第6章信號產生電路第6章信號產生電路6.1正弦信號產生電路

6.2非正弦信號產生電路

6.1正弦信號產生電路

正弦信號產生電路又名正弦波振蕩器，廣泛應用于各種電子設備、電子儀器和通信系統(tǒng)中。例如，電子測量儀器中的正弦波信號源；醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源；通信系統(tǒng)中的載波信號源、本地振蕩信號源,等等。

正弦波振蕩器基本上都可以用正反饋原理來構成，所以我們又把這類振蕩器稱為反饋振蕩器。根據反饋、選頻網絡的不同，正弦波振蕩器可分為LC振蕩器、晶體振蕩器和RC振蕩器等。6.1.1反饋振蕩器的組成原理

（6－1）圖6－1反饋振蕩器的原理框圖上式中包含了振幅和相位兩部分內容，即（n=0，1，2，…）（6－2）（6－3）

2.起振條件

上述平衡條件僅是假定在振蕩器起振后的前提下，保證振蕩器維持等幅振蕩的必備的條件之一。那么在振蕩電路開機后，如何使振蕩器的信號從無到有、從小到大建立起來？這是振蕩器必須考慮的另一個重要問題，即振蕩器必須滿足起振條件。

當振蕩器剛接通電源時，電路的各部分就會產生各種擾動，并產生微弱的信號在振蕩電路中循環(huán)。因此，要使信號從小到大增加并到達平衡狀態(tài)，則振蕩電路必須在相位平衡條件下，滿足振蕩環(huán)路的總增益大于1，即（6－4）（n=0，1，2，…）（6－5）這就是反饋振蕩器的起振條件。

3.穩(wěn)定條件

振蕩器在滿足起振條件和平衡條件后，從表面上看好像已經能夠維持振蕩，但實際上，振蕩器還必須要在任何情況下，使其輸出的頻率和振幅都保持穩(wěn)定不變,即振蕩器還必須滿足穩(wěn)定條件，其中包括：一是在振蕩電路中要有合適的選頻網絡使振蕩器輸出正弦信號的頻率單一，并且穩(wěn)定；二是振蕩電路中的放大器增益是可變的。在剛起振時，放大器的增益相對較大，使微弱信號循環(huán)放大，然后放大器的增益再逐漸變小，使振蕩器進入平衡狀態(tài)，輸出穩(wěn)定的等幅信號。通常在LC振蕩器中，是利用晶體管固有的非線性特性來實現(xiàn)放大器的增益可變，而在RC振蕩器中，是另外加入非線性可變電阻來實現(xiàn)放大器的增益可變。為了滿足振蕩器的上述三個充分必要條件，反饋振蕩器的組成原則是：振蕩電路必須包含放大器和選頻、反饋網絡。其中，放大器可以是晶體三極管放大器、場效應管放大器、差分放大器和集成運放等；選頻、反饋網絡通常采用LC串、并聯(lián)諧振回路，石英晶體諧振器，RC選頻網絡等并通過一定的方式使振蕩環(huán)路構成正反饋；振蕩頻率基本上由選頻網絡的諧振頻率決定。6.1.2

LC正弦波振蕩電路

1.變壓器反饋式LC正弦振蕩器

1）電路組成

圖6－2所示為變壓器反饋式LC正弦振蕩電路。圖中，RB1、RB2、RE和晶體三極管V構成共射放大器，CB和CE是隔直、耦合、旁路電容；電容C1和變壓器初級線圈電感L1構成并聯(lián)諧振回路，作為選頻網絡接在放大器的集電極回路；選頻放大后的信號再通過變壓器的次級線圈電感L2反饋到放大器的輸入端，構成正反饋，以滿足相位平衡條件。圖6－2變壓器反饋式LC振蕩電路

3）振蕩頻率估算

由LC并聯(lián)諧振回路的特性可知：當回路失諧時，回路呈感性或容性，回路有附加相移量，振蕩電路不能滿足相位平衡條件，不能振蕩；只有當回路諧振時，振蕩電路才能振蕩。因此，當忽略晶體管的高頻參數時，振蕩電路的振蕩頻率近似由并聯(lián)諧振回路決定，即（6－6）

