波振荡器,10.4 石英晶体正弦波振荡器,基本要求: 1 掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅度平衡条件； 2 理解RC串并联式正弦波振荡电路的工作原理； 3 掌握RC振荡器能否自激的判别及振荡频率的计算； 4 了解LC振荡器的工作原理及自激判断。,作业P283: 2(9.2.1)、3(2.2)、5(2.4)、6(2.5), 7(2.6), 11(a)(9.3.4(a),10 正弦波信号产生电路(P264),正反馈框图如图示。（注意与负反馈方框图的差别）,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,思考？ 与自激振荡条件有何异同？,更关键,常据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断电路可否振荡。,10.1 正弦波振荡器的基本概念,要使电路自行振荡，需满足起振条件,思考？ 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声,首先，电路满足起振条件，噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。,振幅平衡条件,相位平衡条件,是平衡条件，电

2、路处于稳态振荡,波形产生过程：,然后，当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加(稳幅)，否则波形将出现失真。,10.1 正弦波振荡器的基本概念,所以，振荡电路中存在一个振荡频率f0正弦波振荡器只在一个频率下满足相位平衡条件，即f0。,(2)反馈网络（构成正反馈的）,(3)选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率（由RC、LC晶振等器件构成），经常与反馈网络合二为一。）,(4)稳幅环节,(1)放大电路（包括负反馈放大电路）,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 回到,正弦波振荡电路的基本组成：,10.1 正弦波振荡器的基本概念,10.2 RC正弦波振荡器,(P267),1. 电路原理图,2. RC串并联选频网络的选频特性,3. 振荡的建立与稳定,4. 振荡频率与振荡波形,5. 稳幅措施,反馈网络兼做选频网络,为正反馈。,Z1、Z2、R1、Rf构成一个四臂电桥,放大电路Av为电压串联负反馈，具有Ri高，Ro低的特点,Av为同相比例运算电路,1. RC文氏桥振荡器,10.2 RC正弦波振荡器,2. RC串并联选频网络的选频特性,反馈系数,幅频响应,又,且

3、令,则,相频响应,10.2 RC正弦波振荡器,当,幅频响应有最大值,相频响应,10.2 RC正弦波振荡器,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知，,则振荡电路满足振幅平衡条件,(+),(+),(+),(+),3. 振荡的建立与稳定,电路满足相位平衡条件,10.2 RC正弦波振荡器,电路满足相位平衡条件,(+),(+),(+),(+),所以，振荡频率为,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,4. 振荡频率与振荡波形,若适当调整负反馈的强弱，使Av的值在起振时略大于3，达到稳幅时Av=3，,则，输出频率为,的正弦波。,10.2 RC正弦波振荡器,5. 稳幅措施,采用非线性元件自动调 整反馈的强弱从而稳幅。,热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,负温度系数热敏电阻的作用,思考？ 可否采用正温度系数的热敏电阻？应怎样连接？,10.2 RC正弦波振荡器,采用非线性元件,工作在可变电阻区的场效应管(JFET),稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,一般只要调节RP3、RP4,10.2 RC正弦波振荡器,采用非线性元件,正反并联二极管,输出电压的幅值：,当vo很小，D1、D

4、2截止,起振,当vo较大，D1、D2之一导通，R3变小，且vo增大RD减小，直至Vom，Av趋于3,当Av3时,10.2 RC正弦波振荡器,T2,例如文氏桥典型电路,+,+,-,+,10.2 RC正弦波振荡器,【例10.2.1】图为简化的音频信号发生器。1）R1大致调到多大才能起振？2）Rp为双联电位器014.4K，试求振荡频率的调节范围。,10.2 RC正弦波振荡器,解：1）,Rm2R1，R11.5K,2）Rp最小fo最大，Rp最大fo最小。,fo为1KHz100KHz,【例10.2.2】图为移相式RC正弦波信号发生电路，设运放为理想的。1）分析工作原理；2）试求振荡频率和产生振荡的条件。,+,+,-,+,X,10.2 RC正弦波振荡器,例：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡,+,-,+,-,不满足相位平衡条件，不能振荡,10.2 RC正弦波振荡器,等效损耗电阻,当 时，,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性，容抗等于感抗，,其中,为品质因数(几十几百),同时有,即,10.3.1 LC并联谐振回路的频率特性,10.3 LC正弦波振荡电路,当Z仅局限于

