正弦波振蕩器的平衡條件

圖1a為正反饋放大電路方框圖。由圖可知為反饋信號(hào),它是信號(hào)經(jīng)過(guò)基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的環(huán)路傳輸后得到的，如果  與  在大小和相位上都一致，那么，就可以使輸入信號(hào)  ，將直接輸入端，形成如圖1b所示的閉環(huán)系統(tǒng)，因此，從結(jié)構(gòu)上看，正弦波振蕩電路就是一個(gè)沒(méi)有輸入信號(hào)的帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路。

振蕩條件

振蕩頻率

振蕩電路的振蕩頻率f0是由式（3）的相位平衡條件決定的。一個(gè)正弦波振蕩電路只在一個(gè)頻率下滿足相位平衡條件，這個(gè)頻率就是f0，這就要求在  環(huán)路中包含一個(gè)具有選頻特性的網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)稱選頻網(wǎng)絡(luò)。它可以設(shè)置在放大電路  中，也可設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)  中，它可以用R、C元件組成，也可用L、C元件組成。用R、C元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為RC振蕩電路，一般用來(lái)產(chǎn)生1Hz~1MHz范圍內(nèi)的低頻信號(hào)；而用L、C元件組成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路稱為L(zhǎng)C振蕩電路，一般用來(lái)產(chǎn)生1MHz以上的高頻信號(hào)。

起振與穩(wěn)幅

前面所講的振幅平衡條件，是指振蕩電路中已進(jìn)入穩(wěn)態(tài)振蕩而言的。

欲使振蕩電路能自行建立振蕩，就必須滿足  的條件。這樣，在接通電源后，振蕩電路就有可能自行起振，或者說(shuō)能夠自激，最后趨于穩(wěn)態(tài)平衡。

由于正弦波振蕩電路中的放大器件是工作在線性區(qū)（RC振蕩電路）或接近線性區(qū)（LC振蕩電路），因此在分析中，可以近似按線性電路來(lái)處理。

分類

正弦波振蕩器可分為兩大類：一類是利用反饋原理構(gòu)成的反饋振蕩器，它是應(yīng)用最廣的一類振蕩器；另一類是負(fù)阻振蕩器，它將負(fù)阻抗元件直接連接到諧振回路中，利用負(fù)阻器件的負(fù)阻抗效應(yīng)去抵消回路中的損耗，從而產(chǎn)生出正弦波振蕩。

一、LC正弦波振蕩器

LC正弦波振蕩器、反饋型LC正弦波振蕩器是LC正弦波振蕩器的主要電路型式。LC選頻網(wǎng)絡(luò)既是放大器的負(fù)載，又有一部分是正反饋網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)反饋電路的形式不同，可分為變壓器耦合反饋式、電感分壓反饋式和電容分壓反饋式。圖1（a）和（b）分別示出電感分壓反饋式和電容分壓反饋式的電路。這種電路中電感分壓器和電容分壓器的三端分別和電子器件的三個(gè)電極相連，又稱三端（或三點(diǎn)）式振蕩電路。電感三端式又稱哈特萊電路，電容三端式又稱科皮茲電路。

LC振蕩器的振蕩頻率由選頻網(wǎng)絡(luò)——LC振蕩回路的諧振頻率決定。工作頻率降低時(shí)，要求增大振蕩回路的電感量和電容量。大電感量的電感和大容量的電容器體積大、笨重，因此LC振蕩器不適用于低頻，工作頻率一般不應(yīng)低于幾百千赫。

（1）石英晶體振蕩器：為提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，將LC振蕩器中選頻網(wǎng)絡(luò)的一部分用石英晶體替代的振蕩器。為了保證振蕩器的振蕩頻率是在石英晶體控制下產(chǎn)生的，石英晶體接入線路的方式有兩種：一種是將石英晶體取代LC振蕩器的一個(gè)電感（a）所示。石英晶體在電路起振后呈現(xiàn)感抗，和電路中的電感L、電容C組成一個(gè)并聯(lián)振蕩回路。這種電路稱為并聯(lián)型石英晶體振蕩器。另一種是將石英晶體串接在放大器的正反饋電路中

（b）所示。在石英晶體的串聯(lián)諧振頻率上，石英晶體呈現(xiàn)很低的阻抗，正反饋?zhàn)顝?qiáng)，很容易激起振蕩。這種電路稱為串聯(lián)型石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩器通常簡(jiǎn)稱為晶體振蕩器。

（2）負(fù)阻型LC正弦波振蕩器：由具有負(fù)微變電阻的器件和LC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的正弦波振蕩器。根據(jù)所采用的負(fù)阻器件的特性不同，電路的構(gòu)成有所不同。采用流控型器件時(shí)，要求直流供電電源具有較高的內(nèi)阻，器件應(yīng)和LC元件組成串聯(lián)振蕩回路；采用壓控型器件時(shí)，要求直流供電電源有較低的內(nèi)阻，器件應(yīng)和LC元件組成并聯(lián)振蕩回路。用于構(gòu)成負(fù)阻型LC正弦波振蕩器的典型流拄型器件有雪崩三極管，典型壓控型器件有隧遭二極管。

