第五章 振荡电路54.docx
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第五章振荡电路54
第五章振荡电路
在一个电子线路中,不加输入信号就有信号输出的现象,称为自激振荡,实现振荡的电路称为振荡器。
常见的振荡器有两类:
一类是正弦波振荡器,另一类是非正弦波振荡器。
§5-1RC正弦波振荡器
一、自激振荡的基本原理
正反馈放大器有可能形成振荡。
但满足什么条件时,才能使正反馈放大器成为一个自激振荡器呢?
1.自激振荡的基本条件
a.自激振荡器的原理框图如图5-1所示。
(1)自激振荡器分为两个部分:
一是基本放大器,其放大倍数为Au;二是正反馈电路,反馈系数为F。
(2)信号的传输:
设基本放大器的输入端有一初始输入信号ui→基本放大器→uo=Au·ui→正反馈电路→uf=F·uo→基本放大器,如此循环。
显然,在将输入信号拿掉的情况下,电路能维持有信号输出的条件是:
uf≥ui。
b.产生自激振荡,必须具备的两个基本条件:
(1)相位条件:
反馈信号uf与输入信号ui同相位,即uf与ui的相位差应为=2n(n=0,1,2,3…)
(2)幅度条件:
反馈信号uf应大于或等于输入信号ui,即
FAu≥1(uo=Au·ui,uf=F·uo=FAu·ui)
只有满足了以上两个基本条件,电路才能产生自激振荡。
2.正弦波振荡器的基本组成
a.振荡电路要产生单一频率的正弦波,必须具有选频电路。
(如果有多个频率的信号满足产生振荡的条件,那么输出端获得的振荡信号将不是单一频率的正弦波,而是一个由多种频率信号合成的非正弦波。
如果有选频电路,并且选频电路只让某一频率的信号满足产生振荡的两个基本条件,那么得到的振荡信号就会是单一频率的正弦波信号。
)
b.从原理上讲,一个自激正弦波振荡器必须由三个部分组成:
基本放大器、正反馈电路和选频电路。
(选频电路可以由R、C元件组成,也可以由L、C元件组成,还可以由石英晶体组成。
在实际的振荡电路中,选频电路可以作为一个独立的部分,但多数情况下是包含在反馈电路中或基本放大器之中。
)
3.振荡的建立和稳定
a.提出问题:
振荡器的最初的输入电压从何而来?
b.自激振荡的建立:
(1)因为振荡电路是一个闭合的正反馈系统,因此电路中任何地方微小的电扰动(如接通直流电源等),最终都会传送到基本放大器的输入端,而成为最初的输入电压。
(2)不规则的电扰动中包含了丰富的频率成分,选频电路从中选出满足振荡条件的某一频率信号,使其在振荡电路中经过放大-正反馈-再放大-再正反馈的循环过程,振荡将迅速增大,这样自激振荡便建立起来了。
c.振荡的稳定:
上述振荡信号不会无止境地增长下去,最后会达到一个相对稳定的幅度,而获得一个等幅振荡。
(因为随着振荡的增长,必将导致晶体三极管进入非线性工作状态,使放大器的放大倍数明显下降,再加上信号在线路中的损耗,因此信号的幅度有减小的趋势,最后信号会达到一个相对稳定的幅度。
)
二、RC串并联选频电路
1.RC串并联选频电路的构成及特性
a.电路的构成如图5-2(a)所示。
b.当输入电压ui的频率很低时,输出电压uo比输入电压ui超前的相位接近/2,且uo的幅度很小。
(当ui的频率很低时,C1的容抗远大于电阻R1,而C2的容抗远大于电阻R2,因此电路等效为C1与R2的串联,ui主要降落在C1上。
由等效电路的电压、电流的相量图可得出上述结论。
)
c.当输入电压ui的频率很高时,输出电压uo比输入电压ui滞后的相位接近/2,且uo的幅度很小。
(当ui的频率很高时,C1的容抗远小于电阻R1,C2的容抗也远小于电阻R2,因此电路等效为R1与C2的串联,ui主要降落在R1上。
由等效电路的电压、电流的相量图可得出上述结论。
)
d.容易理解,在一个适当的中间频率f0处,输出电压uo与输入电压ui同相位,而且输出电压uo的幅度最大。
[如图5-2(a)、(b)所示。
]
2.RC串并联电路的频率特性(详细的定量推导见教材P101)
a.幅频特性和相频特性
(1)幅频特性:
电路的电压传输系数的模
随输入信号频率变化的曲线,称为该电路的幅频特性。
[参见图5-2(b)]
(2)相频特性:
uo与ui的相位差随输入信号频率变化的曲线,称为该电路的相频特性。
[参见图5-2(c)]