5、0附近时，,近似有=0, -0=,偏离0的程度,Z0为谐振阻抗,感性,容性,10.3 LC正弦波振荡电路,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,3. 幅值平衡条件,4. 稳幅,5. 选频,通过选择高值/gm和R的BJT、FET和调整变压器的匝数比，可以满足,，电路可以起振。,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0= 的正弦波信号。,即振荡频率为,10.3.2 变压器耦合LC振荡电路,(+),(-),(+),(+),(+),(+),(+),(+),反馈,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,反馈,10.3.2 变压器耦合LC振荡电路,10.3.3 LC三点式振荡电路,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,1. 三点式LC并联电路,电容三点式,电感三点式,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B. 若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。,适当选取L2/L1可起振,对高次谐波阻抗大，输出谐波分量大，波形不理想,适当选取C2/C1可起振,对高次谐波阻抗小，输出波形好,2. 电感三点式振荡

6、电路,振荡频率:,中间点交流接地，首端与尾端相位相反,10.3.3 LC三点式振荡电路,3. 电容三点式振荡电路,谐振频率,10.3.3 LC三点式振荡电路,例9-2：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡?若能，写出振荡频率表达式,谐振频率,+,-,+,+,10.3 LC正弦波振荡电路,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,+,+,+,10.3 LC正弦波振荡电路,例：根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,分析三种LC正弦波振荡电路能否正常工作的步骤可归纳如下： （1）检查电路是否具备正弦波振荡器的基本组成部分，即基本放大器和反馈网络，并且有选频环节。 （2）检查放大器的偏置电路，看静态工作点是否能确保放大器正常工作。 （3）分析振荡器是否满足振幅平衡条件和相位平衡条件(主要看是否满足相位平衡条件，即用瞬时极性法判别是否存在正反馈) 。,10.3 LC正弦波振荡电路,例9-3： 根据相位平衡条件，利用瞬时极性法判断以下电路能否振荡,不满足相位平衡条件,+,-,-,10.3 LC正弦波振荡电路,例：改正所示各电路图中的错误

7、，使电路可能产生正弦波振荡。要求不能改变放大电路的基本接法（共射、共基、共集）。,10.3 LC正弦波振荡电路,10.4 石英晶体正弦波振荡器,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,结构：,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应：,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大,压电谐振,10.4 石英晶体正弦波振荡器,L机械振荡的惯性10-3102H C晶片的弹性10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗 102,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,等效电路,A. 串联谐振,特性:2个谐振频率,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,当f高于fs，R、L、C支路呈感性，与Co并联谐振,R、L、C支路串联谐振,C0静态电容(两极板之间的电容，几PF几十PF),10.4 石英晶体正弦波振荡器,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,实际使用时外接一

8、小电容Cs,则新的谐振频率(标称频率)为,由于,由此看出,调整,一般CsC,10.4 石英晶体正弦波振荡器,3. 石英晶体振荡电路,(1)并联晶体振荡电路工作在并联谐振状态，晶振作为三点式LC选频网络中的一个元件。,(2)串联晶体振荡电路工作在串联谐振状态，石英晶体作为一个正反馈通路元件。,10.4 石英晶体正弦波振荡器,串联型晶体振荡器,石英晶体接在T1、T2组成的两极放大器的正反馈网络中，起到选频和正反馈作用。当电路调谐到石英晶体的串联谐振频率s时，石英晶体阻抗最小(相当于短路)，电路的正反馈最强，且相移为零，满足振荡条件。而对其它频率的信号，晶体阻抗很大，正反馈很弱，电路不能起振。可见这种电路的振荡频率0是由石英晶体的串联谐振频率s所决定的，即： 0 = s而不取决于振荡回路。,由晶体电抗特性可知，当=s时，晶体相当于一个“短路”元件，串联型晶体振荡器正是利用晶体这一特性构成的正弦波振荡电路。,10.4 石英晶体正弦波振荡器,例：分别标出图所示各电路中变压器的同名端，使之满足正弦波振荡的相位条件。,+,-,+,+,+,+,-,+,+,+,+,+,+,-,-,+,分别判断图中所示各电路是否满足正弦波振荡的相位条件，不满足的请改正,+,-,-,+,-,-,+,+,+,

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