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1、第第7 7章章 正弦波信号发生器的设计正弦波信号发生器的设计7.1 集成运放电路概述集成运放电路概述7.2 差分式放大电路差分式放大电路7.3 集成运算放大电路的主要参数集成运算放大电路的主要参数7.4 集成运算放大电路的应用集成运算放大电路的应用7.5 正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.6 RC桥式振荡电路桥式振荡电路7.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路7.8 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路7.9 正弦波信号发生器的设计正弦波信号发生器的设计7.1 7.1 7.1 7.1 集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述集成运算放大电路概述1 1 集成运算放大器的特点集成运算
2、放大器的特点 集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。模拟集成电路。集成电路分类集成电路分类模拟集成电路模拟集成电路:数字集成电路数字集成电路集成运算放大器、集成集成运算放大器、集成功率放大器、集成稳压电源、集成功率放大器、集成稳压电源、集成A/DD/A等。等。在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量在集成电路工艺中难于制造电感元件；制造容量大于大于200pF的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采的电容也比较困难，因而放大器各级之间都采（1）
3、级间采用直接耦合方式）级间采用直接耦合方式用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接用直接耦合，必须使用电容的场合，也大多采用外接的方法。的方法。（2）电路结构和参数具有对称性）电路结构和参数具有对称性 集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，集成电路中的电阻是由硅半导体的体电阻构成，阻值大约为阻值大约为100 30K，且阻值精度不高，因此常常，且阻值精度不高，因此常常用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；用晶体管恒流源代替电阻（动态电阻）；必须使用直必须使用直流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。流高阻值的场合，也大多采用外接的方法。由于集成电路中的各个元件是通过同一工艺过程由于集成电路
4、中的各个元件是通过同一工艺过程制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同制作在同一硅片上，同一片内的元件参数绝对值有同向的偏差，温度均一性好向的偏差，温度均一性好（3）用有源器件代替无源器件）用有源器件代替无源器件2 2、集成运算放大器电路组成、集成运算放大器电路组成uP输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路uNuO输入级：输入级：采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小采用差动放大电路，以提高输入电阻，减小 零点漂移和抑制干扰信号。零点漂移和抑制干扰信号。u+输入级输入级中间级中间级输出级输出级偏置电路偏置电路u-uO中间级：中间级：主要进行电压放大，一般由共发射极主要进行电
5、压放大，一般由共发射极放大电路构成，集电极电阻常采用晶体管恒流放大电路构成，集电极电阻常采用晶体管恒流源代替，以提高电压放大倍数。源代替，以提高电压放大倍数。输出级：输出级：采用互补对称功放电路或射极输出器，采用互补对称功放电路或射极输出器，以便输出足够大的电流和功率，并降低输出电以便输出足够大的电流和功率，并降低输出电阻，提高带负载能力。阻，提高带负载能力。偏置电路：偏置电路：一般是由恒流源电路组成，为以上一般是由恒流源电路组成，为以上三部分电路提供稳定和合适的静态工作点。三部分电路提供稳定和合适的静态工作点。3 3、集成运算放大器的符号、集成运算放大器的符号运算放大器的符号中有运算放大器的
6、符号中有三个引线端三个引线端，两个两个输入端输入端，一个输出端一个输出端。一个称为。一个称为同相输入端同相输入端，即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用即该端输入信号变化的极性与输出端相同，用符号符号+表示；另一个称为表示；另一个称为反相输入端反相输入端，即该端，即该端输入信号变化的极性与输出端相反，用符号输入信号变化的极性与输出端相反，用符号“-”表示。表示。输出端输出端在输入端的另一侧，在符号边在输入端的另一侧，在符号边框内标有框内标有+号。号。运运算算放放大大器器外外形形图图7.27.27.27.2、差分式放大电路、差分式放大电路、差分式放大电路、差分式放大电路7.2.1.7.2.1.