2.三點式LC正弦波振蕩電路

1）電路組成原則

所謂三點式振蕩器，就是晶體管的三個電極之間分別接上構成并聯(lián)諧振回路的三個電抗元件，如圖6－3所示。

可以證明：當發(fā)射極兩邊的端口接上同性電抗元件，而另外一個端口接上與之性質相反的電抗元件時，則三點式振蕩電路必定滿足相位平衡條件。這就是三點式振蕩電路的組成原則。圖6－3三點式振蕩器組成原理根據組成原則，三點式振蕩器有兩種類型：一是發(fā)射極兩邊端口的兩個同性電抗元件均為電容，另外一個端口為電感，我們稱它為電容三點式振蕩電路，又稱考比茲（Colpitts）振蕩電路；二是發(fā)射極兩邊端口的兩個同性電抗元件均為電感，另外一個端口為電容，我們稱它為電感三點式振蕩電路，又稱哈脫萊（Hartley）振蕩電路。（6－7）圖6－4電感三點式振蕩電路

（a）實際電路；（b）振蕩交流通路

3）電容三點式振蕩電路分析

圖6－5（a）所示為電容三點式實際振蕩電路，圖6－5（b）為其交流通路。圖6－5電容三點式振蕩電路（a）實際電路；（b）振蕩交流通路（6－8)電容三點式振蕩器的主要特點是：電路實現(xiàn)方便，振蕩頻率高（100MHz以上），輸出波形好，但頻率調節(jié)不方便。圖6－6克拉潑振蕩電路（6－9）它與受晶體管高頻參數影響的C1和C2無關，從而提高了頻率穩(wěn)定度。克拉潑振蕩電路的特點是：工作頻率高、頻率穩(wěn)定性好；為了滿足C3<<C1和C3<<C2，C3通常比較小，但一般不能太小，否則會影響起振條件而不能振蕩，所以克拉潑振蕩電路的頻率調節(jié)范圍比較小。

在克拉潑振蕩電路中的電感旁再并接一個可變電容C4就構成了又一種改進型電容三點式振蕩器，稱為西勒（Seiler）振蕩器，如圖6－7所示，它克服了克拉潑振蕩電路的頻率調節(jié)范圍小的缺點，當調整C4來改變振蕩頻率時，對起振條件的影響很小。此時振蕩頻率為圖6－7西勒振蕩電路

【例6－1】

試用相位平衡條件判斷圖6－8所示電路的振蕩交流通路中哪些能振蕩,為什么？

解：對于圖（a）電路，由同名端可知，變壓器的相移量為0°，而放大器為共射組態(tài)，是倒相的，即相移量為180°，所以整個反饋回路的相移量為180°，不滿足相位平衡條件，故不能振蕩。圖6－8

【例6－1】的電路6.1.3石英晶體振蕩電路

1.石英晶體的諧振特性

1）石英晶體的諧振特性

利用石英晶體的壓電效應，能制成石英晶體諧振器（簡稱石英晶體或晶體），它的電路符號和基頻等效電路分別如圖6－9（a）、（b）所示。圖6－9石英晶體諧振器的符號及等效電路圖6－10石英晶體的阻抗特性曲線從圖6－10中可知，石英晶體諧振器有兩個諧振頻率。一是由Lq、Cq構成的串聯(lián)諧振，其諧振頻率為（6－10）二是由Cq、CO與Lq構成并聯(lián)諧振，其相應的諧振頻率為：（6－11）

2）石英晶體在振蕩電路中的作用

根據上述分析結果，得到石英晶體在振蕩電路中的作用有兩個：一是當ω=ωS時，石英晶體在振蕩電路的正反饋支路中充當有選擇性的短路元件，并稱這類振蕩電路為串聯(lián)型晶體振蕩電路；二是當ωS＜ω＜ωP時，石英晶體在LC振蕩電路中充當電感元件，并稱這類振蕩電路為并聯(lián)型晶體振蕩電路。