b.在实际应用中,通常取R1=R2=R,C1=C2=C,当输入信号频率为f0=1/2RC时,电压传输系数的模
达到最大,等于1/3。
即,此时输出电压uo获得最大值,且与输入电压同相位。
所以,该电路具有选频作用。
三、文氏桥式RC振荡器
1.振荡器的电路结构:
a.文氏桥式RC振荡器由运放和RC串并联选频电路组成,如图5-3所示。
b.输出电压uo有两条反馈路径(①加于RC串并联选频电路两端,其输出端A与运放的同相端相连接;②经电阻R3、R4分压后,反馈到运放的反相端。
)
c.桥式振荡器名称的由来。
2.工作原理:
a.当频率f=f0=1/2RC时,RC选频电路构成一个正反馈支路,使信号满足振荡的相位条件,并且F=
=1/3。
b.适当调节R3、R4,使(R3+R4)/R4≥3,就可达到Au≥3,从而使信号满足振荡的幅度条件。
[参见P85(4-3)式,此时Au=(R3+R4)/R4≥3,FAu≥1。
]
c.振荡器的稳幅措施:
R3采用负温度系数(温度升高阻值减小)的热敏电阻,使输出电压的幅度稳定。
(这种稳幅方法的原理:
若uo↑→R3的温度↑→R3↓→Au↓→振荡减弱,uo↓。
反之,若uo↓→R3的温度↓→R3↑→Au↑→振荡增强,uo↑。
)
3.振荡器的特点:
振荡频率和输出电压的幅度比较稳定,波形失真小,频率调节方便,可产生几千赫兹~0.001赫兹的低频正弦波信号,而且整个电路便于小型化,因而在医学中有广泛的应用。
作业P111~112:
5-1,5-2,5-3,5-4,(5-5)
§5-2LC正弦波振荡器
由集成运放构成的RC振荡器的振荡频率一般不超过1MHz,如要产生更高频率的振荡,可采用LC振荡器。
LC振荡器由具有选频作用的LC并联谐振回路、放大环节及正反馈电路所组成。
一、变压器反馈式振荡器
1.变压器反馈式LC振荡器的组成:
a.振荡器由LC选频放大器和正反馈电路组成,如图5-4所示。
b.信号的传输途径:
uf从L2引出经CB加到三极管的发射结,放大后的信号经LC并联谐振回路选频后经L1、L2输出。
2.工作原理:
a.振荡相位条件的满足:
正反馈。
(①线圈的同名端:
互感线圈中电压相位相同的端点,称为同名端,用黑点表示。
②简介正反馈的形成。
)
b.振荡幅度条件的满足:
L2具有足够多的匝数。
c.起振和稳幅:
①接通直流电源,微弱的电扰动经过多次放大、正反馈、选频后,在集电极负载LC回路上得到一个频率为f0=
的输出信号电压。
②受晶体三极管非线性的限制,输出信号的幅度将自动稳定在某一水平上,从L1输出一等幅的正弦波振荡电压。
3.电路的特点:
振荡频率较低(几十千赫至几兆赫),输出振荡电压较大,电路比较稳定。
二、电感反馈式振荡器
1.电路的构成
a.电感反馈式振荡电路如图5-5(a)所示。
b.该电路常称为电感三点式振荡器,又叫做哈特莱振荡器。
(该电路也是一种以LC并联谐振回路作为集电极负载的振荡器。
晶体管的三个极分别与线圈的三个线头相连接。
)
2.工作原理:
a.振荡相位条件的满足:
端点1的信号电压与端点3的信号电压相位相反。
(进行简要地分析、讨论)
b.振荡幅度条件的满足:
L2的匝数足够多。
c.实际应用时,取L1/L2=3/1,既可满足振荡的幅度条件,又不至于反馈量太强,使波形失真太大。
d.该电路的振荡频率近似为
,式中M是线圈L1与L2之间的互感系数。
3.电路的特点:
a.振荡频率中等,一般可达几十兆赫。
若C为可变电容,则振荡频率连续可调。
b.电路简单,容易起振。
c.输出的正弦波信号中,高次谐波较多,波形欠佳。
(∵反馈信号从电感上取出,而电感对高频信号呈现出较大的阻抗,高频信号在电感上产生的压降比较大。
∴反馈量中高频成分比较丰富、比例较大。
)
三、电容反馈式振荡器
1.电路的结构
a.电容反馈式振荡器如图5-6(a)所示,其简化的交流通道如图5-6(b)所示。
b.该电路叫做考毕兹振荡器。
因其振荡电容有三个引线点,分别与三极管的集电极、发射极和基极相连接,因此该电路又俗称为电容三点式振荡器。
2.工作原理:
(该电路在形式上与电感反馈式振荡器基本相同,只是电容与电感互换了位置,反馈信号从C2的两端取出。
)
a.振荡条件的满足:
(1)相位条件的满足:
端点1的信号电压与端点3的信号电压相位相反。
(进行简要地分析、讨论)
