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考研模电·零基础讲义 第15讲(上)|正弦波振荡的条件与 RC 桥式振荡电路

约 18 分钟 5895 字 华南师范大学模拟电子技术考研模电零基础讲义

考研模电·零基础讲义 · 第 15 讲(上)|正弦波振荡的条件与 RC 桥式振荡电路 学完这一讲,你能说清"没有输入为什么会有输出",会写振荡的相位条件和幅值条件、起振条件,会用瞬时极性法判断一个电路能不能振荡,会算 RC 桥式振荡器的频率f0=12πRCf_0=\frac{1}{2\pi RC}和起振所需的RfR_f⁠,并解释几种稳幅措施。预计用时 2.5~3 小时。

本讲地图

  • 振荡器是什么:一个"没有输入、带选频网络的正反馈放大电路",把直流电源的能量变成某一频率的正弦交流信号。
  • 两个平衡条件:A˙F˙=1\dot A\dot F=1⁠,拆成幅值条件∣A˙F˙∣=1|\dot A\dot F|=1和相位条件φa+φf=2nπ\varphi_a+\varphi_f=2n\pi⁠。起振还要∣A˙F˙∣>1|\dot A\dot F|>1⁠。
  • RC 桥式振荡电路(文氏桥):RC 串并联网络在f0=12πRCf_0=\frac{1}{2\pi RC}处反馈系数最大为13\frac13⁠、相移为 0,所以放大器要同相、Av≥3A_v\ge3⁠,即Rf≥2R1R_f\ge2R_1(起振取略大于)。
  • 稳幅:热敏电阻、二极管、JFET 自动调节负反馈强弱,使∣A˙F˙∣|\dot A\dot F|从"略大于 1"回到"等于 1"。
  • 华师怎么考:考纲原文"波形的发生与变换电路:正弦波振荡电路,非正弦波发生电路"。典型题:判断能否振荡(标瞬时极性)、求振荡频率、求RfR_f的取值范围、说明稳幅原理或出现失真/停振的原因。
  • 教材对应:第 10 章 10.5、10.6 节。
  • 重要度:⭐⭐⭐ 必考核心 / ⭐⭐ 理解 / ⭐ 了解。最该练熟的是"振荡条件 + 判断能否振荡 + RC 桥式的频率与起振条件";移相式、双 T 式振荡器了解即可。

前置知识

  • 反馈的基本概念:开环增益A˙\dot A⁠、反馈系数F˙\dot F⁠、环路增益A˙F˙\dot A\dot F(见第 13 讲(一))。
  • 瞬时极性法判断正、负反馈(见第 13 讲(二))。
  • 负反馈放大电路的自激(见第 13 讲(三))。
  • 同相比例放大Av=1+RfR1A_v=1+\frac{R_f}{R_1}(见第 12 讲(上))。
  • 复数阻抗:电容1jωC\frac{1}{j\omega C}⁠,串联相加、并联"积除以和"(见第 01 讲(上))。

一、振荡器是什么 ⭐⭐⭐

1.1 大白话:话筒的"啸叫"

在 KTV 里把话筒对着音箱,会突然发出刺耳的"呜——"声。没有人唱歌,声音从哪来?

  • 环境里总有一点点噪声,被话筒拾取 → 功放放大 → 音箱放出来 → 又被话筒拾取 → 再放大……
  • 每绕一圈都变大,于是越来越响,直到功放"放不动"(饱和)为止。
  • 而且啸叫往往是某一个固定的音调,因为房间和话筒对某个频率"特别敏感"——这就是选频。

正弦波振荡器就是把这个"毛病"变成"功能":故意让信号绕一圈回来同相、变大,再用选频网络只让一个频率满足条件,最后用稳幅环节让幅度稳定在合适的大小。

1.2 振荡器的四个组成部分

部分 作用 类比
放大电路 提供能量、把信号变大 功放
正反馈网络 把输出送回输入,且同相 话筒对着音箱
选频网络 只让一个频率f0f_0满足振荡条件 房间的"共鸣频率"
稳幅环节 幅度大了就自动把增益调小 自动音量控制

