电子技术基础——正弦波振荡电路

电子技术基础——正弦波振荡电路

一、产生正弦波振荡的条件

1.自激振荡

即使放大电路的输入端不加信号，但由于热噪声及电磁场变化等原因，在它的输出端也会出现某种频率和幅度的波形，这种现象称为自激振荡。对于放大电路来说，它是十分有害的，应当设法避免和消除。但是，对于波形发生电路来说，它却是应当加以利用的。在放大电路中，其目的是放大输入信号，不允许有自激振荡，也就是要破坏自激振荡的条件。而在波形发生电路中，其目的是利用自激振荡产生波形，因此应设法满足自激振荡条件。

2.自激振荡形成的条件

自激振荡形成条件的分析方框图如图1-2-1所示。当开关打在端点“1”时，若放大电路的输入信号Ù_i为正弦信号，那么输出信号Ù₀为放大了的正弦信号。正反馈网络把这个信号引回到输入端，形成反馈信号Ù_f,选择适当的传输系数F,使Ù_f=Ù_i。此时，若把开关打在端点“2”,即使去掉端点“1”,输出仍维持不变。此时，电路中没有输人信号，但仍有一定幅度和一定频率的正弦波信号输出，形成自激振荡。

自激振荡形成的基本条件是Ù_f=Ù_i,即：

1)反馈信号与输入信号大小相等，即|Ù_f|=|Ù_i|,称为幅度条件。

2)反馈信号与输人信号的相位相同，称为相位条件。

3.起振和稳幅

在实际电路中并没有开关和输人信号，那么图1-2-1的正弦波的输出信号是如何产生的呢?放大电路在接通电源的瞬间，随着电源电压由零开始突然增大，电路受到扰动，在放

放大电路大器的输入端产生一个微弱的扰动电压u;,经放大器放大、正反馈，再放大、再反馈……如此反复循环，只要|Ù_f|>|Ù_i|,输出信号就会由小逐渐变大，即振荡电路就会自行起振或称作能够自激。正弦波振荡电路起振后，它的输出信号将随时间逐渐增大。当它的幅值增大到一定程度后，放大器中的三极管就会接近甚至进入饱和区或截止区反馈电路区，输出波形就会失真，因此，一般还需要稳幅环节，以达到|Ù_f|=Ù_i|,使输出幅度稳定且波形又基本上不失真。

二、正弦波振荡电路基本组成

1.放大电路

利用晶体管的放大作用，使电路具有足够的放大倍数，以获得较大的输出电压。没有放大，不可能产生正弦波振荡。放大电路不仅必须有供给能量的电源，而且应当结构合理且静态工作点正确，以保证放大电路具有放大作用。

2.反馈网络

把输出信号反馈到输入端，作为放大电路的输入信号，如果反馈信号的大小和相位满足自激振荡的条件，即必须是正反馈，电路才产生振荡。它的主要作用是形成正反馈，以满足相位条件。

3.选频网络

接通直流电源起振时在电路中激起的电压和电流的变化，往往是非正弦的，含有各种频率的谐波分量。为了得到单一频率的正弦输出电压，振荡电路还必须具有选频电路。它的主要作用是只让单一频率满足振荡条件，以产生单一频率的正弦波。选频网络所确定的频率一般就是正弦波振荡电路的振荡频率fo。

三、LC振荡电路

在很多正弦波振荡电路中，选频网络与反馈网络结合在一起，即同一个网络既用于选频，又用于反馈。

一般LC振荡器的振荡频率大约在几千赫到几百兆赫的范围内，所以它可以产生高频信号。

1.电感三点式振荡电路

电感三点式振荡电路如图1-2-2所示。电感线圈的三点分别同晶体管的3个极相联。C₁、C₂及Cs对交流都可视作短路。反馈线圈是电感线圈的一段，通过它将反馈电压送到输入端。这样，可以保证实现正反馈。反馈电压的大小可改变抽头的位置来调整。通常反馈线圈L₂的匝数为电感线圈总匝数的1/4～1/8。

电感三点式振荡电路的振荡频率为

式中：M-—线圈L₁和L₂之间的互感。

通常改变电容C来调节振荡频率。此种电路一般用于产生几十兆赫以下的频率。

2.电容三点式振荡电路

电容三点式振荡电路如图1-2-3所示。C₁和C₂连接，其三点分别同晶体管的三个极相连。反馈电压从C₂上取出。这样连接也能保证实现正反馈。在这种振荡电路中，反馈信号通过电容，频率愈高，容抗愈小，反馈愈弱，所以可以削弱高次谐波分量，输出波形较好。而这点正好与电感三点式振荡电路相反。那里频率愈高，线圈的感抗愈大，反馈愈强，输出波形中含有较多的高次谐波分量。

 电容三点式振荡电路的振荡频率为：

调节振荡频率时，要同时改变C₁和C2,显得很不方便。因此，通常再与线圈串联一个电容量较小的可变电容，用它来调节振荡频率。由于C₁和C₂的容量可以选得较小，故振荡频率一般可达到100MHz以上。