7、基本基本基本基本差分式放大电路差分式放大电路差分式放大电路差分式放大电路集成运算放大器实质上就是一个高放大倍数的多级直接耦合放集成运算放大器实质上就是一个高放大倍数的多级直接耦合放大电路。直接耦合放大电路的主要缺点是存在大电路。直接耦合放大电路的主要缺点是存在零点漂移零点漂移问题。问题。所谓所谓零点漂移零点漂移，指的是当无信号输入时，由于工作点不稳定被逐，指的是当无信号输入时，由于工作点不稳定被逐级放大，在输出端出现静态电位缓慢不规则地变化的现象。级放大，在输出端出现静态电位缓慢不规则地变化的现象。产生零点漂移的原因产生零点漂移的原因:如电源电压的波动、元件参数随温度的变如电源电压的波动、元件
8、参数随温度的变化、元器件的老化等。在多级放大电路中，第一级的漂移影响尤化、元器件的老化等。在多级放大电路中，第一级的漂移影响尤为重要，必须采取措施有效地抑制零点漂移。为此，集成运放的为重要，必须采取措施有效地抑制零点漂移。为此，集成运放的输入级常采用输入级常采用差分放大电路差分放大电路来有效地抑制零点漂移。来有效地抑制零点漂移。差分放大电路又称差动放大电路差分放大电路又称差动放大电路，是放大两个输入信号之差。由，是放大两个输入信号之差。由于它在电路和性能方面有很多优点，因而成为集成运放的主要组于它在电路和性能方面有很多优点，因而成为集成运放的主要组成单元。成单元。注意：为什么只对直接耦合多级放
9、大电路注意：为什么只对直接耦合多级放大电路提出这一问题呢？原来温度的变化和零点提出这一问题呢？原来温度的变化和零点漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电漂移都是随时间缓慢变化的，如果放大电路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化路各级之间采用阻容耦合，这种缓慢变化的信号不会逐级传递和放大，问题不会很的信号不会逐级传递和放大，问题不会很严重。但是，对直接耦合多级放大电路来严重。但是，对直接耦合多级放大电路来说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输说，输入级的零点漂移会逐级放大，在输出端造成严重的影响。特别时当温度变化出端造成严重的影响。特别时当温度变化较大，放大电路级数多时，造成的影响尤较大，放大电路级数
10、多时，造成的影响尤为严重。为严重。7.2.1 7.2.1 差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理差动放大电路的工作原理(Differential Amplifier)1、电路组成、电路组成 特点：特点：a.两只完全相同的管两只完全相同的管子；子；b.两个输入端，两个输入端，两个输出端；两个输出端；c.元件参数对称；元件参数对称；（2）负电源VEE的作用。射极电阻Re越大，其抑制零点漂移的作用就越强，但Re取值太大会使其上直流压降也增大，若仅靠VCC供电，就会使IC减小，使管子的静态工作点下降，进而导致管子动态范围减小，甚至影响放大电路正常工作。引入负电源VEE，可以
11、补偿Re上的直流管压降，使电路有合适的静态工作点，不会导致管子的动态范围太小，并且由于负电源VEE直接为两管设置偏置电流，因此也可去掉偏置电阻Rb。（1）射极电阻Re的作用。引入直流负反馈，抑制每只管子产生的漂移，从而抑制温度变化对静态工作点的影响，稳定电路的静态工作点，并且Re越大，静态工作点越稳定。2.工作原理工作原理静态时，ui1=ui20，由于电路完全对称，因此UBE1UBE2，IBQ1IBQ2，ICQ1ICQ2，UCEQ1=UCEQ2，而UoVC1VC20，即静态时输出电压为零。当环境温度变化时，两管的参数发生变化，当环境温度变化时，两管的参数发生变化，则差动放大电路的两管的静态工作
12、点也发生变化。则差动放大电路的两管的静态工作点也发生变化。由于由于T1、T2两管的特性和温度特性完全相同，温两管的特性和温度特性完全相同，温度变化相同，因此两管的集电极电流变化相等，度变化相同，因此两管的集电极电流变化相等，即即IC1IC2，两管的集电极电位变化也相等，两管的集电极电位变化也相等，即即UC1UC2，则输出电压为，则输出电压为Uo(UC1UC1)(UC2UC2)0。因此，当温度变化时，输出电压仍为零，可有效抑制零因此，当温度变化时，输出电压仍为零，可有效抑制零点漂移。点漂移。由以上分析可知，在理想情况下，由于电路的对称性，由以上分析可知，在理想情况下，由于电路的对称性，输出信号电