二、RC正弦波振蕩器，RC正弦波振蕩器的振蕩頻率反比于RC選頻阿絡(luò)元件RC的乘積。用增大電阻阻值的方法降低振蕩頻率，不會(huì)像LC振蕩器中增大電感量那樣會(huì)使元件體積和重量加大，故RC振蕩器可工作在低頻段。應(yīng)用最廣泛的RC振蕩電路是圖3所示的文氏電橋電路。圖中，R1、C1、R2、C2組成具有選頻特性的正反饋網(wǎng)絡(luò)。R3和R4組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。引入的負(fù)反饋超過(guò)正反饋，便可以減小工作頻率的諧波成分，減少波形失真，改善波形。如果將R3選擇為具有正溫度系數(shù)的電阻，或是將R4選擇為具有負(fù)溫度系數(shù)和熱情性的電阻，便可以收到穩(wěn)幅的效果。

當(dāng)振蕩頻率延伸至超低頻頻段時(shí)，要求RC乘積非常大。容量很大的電容體積大；阻值過(guò)大的電阻，阻值穩(wěn)定性下降，電阻上的直流電壓降過(guò)大，造成器件工作點(diǎn)偏離正常值，增大波形失真。積分式RC正弦波振蕩器，可以在一定程度上克服此缺點(diǎn)。這種振蕩器的振蕩頻率，反比于組成振蕩器積分器的積分時(shí)間常數(shù)。要獲得大的積分時(shí)間常數(shù)，不一定要用阻值大的電阻。用低阻值電阻構(gòu)成一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)，取代高阻值的積分電阻，只要二者的傳輸電導(dǎo)相等，便可收到相同的積分效果。積分式RC正弦波振蕩器特別適用于超低頻段。

RC振蕩器中，引入負(fù)反饋既可減少失真，又可提高頻率穩(wěn)定度。RC正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定度，一般在10～10數(shù)量級(jí)。由于RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選擇性能不如LC阿絡(luò)，故RC振蕩器中的電子器件必須工作于甲類，方能保證足夠小的波形失真。在RC振蕩器中，采用惰性非線性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。負(fù)反饋的非線性表現(xiàn)為負(fù)反饋隨信號(hào)幅度變化。當(dāng)信號(hào)幅度增大時(shí)，負(fù)反饋隨之增大，阻止振幅增大。惰性則表現(xiàn)為負(fù)反饋不隨信號(hào)的瞬時(shí)值變化，以免引入失真。當(dāng)振蕩頻率不是很低（如在1Hz以上）時(shí)，用熱情性元伴構(gòu)成負(fù)反饋電路，以實(shí)現(xiàn)惰性非線性負(fù)反饋。當(dāng)振蕩頻率很低（1Hz以下）時(shí)，熱情性元件的惰性不夠，可將振蕩器的輸出信號(hào)進(jìn)行檢波，利用檢波電壓作為負(fù)反饋電壓，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。依靠合理選擇檢波負(fù)載的時(shí)間常數(shù)，滿足必需的情性。

提高頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度的措施 LC正弦波振蕩器中，采用提高LC振蕩回路Q值的方法，減小外界因素對(duì)振蕩頻率的影響；用減弱器件和振蕩回路藕合的方法，減小器件輸出阻抗對(duì)回路Q值和回路總電容量的影響。提高頻率穩(wěn)定度的典型電路有西勒（Seiler）電路和克拉潑（Clapp）電路。一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度在10數(shù)量級(jí)；石英晶體的常規(guī)振蕩電路，頻率穩(wěn)定度可提高到10～10數(shù)量級(jí)；將振蕩電路置于恒溫槽中，可提高到10～10數(shù)量級(jí)。振蕩器中采用自生反向偏壓穩(wěn)定振幅，提高振蕩回路Q值以減小波形失真。

應(yīng)用

正弦波振蕩器廣泛用于各種電子設(shè)備中。此類應(yīng)用中，對(duì)振蕩器提出的要求是振蕩頻率和振蕩振幅的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。正弦波振蕩器的另一類用途是作為高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源。這類應(yīng)用中，對(duì)振蕩器提出的要求主要是高效率地產(chǎn)生足夠大的正弦交變功率，而對(duì)振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的要求一般不作苛求。

正弦波振蕩器可以作為設(shè)備的組成部分，也可以做成一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備。在通信設(shè)備中，載頻、本機(jī)振蕩頻率在幾百千赫以上的，一般用LC正弦波振蕩器。負(fù)阻型LC正弦波振蕩器的工作頻率在100MHz以上。當(dāng)要求頻率穩(wěn)定度十分高時(shí)，采用石英晶體振蕩器。各種聲告警、電話通信設(shè)備中的振特、撥號(hào)音、占線等信號(hào)，振蕩頻率處于音頗段，用RC正弦波振蕩器。測(cè)試用正弦波信號(hào)源，要求幅度、頻率可調(diào)，并需有一定的帶負(fù)載能力。這種作為信號(hào)源的測(cè)試儀器，以振蕩器為主，還有放大器、衰減器等附屬電路。高頻大功率的高頻爐，對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求很低，通常用一個(gè)大功率電子管接成振蕩電路，直接從振蕩回路的電感線圈中的電磁場(chǎng)中獲取能量。
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