教材总结的分析步骤第一条就是:先看这四部分齐不齐。选频网络常常和反馈网络是同一个(RC 桥式里的 RC 串并联网络就身兼两职)。

1.3 正弦波振荡器与"负反馈自激"的区别

第 13 讲学过,负反馈放大电路在某个频率附近附加相移达到180∘180^\circ时,负反馈变正反馈,会自激——那是要避免的故障。振荡器则是故意让它自激,而且是在指定的频率、以指定的波形。


二、振荡的条件 ⭐⭐⭐

2.1 推导:把输入"断开"想一想

正反馈放大电路方框图中,设输入X˙i=0\dot X_i=0⁠。放大电路的净输入就是反馈信号X˙a=X˙f\dot X_a=\dot X_f⁠。

  • 放大:X˙o=A˙X˙a\dot X_o=\dot A\dot X_a⁠;
  • 反馈:X˙f=F˙X˙o=A˙F˙X˙a\dot X_f=\dot F\dot X_o=\dot A\dot F\dot X_a⁠。

要让信号"自己养活自己",绕一圈回来必须和原来一模一样:X˙f=X˙a\dot X_f=\dot X_a⁠,即

A˙F˙=1\dot A\dot F=1

2.2 拆成两个条件

设A˙=A∠φa\dot A=A\angle\varphi_a⁠,F˙=F∠φf\dot F=F\angle\varphi_f⁠,则A˙F˙=AF∠(φa+φf)=1\dot A\dot F=AF\angle(\varphi_a+\varphi_f)=1⁠:

∣A˙F˙∣=AF=1(振幅平衡条件)|\dot A\dot F|=AF=1\qquad\text{(振幅平衡条件)} φa+φf=2nπ,n=0,1,2,⋯(相位平衡条件)\varphi_a+\varphi_f=2n\pi,\quad n=0,1,2,\cdots\qquad\text{(相位平衡条件)}

逐行拆解:

  • A˙\dot A⁠:放大电路增益(带点表示复数,含幅度和相位);AA是它的模;φa\varphi_a读作"斐 a",是放大电路的相移。
  • F˙\dot F⁠:反馈网络的反馈系数;FF是模;φf\varphi_f是反馈网络的相移。
  • 相位条件说的是:信号绕环路一圈,总相移是360∘360^\circ的整数倍(等价于0∘0^\circ⁠),回来时和原来同相——这就是正反馈。
  • 幅值条件说的是:绕一圈回来不大不小,正好一样大。

振荡频率由谁决定? 由相位条件决定。电路里只有一个频率满足φa+φf=2nπ\varphi_a+\varphi_f=2n\pi⁠,这个频率就是振荡频率f0f_0⁠。所以环路里必须有一个选频网络,它的相移随频率变化,只在f0f_0处"刚好凑齐"。

2.3 起振条件与稳幅

如果∣A˙F˙∣|\dot A\dot F|一上来就正好等于 1,那么最初的噪声(微伏级)绕一圈还是微伏,永远长不大。所以:

  • 起振条件:∣A˙F˙∣>1|\dot A\dot F|>1(略大于 1)。噪声中f0f_0的成分每绕一圈放大一点,按指数增长。
  • 稳定(平衡):幅度长到一定程度,稳幅环节让增益下降,最终∣A˙F˙∣=1|\dot A\dot F|=1⁠,幅度不再变化。
按微分方程仿真的RC桥式振荡器起振过程:幅度从噪声开始指数增长,二极管导通后稳定 -4 0 4 0 2 4 6 8 10 12 t / ms vO/ V 起振:|AF| > 1,幅度按指数增长 稳幅:|AF| = 1

图 1:按微分方程仿真的 RC 桥式振荡器(本讲图 3 电路)输出:从 1 mV 的初始扰动开始指数增长,约 4 ms 后二极管稳幅,峰值约 4.2 V(动画循环播放)

教材对幅值的总结很好背:

∣A˙F˙∣<1|\dot A\dot F|<1⁠:不能振荡;∣A˙F˙∣=1|\dot A\dot F|=1⁠:也不能**(起不来);∣A˙F˙∣>1|\dot A\dot F|>1且没有稳幅措施:能振荡但输出失真**(被电源"削顶");所以取∣A˙F˙∣|\dot A\dot F|略大于 1,起振后靠稳幅达到∣A˙F˙∣=1|\dot A\dot F|=1⁠。