13、压采用从两管集电极间提取的双端输出方式，输出信号电压采用从两管集电极间提取的双端输出方式，对于无论什么原因引起的零点漂移，均能有效地抑制。对于无论什么原因引起的零点漂移，均能有效地抑制。为为了了更更好好地地分分析析差差分分放放大大电电路路的的特特性性，定定义义差差分分放放大大电电路路的的输输入入信信号为两种形式：号为两种形式：差模信号差模信号和和共模信号共模信号。差差模模信信号号：即即在在电电路路的的两两个个输输入入端端加加上上一一对对大大小小相相等等、极极性性相相反反的的信号，即信号，即ui1=ui2；共共模模输输入入：就就是是在在电电路路的的两两个个输输入入端端加加上上一一对对大大小小相相
14、等等、极极性性相相同同的信号，即的信号，即ui1=ui2。设设差差分分放放大大电电路路的的两两个个输输入入信信号号分分别别为为ui1和和ui2，两两个个单单边边放放大大器器的的放放大大倍倍数数分分别别为为Au1、Au2，则则两两个个集集电电极极之之间间的的输输出出电电压压为为uo=uo1uo2=Au1ui1-Au2ui2由于电路对称，由于电路对称，Au1=Au2ui2=Au，因此，因此uo=Au(ui1ui2)表表明明，差差分分放放大大电电路路只只放放大大差差模模信信号号，抑抑制制共共模模信信号号。差差分分放放大大电电路路也也因此而得名。因此而得名。在差分放大电路中，无论是温度变化还是电源电压
15、波动，都会引起在差分放大电路中，无论是温度变化还是电源电压波动，都会引起两管集电极电流及相应集电极电压相同的变化，其效果相当于在两两管集电极电流及相应集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加了共模信号，差分放大电路抑制共模信号，也就是抑制个输入端加了共模信号，差分放大电路抑制共模信号，也就是抑制了零点漂移。了零点漂移。3.动态分析动态分析4.主要技术指标的计算主要技术指标的计算（1）差模电压放大倍数）差模电压放大倍数Aud。若若输输入入为为差差模模信信号号，即即 ，则则因因一一只只管管子子的的电电流流增增加加，另另一一只只管管子子的的电电流流减减小小，在在电电路路对对称称的的情情况况下
16、下，iC1的的增增加加量量等等于于iC2的的减减少少量量，所所以以流流过过Re电电阻的电流阻的电流ie不变，不变，故其交流通路如图所示。，故其交流通路如图所示。当从两管集电极作双端输出时，当从两管集电极作双端输出时，其差模电压放大倍数与单管放其差模电压放大倍数与单管放大电路的电压放大倍数相同，大电路的电压放大倍数相同，即即上式表明，在电路完全对称，双端输入、双端输出的情况下，差分放大电路对差模信号的电压放大倍数等于单边电路的放大倍数。差分放大电路是用成倍的元器件来换取抑制零点漂移的能力。当集电极c1、c2两点间接入负载电阻RL时，由于输入的是差模信号，两管输出信号电压大小相等，相位相反，即RL
17、的中点相当于零电位，即每管的交流负载电阻是RL/2Rod=2Rc （2）差模输入电阻）差模输入电阻Rid和输出电阻和输出电阻Rod。从从微微变变等等效效电电路路可可知知，差差模模输输入入电阻和差模输出电阻分别为电阻和差模输出电阻分别为Rid=2 rbe（3）共模抑制比）共模抑制比差差动动放放大大器器的的差差模模放放大大倍倍数数与与共共模模放放大大倍倍数数的的比比值值定定义为共模抑制比，即义为共模抑制比，即KCMR越越大大，表表明明电电路路抑抑制制共共模模信信号号的的能能力力越越强强。在在理理想想情情况况下下，基基本本差差分分放放大大电电路路如如由由双双端端输输出出，Auc=0，KCMR=。实实
18、际际上上差差分分放放大大电电路路很很难难做做到到完完全全对对称称，即即，其其共共模模抑抑制制比比KCMR为为60dB80dB。若若采采用用单单端端输输出出时时，输输出出信信号号中中将将既既有有差差模模信信号号，又又有有共共模模信信号号。此此时时基基本本差差分分放放大大电电路路主主要要依依靠靠公公共共发发射射极极电电阻阻Re引引入入负负反反馈馈，来来稳稳定定静静态态工工作作点点，减减小小零零点点漂漂移移，达达到到提提高高共共模抑制比的目的。模抑制比的目的。7.2.27.2.2具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路具有恒流源的差动放大电路基基本本差差分分放放大大电
19、电路路引引入入Re后后，可可以以提提高高共共模模抑抑制制比比，Re的的阻阻值值越越大大，对对共共模模信信号号的的负负反反馈馈作作用用就就越越强强，共共模模抑抑制制比比越越大大。但但是是Re上上的的直直流流压压降降也也随随着着Re阻阻值值的的增增加加而而增增大大，在在管管子子和和元元件件确确定定后后，阻阻值值增增加加，必必然然使使管管子子的的静静态态工工作作点点降降低低，若若要要保保证证管管子子的的静静态态工工作作点点不不变变，则则必必须须加加大大电电源源电电压压VEE。这这样样做做在在实实际际中中很很不不经经济济，而而且且在在集集成成电电路路中中不不易易制制作作高高阻阻值值的的电电阻阻。为为此
