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第 18章 正弦波振荡电路
18.1 自激振荡
18.2 RC振荡电路
18.3 LC振荡电路
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第 18章 正弦波振荡电路
本章要求:
1,了解正弦波振荡电路自激振荡的条件。
2,了解 LC振荡电路和 RC振荡电路的工作原理。
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正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦
交流信号。 它的频率范围很广,可以从一赫以下到
几百兆以上;输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦;
输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。
18.1 自激振荡
常用的正弦波振荡器
LC振荡电路,输出功率大、频率高。
RC振荡电路,输出功率小、频率低。
石英晶体振荡电路:频率稳定度高。
应用,无线电通讯、广播电视,工业上的高频感
应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体
接近开关等。
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1
AiU? oU?
S u
1,自激振荡
放大电路在无输入信号的情况下,就能输出一定
频率和幅值的交流信号的现象。
开关合在,1”
为无反馈放大电
路。
iuo UAU ?? ?
2
F
fU?
1 A
iU? oU?
S u 开关合在,2”为
有反馈放大电路,
fuo UAU ?? ?
if UU ?? ?如果:
开关合在,2”时,,去掉 ui仍有稳定的输出。
反馈信号代替了放大电路的输入信号。
自激振荡状态
2
F
fU?
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2,自激振荡的条件
(1)幅度条件,1u ?FA
1 FAu ???? ?? FA即:
(2)相位条件,??? n2 FA ??? n 是整数
相位条件 意味着振荡电路必须是 正反馈 ;
幅度条件 表明反馈放大器要产生自激振荡,还
必须有足够的反馈量 (可以通过调整放大倍数 A或
反馈系数 F 达到 ) 。
fuo UAU ?? ?由:
ouo UFAU ?? ?
1u ?FAof UFU ?? ?
自激振荡的条件
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3,起振及稳幅振荡的过程
设,Uo 是振荡电路输出电压的幅度,
B 是要求达到的输出电压幅度。
起振时 Uo?0,达到稳定振荡时 Uo=B。
起振过程中 Uo < B,要求 ?AuF?> 1,
稳定振荡时 Uo = B,要求 ?AuF?= 1,
从 ?AuF?> 1 到 ?AuF ?= 1,就是自激振荡建
立的过程。
可使输出电压的幅度不断增大。
使输出电压的幅度得以稳定。
起始信号的产生,在电源接通时,会在电路中激起
一个微小的扰动信号,它是个非正弦信号,含有一
系列频率不同的正弦分量。
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4,正弦波振荡电路的组成
(1) 放大电路, 放大信号
(2) 反馈网络, 必须是正反馈,反馈信号即是
放大电路的输入信号
(3) 选频网络, 保证输出为单一频率的正弦波
即使电路只在某一特定频率下满
足自激振 荡条件
(4) 稳幅环节, 使电路能从 ?AuF? >1,过渡到
?AuF ? =1,从而达到稳幅振荡。
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18,2 RC振荡电路
RC选频网络
正反馈网络
同相比例电路
放大信号
用正反馈信号 uf
作为输入信号
选出单一频
率的信号
1,电路结构
uf

+
R
+ +
∞RF
R1
C
R C

uO

+
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2,RC串并联选频网络的选频特性
传输系数:
C
//R
C
R
C
//R
U
U
F
??
?
j
1
j
1
j
1
1
2
??
??
?
?
1U?
2U?


R
C
R C

+

+


)j(3
1
o
o ?
?
?
?
??
?
式中,
RC
1
o ??
分析上式可知:仅当 ?= ?o时,达最大
值,且 u2 与 u1 同相,即网络具有选频特性,fo决3
1
1
2 ?
U
U
定于 RC 。
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u1
u2
u2 与 u1 波形
相频特性
ο90?
ο90? ?( f)
fo
ο0
幅频特性
1
2
U
U
ffo
1
3
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3,工作原理
输出电压 uo 经正反馈(兼选频)网络分压后,
取 uf 作为 同相比例电路的输入信号 ui 。
(1) 起振过程
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(2) 稳定振荡
?A = 0,仅在 f 0处 ?F = 0 满足相位平衡条件,
所以振荡频率 f 0= 1 ? 2?RC。
改变 R,C可改变振荡频率
RC振荡电路的振荡频率一般在 200KHz以下。
(3) 振荡频率
振荡频率由相位平衡条件决定。
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振荡频率的调整
+ +

