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f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f 0 = 2 π R C 1 和起振所需的R f R_f R 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 A ˙ F ˙ = 1 ,拆成幅值条件∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 |\dot A\dot F|=1 ∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 和相位条件φ a + φ f = 2 n π \varphi_a+\varphi_f=2n\pi φ a + φ f = 2 nπ 。起振 还要∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 |\dot A\dot F|>1 ∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 。
RC 桥式振荡电路 (文氏桥):RC 串并联网络在f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f 0 = 2 π R C 1 处反馈系数最大为1 3 \frac13 3 1 、相移为 0,所以放大器要同相、A v ≥ 3 A_v\ge3 A v ≥ 3 ,即R f ≥ 2 R 1 R_f\ge2R_1 R f ≥ 2 R 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| ∣ A ˙ 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R f R_f R 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 A ˙ 、反馈系数F ˙ \dot F F ˙ 、环路增益A ˙ F ˙ \dot A\dot F A ˙ 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A v = 1 + R f R 1 A_v=1+\frac{R_f}{R_1} A v = 1 + R 1 R f (见第 12 讲(上))。
复数阻抗:电容1 j ω C \frac{1}{j\omega C} j ω C 1 ,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f 0 f_0 f 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 18 0 ∘ 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 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 X ˙ a = X ˙ f 。
放大:X ˙ o = A ˙ X ˙ a \dot X_o=\dot A\dot X_a X ˙ o = A ˙ 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 X ˙ f = F ˙ X ˙ o = A ˙ F ˙ 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 X ˙ f = X ˙ a ,即
A ˙ F ˙ = 1 \dot A\dot F=1 A ˙ F ˙ = 1
2.2 拆成两个条件#
设A ˙ = A ∠ φ a \dot A=A\angle\varphi_a A ˙ = A ∠ φ a ,F ˙ = F ∠ φ f \dot F=F\angle\varphi_f F ˙ = F ∠ φ f ,则A ˙ F ˙ = A F ∠ ( φ a + φ f ) = 1 \dot A\dot F=AF\angle(\varphi_a+\varphi_f)=1 A ˙ F ˙ = A F ∠ ( φ a + φ f ) = 1 :
∣ A ˙ F ˙ ∣ = A F = 1 (振幅平衡条件) |\dot A\dot F|=AF=1\qquad\text{(振幅平衡条件)} ∣ A ˙ F ˙ ∣ = A F = 1 (振幅平衡条件)
φ a + φ f = 2 n π , 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)} φ a + φ f = 2 nπ , n = 0 , 1 , 2 , ⋯ (相位平衡条件)
逐行拆解 :
A ˙ \dot A A ˙ :放大电路增益(带点表示复数,含幅度和相位);A A A 是它的模;φ a \varphi_a φ a 读作"斐 a",是放大电路的相移。
F ˙ \dot F F ˙ :反馈网络的反馈系数;F F F 是模;φ f \varphi_f φ 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 36 0 ∘ 的整数倍(等价于0 ∘ 0^\circ 0 ∘ ),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φ a + φ f = 2 n π \varphi_a+\varphi_f=2n\pi φ a + φ f = 2 nπ ,这个频率就是振荡频率f 0 f_0 f 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f 0 f_0 f 0 处"刚好凑齐"。