2.4 与负反馈自激条件的对比

正弦波振荡 负反馈放大电路自激
条件 A˙F˙=1\dot A\dot F=1 −A˙F˙=1-\dot A\dot F=1⁠,即A˙F˙=−1\dot A\dot F=-1
原因 反馈信号加在比较环节是"+" 是"−"
本质 都要求反馈回来与净输入同相 同左
态度 故意的 要消除的故障

2.5 易错点 ⚠️

  • "∣A˙F˙∣=1|\dot A\dot F|=1就能起振"是错的——教材复习思考题 10.5.2 专门考这一点。已知FF时,起振要A>1FA>\frac1F⁠,不是A=1FA=\frac1F⁠。
  • 振荡频率由相位条件决定,不是由幅值条件决定。
  • 相位条件"2nπ2n\pi"就是"正反馈"的数学说法,判断时用瞬时极性法看是不是正反馈即可。

三、RC 串并联选频网络 ⭐⭐⭐

3.1 大白话

两个 RC 组合:上面 R 和 C 串联(⁠Z1Z_1⁠),下面 R 和 C 并联(⁠Z2Z_2⁠),从Z2Z_2上取电压。

  • 频率很低时:串联的 C 容抗极大,几乎"断路",信号过不去 → 输出 ≈ 0;
  • 频率很高时:并联的 C 容抗极小,几乎把输出"短路到地" → 输出 ≈ 0;
  • 中间某个频率,输出最大。

这就是一个带通特性(回忆第 14 讲(上):两头都为 0 → 带通)。

3.2 反馈系数

Z1=R+1sC=1+sRCsC,Z2=R1+sRCZ_1=R+\frac{1}{sC}=\frac{1+sRC}{sC},\qquad Z_2=\frac{R}{1+sRC} Fv(s)=Vf(s)Vo(s)=Z2Z1+Z2=sCR1+3sCR+(sCR)2F_v(s)=\frac{V_f(s)}{V_o(s)}=\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}=\frac{sCR}{1+3sCR+(sCR)^2}

令s=jωs=j\omega⁠、ω0=1RC\omega_0=\frac{1}{RC}⁠,整理得

F˙v=13+j(ωω0−ω0ω)\dot F_v=\frac{1}{3+j\left(\frac{\omega}{\omega_0}-\frac{\omega_0}{\omega}\right)}

幅频和相频:

Fv=19+(ωω0−ω0ω)2,φf=−arctan⁡ωω0−ω0ω3F_v=\frac{1}{\sqrt{9+\left(\frac{\omega}{\omega_0}-\frac{\omega_0}{\omega}\right)^2}},\qquad \varphi_f=-\arctan\frac{\frac{\omega}{\omega_0}-\frac{\omega_0}{\omega}}{3}

3.3 三个关键结论

当ω=ω0=1RC\omega=\omega_0=\frac{1}{RC}⁠,即

f=f0=12πRCf=f_0=\frac{1}{2\pi RC}

时,括号里为 0:

  1. 幅值最大:Fvmax⁡=13F_{v\max}=\frac13⁠;
  2. 相移为零:φf=0∘\varphi_f=0^\circ⁠,输出与输入同相;
  3. 偏离f0f_0⁠:低于f0f_0相位超前(⁠φf>0\varphi_f>0⁠),高于f0f_0相位滞后(⁠φf<0\varphi_f<0⁠),最多±90∘\pm90^\circ⁠。
RC串并联网络的幅频与相频响应:在f0处幅值最大为三分之一且相移为零 1/3 0 |Fv| 90° 0° -90° φf 0.1 1 10 f / f0 f = f0:|Fv| 最大 = 1/3,φf= 0

图 2:按公式计算的 RC 串并联网络频率响应。上:幅值在f0f_0处最大为 1/3;下:相移在f0f_0处为 0

3.4 例题 1

题:RC 串并联网络R=10 kΩR=10\,\text{k}\Omega⁠,C=0.01 μFC=0.01\,\mu\text{F}⁠。求f0f_0⁠,以及f=2f0f=2f_0⁠、f=f02f=\frac{f_0}{2}时的FvF_v和φf\varphi_f⁠。