20、此，人人们们希希望望有有一一种种可可变变电电阻阻来来替替代代Re，这这种种电电阻阻应应具具有有直直流流电电阻阻小小，而而交交流流电电阻阻大大的的特特点点。由由晶晶体体管管构构成成的的恒恒流流源源电电路路正正好好具具有有这这个个特特性性，如图如图7-6所示为带恒流源的差分放大电路。所示为带恒流源的差分放大电路。IC3为为恒恒流流源源的的输输出出电电流流，当当VEE、R1、R2、R3、VT3选选定定后，后，IC3就恒定，恒流源的输出电阻就恒定，恒流源的输出电阻Ro3就等效于就等效于Re。7.37.37.37.3、集成运算放大器的主要参数、集成运算放大器的主要参数、集成运算放大器的主要参数、集成运算
21、放大器的主要参数1.1.开环差模电压增益开环差模电压增益开环差模电压增益开环差模电压增益 A Au ud d Aud是指集成运放在没有外接反馈电路时的是指集成运放在没有外接反馈电路时的差模电压放大倍数，也称开环电压增益。差模电压放大倍数，也称开环电压增益。Aud一般在一般在80140dB，即，即104107。2 2最大输出电压最大输出电压最大输出电压最大输出电压U Uoppopp 集成运放在额定电源电压和额定负载下，不出现明集成运放在额定电源电压和额定负载下，不出现明显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放的显非线性失真的最大输出电压峰值。它与集成运放的电源电压有关。电源电压有关。3 3输
22、入失调电压输入失调电压输入失调电压输入失调电压U UIOIO 要使输出电压为零，必须在输入端加一个要使输出电压为零，必须在输入端加一个很小的补偿电压，它就是输入失调电压，一很小的补偿电压，它就是输入失调电压，一般为几毫伏，理想集成运放的般为几毫伏，理想集成运放的U UIOIO为零。为零。4 4输入失调电流输入失调电流输入失调电流输入失调电流I IIOIO 输入信号为零时，流入集成运放两输入端静态基极输入信号为零时，流入集成运放两输入端静态基极电流之差，一般在零点零几微安级，电流之差，一般在零点零几微安级，I IIOIO越小越好。越小越好。5 5输入偏置电流输入偏置电流输入偏置电流输入偏置电流I
23、 IIBIB 输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均输入信号为零时，两个输入端静态基极电流的平均值，称为输入偏置电流。值，称为输入偏置电流。6 6最大共模输入电压最大共模输入电压最大共模输入电压最大共模输入电压U UICMICM 允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共允许加在输入端的最大共模输入电压。当实际的共模信号大于模信号大于UICM时，将使输入级工作不正常，共模抑时，将使输入级工作不正常，共模抑制比显著下降。制比显著下降。7 7最大差模输入电压最大差模输入电压最大差模输入电压最大差模输入电压U UIDMIDM 两个输入端间所允许加的最大电压差值称为最大差模两个输入端间所允许加
24、的最大电压差值称为最大差模输入电压。如果差模输入信号超过输入电压。如果差模输入信号超过U UIDMIDM，将引起输入，将引起输入管反向击穿而使运放不能正常工作。管反向击穿而使运放不能正常工作。8 8共模抑制比共模抑制比共模抑制比共模抑制比K KCMR CMR 主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。主要取决于输入级差动电路的共模抑制比。7.47.47.47.4、理想运算放大电路的应用、理想运算放大电路的应用、理想运算放大电路的应用、理想运算放大电路的应用1 1理想运算放大电路的主要条件理想运算放大电路的主要条件开环差模电压放大倍数无穷大开环差模电压放大倍数无穷大 Auo ，差模输入电阻无穷大差模
25、输入电阻无穷大 rid ，开环输出电阻为零开环输出电阻为零 Ro 0，共模抑制比无穷大共模抑制比无穷大 KCMR 2 2运算放大器传输特性运算放大器传输特性与基本工作方式与基本工作方式+Uo(sat)Uo(sat)线性区线性区理想特性理想特性实际特性实际特性饱和区饱和区 O u+u uo线性区：线性区：uo=Auo(u+u)非线性区：非线性区：u+u 时，时，uo=+Uo(sat)u+1，且A+B=2n，即可起振。3 3、说明、说明基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路F2 2：如何稳幅？：如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。四、说
