正弦波振荡电路

　　正弦波振荡电路是电子技术中的一种基本电路，它在测量、通信、无线电技术、自动控制和热加工等许多领域有着广泛的应用。正弦波振荡电路具有不同的实现形式，如LC振荡电路、RC桥式振荡电路、RC移相式振荡电路等。

正弦波振荡电路

　　正弦波振荡电路可以输出单一频率的正弦波，是应用Z为广泛的振荡电路。

　　振荡电路是由基本放大器和反馈网络组成的一个闭合环路。为了得到指定的单频正弦波振荡，在整个振荡电路中应有选频网络;为了使振荡电路输出稳定，在放大电路中还往往加有稳幅环节。

　　选频网络由RC电路构成的称为RC正弦波振荡电路，这种选频网络通常安排在反馈网络中，也叫“选频正反馈网络”;选频网络由LC电路构成的称为LC正弦波振荡电路，这种选频网络常常设置为基本放大器的负载，类似“选频放大器”。这两种电路方框的组成如下图(a)和(b)所示。

　　分析一个正弦波振荡电路的性能，通常可按下列步骤进行：

　　1、检查振荡电路电路是否包括有放大电路、反馈网络、选频电路等三大部分;

　　2、用“瞬时极性法”，检查在某假定的信号作用下，反馈网络是否满足相位平衡条件，即判断能否形成正反馈;

　　3、根据电路实际结构求出环路放大倍数A_f，根据电路的相位条件或选频网络元件参数计算电路振荡频率f₀;

　　4、当f=f₀时，令A_f>1，即从自激振荡幅度条件求出振荡电路的起振条件(例如放大器的放大倍数A至少要多大);

　　5、对具体电路的特点(如稳幅情况、频率条件、频率稳定性等)进行分析比较。

LC正弦波振荡电路

　　1、基本谐振放大器

　　构成LC振荡电路的核心部分是谐振放大器。典型的谐振放大器电路如下图所示。

　　图中电路中的LC有并联谐振的特性，即在发生谐振时，A、B两端的谐振阻抗很大，且呈现出纯电阻特性。另外，当LC并联回路发生谐振时具有选频特性，当加在其上的频率较低时，回路阻抗呈电感性;当频率较高时，回路阻抗呈电容性。

　　2、正弦振荡产生的过程

　　从放大到振荡的过程可以用下图解释。图中，当开关K在位置“1”时，该电路是一个谐振放大器;当开关K在位置“2”时，电路与变压器耦合放大器很相似。不同之处在于变压器B的次级电压是反馈到放大器的输入端，而不是被耦合到下一级放大器。

　　在这个电路中，输入信号经三极管放大后倒相180°，如果反馈电压再反相180°，就会和输入信号同相而形成正反馈，这就满足了自激振荡的相位条件。此外，可以适当选择变压器B的匝数比，使反馈电压的幅度大于原先的输人信号，从而满足自激振荡的幅度条件。

　　由此看来，在图中的变压器B所标的极性条件下，当开关K处于位置“2”时，虽然把输人信号去掉了，但反馈信号可以代替输人信号，电路仍能输出振荡信号，即实现了从放大器到正弦波振荡电路的转变。

　　带有信号转换开关的振荡电路显然使用不便，实际上也无此必要。下面我们分析如下图所示的变压器反馈式振荡电路，看看自激振荡是怎样建立的。

　　图中(a)是变压器反馈振荡电路。由晶体管T组成共发射极放大器。变压器B1的初级与并联的电容C是起选频作用的LC谐振电路。变压器B1的次级向放大器输入端提供正反馈信号。这种振荡电路把LC调谐网络接在共射放大器中三极管的集电极，故又称为“共射调集”变压器反馈式LC振荡电路。

　　接通电源时，LC回路中会出现微弱的瞬变电流，但是只有频率和回路谐振频率f0相同的电流才能在回路两端产生较高的电压，这个电压通过变压器的初次级L1、L2的耦合又回到晶体管T的基极。从图(b)可以看到，同名端的规定使这个反馈信号和输入信号的相位是相同的，也就是说，它是正反馈。因此电路的振荡逐渐加强，并Z终稳定下来。

　　设变压器初级看进去的等效电感为L，与L并联的电容是C，此振荡电路的振荡频率是

f₀=1/[2π√(LC)]

　　这种电路常用于产生几十千赫到几十兆赫的正弦波信号。

　　变压器反馈式振荡电路通过互感实现耦合和反馈，很容易实现阻抗匹配和达到起振要求，所以效率较高，应用很普遍。改变电感L和电容C的数值都可以实现对振荡频率的调节。实用中考虑到方便性，大都是通过在LC回路中装上可变电容的办法来实现谐振频率的调节。

哈特莱振荡电路

　　哈特莱振荡电路如下图所示。它是一种利用电感反馈构成的LC振荡电路。这种电路的特点是回路中的电感线圈有三个端点，故又名电感三点式振荡电路。电感L的三个端点分别接到晶体管的三个极(指交流通路)，反馈电压由电感的抽头取得。

　　从图中(b)的交流通路中可以看到，晶体管的输人电压和反馈电压是同相的，满足振荡电路相位平衡的条件，因此电路能起振。它的振荡频率为：

f₀=1/[2π√(LC)]

　　式中L=L1+L2+2M。M为回路电感线圈与反馈线圈之间的互感量。电感三点式振荡电路常用于产生几十兆赫以下的正弦波信号。

　　在电感三点式振荡电路中，由于电感L1和L2是一个线圈的两个绕阻，所以耦合紧密，这种电路比变压器反馈式电路更容易起振，且振荡幅度较强。调节频率的方法多为把回路电容C做成可变电容器，调节方便，范围也宽。缺点是振荡波形较差，因为反馈电压取自电感线圈L2，而L2对振荡电路中的高次谐波阻抗很大，使高次谐波的反馈较强，引起输出波形中的高次谐波分量增大。

