振荡电路的工作原理及经典设计

振荡电路的定义

一个放大电路，在输入端加上输入信号的情况下，输出端才有输出信号。如果输入端无外加输入信号，输出端仍有一定频率和幅度的信号输出，这种现象称为放大电路的自激振荡。振荡电路就是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电压的电路。它广泛应用于遥控、通信、自动控制、测量等设备中，也作为模拟电子电路的测试信号。

振荡电路的工作原理

1、产生正弦波振荡的条件

图1所示的正弦波振荡电路是一个未加输入信号的正反馈闭环电路。若输出正弦电压 经反馈环节产生的反馈电压 恰好等于放大电路所需的输入电压

(幅度相等、相位相同)，即

=

则可在闭环电路输出端得到持续稳定的正弦波，如图1(b)所示。由

=

可得

图1 正弦波振荡电路的框图

式(1)就是产生正弦波振荡的振荡条件。式(1)为复数式，若设

正弦波振荡条件可用幅度平衡条件和相位平衡条件来表示。

幅度平衡条件

|AF|=1(2)

相位平衡条件

2、正弦波振荡的建立和稳定

一个实际的正弦波振荡电路的初始信号是由电路内部噪声和瞬态过程的扰动引起的。通常这些噪声和扰动的频谱很宽而幅度很小。为了最终能得到一个稳定的正弦信号，首先，必须用一个选频环节把所需频率的分量从噪声或扰动信号中挑选出来使其满足相位平衡条件，而使其他频率分量不满足相位平衡条件。其次，为了能使振荡能够从小到大建立起来，要求满足

|AF|》1(4)

式(4)称为正弦波振荡的起振条件。

从式(4)可以看到，振荡建立起来后，信号由小到大不断增长，不能得到一个稳定的正弦波。实际上，信号的幅度最终要受到放大电路非线性的限制，即当幅度逐渐增大时，|A|将逐渐减小，最终使|AF|=1达到幅度平衡条件，从而使正弦波振荡稳定。

3、正弦波振荡电路的组成

从上述分析可知，正弦波振荡电路从组成上看必须有以下四个基本环节。

(1)放大电路：保证电路能够由从起振到动态平衡的过程，是电路获得一定幅值的输出量，实现能量的控制。

(2)选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。

(3)正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。

(4)稳幅环节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。

在不少实用电路中，常将选频网络和正反馈网络“合二为一”;而且，对于分立元件放大电路，也不再另加稳幅环节，而依靠晶体管特性的非线性起到稳幅作用。

正弦波振荡电路常根据选频网络所用元件来命名，分为RC正弦波振荡电路、LC正弦波振荡电路和石英晶体正弦波振荡电路3种类型。RC正弦波振荡电路振荡频率较低，一般在1MHz以下;LC正弦波振荡电路振荡频率较高，一般在1MHz以上;石英晶体正弦波振荡电路也可以等效为LC正弦波振荡电路，其特点是振荡频率非常稳定。

振荡电路经典设计

RC振荡器

采用RC元件组成的电路作选频网络的正弦波振荡电路，称为RC振荡器。按反馈网络的结构特点，RC振荡电路可分为RC移相式、RC桥式和双T式选频网络的振荡电路。其中RC桥式振荡电路采用RC串并联电路作选频网络，故又称RC串并联振荡电路，如图1-29所示。

这 个电路由两部分组成，即放大器Au和选频网络Fuo Au为集成运算放大器所组成的电压串联负反馈放大器，而Fu则由Zl、Z2组成，同时兼作正反馈网络。Zl、Z2和Rl、R2正好形成一个四臂电桥，放大 电路的输入端和输出端分别接到电桥的两个对角线上，因此这种RC振荡电路又称RC桥式振荡器。

RC移相式正弦波振荡电路

RC移相式正弦波振荡电路是把RC移相网络作为正弦波振荡电路的反馈环节，如图l-30所示。该振荡电路的RC移相网络提供180°解的相移， 而放大器采用反相输入比例放大电路，故φa=-180。，φa+φf=0°满足振荡的相位条件，只要调节热敏电阻Rf，使放大倍数足以补偿反馈网络引起的 信号幅度衰减，就可以产生正弦波振荡信号。

变压器反馈式LC振荡器

反馈网络采用变压器，利用变压器的一次绕组与电容并联组成振荡回路作选频网络，代替晶体管集电极电阻Rc，从变压器的二次绕组引回反馈电压并将其加到放大电路的输入端，电路如图1-31所示。

变压器反馈式LC振荡电路的特点是振荡频率调节方便，容易实现阻抗匹配和达到起振要求，输出波形一般，频率稳定度不高，产生正弦波信号的频率为几千赫至几十兆赫，一般适用于要求不高的设备。

电感三点式振荡器

电感三点式振荡器的典型电路如图1-32所示。在LC振荡回路中，电感有一个抽头使线圈分成两部分即线圈L1和线圈L2，线圈L1的3端接到晶 体管的基极B，线圈L2的1端接晶体管的集电极C，中间抽头2接发射极E。也就是说电感线圈的三端分别接晶体管的三极，所以叫电感三点式振荡器，又称哈特 莱振荡器。

在该电路中L1兼作反馈网络，通过耦合电容Cl将Ll反馈电压加在晶体管的输入端，经放大后，在LC振荡回路中得到高频振荡信号，只要适当选择电感线圈抽头的位置.使反馈信号大于输入信号，就可以在LC回路中获得不衰减的等幅振荡。

其振荡频率可由下式求得：

式中，Ll、L2为线圈抽头两边的自感系数;M为两段电感线圈的瓦感系数;C为振荡电容;?o为振荡频率。

电容三点式振荡器

图1-33是电容三点式振荡器的典型电路图。其结构与电感三点式振荡器相似，只是将L、C互换了位置。LC振荡回路中采用两个电容串联成电容支路，两 电容中间有一引出端，通过引出端从LC振荡回路的电容支路上取一部分电压反馈到放大电路的输入端，由于电容支路三个端点分别接于晶体管的三极上，所以把这 种电路称为电容三点式LC振荡器，又称为柯尔皮兹振荡器。