26、明四、说明基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路F达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。具体方法将在后面具体电路中介绍。起振并能稳定振荡的条件：1 1 电路组成电路组成 图图7-21 RC桥式振荡电路桥式振荡电路下一页上一页7.6 RC7.6 RC7.6 RC7.6 RC桥式振荡电路桥式振荡电路桥式振荡电路桥式振荡电路图图7-21所示为由运算所示为由运算放大器构成的放大器构成的RC桥式振桥式振荡电路，图中荡电路，图中RC串并联串并联选频网络接在运算放大器选频网络接在运算放大器的输出端和反向输入端之的输出端和反向输入端之间，构成负反馈。间，构成负反馈。正反馈电路与负反馈正反馈电
27、路与负反馈电路构成一文氏电桥电路，电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的输入端和输运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对出端分别跨接在电桥的对角线上，所以，把这种振角线上，所以，把这种振荡电路称为荡电路称为RC桥式振荡桥式振荡电路电路。2.RC2.RC串并联选频网络串并联选频网络 由相同的由相同的RC组成的组成的串并联选频网络如图串并联选频网络如图7-22所示，所示，Z1为为RC串联电路，串联电路，Z2为为RC并联电路。并联电路。+-+-CRCRZ1Z2图图7-22 RC串并联选频网络串并联选频网络由图由图7-22可得可得RC串并联网络的传递函数为串并联网络的传递函数为下一页上一页当当 时
28、，时，达到最大值并等于达到最大值并等于1/31/3，相位移，相位移 为为 ，输出电压与输入电压相同，所以，输出电压与输入电压相同，所以RCRC串串并联网络具有选频作用。并联网络具有选频作用。下一页上一页(a)(a)幅频特性幅频特性 (b)(b)相频特性相频特性图图7-23 RC串并联网络幅频特性和相频特性串并联网络幅频特性和相频特性4 4 稳幅措施稳幅措施 R+RF2R1 C RCuO+VD1VD2RF1稳幅稳幅稳幅稳幅环节环节环节环节 利用二极管的正向伏安特性利用二极管的正向伏安特性利用二极管的正向伏安特性利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。的非线性自动稳幅。的非线性自动稳幅。的非线性
29、自动稳幅。在起振之初，由于在起振之初，由于 uo 幅值很小幅值很小,尚不足以使二极管导通，正向二尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路此时，极管近于开路此时，RF 2 R1。随着振荡幅度的增大，正向二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，极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到直到RF=2 R1，振荡稳定。，振荡稳定。图图7-25 RC正弦波振荡电路仿真实验结果正弦波振荡电路仿真实验结果 5 5 输出频率的调整输出频率的调整：通过调整通过调整R或或/和和C来调整频率。来调整频率。C：双联可调电容，双联可调电容，改变改变C，用于细用于细调振荡频率。调振荡频率。K：双联波段开关，：双
30、联波段开关，切换切换R，用于粗，用于粗调振荡频率。调振荡频率。_+RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3【例7-2】在图7-26所示电路中，已知电容的取值分别为0.02F、0.2F、2F和20F，电阻R=100，电位器RW=20k。试求f0的调节范围。解由于，所以f0的最小值为f0的最大值为f0的调节范围为0.79Hz79.6kHz。7.7 LC7.7 LC7.7 LC7.7 LC正弦波波振荡电路正弦波波振荡电路正弦波波振荡电路正弦波波振荡电路 RC振荡电路产生的频率一般在1MHz以下，要产生更高频率的正弦波，则可采用LC正弦波振荡电路。LC正弦波振荡电路最高可产生1000MHz以上的正
31、弦波。由于普通运算放大器的频率上限不高，而高速集成运放价格较高，所以LC正弦波振荡电路一般采用分立元件。LC正弦波振荡电路的选频网络为LC反馈网络。LC振荡电路分为变压器反馈式LC振荡电路、电感三点式LC振荡电路、电容三点式LC振荡电路。7.7.1 LC7.7.1 LC选频电路选频电路选频电路选频电路 LC选频放大电路中，经常使用的谐振回路是如图选频放大电路中，经常使用的谐振回路是如图7-27所所示的示的LC并联谐振电路。图中并联谐振电路。图中R表示回路和回路所带负载的等表示回路和回路所带负载的等效总损耗电阻效总损耗电阻。图7-27 LC并联电路 在图7-27所示图中，当频率很低时，电容的容抗