RF
R
C
C

uO

+
S
S
R1R2R3
R3 R2 R1
改变开关 K的位置可改变选频
网络的电阻,实现频率粗调;
改变电容 C 的大小可实现频率
的细调。
RCf π2
1
o ?
振荡频率
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( 4)起振及稳定振荡的条件
稳定振荡条件 ?AuF?= 1, | F |= 1/ 3,则
起振条件 ?AuF?> 1,因为 | F |=1/ 3,则
31
1
u ??? R
RA F
考虑到起振条件 ?AuF ?> 1,一般应选取 RF 略大 2R1。
如果这个比值取得过大,会引起振荡波形严重失真。
31
1
u ??? R
RA F
由运放构成的 RC串并联正弦波振荡电路不是靠运
放内部的晶体管进入非线性区稳幅,而是通过在外
部引入负反馈来达到稳幅的目的。
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带稳幅环节的电路 (1)
热敏电阻具有负温度系
数,利用它的非线性可以
自动稳幅。
在起振时,由于 uO 很
小,流过 RF的电流也很小,
于是发热少,阻值高,使
RF >2R1;即 ?AuF?>1。
随着振荡幅度的不断加强,
uO增大,流过 RF的电流也
增大,RF受热而降低其阻
值,使得 Au下降,直到 RF=2 R1时,稳定于 ?AuF?=1,
振荡稳定。
半导体
热敏电阻
R
+ +
∞RF
R1
C
R C

uO

+
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带稳幅环节的电路 (1)
热敏电阻具有负温度系
数,利用它的非线性可以
自动稳幅。
半导体
热敏电阻
R
+ +
∞RF
R1
C
R C

uO

+
稳幅过程:
思考:
若热敏电阻具有正温度系
数,应接在何处?
uo t RF Au
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带稳幅环节的电路 (2)
ID
U
D振荡幅度较小时
正向电阻大
振荡幅度较大时
正向电阻小
利用二极管的正向伏安
特性的非线性自动稳幅。
R
+ +
∞RF2
R1
C
R C

uO

+
D1
D2
RF1
稳幅环节
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带稳幅环节的电路 ( 2)
R
+ +
∞RF2
R1
C
R C

uO

+
D1
D2
RF1图示电路中,RF分为两部分。在 R
F1上
正反并联两个二极管,
它们在输出电压 uO
的正负半周内分别导
通。在起振之初,由
于 uo 幅值很小,尚不
足以使 二极管导通,
正向二极管近于开路
此时,RF >2 R1。而
后,随着振荡幅度的增大,正向二极管导通,其正向
电阻逐渐减小,直到 RF=2 R1,振荡稳定。
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18.3 LC振荡电路
LC 振荡电路 的选频电路由电感和电容构成,可
以产生高频振荡 (几百千赫以上 )。由于高频运放价
格较高,所以一般用分离元件组成放大电路。本节
只对 LC振荡电路的结构和工作原理作简单介绍。
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18.3.l 变压器反馈式 LC振荡电路
1,电路结构
?



LC
f
π2
1
0 ?
2.振荡频率
即 LC并联电
路的谐振频率
uf+–LC
+UCC
RLC
1
RB1
RB2 RE C
E
- -
?
?
放大电路
选频电路
反馈网络
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在调节变压器反馈式振荡电路中,试解释下列
现象:
( 1)对调反馈线圈的两个接头后就能起振;
( 2)调 RB1,RB2或 RE的阻值后即可起振;
( 3)改用 β较大的晶体管后就能起振;
( 4)适当增加反馈线圈的圈数后就能起振;
( 5)适当增加 L值或减小 C值后就能起振;
( 6)反馈太强,波形变坏;
( 7)调整 RB1,RB2或 RE的阻值后可使波形变好;
( 8)负载太大不仅影响输出波形,有时甚至不能
起振。
例 1:
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解,
(2) 调 RB1,RB2或 RE的阻
值后即可起振;
原反馈线圈接反,对
调两个接头后满足相
位条件;
(1) 对调反馈线圈的两个接
头后就能起振;
调阻值后使静态工作
点合适,以满足幅度
条件;
(3) 改用 β较大的晶体管后就能起振;
改用 β较大的晶体管,以满足幅度条件;
LC
+UCC
RLC1
RB1
RB2 RE C
E
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解,
(5) 适当增加 L值或减小
C值后就能起振;
增加反馈线圈的圈数,
即增大反馈量,以满
足幅度条件;
(4) 适当增加反馈线圈的
圈数后就能起振;
当适当增加 L 值或减小 C 值后,等效阻抗 |Zo|增大,
因而就增大了反馈量,容易起振;
RC
LZ ?
o
LC并联电路在谐振
时的等效阻抗
LC
+UCC
RLC1
RB1
RB2 RE C
E
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解,
(7) 调整 RB1,RB2或 RE
的阻值可使波形变好;
反馈线圈的圈数过多或
管子的 β太大使反馈太
强而进入非线性区,使
波形变坏。
(6) 反馈太强,波形变坏;
调阻值,使静态工作点
在线性区,使波形变好;
(8) 负载太大不仅影响输出波形,有时甚至不能起振。
负载大,就是增大了 LC并联电路的等效电阻 R。
R的增大,一方面使 |Zo|减小,因而反馈幅度减小,不易
起振 ; 也使品质因数 Q减小,选频特性变坏,使波形
变坏。
LC
+UCC
RLC1
RB1
RB2 RE C
E
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?
例 2:
正反馈
注意,用瞬时极性法判断反馈的极性时,
耦合电容、旁路电容两端的极性相同,
属于选频网络的电容,其两端的极性相反。
+UCC
C1
RB1
RB2 RE C
E
L C
试用相位平衡条件判断下图电路能否
产生自激振荡



