正弦波振蕩電路

正弦波振蕩電路第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六*2第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六*3第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

●基礎知識下圖所示電路,當開關打向左邊,電容被充電，然后開關打向右邊,電容放電?；芈冯娏鳚M足微分方程:

其中:

衰減系數固有角頻率*4第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

當時特征根為共軛復數,其解為：其中可見這是一阻尼振蕩，其波形如右圖所示。欲獲得無阻尼振蕩,應設法使，即R=0但實際中R不可能為0，則應該設法找到一個“負電阻”以抵消正電阻R，使:越大衰減越快*5第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六●如何獲得負電阻?采用具有負微變電阻的器件；?利用正反饋提供一個等效負電阻。*6第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六●起振條件?

振幅條件:?

相位條件:●問題:1.最初的輸入電壓是怎么得來的?2.振蕩建立起來后,振幅會否無限增長?*7第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六3．1反饋式正弦波振蕩電路的工作原理和頻域分析方法

放大器

A（s）

反饋網絡

F（s）Σ條件等效于以下兩個條件幅度平衡條件

相位平衡條件n＝0，1，2，…

*8第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六正弦波反饋振蕩器的電路組成

電源

有源器件

選頻網絡

反饋網絡*9第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

晶體管

反饋網絡

LC選頻網絡uiic1uc1uf*10第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六二、振蕩幅度的建立和穩(wěn)定過程1．起振過程信號來源：噪聲和干擾、電源的開啟起振條件相位平衡條件是先決的、最本質的條件，即可形成正反饋*11第11頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六三振蕩電路分析實例VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主網絡反饋網絡+ui-ic-uo++uf-ibuiuoA1/F可見起振初期是一個增幅的振蕩過程

*12第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六2．穩(wěn)幅過程內穩(wěn)幅：

振蕩電路的振蕩幅度是靠放大電路中晶體管的非線性特性來達到穩(wěn)定值的（1）適當選擇工作點使晶體管工作在放大區(qū)和截止區(qū)而不進入飽和區(qū)。

（2）假定晶體管在放大區(qū)和截止區(qū)的輸出電阻很大iC只隨vBE而變，而與vCE的變化無關，這就是說，iC與負載電阻值無關。*13第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六振蕩電路輸出電壓v0(t)的波形圖曲線

*14第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

當環(huán)路增益下降到1時，振幅的增長過程將停止，振蕩器達到平衡狀態(tài)，即進入等幅振蕩狀態(tài)。

2.振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件

在平衡點Ui=UiA附近，當不穩(wěn)定因素使ui的振幅Ui增大時，環(huán)路增益減小，使反饋電壓振幅Uf減小，從而阻止Ui增大；反之，當不穩(wěn)定因素使ui的振幅Ui減小時，環(huán)路增益增大，使反饋電壓振幅Uf增大，從而阻止Ui減小。

UiO|T(ωo)|A1UiA?*15第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

硬自激的振蕩特性

一般情況下都使振蕩電路工作于軟激勵狀態(tài)，應當避免硬激勵狀態(tài)。需要外加激勵才能起振的狀態(tài)稱為“硬激勵”而不需外加信號能自動起振的狀態(tài)則稱為“軟激勵”|T(ωo)|BAUiUiAUiB1*16第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六tuiOωωo*17第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六正弦波振蕩電路的線性頻域分析方法

起振階段：

用小信號模型構成的微變等效電路近似估算其振蕩頻率和起振條件

進入穩(wěn)幅振蕩

晶體管已經進入非線性區(qū)工作，因此在穩(wěn)幅階段不可以再利用小信號模型進行電路的分析計算。反饋式振蕩電路起振階段的具體分析方法，通常采用開環(huán)法和閉環(huán)法開環(huán)法適用于分析簡單且便于開環(huán)的振蕩電路，閉環(huán)法適用于復雜并且更一般的振蕩電路。