解:

  1. f0=12π×104×10−8≈1591.5 Hzf_0=\frac{1}{2\pi\times10^4\times10^{-8}}\approx1591.5\,\text{Hz}⁠。
  2. f=2f0f=2f_0⁠:ωω0−ω0ω=2−0.5=1.5\frac{\omega}{\omega_0}-\frac{\omega_0}{\omega}=2-0.5=1.5⁠,
Fv=19+1.52=111.25≈0.298,φf=−arctan⁡1.53≈−26.6∘F_v=\frac{1}{\sqrt{9+1.5^2}}=\frac{1}{\sqrt{11.25}}\approx0.298,\qquad \varphi_f=-\arctan\frac{1.5}{3}\approx-26.6^\circ
  1. f=f02f=\frac{f_0}{2}⁠:括号=0.5−2=−1.5=0.5-2=-1.5⁠,Fv≈0.298F_v\approx0.298⁠,φf≈+26.6∘\varphi_f\approx+26.6^\circ⁠。

可见幅频对f0f_0是"对数对称"的,相位一正一负。

⚠️ 易错点:Fvmax⁡=13F_{v\max}=\frac13的前提是两个 R 相等、两个 C 相等。题目若给的R1≠R2R_1\ne R_2或C1≠C2C_1\ne C_2⁠,频率变为f0=12πR1R2C1C2f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{R_1R_2C_1C_2}}⁠,最大值也不再是 1/3(一般考试都取相等)。


四、RC 桥式振荡电路 ⭐⭐⭐

4.1 电路组成

RC桥式正弦波振荡电路:RC串并联网络构成正反馈选频,R1与Rf构成负反馈,二极管稳幅 −+ vO R 10kΩ C 0.01μF vP(= vf) R R 10kΩ ∥ C 0.01μF ↑ 与上方 R、C 串联支路一起组成 RC 串并联选频网络(正反馈) R110kΩ Rf115kΩ Rf210kΩ D1、D2 稳幅 R1、Rf1、Rf2 = 负反馈(决定 Av)

图 3:RC 桥式(文氏桥)振荡电路,含二极管稳幅(元件值为本讲仿真所取)

  • 放大电路:运放 + R1R_1⁠、RfR_f(⁠Rf=Rf1+Rf2R_f=R_{f1}+R_{f2}⁠)组成同相比例放大,Av=1+RfR1A_v=1+\frac{R_f}{R_1}⁠,相移φa=0∘\varphi_a=0^\circ⁠。它本身是电压串联负反馈,输入电阻高、输出电阻低,不会影响 RC 网络。
  • 正反馈 + 选频:RC 串并联网络从输出取信号送回同相端。
  • 为什么叫"桥":Z1Z_1⁠、Z2Z_2⁠、RfR_f⁠、R1R_1四个臂正好组成一个电桥,运放的两个输入端接在电桥的两条对角线上。

4.2 相位条件:只在f0f_0满足

在f=f0f=f_0处φf=0∘\varphi_f=0^\circ⁠,同相放大φa=0∘\varphi_a=0^\circ⁠,φa+φf=0∘\varphi_a+\varphi_f=0^\circ⁠,满足相位条件。其他频率φf≠0\varphi_f\ne0⁠,不满足。所以

f0=12πRCf_0=\frac{1}{2\pi RC}

瞬时极性法验证(考试要会写):在同相端断开,加一个(+)(+)信号 → 同相放大输出(+)(+) → 经 RC 网络在f0f_0处无相移,回到同相端仍为(+)(+) → 与原假设同相 → 正反馈 ✓。

4.3 幅值条件:Av≥3A_v\ge3

在f0f_0处Fv=13F_v=\frac13⁠,平衡要求AvFv=1A_vF_v=1⁠,即Av=3A_v=3⁠;起振要求AvFv>1A_vF_v>1⁠:

Av=1+RfR1>3⟹Rf>2R1A_v=1+\frac{R_f}{R_1}>3\quad\Longrightarrow\quad R_f>2R_1

实际取RfR_f 略大于 2R12R_1⁠,再靠稳幅环节让它在稳定时等于2R12R_1⁠。

为什么不能取得太大? AvA_v远大于 3 时,幅度一直涨到运放输出饱和(削顶),波形严重失真,接近方波。数值仿真:若不加稳幅、Av=3.5A_v=3.5⁠,输出被削到 ±12 V,约一半时间处在饱和状态。

4.4 例题 2:设计一个 1 kHz 的 RC 桥式振荡器

题:要求f0=1 kHzf_0=1\,\text{kHz}⁠,取C=0.1 μFC=0.1\,\mu\text{F}⁠,R1=10 kΩR_1=10\,\text{k}\Omega⁠。求RR和RfR_f的取值。

解:

  1. R=12πf0C=12π×103×10−7≈1.59 kΩR=\frac{1}{2\pi f_0C}=\frac{1}{2\pi\times10^3\times10^{-7}}\approx1.59\,\text{k}\Omega⁠。(若取C=0.01 μFC=0.01\,\mu\text{F}⁠,则R≈15.9 kΩR\approx15.9\,\text{k}\Omega⁠。)
  2. 起振:Rf>2R1=20 kΩR_f>2R_1=20\,\text{k}\Omega⁠,取略大于 20 kΩ(如 20~22 kΩ 的可调电阻),并加稳幅措施。

4.5 例题 3(教材复习思考题 10.6.1 改编):调RfR_f看现象

题:RC 桥式振荡电路中R1=1 kΩR_1=1\,\text{k}\Omega⁠,RfR_f由固定电阻Rf1=1 kΩR_{f1}=1\,\text{k}\Omega与0∼10 kΩ0\sim10\,\text{k}\Omega的可调电阻Rf2R_{f2}串联。说明Rf2R_{f2}调到以下值时示波器上看到什么,为什么。

Rf2R_{f2} Av=1+Rf1+Rf2R1A_v=1+\frac{R_{f1}+R_{f2}}{R_1} 现象 原因
0 2 没有输出(停振) AvFv=23<1A_vF_v=\frac23<1⁠,不满足起振条件
1 kΩ 3 理论上临界,实际起不振或时有时无 AvFv=1A_vF_v=1⁠,噪声长不大
略大于 1 kΩ(如 1.2 kΩ,Av=3.2A_v=3.2⁠) 3.2 较好的正弦波 略大于 1,能起振,失真小
10 kΩ 12 严重失真(近似方波) AvFv=4≫1A_vF_v=4\gg1⁠,幅度涨到运放饱和削顶

这就是典型的"答题模板":算出AvA_v → 与 3 比较 → 说出现象和原因。

4.6 为什么 RC 振荡器只适合低频

f0=12πRCf_0=\frac{1}{2\pi RC}⁠,要频率高就要 R、C 小;R 太小会加重运放负载,C 太小会被分布电容和运放输入电容"淹没",运放本身带宽也有限。所以 RC 振荡器一般用于 1 MHz 以下(通常几 Hz~几百 kHz)的低频,高频用第 15 讲(下)的 LC 振荡器。

改变频率的方法:用双联电位器同时改两个 R(细调),或用波段开关同时换两个 C(粗调)。例如RR在 1~10 kΩ 内可调时:C=0.1 μFC=0.1\,\mu\text{F}对应约 159 Hz~1.59 kHz,C=0.01 μFC=0.01\,\mu\text{F}对应约 1.59~15.9 kHz,C=1 nFC=1\,\text{nF}对应约 15.9~159 kHz。