?
?
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18.3.2 三点式 LC振荡电路
1,电感三点式振荡电路
?
正反馈 放大电路
选频电路
反馈网络
CMLL
f
)2(π2
1
21
0 ???
+UCC
C1
RB1
RB2 RE C
E
L1
C
L2
RC -

?
?
振荡频率
通常改变电容 C 来
调节振荡频率。
反馈电压取自 L2振荡频率一般在几十 MHz以下。
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2,电容三点式振荡电路
?
正反馈 放大电路
反馈网络


?
?
振荡频率
通常再与线圈串联一
个较小的可变电容来调
节振荡频率。 反馈电压取自 C2
21
21
0
π2
1
CC
CC
L
f
?
?
+UCC
C1
RB1
RB2 RE C
E
C1
L
C2
RC
反相
振荡频率可达 100MHz以上。
选频电路
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例 3,图示电路能否产生正弦波振荡,如果不能振
荡,加以改正。
L
+UCCC
1R
B1
RB2 RE C
E
C2
解,直流电路合理。
旁路电容 CE将反馈信
号旁路,即电路中不存
在反馈,所以电路不能
振荡。将 CE开路,则电
路可能产生振荡。
反馈电压取自 C1
?

?


正反馈
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例 4,半导体接近开关
L2C2
–UCC
RE2
T1
RP1
R2 R
E1 CE1
C1
L1
RP2
L3
T2 T3
KA
D
R3
RC2
R4
LC振荡器 开关电路 射极输出器 继电器
半导体接近开关是一种无触点开关,具有反映速
度快、定位准确、寿命长等优点。
它在行程控制、定位控制、自动计数以及各种报
警电路中得到了广泛应用。
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L2C2
–UCC
RE2
T1
RP1
R2 R
E1 CE1
C1
L1
RP2
L3
T2 T3
KA
D
R3
RC2
R4
LC振荡器 开关电路 射极输出器 继电器
例 4,半导体接近开关
变压器反馈式振荡器是接近
开关的核心部分,L1,L2及 L3
绕在右图所示的的磁芯上(又
称感应头)
L2 L3
L1
移动的金属体
感应头
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L2C2
–UCC
RE2
T1
RP1
R2 R
E1 CE1
C1
L1
RP2
L3
T2 T3
KA
D
R3
RC2
R4
例 4,半导体接近开关
当某金属被测物体移近感应头时,
金属体内感应出涡流,由于涡流的消
磁作用,破坏了线圈之间的磁耦合,
使 L1上的反馈电压显著降低,破坏了
自激振荡的幅值条件,振荡器停振,
使 L3上输出交流电压为零。
L2 L3
L1
移动的金属体
感应头
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L2C2
–UCC
RE2
T1
RP1
R2 R
E1 CE1
C1
L1
RP2
L3
T2 T3
KA
D
R3
RC2
R4
例 4,半导体接近开关
当 L3上输出交流电压为零时,二极管的整流输出
电压也为零,因此 T2截止,T3饱和导通,继电器 KA
通电。
继电器 KA的常闭触点接在电动机的控制回路内,
可在被测金属体接近危险位置时,立即断电使电动
机停转;也可将 KA的常开触点接在报警电路上,同
时发出声光报警。
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L2C2
–UCC
RE2
T1
RP1
R2 R
E1 CE1
C1
L1
RP2
L3
T2 T3
KA
D
R3
RC2
R4
例 4,半导体接近开关
当金属被测物体离开感应头后,振荡电路立即起
振,在 L3上输出正弦电压,
经二极管的整流后,使 T2饱和导通,T3截止,继
电器 KA断电,常闭触点重新闭合,电动机运转。
RP1用来调节振荡输出幅度,RP2可使振荡电路
迅速而可靠的停振,也能促使振荡电路在被测金属
物体离开感应头时迅速恢复振荡。