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5.1 谐振放大器
第5章 谐振放大器和正弦波振荡器
5.2 正弦波振荡电路的基本工作原理
5.3 常用正弦波振荡器
5.1.2 常用谐振放大器
5.1.1 LC并联回路的选频特性
5.1.3 主要性能指标
5.2.1 正弦波振荡电路的组成框图
5.2.3 正弦波振荡器的建立与稳定过程（补充）
5.2.2 正弦波振荡器的振荡条件
5.3.3 石英晶体振荡器
5.3.1 LC振荡器
5.3.2 RC振荡器
谐振放大器：具有选频和放大功能的放大器。它是利用LC并联回路的选频特性，从一个频带中选出某一频率进行放大，而将其它频率予以抑制。
5.1 谐振放大器
谐振放大器
宽频带放大器
电路组成特点：采用LC并联谐振回路作放大器的负载。
应用：无线电发射和接收设备。
当信号频率f 等于谐振频率 时，LC 并联电路发生谐振，阻抗 Z 最大。
（1） LC 并联回路的阻抗频率特性
5.1.1 LC并联回路的选频特性
（2） LC 并联回路的相位频率特性
当f = f0时， v与i的相位差φ = 0o，电路呈纯电阻性。
阻频特性和相频特性统称为 LC 并联电路的频率特性。它说明了LC 并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。
LC并联回路
（3）阻频特性与 Q 值关系
品质因数 Q 表征 LC 并联电路选频特性的好坏。
实验和理论证明：
R 越小，Q 值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强；
R 越大，Q 值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。
LC 并联电路的 Q 值，一般在几十到一二百之间。
5.1.2 常用谐振放大器
（1）电路结构特点：放大管集电极负载由一个 LC 并联回路构成，电源经电感线圈抽头接入，其目的是使谐振回路有高的 Q 值，提高放大器的选择性。
1.单回路谐振放大器
（2）工作原理：输入信号vi 经 T1 耦合到放大管 V 的基极，经 V 放大后，由谐振回路选出 f= f0 的信号，由 T2耦合输出。
（3）电路的通频带和选择性：主要取决于谐振曲线，而它与理想的矩形谐振曲线相比相差甚远，因此，这种电路只能用于对通频带和选择性要求不高的场合。
2.双回路调谐放大器
电路组成特点：集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。
（1）互感耦合双回路调谐放大器
电路特点：放大管集电极负载由两个 LC 并联回路构成，它们之间采用互感耦合。调节 L1、L2 之间的距离或磁芯的位置，可改变耦合程度，从而改善电路的通频带和选择性。
工作原理：假定 L1C1 和 L2C2 调谐在信号频率上，输入信号 vi 通过 T1 送到 V 时，经 V 放大的信号先由 L1C1 并联回路选出 f= f0 的信号，并耦合到 L2C2 并联回路进一步选频，最后在电感线圈 L2 的抽头处产生最大的输出电压 vo。
电路特点是通过外接电容 Ck 实现两个调谐回路之间的耦合，改变 Ck 的大小即可改变耦合程度，从而改善电路的通频带和选择性。
（2） 电容耦合双回路调谐放大器
（3） 选择性和通频带与耦合程度的关系
临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率f0处曲线较平坦，与理想的矩形谐振曲线很接近。
弱耦合时，谐振曲线出现单峰；
强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率 f0 处下凹的程度与耦合强度成正比；
双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。
中心频率：谐振放大电路的工作频率，一般在几百 kHz 到几百 MHz。
5.1.3 谐振放大器的主要性能指标
增益：指放大电路对有用信号的放大能力。
通频带：指其电压增益频率响应特性由最大值下降 3dB 时所对应的频率宽度，通常以 BW 表示。
选择性：指对通频带之外干扰信号的衰减能力。
噪声系数：输入信号的信噪比与输出信号的信噪比之比值 。
工作稳定性：指当放大电路的工作状态、元件参数等发生变化时，放大器的主要性能的稳定程度。
5.2 正弦波振荡电路
自激振荡现象：扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声, 其形成的过程如图所示。
自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。
阻尼振荡——在振荡过程中，因损耗等效电阻 R 将部分电能转换成热能而出现的减幅振荡。
等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电过程中的能量损耗 。
v
v
VC