2.3 起振条件与稳幅#
如果∣ A ˙ F ˙ ∣ |\dot A\dot F| ∣ A ˙ 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 ∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 (略大于 1)。噪声中f 0 f_0 f 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 ∣ A ˙ 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
v O / 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 ∣ A ˙ F ˙ ∣ < 1 :不能振荡;∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 |\dot A\dot F|=1 ∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 :也不能**(起不来);∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 |\dot A\dot F|>1 ∣ A ˙ 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| ∣ A ˙ F ˙ ∣ 略大于 1,起振后靠稳幅达到∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 |\dot A\dot F|=1 ∣ A ˙ 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
− A ˙ F ˙ = 1 -\dot A\dot F=1 − A ˙ F ˙ = 1 ,即A ˙ F ˙ = − 1 \dot A\dot F=-1 A ˙ 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 ∣ A ˙ 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F F F 时,起振要A > 1 F A>\frac1F A > F 1 ,不是A = 1 F A=\frac1F A = F 1 。
振荡频率由相位 条件决定,不是由幅值条件决定。
相位条件"2 n π 2n\pi 2 nπ "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 (Z 1 Z_1 Z 1 ),下面 R 和 C 并联 (Z 2 Z_2 Z 2 ),从Z 2 Z_2 Z 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#
Z 1 = R + 1 s C = 1 + s R C s C , Z 2 = R 1 + s R C Z_1=R+\frac{1}{sC}=\frac{1+sRC}{sC},\qquad Z_2=\frac{R}{1+sRC} Z 1 = R + s C 1 = s C 1 + s R C , Z 2 = 1 + s R C R
F v ( s ) = V f ( s ) V o ( s ) = Z 2 Z 1 + Z 2 = s C R 1 + 3 s C R + ( s C R ) 2 F_v(s)=\frac{V_f(s)}{V_o(s)}=\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}=\frac{sCR}{1+3sCR+(sCR)^2} F v ( s ) = V o ( s ) V f ( s ) = Z 1 + Z 2 Z 2 = 1 + 3 s C R + ( s C R ) 2 s C R
令s = j ω s=j\omega s = j ω 、ω 0 = 1 R C \omega_0=\frac{1}{RC} ω 0 = R C 1 ,整理得
F ˙ v = 1 3 + j ( ω ω 0 − ω 0 ω ) \dot F_v=\frac{1}{3+j\left(\frac{\omega}{\omega_0}-\frac{\omega_0}{\omega}\right)} F ˙ v = 3 + j ( ω 0 ω − ω ω 0 ) 1
幅频和相频:
F v = 1 9 + ( ω ω 0 − ω 0 ω ) 2 , φ f = − arctan ω ω 0 − ω 0 ω 3 F_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} F v = 9 + ( ω 0 ω − ω ω 0 ) 2 1 , φ f = − arctan 3 ω 0 ω − ω ω 0
3.3 三个关键结论#
当ω = ω 0 = 1 R C \omega=\omega_0=\frac{1}{RC} ω = ω 0 = R C 1 ,即
f = f 0 = 1 2 π R C f=f_0=\frac{1}{2\pi RC} f = f 0 = 2 π R C 1
时,括号里为 0:
幅值最大 :F v max = 1 3 F_{v\max}=\frac13 F v m a x = 3 1 ;
相移为零 :φ f = 0 ∘ \varphi_f=0^\circ φ f = 0 ∘ ,输出与输入同相;