32、很大，电感的感抗很小，故并联电路阻抗主要取决于电感支路，即总阻抗为感性，且随着频率的降低，阻抗值愈来愈小；当频率很高时，并联电路阻抗主要取决于电容支路，即总阻抗为容性，随着频率的升高，阻抗值也愈来愈小。频率特性如图7-28所示。图7-28LC并联网络的的频率特性可以证明，只有在中间某一个频率=时，电路发生并联谐振。此时阻抗为纯阻性，且等效阻抗接近达到最大值，幅值恒定的电流源激励出最大的电压响应，电感和电容支路的电流都达到最大值。但由于和大小相等，相位相反，它们相互抵消，比谐振回路的输入电流大得多，即谐振回路的外界影响可以忽略。此外，幅频特性表明，当外加电流源频率偏离谐振频率时，选频电路的等效阻
33、抗迅速减小，表示幅值恒定的电流源所激励出的电压响应，将随着频率的偏离而迅速减小。幅频特性愈尖锐，选频性能愈好。1 1 电路组成电路组成 变压器反馈式正弦波振荡电路如图变压器反馈式正弦波振荡电路如图7-29（a）所示）所示，图（图（b）为振荡器的交流通路。）为振荡器的交流通路。图7-29变压器反馈LC振荡电路7.7.2 7.7.2 变压器反馈式变压器反馈式变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路 2 2 振荡频率和起振条件振荡频率和起振条件 相位平衡条件：在图7-29（b）中,共发射极放大器反相180，即A=180。变压器同名端如图中所示，所以L L2绕组又引入180的相
34、移，即F=180。因此，A+F=360，电路满足相位平衡条件。合理选择变压器的变比，很容易满足振幅条件。所以电路满足振荡条件。变压器反馈式振荡电路易于产生振荡，输出电压的失真不大。由于输出电压与反馈电压靠磁路耦合，因而损耗较大。振荡频率的稳定性不高。振荡频率几十K几MHz。从分析相位平衡条件的过程中可以看出，只有在谐振频率0时，电路才满足振荡条件，所以振荡频率就是LC回路的谐振频率，即：1234初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同名端同名端1234+在在LC振荡器中，反馈信号通振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出过互感线圈引出互感线圈的极性判别-+uiLCfu7.7.37.7.3电感三点式振荡电路
35、电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 电感三点式振荡电路，就是与发射极相连接两个电抗元电感三点式振荡电路，就是与发射极相连接两个电抗元件同为电感，另一个电抗元件为电容。即件同为电感，另一个电抗元件为电容。即X1与与X2为电感，为电感，X3为电容。电路如图为电容。电路如图7-307-30所示。所示。图7-30电感三点式振荡电路（1 1）相相位位条条件件，设设从从反反馈馈线线的的b点点处处断断开开，同同时时输输入入vb为为（+）极极性性的的信信号号。由由于于在在纯纯电电阻阻负负载载的的条条件件下下，共共射射电电路路具具有有倒倒相相作作用用，因因而而集集电电极极电电位位瞬瞬时时极极
36、性性为为（），又又因因2端端交交流流接接地地，因因此此3端端的的瞬瞬时时电电位位极极性性为为（+），即即反反馈馈信信号号与与输输入入信信号号同同相相，故为正反馈，满足相位平衡条件。故为正反馈，满足相位平衡条件。2.2.振荡条件分析振荡条件分析（3 3）振荡频率）振荡频率 当当振振荡荡回回路路的的Q值值很很高高时时，振振荡荡频频率率近近似似等等于于LC并并联联谐谐振回路的固有频率，即：振回路的固有频率，即：式中式中 L=L1+L2+2M（2）幅幅度度条条件件。从从图图7-30（b）可可以以看看出出，反反馈馈电电压压是是取取自自电电感感L2两两端端，加加到到晶晶体体管管的的输输入入端端，因因而而改
37、改变变线线圈圈抽抽头头的的位位置置，即即改改变变L2的的大大小小，就就可可调调节节反反馈馈电电压压 的的大大小小。当当满满足足 的的条条件件时时，电路便可起振电路便可起振 3 3 电路特点电路特点 由于反馈电压取自电感由于反馈电压取自电感L2两端，对高次谐波的电抗很大，两端，对高次谐波的电抗很大，不能将高次谐波滤除，因此输出波形中含有高次谐波，振荡不能将高次谐波滤除，因此输出波形中含有高次谐波，振荡器的输出波形较差。器的输出波形较差。若改变电感抽头，即改变若改变电感抽头，即改变L2/L1的比值，可以获得满意的正的比值，可以获得满意的正弦波输出，且幅度较大。弦波输出，且幅度较大。调节频率方便。采