五、稳幅措施 ⭐⭐

5.1 大白话

稳幅就是"自动音量控制":幅度大了,就加强负反馈(让AvA_v下降);幅度小了,就减弱负反馈。具体就是让RfR_f或R1R_1随幅度变化。

5.2 三种做法

  1. 热敏电阻:
    • RfR_f用负温度系数(NTC)热敏电阻:幅度↑ → RfR_f中电流↑ → 发热、温度↑ → RfR_f↓ → AvA_v↓ → 幅度回落。
    • 或者R1R_1用正温度系数(PTC)热敏电阻:幅度↑ → R1R_1↑ → AvA_v↓。
    • 记法:让RfR1\frac{R_f}{R_1}随幅度增大而减小。
  2. 二极管(图 3):在Rf2R_{f2}两端反向并联两个二极管。
    • 幅度小时:Rf2R_{f2}上的电压小于二极管导通电压,二极管截止,Rf=Rf1+Rf2R_f=R_{f1}+R_{f2}⁠,AvA_v较大(图 3 中1+2510=3.51+\frac{25}{10}=3.5⁠),保证起振;
    • 幅度大时:二极管在峰值附近导通,等效于给Rf2R_{f2}并了一个小电阻,RfR_f变小(极限1+1510=2.51+\frac{15}{10}=2.5⁠),AvA_v下降;
    • 最终稳定在"平均"效果Av=3A_v=3⁠。电路简单,最常用。
  3. JFET 稳幅(教材图 10.6.3):利用 JFET 在可变电阻区的漏源电阻随栅压变化,把输出幅度整流滤波后去控制栅压。了解即可。

5.3 例题 4:二极管稳幅的幅度估算

题:图 3 中R1=10 kΩR_1=10\,\text{k}\Omega⁠,Rf1=15 kΩR_{f1}=15\,\text{k}\Omega⁠,Rf2=10 kΩR_{f2}=10\,\text{k}\Omega⁠,二极管导通压降约VDV_D⁠。估算稳定后的输出峰值。

解(工程估算):稳定时(峰值处)Av=3A_v=3⁠。设峰值时同相端电压为VpmV_{pm}⁠,则Vom=3VpmV_{om}=3V_{pm}⁠;由虚短,反相端也是VpmV_{pm}⁠,流过R1R_1的电流I=VpmR1I=\frac{V_{pm}}{R_1}⁠,这个电流流过Rf1R_{f1}和"Rf2R_{f2}∥二极管":

Vom=I(R1+Rf1)+VD=Vom3R1(R1+Rf1)+VDV_{om}=I(R_1+R_{f1})+V_D=\frac{V_{om}}{3R_1}(R_1+R_{f1})+V_D

解得

Vom=3R1VD2R1−Rf1=3×10×VD20−15=6VDV_{om}=\frac{3R_1V_D}{2R_1-R_{f1}}=\frac{3\times10\times V_D}{20-15}=6V_D

VDV_D取 0.6~0.7 V,Vom≈3.6∼4.2 VV_{om}\approx3.6\sim4.2\,\text{V}⁠。用二极管指数模型仿真得到稳定峰值约 4.2 V,振荡频率约 1578 Hz(与f0=1591.5 Hzf_0=1591.5\,\text{Hz}相差约 1%,是二极管非线性引入的少量谐波造成的)。

启示:2R1−Rf12R_1-R_{f1}越小,幅度越大;必须Rf1<2R1R_{f1}<2R_1(否则二极管导通后增益仍大于 3,稳不住),而Rf1+Rf2>2R1R_{f1}+R_{f2}>2R_1(保证起振)。这是二极管稳幅的设计条件。

5.4 易错点 ⚠️

  • 热敏电阻放RfR_f用负温度系数,放R1R_1用正温度系数,别弄反。
  • 稳幅元件放在负反馈支路,不是 RC 正反馈支路。

六、判断电路能否振荡:答题模板 ⭐⭐⭐

教材把正弦波振荡电路的分析方法归纳为四步,考试照此作答:

① 看组成:是否有放大、反馈、选频、稳幅四部分。 ② 看放大电路能否正常工作:分立元件看静态工作点是否合适(有无直流通路、电容是否把偏置短路);集成运放看输入端是否有直流通路。 ③ 看自激条件:用瞬时极性法判断是否为正反馈(相位条件);再看幅值条件能否满足(如AvA_v能否大于 3)。 ④ 算振荡频率:由选频网络参数估算f0f_0⁠。

例题 5:三个电路判断

(1) RC 串并联网络接到运放反相端,R1R_1⁠、RfR_f接到同相端(与图 3 两组反馈"对调")。

解:在f0f_0处 RC 网络无相移,运放从反相端输入有180∘180^\circ相移,φa+φf=180∘\varphi_a+\varphi_f=180^\circ——负反馈,不能振荡。