偏离f 0 f_0 f 0 :低于f 0 f_0 f 0 相位超前(φ f > 0 \varphi_f>0 φ f > 0 ),高于f 0 f_0 f 0 相位滞后(φ f < 0 \varphi_f<0 φ f < 0 ),最多± 90 ∘ \pm90^\circ ± 9 0 ∘ 。
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
|F v |
90°
0°
-90°
φ f
0.1
1
10
f / f 0
f = f 0 :|F v | 最大 = 1/3,φ f = 0
图 2:按公式计算的 RC 串并联网络频率响应。上:幅值在f 0 f_0 f 0 处最大为 1/3;下:相移在f 0 f_0 f 0 处为 0
3.4 例题 1#
题 :RC 串并联网络R = 10 k Ω R=10\,\text{k}\Omega R = 10 k Ω ,C = 0.01 μ F C=0.01\,\mu\text{F} C = 0.01 μ F 。求f 0 f_0 f 0 ,以及f = 2 f 0 f=2f_0 f = 2 f 0 、f = f 0 2 f=\frac{f_0}{2} f = 2 f 0 时的F v F_v F v 和φ f \varphi_f φ f 。
解 :
f 0 = 1 2 π × 10 4 × 10 − 8 ≈ 1591.5 Hz f_0=\frac{1}{2\pi\times10^4\times10^{-8}}\approx1591.5\,\text{Hz} f 0 = 2 π × 1 0 4 × 1 0 − 8 1 ≈ 1591.5 Hz 。
f = 2 f 0 f=2f_0 f = 2 f 0 :ω ω 0 − ω 0 ω = 2 − 0.5 = 1.5 \frac{\omega}{\omega_0}-\frac{\omega_0}{\omega}=2-0.5=1.5 ω 0 ω − ω ω 0 = 2 − 0.5 = 1.5 ,
F v = 1 9 + 1.5 2 = 1 11.25 ≈ 0.298 , φ f = − arctan 1.5 3 ≈ − 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 F v = 9 + 1. 5 2 1 = 11.25 1 ≈ 0.298 , φ f = − arctan 3 1.5 ≈ − 26. 6 ∘
f = f 0 2 f=\frac{f_0}{2} f = 2 f 0 :括号= 0.5 − 2 = − 1.5 =0.5-2=-1.5 = 0.5 − 2 = − 1.5 ,F v ≈ 0.298 F_v\approx0.298 F v ≈ 0.298 ,φ f ≈ + 26.6 ∘ \varphi_f\approx+26.6^\circ φ f ≈ + 26. 6 ∘ 。
可见幅频对f 0 f_0 f 0 是"对数对称"的,相位一正一负。
⚠️ 易错点 :F v max = 1 3 F_{v\max}=\frac13 F v m a x = 3 1 的前提是两个 R 相等、两个 C 相等 。题目若给的R 1 ≠ R 2 R_1\ne R_2 R 1 = R 2 或C 1 ≠ C 2 C_1\ne C_2 C 1 = C 2 ,频率变为f 0 = 1 2 π R 1 R 2 C 1 C 2 f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{R_1R_2C_1C_2}} f 0 = 2 π R 1 R 2 C 1 C 2 1 ,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
− +
v O
R 10kΩ
C 0.01μF
v P (= v f )
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)
R 1 10kΩ
R f1 15kΩ
R f2 10kΩ
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 + R 1 R_1 R 1 、R f R_f R f (R f = R f 1 + R f 2 R_f=R_{f1}+R_{f2} R f = R f 1 + R f 2 )组成同相比例放大 ,A v = 1 + R f R 1 A_v=1+\frac{R_f}{R_1} A v = 1 + R 1 R f ,相移φ a = 0 ∘ \varphi_a=0^\circ φ a = 0 ∘ 。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" :Z 1 Z_1 Z 1 、Z 2 Z_2 Z 2 、R f R_f R f 、R 1 R_1 R 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f 0 f_0 f 0 满足#
在f = f 0 f=f_0 f = f 0 处φ f = 0 ∘ \varphi_f=0^\circ φ f = 0 ∘ ,同相放大φ a = 0 ∘ \varphi_a=0^\circ φ a = 0 ∘ ,φ a + φ f = 0 ∘ \varphi_a+\varphi_f=0^\circ φ a + φ f = 0 ∘ ,满足相位条件。其他频率φ f ≠ 0 \varphi_f\ne0 φ f = 0 ,不满足。所以
f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f 0 = 2 π R C 1