38、用可变电容，可以得到较宽的频率调节调节频率方便。采用可变电容，可以得到较宽的频率调节范围。范围。一般用于产生几十兆赫兹以下频率的信号。一般用于产生几十兆赫兹以下频率的信号。由于电感三点式振荡器的输出波形较差，且频率稳定度不由于电感三点式振荡器的输出波形较差，且频率稳定度不高，因此通常用于要求不高的设备中。高，因此通常用于要求不高的设备中。7.7.47.7.4电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路 电电容容三三点点式式振振荡荡器器，就就是是与与发发射射极极相相连连接接的的两两个个电电抗抗元元件件同同为为电电容容，另另一一个个电电抗抗元元件件为为电电感感。即即X1
39、、X2为为电容，电容，X3为电感。电路如图为电感。电路如图7-31所示。所示。图7-31电容三点式振荡电路（1 1）相相位位条条件件，电电容容三三点点式式和和电电感感三三点点式式一一样样，都都具具有有LC并并联联回回路路，因因此此，电电容容C1、C2中中的的3个个端端点点的的相相位位关关系系与与电电感感三三点点式式也也相相似似。断断开开反反馈馈，输输入入vb为为（+）极极性性的的信信号号，判判断断出出C2上上所所获获得得的的反反馈馈电电压压的的极极性性与与输输入入电电压压相相同同，满满足足相相位位条条件件，各各点点瞬时极性如图瞬时极性如图7-31（a）所示。）所示。2.2.振荡条件分析振荡条件
40、分析（3 3）振荡频率）振荡频率 由由于于总总电电容容C是是C1、C2串串联联得得到到的的，即即 ，所所以以振振荡荡频频率为率为 （2）幅幅度度条条件件。由由图图7-317-31的的电电路路可可看看出出，反反馈馈电电压压取取自自电电容容C C2 2两两端端，因因此此适适当当地地选选择择C C1 1、C C2 2的的数数值值，并并使使放放大大器器有有足足够够的的放放大大量量，电路便可起振。电路便可起振。3 3 电路特点电路特点由于反馈电压取自C2两端，因为电容是高通元件，对高次谐波的电抗很小，所以输出波形中的高次谐波分量小，振荡器输出的电压波形比电感三点式好。因为电容C1、C2的容量可以选得很小
41、，并将放大管的极间电容也计算到C1、C2中去，因此振荡频率较高，一般可以达到100MHz以上。对于振荡频率的调节，若用改变C1或C2的方法，会影响反馈的强弱，这是不可取的。通常是固定C1、C2，另外用一个可变电容并接在电感L的两端，以调节，此时，回路的总电容量为C1与C2串联再与并接在L上的可变电容并联。三三点点式式振振荡荡电电路路实实际际上上就就是是将将电电路路中中三三极极管管的的3 3个个电电极极分分别别接接到到谐谐振振回回路路的的3 3个个端端点点上上，三三点点式式电电路路的的交交流流通通路路的的一一般般形形式式如如图图7-327-32所所示示。图图7-327-32中中，用用X X1 1
42、、X X2 2、X X3 3分分别别表表示示谐谐振振回回路路的的3 3个个电电抗抗元元件件。电电感感三三点点式式X X1 1、X X2 2都都是是感感抗抗，电电容容三三点点式式X X1 1、X X2 2都都是是容容抗抗。可可以以证证明明，三三点点式式振振荡荡电电路路的相位平衡条件判断法则如下所述。的相位平衡条件判断法则如下所述。图7-32三点式振荡器的一般组成由由于于放放大大器器的的输输出出电电压压 与与输输入入电电压压 反反相相，因因而而要要满满足足起起振振的的相相位位条条件件，必必须须要要求求 (即即为为 )与与 反反相相。根根据据上上式式可可见见，X1与与X2应应为为同同性性质质电电抗抗
43、，而而X3就就必必须须是是异异性性电电抗抗，才才能能满满足足回回路路所所有电抗总和为零的要求。这就是三点式电路的组成法则。有电抗总和为零的要求。这就是三点式电路的组成法则。综上所述，三点式振荡器的相位条件判断法则为：综上所述，三点式振荡器的相位条件判断法则为：X1与与X2为同性电抗元件，或者说，与发射极相连接的为同性电抗为同性电抗元件，或者说，与发射极相连接的为同性电抗X3与与X1、X2互互为为异异性性电电抗抗，或或者者说说，不不与与发发射射极极相相连连接接的的为为异异性性电抗。电抗。【例7-3】试用相位平衡条件判断图7-33电路是否满足振荡条件，若满足，指出它属于哪种类型的振荡电路，并计算其
44、振荡频率f0。图7-33例7-3图图7-34图7-33的交流通路解：在如图7-33所示电路中，Cb、Ce的容量远大于C1、C2，故为旁路电容，对交流信号可视为短路，电源也视为短路，忽略直流偏置电阻，得到它的交流通路，如图7-34所示。显然该电路属于电容三点式振荡电路，满足相位平衡条件。振荡频率可根据式（7-31）求出，即 7.8 7.8 7.8 7.8 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 1 1石英晶体的基本特性和等效电路石英晶体的基本特性和等效电路石英晶体的主要成分是石英晶体的主要成分是SiO2，是一种各向异性是一种各向异性的结晶体，的结晶体，它是矿物质硅石的一