2.實際晶體振蕩電路

1）串聯(lián)型晶體振蕩電路

圖6－11所示為串聯(lián)型晶體振蕩電路的一種，圖中，V1、V2管和晶體構成正反饋放大器。當晶體串聯(lián)諧振時，晶體呈短路元件，滿足起振條件（振幅和相位），電路能振蕩，并且振蕩頻率ωO=ωS；而對于其他頻率，晶體呈感性或容性，并且阻抗很大，所以不能滿足起振條件（振幅和相位），電路不能振蕩。

2）并聯(lián)型晶體振蕩電路

圖6－12所示為并聯(lián)型晶體振蕩電路，這種電路又稱為皮爾斯（Pirece）晶體振蕩器。圖中，晶體必須呈感性才能滿足三點式振蕩電路的組成原則，所以該振蕩電路的振蕩頻率由晶體決定，即ωO≈ωS。圖6－11串聯(lián)型晶體振蕩電路圖6－12皮爾斯（Pirece）晶體振蕩器圖6－13

【例6－2】的晶體振蕩電路

【例6－2】晶體振蕩電路如圖6－13所示，試判斷該晶體振蕩器的類型。

解：當晶體串聯(lián)諧振時，晶體呈短路元件，電路滿足三點式組成法則，為電容三點式振蕩器；而當振蕩頻率偏離晶體的串聯(lián)諧振頻率時，晶體阻抗迅速增大，并且呈容性或感性，電路不能振蕩。因此，此振蕩器的振蕩頻率由晶體的串聯(lián)諧振頻率決定，它是串聯(lián)型晶體振蕩器。6.1.4

RC正弦波振蕩電路

圖6－14

RC選頻電路

2.RC選頻正弦波振蕩電路

圖6－15所示是由RC選頻網絡和集成運放構成的同相放大器一起組成的實際RC正弦波振蕩器，該電路又稱為文氏電橋振蕩器。圖6－15文氏電橋振蕩電路（6－12）

2）起振條件

因為當ω0=1/(RC)時，選頻網絡的反饋系數F=1/3，而由集成運放構成的同相放大器其增益A=1+RT/R1，所以該振蕩器的起振條件為即RT＞2R1

（6－13）

6.2非正弦信號產生電路

6.2.1方波信號發(fā)生電路

1.電路組成

圖6－16所示為方波發(fā)生器的基本電路。圖中，運放A和R1、R2構成遲滯比較器（亦稱Schmit，施密特觸發(fā)器）；反饋電阻RF和電容C構成充、放電電路；R和穩(wěn)壓管VDZ構成輸出限幅電路。圖6－16基本方波發(fā)生電路

2.工作原理

先假設比較器的輸出uO為高電平狀態(tài)（uO=+UZ），這樣uO

就通過反饋電阻RF向電容C充電，電容兩端的電壓逐漸上升，直至到達比較器的一個門限值，使比較器的狀態(tài)翻轉，輸出uO為低電平（uO=-UZ）；此時，電容C兩端的電壓又反向通過反饋電阻RF放電，并且電壓逐漸下降，直至下降到比較器的另一個門限值，比較器的狀態(tài)又翻轉，輸出uO再為高電平（uO=+UZ）……，就這樣如此循環(huán)往復，使比較器的輸出產生只有高、低電平變化的方波信號。

3.振蕩頻率

方波信號的振蕩頻率由比較器的翻轉周期T決定，而比較器的翻轉周期T又與RFC的充、放電時間常數和門限值有關，可以證明：（6－14）則振蕩頻率f0=1/T，當R2=R1時，因ln3=1.1，所以（6－15）6.2.2三角波、鋸齒波發(fā)生器

1.三角波發(fā)生器

其實在上述方波信號發(fā)生器中，電容兩端的電壓已經是近似的三角波。為了得到理想的三角波和改善信號源的負載能力，將上述方波發(fā)生器中的RFC充、放電電路改成有源積分電路，這樣就構成了三角波發(fā)生器，如圖6－17（a）所示。圖6－17三角波發(fā)生器及其波形

（a）電路;（b）波形(6－16)

2.鋸齒波發(fā)生器

所謂鋸齒波就是不對稱的三角波。因此，只要在上述三角波發(fā)生器中的