一、開環(huán)法

開環(huán)法是先假定將振蕩環(huán)路在某一點處斷開，計算它的開環(huán)傳遞函數，然后用巴克豪森準則確定平衡條件，從而確定電路的振蕩頻率和起振條件。*18第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六*19第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六例：試用開環(huán)法分析右圖所示的互感耦合調集振蕩電路的振蕩頻率和起振條件。

解：

互感耦合調集振蕩電路的微變等效電路*20第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六互感耦合調集振蕩電路的開環(huán)微變等效電路忽略Ri和Ro的影響后：*21第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六根據相位平衡條件，的模值應該為實數，則可以得到：

振蕩角頻率o為：

o=根據幅度平衡條件可得：

Mgm=rC

或

起振條件為：

即對全耦合情況，M2=L1L2，M=nL1，L2=n2L1，其中：

高Q近似表達式*22第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六*23第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六*24第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六o=

令第一項等于零，就是相位平衡條件，可得振蕩角頻率o為：將代入上式的第二項，并令其等于零，可得維持振蕩的值為：*25第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六起振條件為gm＞gmo

，即：

1．若∞，∞，則：

o=

2．若r=0，則：

o=在r=0情況下，對全耦合情況，L1L2–M2=0o==

*26第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六3.2LC正弦波振蕩電路

利用電感、電容器件組成選頻網絡的反饋式正弦波振蕩電路，統(tǒng)稱為LC正弦波振蕩電路。值

1、LC振蕩電路中晶體管的工作狀態(tài)一、靜態(tài)工作點和起始LC振蕩電路甲類應用的條件是：VBEQ＞VBE(on)，Vim＜VBEQ－VBE(on)。甲乙類運用的條件是：VBEQ＞VBE(on)，Vim＞VBEQ－VBE(on)。

*27第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六乙類應用的條件是：VBEQ=VBE(on)。丙類運用的條件是：VBEQ＜VBE(on)，Vim＞VBE(on)－VBEQ。*28第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六甲類振蕩電路

工作在晶體管的放大區(qū)起振時，值僅需略大于1

振蕩幅度穩(wěn)定：

靠放大區(qū)的弱非線性的作用

甲類振蕩電路的靜態(tài)工作點Q選擇原則

A、從輸出電壓角度考慮：

應選在交流負載線的中央，這樣可以使集電極電流和電壓達到最大擺幅。

B、并聯諧振回路的選擇性

在飽和區(qū)時輸出電阻大大減小，嚴重影響并聯諧振回路的選擇性，所以靜態(tài)工作點要選得低一些，使達到穩(wěn)態(tài)后振蕩電壓的峰值先達到截止區(qū)，以避免振蕩電路工作在飽和區(qū)。

多用于要求頻率穩(wěn)定性較好，輸出波形好的小功率振蕩器。它的缺點是幅度穩(wěn)定性差，易于停振。*29第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六甲乙類振蕩電路起始振蕩電壓波形小半周進入截止區(qū)

的加大，正反饋加強，振蕩幅度比甲類的穩(wěn)定，這是因為進入截止區(qū)后非線性急劇增強，

大，所以不容易停振下降的很快的變化對的影響減小

實用的小功率振蕩器多工作在甲乙類。

*30第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六二、自偏電路

為了提高振蕩器的效率，進一步提高振蕩幅度的穩(wěn)定性，大功率振蕩器多采用丙類振蕩電路，丙類振蕩電路的振蕩幅度達到穩(wěn)定后，晶體管的直流偏置電壓必然小于VBE(on)值，Q點位于截止區(qū)，

固定偏置電路如圖所示，VBEQ＝－VBB＜VBEon，該電路不可能自動起振。因為在靜態(tài)時，VBEQ＜VBE(on)，晶體管的跨導gm為零，起始值也為零，振蕩電路是不能起振的。

*31第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六采用自偏電路可以解決丙類振蕩電路的自動起振一種能實現甲類起振丙類工作的自偏電路。

靜態(tài)工作點Q選擇在放大區(qū)