45、种，它是矿物质硅石的一种，也可以也可以人工制造，人工制造，其化学、其化学、物理性质都相当稳定。物理性质都相当稳定。从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，称称为晶体片（有时也切成棒状），为晶体片（有时也切成棒状），再在晶体片的再在晶体片的两个对应表面上镀银并引出两个金属电极，两个对应表面上镀银并引出两个金属电极，最最后用金属外壳封装而成。后用金属外壳封装而成。石英晶体的外形、结构和电路符号（a）外形；（b）结构；（c）电路符号石英晶体是靠压电效应产生谐振的。所谓压电效应，即石英晶体是靠压电效应产生谐振的。所谓压电效应，即在石英晶体的极板间施加电场，能使晶体产
46、生机械变形；在石英晶体的极板间施加电场，能使晶体产生机械变形；反之，在极板间施加机械力，又会在相应的方向形成电反之，在极板间施加机械力，又会在相应的方向形成电场。如果在极板之间加一交变电场，则会在晶体内产生场。如果在极板之间加一交变电场，则会在晶体内产生与电场频率相同的机械变形振动；同样，机械变形振动与电场频率相同的机械变形振动；同样，机械变形振动又会引起石英切片表面产生交变电场。在用石英晶体构又会引起石英切片表面产生交变电场。在用石英晶体构成回路时，回路中若有交变电流流过石英晶体，则晶体成回路时，回路中若有交变电流流过石英晶体，则晶体机械变形的振幅与此电流的频率有关。在一般情况下，机械变形的
47、振幅与此电流的频率有关。在一般情况下，这个机械变形的振幅及交变电场的振幅都很微小，只有这个机械变形的振幅及交变电场的振幅都很微小，只有当外加电压频率与晶体的固有频率相等时，机械变形的当外加电压频率与晶体的固有频率相等时，机械变形的振幅才能达到最大，回路交变电流也达到最大值，这种振幅才能达到最大，回路交变电流也达到最大值，这种现象称为压电谐振。现象称为压电谐振。当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容C0，称为静态电容，其值取决于晶体的几何尺寸和电极面积，一般为几到几十皮法（pF）；当晶体产生振动时，机械振动的惯性等效为电感L，其值为几毫亨到几十毫亨（mH），晶体的弹性等效为电容C，其值仅为0.
48、00020.1pF，因此，。晶片的摩擦损耗等效为电阻R，其值约100。图7-35（a）所示是晶体的等效电路。由于晶体的等效电感L很大，C很小，R也很小，所以回路的品质因数Q很大，可达104106。因此，可以组成振荡频率稳定度很高的振荡电路。图图7-35 石英晶体的等效电路和电抗频率特性石英晶体的等效电路和电抗频率特性（a）石英晶体的等效电路；石英晶体的等效电路；（b）电抗频率特性电抗频率特性 由等效电路可知，由等效电路可知，石英晶体有两个谐振频率：石英晶体有两个谐振频率：R、L、C串联支路发生谐振时的串联支路发生谐振时的串联谐振频串联谐振频率率fs和和R、L、C串联支路与串联支路与C0组成的并
49、联回路组成的并联回路发生谐振时的发生谐振时的并联谐振频率并联谐振频率fp。当忽略损耗电当忽略损耗电阻阻R时，有时，有（7-32）（7-33）由如图由如图7-35（b）所示石英晶体电抗特性）所示石英晶体电抗特性曲线可知，当曲线可知，当f=fs时，阻抗为时，阻抗为0，相当于，相当于短路；当短路；当f=fp时，电路为电阻性，阻抗很时，电路为电阻性，阻抗很高；高；fsffp时，等效为电感性；当时，等效为电感性；当f在在fs与与fp之外，电路则呈电容性。之外，电路则呈电容性。（1）并联型石英晶体振荡电路并联型石英晶体振荡电路并并联联型型晶晶体体振振荡荡器器实实际际上上是是用用一一个个石石英英晶晶体体代代
50、替替了了电电容容三三点点式电路中的电感，其交流通路如图（式电路中的电感，其交流通路如图（b）所示。）所示。石石英英晶晶体体谐谐振振器器在在电电路路中中虽虽然然作作为为电电感感元元件件使使用用，但但它它的的振振荡荡频频率率主主要要取取决决于于石石英英晶晶体体的的振振荡荡频频率率，这这时时因因为为石石英英晶晶体体的的等等效效电电容容C远远小小于于电电容容C1和和C2，所所以以C1和和C2对对f0的的影影响响是是非非常小的。常小的。2石英晶体振荡器石英晶体振荡器振荡频率为上式表明：振荡频率与C1和C2的关系不大，基本上由fs决定，因此振荡频率稳定度高。（2）串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电