考毕兹振荡电路

　　考毕兹振荡电路如下图所示。它是一种电容反馈式LC振荡电路电路，这种电路的LC回路也有三个端点。

　　从图中(b)的交流通路中可以看出，电路中的两个电容分别接到晶体三极管的三个电极上，反馈电压由电容的分压取得，所以又叫电容三点式LC振荡电路。

　　电路中的电感L和电容C1、C2组成起选频作用的谐振电路，从电容C2上取出反馈电压加到晶体管T的基极。从图中(b)还可以看出，晶体管的输入电压和反馈电压同相，满足相位平衡条件，因此电路能起振。电容三点式振荡电路的振荡频率为：

f₀=1/[2π√(LC)]

　　式中C=C1C2/(C1+C2)。这一电路的反馈电压从电容C2取出，电容是高通元件，对高次谐波容抗小，反馈弱，所以输出波形中的高次谐波分量较小，波形较好，频率稳定度也较高。常用于产生高频振荡信号的电路中。

　　电路振荡频率的调节若用改变C1或C2的办法，会影响反馈系数，因此都采用固定电容C1和C2，再另外加上一个可变电容C3并联在回路上来调节频率，由于电容C1、C2的存在，使C3对频率的影响变小，所以调节范围较小，故此电路适用于固定频率或小范围调节的场合。

RC正弦波振荡电路

　　RC振荡电路的选频网络是RC电路，它的振荡频率比较低。常见的主要有RC移相式正弦波振荡电路、RC桥式(文氏电桥)正弦波振荡电路等。

　　1、RC移相式正弦波振荡电路

　　RC移相式正弦波振荡电路是一种正反馈强烈的放大器，它利用RC移相电路作为选频网络，可输出正弦波信号。其基本的组成方框如下图所示。

　　图中的放大器部分采用单级(或奇数级)共发射极放大器，其输出电压与输入电压反相，即φ=180°。因此将输出信号反馈到输入端时必须进行倒相，利用RC移相电路对某一特定的频率进行180°的相移，这样才能满足振荡电路的相位条件，从而实现选频式的正反馈。

　　在RC串联电路中，一级RC电路的移相范围总是小于90°，所以要移相180°至少要有三级RC电路来完成。下图为三级RC超前型移相电路的相频特性和幅频特性。

　　RC相移振荡电路的特点是：电路简单、经济，但稳定性不高，调节不太方便。一般都用它作固定频率振荡电路和对频率稳定度等性能要求不太高的场合。当三级RC网络的参数相同时，它的振荡频率是：

f₀=1/[2π√(RC)]

　　这种电路的振荡频率一般为几十千赫。

　　2、RC桥式正弦波振荡电路

　　RC桥式振荡电路又称文氏电桥振荡电路，它是一种利用RC串并联网络作反馈的RC振荡电路，其基本组成如下图所示。

　　RC桥式正弦波振荡电路的放大部分采用两级共发射极放大器，其输出电压与输入电压同相，所以反馈电路无需移相即可获得正反馈。利用RC串并联网络，可以实现选频式的正反馈。

　　(1)RC串并联选频网络

　　下图是RC串并联网络的简图，其相频特性和幅频特性如图(b)所示。

　　当频率较低时，电容的容抗很大，所以并联电容C2的作用与R2相比可以省略。流过电阻R2的电流相当于流过电容C1的电流，即容性电流。此时电路相当于C1和R2构成的超前移相电路，所以输出电压U0超前U一个角度。随着频率f从零增加，电容容抗减小，U0超前U的角度从+90°逐渐减小，输出电压的幅度逐渐增大。

　　当频率较高时，串联电容C1的容抗很小，C1可以省略;并联电容C2的容抗小，起主要作用;R2的影响可以省略。此时的电路相当于R1和C2组成的滞后移相电路，从C2上取得的电压U0滞后于Ui一个角度。随着频率/的减小，电容的容抗增大，U0、Ui的角度差也逐渐减小，U0的输出幅度会增大。

　　当频率为某一中间值f=fo时，电压U0、Ui同相，并且输出电压U0的幅度大到Z大，由此看出RC串并联网络具有选频特性。

　　(2)RC桥式振荡电路实例

　　下图为具有RC串并联网络的振荡电路及其等效电路。

　　晶体管T1、T2组成两级共发射极放大器。图中R1、C1和R2、C2串并联电路就是它的选频率网络。这个选频网络又是正反馈电路的一部分，它只对某个特定的频率信号没有相移，而对其他频率的电压都有不同程度的相移。

　　由于放大器有两级，从T2输出端取出的反馈电压和放大器的输入电压是同相的。因此反馈电压经选频网络送回到T1的输入端时，只有这个特定频率的电压才能满足相位平衡条件而起振。可见RC串并联电路同时能够抚到洗濒和正反馈支路的作用。

　　实际上，为了提高振荡电路的工作质量，电路中还加有由Rf和RE1组成的串联电压严反馈电路。其中Rf是一个有负温度系数的热敏电阻，它对电路能起到稳定振苎甲苎和减小非线性失真的作用。从图(b)的等效电路可以看到，这个振荡电路是一个桥形电路。R1和C1、R2和C2、Rf、RE1分别是电桥的四个臂，放大器的输入和输出分别接在电桥的两个对角线上。

　　C桥式振荡电路的振荡频率f0取决于电阻和电容的取值：

f₀=1/[2π√(R1R2C1C2)]

　　当R1=R2=R、C1=C2=C时，振荡频率f₀简化为：

f₀=1/(2πRC)

　　通常这种振荡电路的工作频率从1Hz-1MHz范围内容易起振工作。