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f 0 f_0 f 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:A v ≥ 3 A_v\ge3 A v ≥ 3 #
在f 0 f_0 f 0 处F v = 1 3 F_v=\frac13 F v = 3 1 ,平衡要求A v F v = 1 A_vF_v=1 A v F v = 1 ,即A v = 3 A_v=3 A v = 3 ;起振要求A v F v > 1 A_vF_v>1 A v F v > 1 :
A v = 1 + R f R 1 > 3 ⟹ R f > 2 R 1 A_v=1+\frac{R_f}{R_1}>3\quad\Longrightarrow\quad R_f>2R_1 A v = 1 + R 1 R f > 3 ⟹ R f > 2 R 1
实际取R f R_f R f 略大于 2 R 1 2R_1 2 R 1 ,再靠稳幅环节让它在稳定时等于2 R 1 2R_1 2 R 1 。
为什么不能取得太大? A v A_v A 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、A v = 3.5 A_v=3.5 A 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f 0 = 1 kHz f_0=1\,\text{kHz} f 0 = 1 kHz ,取C = 0.1 μ F C=0.1\,\mu\text{F} C = 0.1 μ F ,R 1 = 10 k Ω R_1=10\,\text{k}\Omega R 1 = 10 k Ω 。求R R R 和R f R_f R f 的取值。
解 :
R = 1 2 π f 0 C = 1 2 π × 10 3 × 10 − 7 ≈ 1.59 k Ω R=\frac{1}{2\pi f_0C}=\frac{1}{2\pi\times10^3\times10^{-7}}\approx1.59\,\text{k}\Omega R = 2 π f 0 C 1 = 2 π × 1 0 3 × 1 0 − 7 1 ≈ 1.59 k Ω 。(若取C = 0.01 μ F C=0.01\,\mu\text{F} C = 0.01 μ F ,则R ≈ 15.9 k Ω R\approx15.9\,\text{k}\Omega R ≈ 15.9 k Ω 。)
起振:R f > 2 R 1 = 20 k Ω R_f>2R_1=20\,\text{k}\Omega R f > 2 R 1 = 20 k Ω ,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R f R_f R f 看现象#
题 :RC 桥式振荡电路中R 1 = 1 k Ω R_1=1\,\text{k}\Omega R 1 = 1 k Ω ,R f R_f R f 由固定电阻R f 1 = 1 k Ω R_{f1}=1\,\text{k}\Omega R f 1 = 1 k Ω 与0 ∼ 10 k Ω 0\sim10\,\text{k}\Omega 0 ∼ 10 k Ω 的可调电阻R f 2 R_{f2} R f 2 串联。说明R f 2 R_{f2} R f 2 调到以下值时示波器上看到什么,为什么。
R f 2 R_{f2} R f 2
A v = 1 + R f 1 + R f 2 R 1 A_v=1+\frac{R_{f1}+R_{f2}}{R_1} A v = 1 + R 1 R f 1 + R f 2
现象
原因
0
2
没有输出(停振)
A v F v = 2 3 < 1 A_vF_v=\frac23<1 A v F v = 3 2 < 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
A v F v = 1 A_vF_v=1 A v F v = 1 ,噪声长不大
略大于 1 kΩ(如 1.2 kΩ,A v = 3.2 A_v=3.2 A 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)
A v F v = 4 ≫ 1 A_vF_v=4\gg1 A v F v = 4 ≫ 1 ,幅度涨到运放饱和削顶
这就是典型的"答题模板":算出A v A_v A 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#
f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f 0 = 2 π R C 1 ,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R R R 在 1~10 kΩ 内可调时:C = 0.1 μ F C=0.1\,\mu\text{F} C = 0.1 μ F 对应约 159 Hz~1.59 kHz,C = 0.01 μ F C=0.01\,\mu\text{F} C = 0.01 μ F 对应约 1.59~15.9 kHz,C = 1 nF C=1\,\text{nF} C = 1 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A v A_v A v 下降);幅度小了,就减弱负反馈。具体就是让R f R_f R f 或R 1 R_1 R 1 随幅度变化。
5.2 三种做法#
热敏电阻 :
R f R_f R f 用负温度系数 (NTC)热敏电阻:幅度↑ → R f R_f R f 中电流↑ → 发热、温度↑ → R f R_f R f ↓ → A v A_v A v ↓ → 幅度回落。
