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1二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用1作信号源(本章将讨论) 正弦波信号源：电子测量仪器； 要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。 2正弦交变能源(本章不讨论)用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。要求：功率足够大，高效。载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；时钟信号：数字系统。 第1页/共91页2三、分类（1）反馈振荡器利用正反馈原理构成，应用广泛。 （2）负阻振荡器利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。 主要工作于微波段。 1、按组成原理2、按产生的波形（1）正弦波振荡器（2）非正弦波振荡器 矩形脉冲、三角波、锯齿波。3、按选频网络所采用的器件LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器。第2页/共91页3第一节 反馈振荡器的原理一、反馈振荡器的原理分析组成：（1）放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载，是调谐放大器。一般是由无源器件组成的线性网络。（2）反馈网络正反馈： Ui(s)与Ui(s)相位相同。第3页/共91页4振荡的建立过程(1) 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程 (2) 进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。 (3) 当外界不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。 第4页/共91页5一、反馈振荡器的原理分析)()()(isisUsUsUoi( )( )( )UsK sU sio( )( )( )U sF sUsous( )( )( )UsKsU s闭环电压放大倍数：放大器电压放大倍数：反馈网络的电压反馈系数：放大器输入信号：0iiU (s)U(s) U (s)iiK(s)U (s)1U (s)iiK(s)F(s)U (s)T(s)U (s)反馈系统的环路增益：K(s)1 T(s)第5页/共91页6一、反馈振荡器的原理分析)()()()()(iisUsUsFsKsT反馈系统的环路增益：闭环电压放大倍数：0us( )( )( )( )1( )U sK sK sU sT s自激振荡的条件：又称为振荡器的平衡条件。二、平衡条件TKF2n ( n0,1,2,) ：相位平衡条件：振幅平衡条件()() ()1T jK jF j()1T jKF第6页/共91页7分析K(j)与F(j)的意义:（以单调谐谐振放大器为例）ocUUibUUoiUK(j )U 若输出信号：fLY (j )Z 放大器电压放大倍数：cbUUbcccUIIUjfcbffIUY (j )Y e 因为（Yf 晶体管的正向转移导纳）jLcLLcUIZR e （ZL放大器的负载阻抗）fLT(j )Y (j )Z F(j ) fLY (j )Z F (j )所以输入信号：1LfFRYTfLF2n ( n0,1,2,) 相位平衡条件:振幅平衡条件:：决定了振荡器输出振幅的大小。：决定了振荡器输出信号的频率大小。第7页/共91页8三、振荡器的起振条件初始的激励是从哪里来的呢？振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等。1)j (LfFRYTTfLF2n (n0,1,2,) ：振幅起振条件：相位条件Ub1U01Ub2U02Ub3U0Ub振荡开始时应为增幅振荡！振幅条件的图解表示第8页/共91页91、振幅稳定条件0iAiiUUUT四、稳定条件UiAUiUi 因此，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡，是由放大器的非线性完成的。由于放大器的非线性，振幅稳定条件很容易满足。iiAi0UUKU即：在平衡点附近具有负斜率的变化！第9页/共91页10稳定不稳定1、振幅稳定条件iiAi0UUKU在平衡点附近具有负斜率的变化！第10页/共91页112、相位稳定条件T0OSC 0 t 0oscT 在平衡点附近具有负斜率变化，即随增大而下降的特性。第11页/共91页12起振条件：保证接通电源后从无到有地建立起振荡。平衡条件：保证进入平衡状态、输出等幅持续振荡。稳定条件：保证平衡状态不受外界不稳定因素的破坏。 闭合环路成为反馈振荡器(Feedback Oscillator)的三个条件：第12页/共91页13对三个条件的讨论1、三个条件都必须满足，缺一不可，但是它们在实际情况下有 所不同。