5.2.1 正弦波振荡电路的组成框图
1.振荡器
振荡器是一种无需外加信号，就能自动将直流电能转换成某一频率的交流信号的电路。
振荡器与电压放大器组成框图的比较：
振荡器的组成部分：放大器和正反馈电路。
正弦波振荡器：具有单一工作频率的自激振荡电路。
正弦波振荡器组成：放大电路、选频电路和正反馈网络。
2.正弦波振荡器
放大器——维持振荡器连续工作。
选频电路——保证电路仅对某个特定(单一）的频率信号产生谐振。
正反馈网络——使电路产生自激振荡。
正弦波振荡器与谐振放大器电路的比较：
+Vcc
V
vf
开关S：掷“1”端，电路为谐振放大器；掷“2”端,电路为正弦波振荡器。
①相位平衡条件：反馈信号的相位与输入信号的相位相同，即为正反馈，即
= 2 n （n 为自然数）
其中，φ为 vf 与 vi 的相位差，n 是整数。
②振幅平衡条件：反馈信号幅度与原输入信号幅度相等，即
5.2.2 正弦波振荡器的振荡条件
2.振荡的起振条件
①振幅起振条件：反馈信号幅度大于原输入信号幅度，即
1.振荡的平衡条件
②相位起振条件：
= 2 n （n为自然数）
5.2.3 正弦波振荡器的建立与稳定过程
初始信号由接通电源的瞬间产生，该信号包含一系列频率不同的正弦分量。
选频电路
放大器
正反馈电路
当振荡信号幅度较小时，放大管处于线性放大区，因 AVF >1，振荡信号被不断放大，直到信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时，即当 AVF=1 时，电路变为等幅振荡。
+Vcc
V
vf
石英晶体振荡器
（频率稳定度极高）
并联型
串联型
RC振荡电路(低频振荡)
RC桥式振荡电路
变压器耦合式
LC振荡电路(高频振荡)
三点式
电容式
电感式
正弦波振荡器的分类
根据选频电路组成元件的不同
共基极
共发射极
5.3 常用正弦波振荡器
5.3.1 LC 振荡器
1.变压器耦合式 LC 振荡器
电路组成特点： 用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。
（1） 共发射极变压器耦合 LC 振荡器
LC 振荡器：利用 LC 选频回路进行选频的振荡器。
LC 振荡器用来产生频率为几千赫~十几兆赫的高频信号。
LC 振荡器分为变压器耦合式振荡器和三点式振荡器两大类。
（2） 共基极变压器耦合 LC 振荡器
① 振荡条件：电路能满足相位平衡条件和振幅平衡条件。
（1） 共发射极变压器耦合 LC 振荡器
假设的瞬时电压极性。
反馈信号的瞬时电压极性。
交流通路
假设基极的瞬时电压极性为负。
从反馈线圈L3-4送回基极的瞬时电压极性也为负，与假设的瞬时电压极性相同，电路为正反馈。
LC 选频电路
2
1
②工作原理：初始信号经 LC 选频回路产生频率为 fo 的振荡信号，其中一部分信号经 L3-4 正反馈回到振荡管基极，由放大器放大后，再选频，再放大，不断地循环，振荡由弱到强逐渐建立，当信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时，电路自动满足振幅平衡条件 AVF=1，电路作等幅振荡。
③ 振荡频率
电路的振荡频率为 LC 并联回路的固有振荡频率，即
调节 LC 并联回路中的电感量 L 或电容量C，均可改变电路的振荡频率 fo。
2
1
（2）电路不满足相位平衡条件。由图中标出的瞬时电压极性可知，电路为负反馈。
[例] 判断如下电路能否产生自激振荡。
（1）电路不满足振幅起振条件。因三极管的基极被反馈线圈 Lf 短路接地，使V处于截止状态。
+Vcc
解：判断一个振荡电路是否能产生振荡的一般步骤是：①检查电路的直流通路是否正确，即振荡管能否处于放大状态；②检查电路的交流通路是否存在正反馈。
[例] 判断电路能否产生自激振荡。
解：电路满足振幅起振条件和相位平衡条件，能产生自激振荡。
+Vcc
（2）共基极变压器耦合 LC 振荡器
1
① 电路结构特点：L 与 C 组成选频回路；C1 为旁路电容，使基极交流接地；C2 为隔直耦合电容，将选频回路中的一部分振荡信号反馈到振荡管的发射极；L1 为反馈线圈，将放大后的信号送回到选频回路，以补充回路中的能量损耗。
② 振荡条件：电路满足振幅平衡和相位平衡条件，能产生自激振荡。
③ 振荡频率
　 电路满足相位条件；适当选择 L２和 L１的比值，使AVF >1，电路满足振幅条件，电路即能产生振荡，其振荡频率为：
2.三点式LC振荡电路
电路特点：LC 振荡回路的三个端点与三极管的三个电极相连。
(1) 电感三点式振荡器
+Vcc
_
其中M是L１与L２之间的互感系数。
　 优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫。缺点：波形失真较大。
(2) 电容三点式振荡器
　 相位条件：当振荡管基极为“－”时，线圈1端电位为“＋”，3端电位为“－” ，电路形成正反馈，满足相位条件。
　 振幅条件：适当的选择 C１、C２的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。