或者R 1 R_1 R 1 用正温度系数 (PTC)热敏电阻:幅度↑ → R 1 R_1 R 1 ↑ → A v A_v A v ↓。
记法:让R f R 1 \frac{R_f}{R_1} R 1 R f 随幅度增大而减小 。
二极管 (图 3):在R f 2 R_{f2} R f 2 两端反向并联两个二极管。
幅度小时:R f 2 R_{f2} R f 2 上的电压小于二极管导通电压,二极管截止,R f = R f 1 + R f 2 R_f=R_{f1}+R_{f2} R f = R f 1 + R f 2 ,A v A_v A v 较大(图 3 中1 + 25 10 = 3.5 1+\frac{25}{10}=3.5 1 + 10 25 = 3.5 ),保证起振;
幅度大时:二极管在峰值附近导通,等效于给R f 2 R_{f2} R f 2 并了一个小电阻,R f R_f R f 变小(极限1 + 15 10 = 2.5 1+\frac{15}{10}=2.5 1 + 10 15 = 2.5 ),A v A_v A v 下降;
最终稳定在"平均"效果A v = 3 A_v=3 A v = 3 。电路简单,最常用。
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R 1 = 10 k Ω R_1=10\,\text{k}\Omega R 1 = 10 k Ω ,R f 1 = 15 k Ω R_{f1}=15\,\text{k}\Omega R f 1 = 15 k Ω ,R f 2 = 10 k Ω R_{f2}=10\,\text{k}\Omega R f 2 = 10 k Ω ,二极管导通压降约V D V_D V D 。估算稳定后的输出峰值。
解 (工程估算):稳定时(峰值处)A v = 3 A_v=3 A v = 3 。设峰值时同相端电压为V p m V_{pm} V p m ,则V o m = 3 V p m V_{om}=3V_{pm} V o m = 3 V p m ;由虚短,反相端也是V p m V_{pm} V p m ,流过R 1 R_1 R 1 的电流I = V p m R 1 I=\frac{V_{pm}}{R_1} I = R 1 V p m ,这个电流流过R f 1 R_{f1} R f 1 和"R f 2 R_{f2} R f 2 ∥二极管":
V o m = I ( R 1 + R f 1 ) + V D = V o m 3 R 1 ( R 1 + R f 1 ) + V D V_{om}=I(R_1+R_{f1})+V_D=\frac{V_{om}}{3R_1}(R_1+R_{f1})+V_D V o m = I ( R 1 + R f 1 ) + V D = 3 R 1 V o m ( R 1 + R f 1 ) + V D
解得
V o m = 3 R 1 V D 2 R 1 − R f 1 = 3 × 10 × V D 20 − 15 = 6 V D V_{om}=\frac{3R_1V_D}{2R_1-R_{f1}}=\frac{3\times10\times V_D}{20-15}=6V_D V o m = 2 R 1 − R f 1 3 R 1 V D = 20 − 15 3 × 10 × V D = 6 V D
V D V_D V D 取 0.6~0.7 V,V o m ≈ 3.6 ∼ 4.2 V V_{om}\approx3.6\sim4.2\,\text{V} V o m ≈ 3.6 ∼ 4.2 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f 0 = 1591.5 Hz f_0=1591.5\,\text{Hz} f 0 = 1591.5 Hz 相差约 1%,是二极管非线性引入的少量谐波造成的)。
启示 :2 R 1 − R f 1 2R_1-R_{f1} 2 R 1 − R f 1 越小,幅度越大;必须R f 1 < 2 R 1 R_{f1}<2R_1 R f 1 < 2 R 1 (否则二极管导通后增益仍大于 3,稳不住),而R f 1 + R f 2 > 2 R 1 R_{f1}+R_{f2}>2R_1 R f 1 + R f 2 > 2 R 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R f R_f R f 用负 温度系数,放R 1 R_1 R 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A v A_v A v 能否大于 3)。
④ 算振荡频率 :由选频网络参数估算f 0 f_0 f 0 。
例题 5:三个电路判断#
(1) RC 串并联网络接到运放反相端 ,R 1 R_1 R 1 、R f R_f R f 接到同相端(与图 3 两组反馈"对调")。
解 :在f 0 f_0 f 0 处 RC 网络无相移,运放从反相端输入有180 ∘ 180^\circ 18 0 ∘ 相移,φ a + φ f = 180 ∘ \varphi_a+\varphi_f=180^\circ φ a + φ f = 18 0 ∘ ——负反馈,不能振荡 。
(2) 图 3 电路但R f = 15 k Ω R_f=15\,\text{k}\Omega R f = 15 k Ω 、R 1 = 10 k Ω R_1=10\,\text{k}\Omega R 1 = 10 k Ω (不加二极管)。
解 :相位条件满足,但A v = 2.5 < 3 A_v=2.5<3 A v = 2.5 < 3 ,A v F v < 1 A_vF_v<1 A v F v < 1 ,不能起振 。改正:R f R_f R f 改为略大于 20 kΩ。
