正弦波振荡电路(13页).doc
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1、-第七章 正弦波振荡电路正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅度的正弦交流信号的电子电路。它的频率范围可以从几赫兹到几百兆赫兹,输出功率可能从几毫瓦到几十千瓦。广泛用于各种电子电路中。在通信、广播系统中,用它来作高频信号源;电子测量仪器中的正弦小信号源,数字系统中的时钟信号源。另外,作为高频加热设备以及医用电疗仪器中的正弦交流能源。正弦波振荡电路是利用正反馈原理构成的反馈振荡电路,本章将在反馈放大电路的基础上,先分析振荡电路的自激振荡的条件,然后介绍LC和RC振荡电路,并简要介绍石英晶体振荡电路。第一节 振荡电路概述在放大电路中,输入端接有信号源后,输出端才有信号输出。如果一个放大电路当输入信号
2、为零时,输出端有一定频率和幅值的信号输出,这种现象称为放大电路的自激振荡。一、 振荡电路框图图7-1为正反馈放大器的方框图,在放大器的输入端存在下列关系: Xi=Xs+Xf (7-1)其中Xi为净输入信号,且 及 正反馈放大器的闭环增益最后得到 (7-2)如果满足条件 |1-AF|=0,或AF=1 (7-3)则A ,这就表明,在图7-1中如果有很小的信号Xs输入,便可以有很大的信号Xo=AfXs输出。如果使反馈信号与净输入信号相等,即Xf=Xi 图7-1正反馈放大电路的方框图 图7-2自激振荡方框图那么可以不外加信号Xs而用反馈信号Xf取代输入信号Xz。仍能确保信号的输出,这时整个电路就成为一
3、个自激振荡电路,自激荡器的方框图就可以绘成如图7-2所示的形式。二、 自激振荡的条件由上述分析可知,当AF=1自激振荡可维持振荡。AF=1即为自激振荡的平衡条件,其中A和F都是频率的函数,可用复数表示: , 则 即 (7-4)和 (7-5)式(7-4)称为自激振荡的振幅平衡条件,式(7-5)称为自激振荡的相位平衡条件。综上所述,振荡器就是一个没有外加输入信号的正反馈放大器,要维持等幅的自激振荡,放大器必须满足振幅平衡条件和相位平衡条件。上述振荡条件如果仅对某一单一频率成立时,则振荡波形为正弦波,称为正弦波振荡器。三、 正弦波振荡电路基本构成正弦波振荡电路一般包含以下几个基本组成部分:1基本放大
4、电路 提供足够的增益,且增益的值具有随输入电压增大而减少的变化特性。2反馈网络 它的主要作用是形成正反馈,以满足相位平衡条件。3选频网络 它的主要作用是实现单一频率信号的振荡。在构成上,选频网络与反馈网络可以单独构成,也可合二为一。很多正弦波振荡电路中,选频网络与反馈网络在一起,选频网络由LC电路组成称为LC正弦波振荡电路,由RC正弦波振荡电路,由石英晶体组成称石英晶体正弦波振荡电路。4稳幅环节 引入稳幅环节可以使波形幅值稳定,而且波形的形状良好。四、 振荡电路的起振过程振荡电路刚接通电源时,电路中会出现一个电冲击,从而得到一些频谱很宽的微弱信号,它含有各种频率的谐波分量。经过选频网络的选频作
5、用,使f=fo的单一频率分量满足自激振荡条件,其他频率的分量不满足自激振荡条件,这样就将f=fo的频率信号从最初信号中挑选出来。在起振时,除满足相位条件(即正反馈)外,还要使AF1,这样,通过放大 输出正反馈放大的循环过程,f=fo的频率信号就会由小变大,其他频率信号因不满足自激振荡条件而衰减下去。振荡就建立起来。振荡产生的输出电压幅度是否会无限制地增长下去呢?由于晶体管的特性曲线是非线性的,当信号幅度增大到一定程度时,电压放大倍数Au就会随之下降,最后达到AF=1,振荡幅度就会自动稳定在某一振幅上。从AF1到AF=1过程,就是振荡电路看激振荡的建立与稳定的过程。第二节 LC正弦波振荡电路 采