电路的振荡频率为
　　电路特点：频率较高，可达 100MHz 以上。
优点：输出波形好。缺点：调节频率不方便。
+Vcc

1.RC 串并联网络的选频特性
5.3.2 RC正弦波振荡电路
RC 正弦波振荡器是利用电阻和电容组成选频电路的振荡器。一般用来产生频率在 200HZ 以下的低频正弦信号。
（1）电路组成：RC 串并联电路如图所示。
（2）选频特性
① 幅频特性：当输入信号频率为0时， C1 、C2 开路，输出电压 vo为0。随着输入信号频率 f 的增加，C1 与 C2 的容抗逐渐减小，电路中出现电流，输出电压 vo 逐渐增大，在输入信号频率为无穷大的情况下，C1、C2 短路，输出电压 vo又为 0。当输入信号频率 f=fo 时，输出电压最大 ，即 。其幅频特性曲线描述了这个变化过程。
②相频特性：当输入信号频率为0时，输出电压 v0 超前于输入电压 vi 90o ；当输入信号频率为 fo 时，输出电压 与输入电压同相位；当输入信号频率为无穷大时，输出电压落后于输入电压 90o 。
综上所述，只有当 f=fo 时，фF=0，且此时输出电压达到最大 。由此可见， RC 串并联网络具有选频特性。
2.RC 桥式振荡器
电路如图所示，其中RC 串并联电路起正反馈和选频作用， 放大部分由同相放大电路组成。R3、R9 是本级电流串联负反馈电阻。Rf 是级间电压串联负反馈电阻，它们的作用是减小失真、稳定输出。由于RC 串并联网络和 Rf、R3 组成电桥电路，所以这种电路又称为 RC 桥式振荡电路。
（1）由分立元件构成的 RC 桥式振荡器
电路如图所示。其中，放大元件由集成运放 LM741 承担，它与 R1、RP、R2、R3、V1、V2 组成同相放大器，V1，V2 起稳幅作用；R4、C1、R5、C2 组成 RC 串并联选频网络，在电路中起正反馈作用。
（2）由集成运放构成的 RC 桥式振荡器
（4）振荡频率
（5）电路的优缺点
该电路频率调节方便、调节范围宽。由于电路引入了负反馈，所以工作稳定，波形较好。目前，音频（低频）振荡器多采用这种电路。
在 RC 串并联选频网络中，取 R1＝R2＝R，C1＝C2＝C，则振荡频率为
（3）电路的起振荡条件
只要同相放大器的放大倍数AV≥3，即有AVF≥1，电路即满足起振荡条件。
石英晶体谐振器是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。
5.3.3 石英晶体振荡器
电路优点：频率稳定度高，可达10－６～10－１１量级。
1.石英晶体的基本特性及其等效电路
压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。
压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称为晶体谐振器的谐振频率。
(１) 压电效应
当晶体不振动时，可用静态电容 C0 来等效；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感 L 来等效；晶片的弹性可用电容 C 来等效；晶片振动时的损耗用 R 来等效。
（2）符号和等效电路
石英晶体谐振器的品质因数 Q 很大，可达 104~106，加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以，由石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。
由于 C<　 石英晶体谐振器在 s 和 P 之间为感性，在此区域之外为容性。
（4）电抗频率特性
①当L、C、R串联支路谐振时，其等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为 　
②当等效电路发生并联谐振时，并联谐振频率为　　　
（3）谐振频率：共有两个
2.石英晶体振荡电路
（1）并联型晶体振荡电路
振荡回路由 C1、C2 和石英晶体组成。其中,石英晶体起电感 L 作用。振荡器的交流等效电路如图所示。
电路的振荡频率为：
由于 C《 (C0+C/ ) ，则振荡频率近似为：　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　可见，振荡频率基本上取决于晶体的固有频率 fS。故其频率稳定度高。
+Vcc
交流等效电路　　　　　　　　　　　　　　
式中，C/ 为 C1 与 C2 的串联等效电容，即
C/ = C1 C2 /（C1 + C2）
晶体与电阻R串联构成正反馈电路。当振荡频率等于晶体的固有频率 fS 时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路正反馈最强，满足自激振荡条件而振荡，其振荡频率为 f0 = fS。
调节电阻 R 可获得良好的正弦波输出波形。
（2） 串联型晶体振荡电路
+Vcc

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