四、RC振荡电路

若所需振荡频率不高时，常采用RC振荡电路，其输出信号的频率范围在几赫到几十千赫之间。图1-2-4是RC串并联网络振荡器。

它的放大部分是由一个具有电压串联负反馈的两级共发射阻容耦合放大电路构成的。两级共射阻容耦合放大电路工作于中频段时，其输出电压u。与输入电压u;同相。R₁、C₁、R₂、C₂所组成的串并联选频电路构成了选频和正反馈部分。输入电压u;是从R₂C₂并联电路的两端取出的，它是输出电压u。的一部分。对R₁、C_i、1R₂、C₂选频电路讲，如果取R₁=R₂=R,C₁=C₂=C,只有当f=f_O=1/2πRC时，u_O和u_i同相，并且有

由上可见，①R₁、C₁、R₂、C₂串并联电路具有选频性，当R₁、C₁、R₂、C₂一经选定后，只能对一个频率产生自激振荡(如果没有C₁、C₂,则对任何频率都能产生自激振荡),输出的是正弦信号；②为了满足自激振荡的相位条件，放大电路采用两级共射放大，每一级的相移为180°;③起振时要求放大电路的电压放大倍数|Au|>3,最后受到晶体管非线性的限制，使|A_u|=3。

在图1-2-4的放大部分引入串联电压负反馈，电位器只R,是反馈电阻，调节R,就可以调节负反馈量。起振时调节电压放大倍数，使其稍大于3。此外，引入负反馈后，还可以提高振荡电路的稳定性并使输出电压的波形更接近正弦波。

五、振荡器应用实例

图1-2-5为点火器由T₁、L₁、C₂和L₂组成正弦振荡器。这种正弦振荡器为共集电极-射极输出器，其输入阻抗大输出阻抗小，而且具有带负载能力强等优点。其振荡频率为170kHZ。

振荡器当C₁、L₁两端加上电压时，由于电感与电容之间储存的电能转换就形成LC之间的振荡，为了正当幅度不衰减下来，补充电能靠正反馈线圈L₂,L₂是与L₁绕在一起的另一绕组，利用变压器原理，将L₁的电压感应到L₂上来，返回来送到T₁的基极，经放大T₃又送到L₁、L_₂上来，以维持等幅振荡。C₁为正反馈线圈L₂提供交流通路。

LC振荡器的频率稳定度一般小于10^-5量级。用石英晶体组成的振荡器频率稳定度可达10^-8所以在要求频率稳定度高于10-⁶以上的设备中，石英晶体振荡器得到了广泛的应用。

1.石英晶体的特点和等效电路

1)基本特性

若在石英晶片两极加一电场，晶片会产生机械变形。相反，若在晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上会产生一定的电场，这种物理现象称为压电效应。因此当晶片的两极加上交变电压时，晶片就会产生机械变形振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。当外加交变电场的频率为某一特定频率时，振幅才突然增加，比一般情况下的振幅要大得多，称为压电谐振。这和LC回路的谐振现象十分相似，因此石英晶体又称为石英谐振器。

2)等效电路

石英谐振器的符号和等效电路如图1-2-6所示。当晶体不振动时，可把它看成是一个平板电容器C。,称为静电电容。当晶体振动时，有一个机械振动的惯性，用电感L来等效，晶片的弹性一般以电容C来等效。晶片振动时因摩擦而造成的损耗则用R来等效。

从石英谐振器的等效电路可知，这个电路有两个特定的谐振频率，当L、C、R支路串联谐振时，等效电路的阻抗最小(几乎等符号于零),串联谐振频率为

2.石英晶体振荡器电路

石英晶体振荡器电路形式是多样的，但基本电路只有两类，即并联晶体振荡电路和串联晶体振荡电路。

1)并联型晶体振荡电路

并联型晶体振荡器如图1-2-7a)所示，图1-2-7b)是它的交流等效电路，振荡回路由C₁、C₂和晶体组成。晶体在回路中起电感L的作用，即振荡频率在晶体振荡器的fs和fp之间。

谐振频率近似为

其中C是晶体管的弹性等效电容。从上式可知，谐振频率基本上是由晶体的固有频率fs所决定，其振荡频率稳定性高。

2)串联型晶体振荡电路

图1-2-8是串联型晶体振荡电路。晶体接在T₁、T₂组成的正反馈电路中。当振荡频率等于晶体的串联谐振频率fs时，晶体的阻抗最小，且为纯电阻，电路满足自激振荡条件而振荡。对于fs以外的其他频率，晶体的阻抗增大，相移不为零，不满足自激条件。调节电阻R可获得良好的正弦波输出。

由于石英晶体特性良好，而且仅有两根引线，安装简便，调试方便，所以石英晶体在正弦波振荡电路和方波发生电路中获得广泛的应用。