(2) 图 3 电路但Rf=15 kΩR_f=15\,\text{k}\Omega⁠、R1=10 kΩR_1=10\,\text{k}\Omega(不加二极管)。

解:相位条件满足,但Av=2.5<3A_v=2.5<3⁠,AvFv<1A_vF_v<1⁠,不能起振。改正:RfR_f改为略大于 20 kΩ。

(3) 图 3 电路,R=8.2 kΩR=8.2\,\text{k}\Omega⁠,C=0.022 μFC=0.022\,\mu\text{F}⁠,R1=4.7 kΩR_1=4.7\,\text{k}\Omega⁠,RfR_f为可调电阻。求f0f_0和RfR_f的取值。

解:f0=12π×8.2×103×0.022×10−6≈882.2 Hzf_0=\frac{1}{2\pi\times8.2\times10^3\times0.022\times10^{-6}}\approx882.2\,\text{Hz}⁠;Rf>2R1=9.4 kΩR_f>2R_1=9.4\,\text{k}\Omega⁠,取略大于 9.4 kΩ。


七、其他 RC 振荡电路 ⭐(了解即可)

  • RC 移相式振荡器(教材例 10.6.1):反相放大(⁠180∘180^\circ⁠)+ 三节 RC 移相网络(每节不到90∘90^\circ⁠,三节可凑出180∘180^\circ⁠),总相移360∘360^\circ⁠。振荡频率f0≈12π6RCf_0\approx\frac{1}{2\pi\sqrt6RC}(如R=10 kΩR=10\,\text{k}\Omega⁠、C=10 nFC=10\,\text{nF}时约 650 Hz)。为什么两节不行?两节最多接近180∘180^\circ时,输出幅度已接近 0,幅值条件满足不了。
  • 双 T 网络式:利用第 14 讲(上)的双 T 网络作选频。

速记卡

项目 内容
振荡器本质 无输入、带选频网络的正反馈放大电路
四个组成 放大、正反馈、选频、稳幅
平衡条件 A˙F˙=1\dot A\dot F=1⁠:∣A˙F˙∣=1\lvert \dot A\dot F\rvert =1(幅值)、φa+φf=2nπ\varphi_a+\varphi_f=2n\pi(相位)
起振条件 ∣A˙F˙∣>1\lvert \dot A\dot F\rvert >1(略大于 1);=1=1起不来,≫1\gg1失真
振荡频率 由相位条件决定
RC 串并联网络 f0=12πRCf_0=\frac{1}{2\pi RC}时Fv=13F_v=\frac13最大、φf=0\varphi_f=0
RC 桥式振荡 同相放大;Av=1+RfR1A_v=1+\frac{R_f}{R_1}⁠;起振Rf>2R1R_f>2R_1(略大于),平衡Av=3A_v=3
现象速判 Av<3A_v<3停振;AvA_v略>3>3正弦;Av≫3A_v\gg3削顶失真
稳幅 RfR_f用 NTC 或R1R_1用 PTC;Rf2R_{f2}并反向二极管;JFET
二极管稳幅估算 Vom≈3R1VD2R1−Rf1V_{om}\approx\frac{3R_1V_D}{2R_1-R_{f1}}⁠,要求Rf1<2R1<Rf1+Rf2R_{f1}<2R_1<R_{f1}+R_{f2}
适用频率 低频(< 1 MHz);高频用 LC
判断步骤 组成 → 放大能否工作 → 瞬时极性(正反馈?)+ 幅值 → 算f0f_0

自测练习

1.(基础)写出正弦波振荡的振幅平衡条件、相位平衡条件和起振条件。

答案与提示

振幅平衡∣A˙F˙∣=1|\dot A\dot F|=1⁠;相位平衡φa+φf=2nπ\varphi_a+\varphi_f=2n\pi(⁠n=0,1,2,⋯n=0,1,2,\cdots⁠);起振∣A˙F˙∣>1|\dot A\dot F|>1⁠。

2.(基础)"已知F=13F=\frac13⁠,只要A=3A=3电路就能起振",对吗?