6、用LC谐振网络作选频网络的振荡电路称为LC振荡电路。LC振荡电路通常采用电压正反馈。按反馈电压取出方式不同,可分为变压器反馈式,电感三点式、电容三点式,三种典型电路。三种电路的共同特点是采用LC并联谐振回路作为选频网络。一、 LC回路的频率特性。 一个LC并联回路如图73所示,其中R表示电感线圈和回路其他损耗总的等效电阻。其幅频特性和相频特性如图74所示。 (a)幅频特性 (b)相频特性 图73 LC并联回路 图74 LC并联回路的频率特性(Q1Q2)当LC并联回路发生谐振时,谐振频率为 (7-6)电路阻抗Z达到最大,其值为 (7-7)式(7-7)中Q为回路品质因数,其值为 (7-8)由图7-
7、4可知,当外加信号频率f等于LC回路的固有频率f0(f=f0)时,电路发生并联谐振,阻抗Z达到最大值Z0,相位角=0,电路呈纯电阻性,当f偏离f0时由于Z将显著减小, 不再为零,在ff0时,电路呈容性,利用LC并谐振时呈高阻抗这一特点,来达到选取信号的目的,这就是LC并联谐振回路的选频特性。可以证明品质因数越高,选择性愈好,但品质因数过高,传输的信号会失真。因此,采用LC谐振回路作为选频网络的振荡电路,只能输出f=f0的正弦波,其振荡频率为 (7-9)当改变LC回路的参数L或C时,就可改变输出信号的频率。二、 变压器反馈式振荡电路在变压器反馈振荡电路中,其谐振回路接在共发射极电路的集电极的称为
8、共射调集振荡电路,类似的还有共射调基振荡电路和共基调射振荡电路。下面以共射调集变压器反馈式LC振荡电路为例进行分析。1、 电路组成图7-5电路就是共射调集变压器反馈式LC振荡电路,它由放大电路、LC选频网络和变压器反馈电路三部分组成。线圈L与电容C组成的并联谐振回路作为晶体管的集电极负载,直选频作用,由变压器副边绕组来实现反馈,所以称变压器反馈式LC正弦波振荡电路,输出的正弦波通过L1耦合给负载,CB为基极耦合电容。图7-5 变压器反馈式振荡电路2、振荡的建立与稳定首先按图7-5所示反馈线圈L2的极性标记,根据同名端和用“瞬时极性法”判别可知,符合正反馈要求,满足振荡的相位条件。其次,当电源接
9、通后瞬间,电路中会存在各种电的扰动,这些扰动都是具有谐振回路两端产生较大的电压,通过反馈线圈回路送到放大器的输入端进行放大。经放大和反馈的反复循环,频率为f0的正弦电压的振幅就会不断地增大,于是振荡就建立起来。由于晶体管的输出特性是非线性的,放大器增益将随输入电压的增大而减小,直到AF=1,振荡趋于稳定,最后电路就稳定在某一幅度下工作,维持等幅振荡。2、 振荡频率 (7-10)4、电路的优缺点变压器反馈式振荡电路通过互感实现耦合和反馈,很容易实现阻抗匹配和达到起振要求,所以效率较高,应用很普遍。可以在LC回路中装置可变电容器来调节振荡频率,调频范围较宽,一般在几千赫兹几百千赫兹,为了进一步提高
10、振荡频率,选频放大器可改为共基极接法。该电路在安装中要注意的问题是反馈线圈的极性不能接反,否则就变成负反馈而不能起振,若反馈线圈的连接正确仍不能起振,可增加反馈线圈的匝数。三、电感三点式振荡电路三点式振荡电路有电容三点式电路和电感三点式电路,它们的共同点是谐振回路的三个引出端点与三极管的三个电极相连接(指交流通路),其中,与发射极相接的为两个同性质电抗,与集电极和基极相接的是异性质电抗。这种规定可作为三点式振荡电路的组成法则,利用这个法则,可以差别三点式振荡电路的连接是否正确。1、 电路组成电感三点式振荡电路,也称为哈脱莱振荡电路,电路如图7-6所示。由放大电路、选频网络和正反馈回路组成。选频
11、网络是由带中间抽头的电感线圈L1、L2与电容C组成,将电感线圈的三个端点首端、中间抽头和尾端分别与放大电路相联。对交流通路而言,电感线圈的三个端点分别与三极管的三个极相联,其中与发身极相接的是L1和L2。线圈L2为反馈元件,通过它将反馈电压送到输入端。C1、C2及CE对交流视作为短路。图7-6 电感三点式振荡电路2、振荡的相位平衡条件根据“瞬时极性法”和同名端差别可知,当输入信号瞬时极性为时,经过三极管倒相输出为 ,即 =180,整个闭环相移 即反馈信号与输入信号同相,电路形成正反馈,满足相位平衡条件。3、振荡的振幅平衡条件只要晶体三极管的值足够大,该电路就能满足振荡的振幅平衡条件。L2越大,
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