值取得很大

振蕩電壓波形的多半周進入截止區(qū)集電極電流IC和基極電流IB均為半導角＜

2的余弦脈沖VBEO＝VBEQ－RbIBO－ReIEO＜VBEQ

在丙類工作，從而得到較高的效率，且幅度穩(wěn)定*32第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六3.2.2調諧型正弦波振蕩電路

采用互感耦合線圈（或變量器）做為反饋網絡構成的正弦波振蕩電路，稱為調諧型正弦波振蕩電路。

諧振回路位置：

以及調射振蕩電路

調集、調基調基振蕩電路的交流通路

調射振蕩電路的交流通路由于晶體管基、射極間的輸入阻抗比較低，為了不致過多地影響諧振電路的Q值，晶體管與諧振回路間多采用部分耦合（又稱部分接入）調集振蕩電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小。

調基振蕩電路的特點是，頻率在較寬范圍內改變時，幅度比較平穩(wěn)。

調諧型正弦波振蕩電路的優(yōu)點是容易起振，輸出電壓較大，結構簡單，調節(jié)頻率方便，且調節(jié)頻率時輸出電壓變化不大，因此在一般廣播收音機中常用作本地振蕩器。調諧型振蕩電路的缺點是工作在高頻時，分布電容影響較大，輸出波形不好，頻率穩(wěn)定性也差，因此工作頻率不宜過高，一般在幾千赫至幾十兆赫范圍內，在高頻段用得較少。*33第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六3.2.3三端型LC正弦波振蕩電路

三端型LC正弦波振蕩電路結構簡單，工作頻率較高，工作性能也比較穩(wěn)定，在無線電和通信設備中得到了廣泛的應用。

常見的有三端電感振蕩電路和三端電容振蕩電路兩種三端電感振蕩電路(哈特萊（Hartley）)

三端電容振蕩電路(科皮茲（Colpitts）)正反饋，靠選頻網絡本身的相移作用使電路滿足振蕩的相位平衡條件。*34第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六IIIII*35第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六三端電容電路三端電感電路

LC2串聯后再與C1并聯的諧振角頻率p=s=*36第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六設L1C組成的串聯諧振回路的諧振頻率為s，即

電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率基極所接的兩個元件C1、C2均為電容，不滿足自激所需要的“射同基反”的相位條件*37第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六L2C2組成的串聯諧振回路的諧振頻率為s，即

滿足電路諧振時Xc必須為容抗的條件，則要求o<s

必須使L1C1支路為感抗的同時，L2C2支路為容抗，電路才能滿足自激振蕩的相位條件。*38第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc二電容反饋三點式振蕩器(ColpittsOscillators)+uce-+ube-LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc*39第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六C1C2LC2C1Lgieg'Lgoegmube+uce-+ube-iC1Lgieg'Lgmubegoe+u'be-i+uce-C2+uce-C2LC1g'Lgoegmubek2Fgie+u'be-i*40第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六C1Lgieg'Lgmubegoe+u'be-i+uce-C2*41第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六ECL1L2CRb1Rb2CbCeReL1L2C三,電感三點式振蕩器(HartlyOscillators)L2L1Cg'Lgoegmubek2Fgie+u'be-+uce-+uce-+u'be

-ii*42第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六

三種LC振蕩電路的主要區(qū)別在于反饋電路的連接形式不同，繪出三種電路的反饋電路，從電路對基波和諧波的響應入手，判斷振蕩輸出波形的好壞。

1.振蕩波形三種LC振蕩電路的比較*43第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期六2.頻率的調節(jié)

利用可變電容器可方便的在較大范圍內調節(jié)振蕩頻率，而利用調節(jié)電感調節(jié)振蕩頻率則比較困難。同時，在調節(jié)振蕩頻率時，還應保持反饋系數不變。根據以上原則，將三種振蕩電路比較如下：

電感三點式電容三點式變壓器耦合●振蕩波形差好居中●頻率調節(jié)

容易不易容易

(用可變電容)●頻率穩(wěn)定性差好差