(2)幅度条件的满足:
适当选取C1与C2的比值,使FAu≥1。
b.该电路的振荡频率近似为:
式中的C是C1与C2的串联等效电容。
3.电路的特点:
振荡频率较高(一般可达到100MHz以上);输出波形失真小,更接近于正弦波;频率调节不方便。
【补充】
1.判断电感、电容反馈式LC振荡器是否满足相位条件,可用一句话来概括:
“射同集反”。
(即与发射极相连接的是两个同性质的电抗,而与集电极相连接的是两个相反性质的电抗。
)
2.某一电路是否可能产生振荡,从三点来判断:
①晶体管是否工作于放大状态;②是否引入了正反馈;③反馈量是否足够大。
(主要是判断前两点。
)
作业P112:
(5-6),①5-7,②补充习题。
§5-3晶体正弦波振荡器
引言:
1.LC振荡器的不足:
品质因数Q值还不够高(200以下),
选择性不够好,致使振荡频率的稳定度(f0/f0)不够高(很难超过10-5数量级)。
2.为了提高振荡器的性能,常用石英晶体代替LC振荡器中的LC并联谐振回路,构成石英晶体振荡器。
一、石英晶体的结构和电特性
1.石英晶体的结构及压电效应
a.石英晶体的结构:
将天然石英(一种六棱柱晶体)按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。
在晶片两个相对的表面上喷涂金属并引出电极,就制成了石英振荡器,又称为石英晶体。
其结构示意图暨电路符号如图5-7(a)所示。
(书上原图有错)
b.石英晶体的压电效应:
(1)正压电效应:
若在晶体相对的两侧面上施加压力或拉力,则在这两个面上会出现异号电荷。
(2)逆压电效应:
若在晶体相对的两侧面之间加一电场(电压),则晶体将会产生形变,晶片的厚薄会发生变化。
(3)压电谐振:
当晶体上外加交变电压的频率与晶体机械振动的固有频率相等时,电磁振荡和机械振动的幅度达到最大。
(在晶体的极板上加交变电压,晶体就会产生机械振动,而机械振动又会产生交变电场。
一般幅度很小。
)
c.石英晶体的固有频率由晶片的切割方向和几何尺寸决定,每一块晶片都有它的固有频率,而且非常稳定。
2.石英晶体的电特性:
a.石英晶体的等效电路如图5-7(b)所示。
(图中C0是晶片金属极板之间的静电容,约为几皮法至几十皮法;晶片的等效电感L为10-3~102H,等效电容C为10-2~10-1皮法,等效电阻R约为1~10欧姆,它表示振动时的磨擦损耗。
)
b.由于石英晶片的等效电感L很大,而C、R很小,所以石英谐振回路的Q值很大(可达104~106)。
利用石英晶体组成振荡器,可以获得很高的频率稳定性。
3.石英晶体的电抗-频率特性及其谐振频率:
石英晶体的电抗-频率特性曲线如图5-7(c)所示。
a.在f≤f1的区域:
(1)f<f1时,晶体呈电容性。
(2)f=f1时,X=0,Z=R,晶体呈纯电阻性,LCR支路产生串联谐振。
(3)串联谐振的频率为
b.在f1<f≤f2的区域:
(1)f1<f<f2时,晶体呈现电感性。
(2)当f=f2时,晶体等效电路两支路的电抗大小相等(X=0),晶体的阻抗Z最大且呈纯电阻性,晶体产生并联谐振。
(3)如果忽略电阻R的影响,则并联谐振的频率为
c.当频率f>f2时,晶体又呈电容性。
d.小结:
(1)石英晶体不仅有串联谐振频率f1,而且还有并联谐振频率f2;∵C0>>C,∴f2与f1很接近。
(2)在f1<f<f2这段很窄的频率范围内,石英晶体相当于一个电感元件,其电感量L′(并不是晶体的等效电感L)可在零到无穷大的范围内变化。
二、并联型晶体振荡器
1.并联型晶体振荡器如图5-8(a)所示,它实际上是一个电容反馈式振荡器,在f1~f2的频率范围内,晶体相当于一个电感元件
。
2.原理分析
a.振荡条件的分析:
(1)由图5-8(a)可知,三极管处于放大状态。
(2)图5-8(b)是简化了的并联型晶体振荡器的交流等效通路,在f1~f2的频率范围内,晶体的等效电感为L′(它随频率变化极大)。
电路的连接符合“射同集反”,因此,电路满足振荡的条件。
(3)电路的振荡频率为
是
与
的串联等效值。
b.稳定振荡频率的机理:
如果电容
发生变化,则会对振荡频率f0产生影响,频率变化又会引起L′的变化,L′的变化反过来又对振荡频率产生影响:
(1)
↓→f0↑→L′↑→f0↓,f0稳定不变
(2)