答案与提示

不对。A=3A=3时∣A˙F˙∣=1|\dot A\dot F|=1只是平衡条件,最初的噪声不会增长,电路起不振。起振要A>3A>3(略大于),起振后再由稳幅环节回到AF=1AF=1⁠。

3.(基础)RC 桥式振荡器R=8.2 kΩR=8.2\,\text{k}\Omega⁠,C=0.022 μFC=0.022\,\mu\text{F}⁠,求振荡频率。

答案与提示

f0=12πRC≈882.2 Hzf_0=\frac{1}{2\pi RC}\approx882.2\,\text{Hz}⁠。

4.(中等)RC 桥式振荡器中R1=4.7 kΩR_1=4.7\,\text{k}\Omega⁠。(1) RfR_f至少多大?(2) 若用热敏电阻稳幅,放在RfR_f位置应选什么温度系数?说明稳幅过程。

答案与提示

(1) Rf>2R1=9.4 kΩR_f>2R_1=9.4\,\text{k}\Omega(取略大于)。 (2) 负温度系数。输出幅度↑ → 流过RfR_f的电流↑ → 温度↑ → RfR_f↓ → Av=1+RfR1A_v=1+\frac{R_f}{R_1}↓ → 幅度↓,最终稳定在Av=3A_v=3⁠。

5.(中等)要求 RC 桥式振荡器的频率在 159 Hz~1.59 kHz 连续可调,电容固定为0.1 μF0.1\,\mu\text{F}⁠,R 的调节范围应是多少?用什么元件?

答案与提示

R=12πf0CR=\frac{1}{2\pi f_0C}⁠:f0=1.59 kHzf_0=1.59\,\text{kHz}时R≈1 kΩR\approx1\,\text{k}\Omega⁠,f0=159 Hzf_0=159\,\text{Hz}时R≈10 kΩR\approx10\,\text{k}\Omega⁠,即 1~10 kΩ。两个 R 必须同步变化,用双联电位器(可串一个固定电阻防止调到 0)。

6.(中等)二极管稳幅的 RC 桥式振荡器中R1=10 kΩR_1=10\,\text{k}\Omega⁠,Rf1=16 kΩR_{f1}=16\,\text{k}\Omega⁠,Rf2=8 kΩR_{f2}=8\,\text{k}\Omega⁠,VD≈0.6 VV_D\approx0.6\,\text{V}⁠。(1) 能否起振?(2) 估算输出峰值。

答案与提示

(1) 小信号Av=1+2410=3.4>3A_v=1+\frac{24}{10}=3.4>3⁠,能起振;且Rf1=16 kΩ<2R1=20 kΩR_{f1}=16\,\text{k}\Omega<2R_1=20\,\text{k}\Omega⁠,二极管导通后增益可降到 3 以下,能稳幅。 (2) Vom≈3R1VD2R1−Rf1=3×10×0.620−16=4.5 VV_{om}\approx\frac{3R_1V_D}{2R_1-R_{f1}}=\frac{3\times10\times0.6}{20-16}=4.5\,\text{V}⁠。

7.(华师风格·分析题)某同学搭了 RC 桥式振荡电路,通电后:(1) 示波器上一条直线;(2) 调节后出现了波形,但顶部和底部都是平的。分别是什么原因?怎么改?振荡频率由什么决定?

答案与提示

(1) 停振:Av=1+RfR1≤3A_v=1+\frac{R_f}{R_1}\le3⁠,不满足起振条件∣A˙F˙∣>1|\dot A\dot F|>1(也可能是正反馈接到了反相端、或运放没有直流通路);应增大RfR_f使其略大于2R12R_1⁠。 (2) 削顶失真:AvA_v远大于 3,又没有稳幅措施,幅度涨到运放饱和;应减小RfR_f到略大于2R12R_1⁠,并加稳幅环节(如RfR_f用负温度系数热敏电阻,或在部分RfR_f上并联反向二极管)。 振荡频率由选频网络决定(相位条件),f0=12πRCf_0=\frac{1}{2\pi RC}⁠,与RfR_f⁠、R1R_1无关。


下一讲预告

第 15 讲(下)把选频网络从 RC 换成 LC 和石英晶体,学习变压器反馈式、电感三点式、电容三点式振荡电路,以及"频率最稳"的石英晶体振荡器。

👉 点击进入下一讲:第15讲(下)|LC 振荡电路与石英晶体振荡

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