(3) 图 3 电路,R = 8.2 k Ω R=8.2\,\text{k}\Omega R = 8.2 k Ω ,C = 0.022 μ F C=0.022\,\mu\text{F} C = 0.022 μ F ,R 1 = 4.7 k Ω R_1=4.7\,\text{k}\Omega R 1 = 4.7 k Ω ,R f R_f R f 为可调电阻。求f 0 f_0 f 0 和R f R_f R f 的取值。
解 :f 0 = 1 2 π × 8.2 × 10 3 × 0.022 × 10 − 6 ≈ 882.2 Hz f_0=\frac{1}{2\pi\times8.2\times10^3\times0.022\times10^{-6}}\approx882.2\,\text{Hz} f 0 = 2 π × 8.2 × 1 0 3 × 0.022 × 1 0 − 6 1 ≈ 882.2 Hz ;R f > 2 R 1 = 9.4 k Ω R_f>2R_1=9.4\,\text{k}\Omega R f > 2 R 1 = 9.4 k Ω ,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 18 0 ∘ )+ 三节 RC 移相网络(每节不到90 ∘ 90^\circ 9 0 ∘ ,三节可凑出180 ∘ 180^\circ 18 0 ∘ ),总相移360 ∘ 360^\circ 36 0 ∘ 。振荡频率f 0 ≈ 1 2 π 6 R C f_0\approx\frac{1}{2\pi\sqrt6RC} f 0 ≈ 2 π 6 R C 1 (如R = 10 k Ω R=10\,\text{k}\Omega R = 10 k Ω 、C = 10 nF C=10\,\text{nF} C = 10 nF 时约 650 Hz)。为什么两节不行?两节最多接近180 ∘ 180^\circ 18 0 ∘ 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 :∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 \lvert \dot A\dot F\rvert =1 ∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 (幅值)、φ a + φ f = 2 n π \varphi_a+\varphi_f=2n\pi φ a + φ f = 2 nπ (相位)
起振条件
∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 \lvert \dot A\dot F\rvert >1 ∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 (略大于 1);= 1 =1 = 1 起不来,≫ 1 \gg1 ≫ 1 失真
振荡频率
由相位条件 决定
RC 串并联网络
f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f 0 = 2 π R C 1 时F v = 1 3 F_v=\frac13 F v = 3 1 最大、φ f = 0 \varphi_f=0 φ f = 0
RC 桥式振荡
同相放大;A v = 1 + R f R 1 A_v=1+\frac{R_f}{R_1} A v = 1 + R 1 R f ;起振R f > 2 R 1 R_f>2R_1 R f > 2 R 1 (略大于),平衡A v = 3 A_v=3 A v = 3
现象速判
A v < 3 A_v<3 A v < 3 停振;A v A_v A v 略> 3 >3 > 3 正弦;A v ≫ 3 A_v\gg3 A v ≫ 3 削顶失真
稳幅
R f R_f R f 用 NTC 或R 1 R_1 R 1 用 PTC;R f 2 R_{f2} R f 2 并反向二极管;JFET
二极管稳幅估算
V o m ≈ 3 R 1 V D 2 R 1 − R f 1 V_{om}\approx\frac{3R_1V_D}{2R_1-R_{f1}} V o m ≈ 2 R 1 − R f 1 3 R 1 V D ,要求R f 1 < 2 R 1 < R f 1 + R f 2 R_{f1}<2R_1<R_{f1}+R_{f2} R f 1 < 2 R 1 < R f 1 + R f 2
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f 0 f_0 f 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 ∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 ;相位平衡φ a + φ f = 2 n π \varphi_a+\varphi_f=2n\pi φ a + φ f = 2 nπ (n = 0 , 1 , 2 , ⋯ n=0,1,2,\cdots n = 0 , 1 , 2 , ⋯ );起振∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 |\dot A\dot F|>1 ∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 。
2. (基础)"已知F = 1 3 F=\frac13 F = 3 1 ,只要A = 3 A=3 A = 3 电路就能起振",对吗?