↑→f0↓→L′↓→f0↑,f0稳定不变
可见,L′在振荡中起到自动稳定频率的作用。
所以,晶体振荡器的频率稳定性很高。
三、串联型晶体振荡器
1.串联型晶体振荡器的电路结构如图5-9所示。
(它由两级直接耦合的放大电路组成,正弦波振荡电压由T2的发射极经电容C输出。
)
2.原理分析:
a.信号的反馈通路:
e2→晶体→R→e1
b.振荡的相位条件(正反馈)和幅度条件(晶体串联谐振时,正反馈的量最大)。
c.晶体发生并联谐振时,虽然电路能满足相位条件,但幅度条件不满足。
3.电路的特点:
振荡的强度可控制(调节R可改变反馈量的大小),频率的稳定性极高。
作业P112:
5-8,5-9
§5-4非正弦波发生器
一、矩形波发生器
1.电路的构成由运算放大器构成的矩形波发生器如图5-10(a)所示。
图中的运算放大器A为电压比较器;DZ是双向稳压管,使输出电压uo等于+UZ或-UZ;R1与R2构成正反馈支路,R1上的电压uT是输出电压uo的一部分,即
uT加在同相输入端,作为比较器的参考电压;R3和电容C构成负反馈支路,电容器两端的电压uC加在反相输入端,uC与UT相比较而决定运算放大器输出电压uo的极性;R4是输出限流电阻。
2.工作原理
a.设初始时刻uC=0,uo=+UZ,则
=+UT,这时uC<uT,输出电压uo保持为+UZ;uo通过R3对电容器C充电,uC按指数规律升高(如图所示)。
当uC升高到等于+UT时,uo将迅速地由+UZ变为-UZ。
b.当uo=-UZ时,
=-UT,uC>uT,输出电压uo保持为-UZ;这时电容器C开始通过R3放电,然后反向充电,uC按指数规律下降(如图所示)。
当uC下降到-UT时,uo将迅速地由-UZ又变为+UZ。
此后,电路的状态不断地循环往复,在输出端输出一矩形波电压。
3.电路的振荡周期输出矩形波电压的振荡周期为
如果R1=R2,则T≈2.2R3C。
调整电阻R1、R2、R3和电容C的值,可以改变矩形波电压的振荡周期。
二、三角波发生器
1.电路的构成由运算放大器构成的三角波发生器如图5-11(a)所示。
图中A1为比较器,A2为积分电路,电阻R1的一端接在A1的同相输入端、另一端接在A2的输出端。
2.工作原理
a.在电路工作稳定后,当uo1为-UZ时,A1同相输入端的电位为
(叠加原理)
上式中的第一项是uo1=-UZ单独作用(即uo=0)时对u+1的贡献,第二项是uo单独作用(即uo1=0)时对u+1的贡献;A1反相输入端的电位u-1=0。
在uo1=-UZ期间,A2的输出电压
随时间线性上升,u+1也随时间线性上升。
当
时,
u+1=u-1=0,uo1将迅速从-UZ跳变为+UZ。
b.同理,在uo1=+UZ期间,A1同相输入端的电位为
,
A2的输出电压
随时间线性下降,u+1也随时间线性下降。
当
时,u+1=u-1=0,uo1将迅速从+UZ跳变为-UZ。
此后,电路的状态不断地循环往复,在A1的输出端得到的是矩形波电压uo1,在A2的输出端得到的是线性度很好的三角波电压uo,如图5-11(b)所示。
3.电路的振荡周期三角波电压的振荡周期为
三角波电压的幅值为
。
三、锯齿波发生器
1.电路的构成由运算放大器构成的锯齿波发生器如图5-12(a)所示。
电路结构与三角波发生器基本相同,差别在于积分电路A2反向输入端的电阻分成了两路,并加了两只二极管D1、D2以及电位器RW(RW>>R3)。
调节RW,就可在A2的输出端得到图5-12(b)所示的锯齿波电压。
2.工作原理(与三角波发生器相似)
a.设二极管正向导通时的电阻忽略不计,RW上、下两部分的电阻分别为RW’和RW’’。
当uo1=-UZ时,D1截止、D2导通,所以
;当uo随时间升高到
时,u+1=u-1=0,uo1将迅速从-UZ跳变为+UZ。
b.当uo1=+UZ时,D1导通、D2截止,
;当uo随时间下降到
时,u+1=u-1=0,uo1又迅速从+UZ跳变为-UZ。
以后照此循环往复。
3.电路的振荡周期锯齿波电压的振荡周期为
锯齿波的下降沿与周期之比为
[书中的(5-23)式,只适用于电位器的滑动端在最上端的情况]
锯齿波电压的幅值为
。
四、集成函数发生器(以后自学)
作业复习看书。
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