答案与提示
不对。A = 3 A=3 A = 3 时∣ A ˙ F ˙ ∣ = 1 |\dot A\dot F|=1 ∣ A ˙ 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 > 3 A>3 A > 3 (略大于),起振后再由稳幅环节回到A F = 1 AF=1 A F = 1 。
3. (基础)RC 桥式振荡器R = 8.2 k Ω R=8.2\,\text{k}\Omega R = 8.2 k Ω ,C = 0.022 μ F C=0.022\,\mu\text{F} C = 0.022 μ F ,求振荡频率。
答案与提示
f 0 = 1 2 π R C ≈ 882.2 Hz f_0=\frac{1}{2\pi RC}\approx882.2\,\text{Hz} f 0 = 2 π R C 1 ≈ 882.2 Hz 。
4. (中等)RC 桥式振荡器中R 1 = 4.7 k Ω R_1=4.7\,\text{k}\Omega R 1 = 4.7 k Ω 。(1) R f R_f R f 至少多大?(2) 若用热敏电阻稳幅,放在R f R_f R f 位置应选什么温度系数?说明稳幅过程。
答案与提示
(1) R f > 2 R 1 = 9.4 k Ω R_f>2R_1=9.4\,\text{k}\Omega R f > 2 R 1 = 9.4 k Ω (取略大于)。
(2) 负温度系数。输出幅度↑ → 流过R f R_f R f 的电流↑ → 温度↑ → R f R_f R f ↓ → A v = 1 + R f R 1 A_v=1+\frac{R_f}{R_1} A v = 1 + R 1 R f ↓ → 幅度↓,最终稳定在A v = 3 A_v=3 A 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 μ F 0.1\,\mu\text{F} 0.1 μ F ,R 的调节范围应是多少?用什么元件?
答案与提示
R = 1 2 π f 0 C R=\frac{1}{2\pi f_0C} R = 2 π f 0 C 1 :f 0 = 1.59 kHz f_0=1.59\,\text{kHz} f 0 = 1.59 kHz 时R ≈ 1 k Ω R\approx1\,\text{k}\Omega R ≈ 1 k Ω ,f 0 = 159 Hz f_0=159\,\text{Hz} f 0 = 159 Hz 时R ≈ 10 k Ω R\approx10\,\text{k}\Omega R ≈ 10 k Ω ,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R 1 = 10 k Ω R_1=10\,\text{k}\Omega R 1 = 10 k Ω ,R f 1 = 16 k Ω R_{f1}=16\,\text{k}\Omega R f 1 = 16 k Ω ,R f 2 = 8 k Ω R_{f2}=8\,\text{k}\Omega R f 2 = 8 k Ω ,V D ≈ 0.6 V V_D\approx0.6\,\text{V} V D ≈ 0.6 V 。(1) 能否起振?(2) 估算输出峰值。
答案与提示
(1) 小信号A v = 1 + 24 10 = 3.4 > 3 A_v=1+\frac{24}{10}=3.4>3 A v = 1 + 10 24 = 3.4 > 3 ,能起振;且R f 1 = 16 k Ω < 2 R 1 = 20 k Ω R_{f1}=16\,\text{k}\Omega<2R_1=20\,\text{k}\Omega R f 1 = 16 k Ω < 2 R 1 = 20 k Ω ,二极管导通后增益可降到 3 以下,能稳幅。
(2) V o m ≈ 3 R 1 V D 2 R 1 − R f 1 = 3 × 10 × 0.6 20 − 16 = 4.5 V V_{om}\approx\frac{3R_1V_D}{2R_1-R_{f1}}=\frac{3\times10\times0.6}{20-16}=4.5\,\text{V} V o m ≈ 2 R 1 − R f 1 3 R 1 V D = 20 − 16 3 × 10 × 0.6 = 4.5 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:A v = 1 + R f R 1 ≤ 3 A_v=1+\frac{R_f}{R_1}\le3 A v = 1 + R 1 R f ≤ 3 ,不满足起振条件∣ A ˙ F ˙ ∣ > 1 |\dot A\dot F|>1 ∣ A ˙ 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R f R_f R f 使其略大于2 R 1 2R_1 2 R 1 。
(2) 削顶失真:A v A_v A v 远大于 3,又没有稳幅措施,幅度涨到运放饱和;应减小R f R_f R f 到略大于2 R 1 2R_1 2 R 1 ,并加稳幅环节(如R f R_f R f 用负温度系数热敏电阻,或在部分R f R_f R f 上并联反向二极管)。
振荡频率由选频网络决定(相位条件),f 0 = 1 2 π R C f_0=\frac{1}{2\pi RC} f 0 = 2 π R C 1 ,与R f R_f R f 、R 1 R_1 R 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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