往往稳定条件隐含在电路结构中，如：振幅稳定条 件一般由放大管的非线性放大特性和自给偏置效应予以保证， 相位稳定条件一般由振荡电路中选频网络的负斜率相频特性 予以保证。2、如果电路结构合理，那么只要满足起振条件，就能自动进入平 衡状态，产生持续振荡。3、平衡条件可以用来确定振荡振幅。但这时由于放大管已进入非 线性，因此平衡条件的分析十分困难。第13页/共91页14 4、振幅稳定条件和相位稳定条件的讨论可以进一步定性地了解 稳定振荡幅度和提高频率稳定度所应采取的措施。5、基于上述讨论，振荡器的分析可分为定性和定量两个步骤： 定性分析判断电路结构是否合理，包括电路中有否选频网络， 选频网络的相频特性是否为负斜率（比如，并联谐振网络与晶 体管并联时具有负斜率的相频特性），电路中是否具有正反馈。 定量分析仅需分析电路是否满足起振条件，由于起振时，振荡管 处于线性放大状态，且输入信号很微弱，可以采用小信号等效电 路的方法进行分析。第14页/共91页15主网络反馈网络五、振荡线路举例互感耦合振荡器 互感耦合反馈振荡器的正反馈是由互感耦合回路中的同名端来保证的。反馈振荡器工作原理第15页/共91页16集电极调谐型电路的三种形式发射极调谐型基极调谐型第16页/共91页17集电极调谐型第17页/共91页18发射极调谐型第18页/共91页19基极调谐型第19页/共91页20第二节 LC 振 荡 器一、振荡器的组成原则1、三端式振荡器的组成 LC 回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接。什么是三端式(又称三点式)振荡器？并联谐振回路：决定振荡频率。反馈网络：构成正反馈。三个电抗元件X1、X2、X3：第20页/共91页21X1 + X2 + X3 = 0谐振条件 电路中三个电抗元件必须由两种不同性质的电抗元件组成。相位平衡条件，即正反馈条件IXU2bjIXU1cjX1、X2为同性质电抗元件！判断三端式振荡器能否振荡的原则： “射同余异”或 “源同余异”第21页/共91页22三端式振荡器的两种基本电路(a) 电容反馈振荡器(b) 电感反馈振荡器三点式振荡电路组成法则反馈电压取自L 和C2组成的分压器反馈电压取自C 和L2组成的分压器第22页/共91页23例：根据组成法则判断下列电路能否振荡思考：如何改正，才可以使电路满足振荡条件？第23页/共91页24例：图是三回路振荡器的等效电路，设有下列几种情况：112233(1)L CL CL C ;试分析上述四种情况是否都能振荡，振荡频率 f1 与回路谐振频率有何关系？属于何种类型的振荡器？112233112233112233(2)L C L C L C ;(3)L C = L CL C ;(4)L C L C =L C ;第24页/共91页25二、电容反馈振荡器交流等效电路 1）电阻R1、R2、Re 起直流偏置作用。 2）Ce 为旁路电容，Cb 为隔直电容，保证起振时有合适 的静态工作点及交流通路。 3）Lc可防止集电极交流电流从电源入地。下面分析该电路的振荡频率及起振条件。第25页/共91页26二、电容反馈振荡器(2) 晶体管Cie、Coe很小，可忽略它们的影响；高频小信号等效电路:假设条件：(3) 忽略晶体管集电极电流ic对输入信号ub的相移，将Yfe用跨导gm表示。设:(1) 忽略Yre=0 的影响; ：除晶体管以外的电路中所有电导折算到ce两端后的总电导。 Lg第26页/共91页27cebeuKubeceuFubebeuT(j )KFu 电压增益：反馈系数：环路增益：beu下面分析环路增益！I12C=C分析振荡频率、起振条件第27页/共91页28m2ieoeL12ie2iebeeb1gj Cg11ggj Cj L1j Cgj LjuguC bebeuT(j )KFu T(j)（令T(j)虚部等于零。）振荡频率的推导过程又：ieoeL112g (gg )1LCC C 振荡频率表达式：01LC 第28页/共91页29将gie折算到放大器输出端：22beieieieceUggF gU 放大器总的负载电导gL：2LieoeLgF gggbeuI放大器电压放大倍数：cebeuKumLgg起振条件的推导过程T(j )KF1 moeLie1()gggg FF起振条件：第29页/共91页30第一项：输出电导和负载电导对振荡的影响：F 越大，越容易振荡；第二项：输入电阻对振荡的影响：gie、F 越大，越不容易振荡。只要在设计电路时使晶体管的跨导满足此式，振荡器就可以振荡。因此，考虑晶体管输入电阻对回路的加载作用，反馈系数F并非越大越好。F一般取0.10.5，起振时环路增益一般取 3 5。 moeLie1()gggg FF对起振条件的分析第30页/共91页31三、电感反馈振荡器(a) 实际电路(b) 交流等效电路通常电感是绕在同一带磁芯的骨架上，它们之间存在有互感，用 M 表示。第31页/共91页32三、电感反馈振荡器(b) 交流等效电路振荡频率表达式：)(1221Loeie1MLLgggLC反馈系数：21(j )LMFFLM起振时的gm应满足：moeLie1()gggg FF条件与电容反馈振荡器相同！第32页/共91页33电感反馈振荡器与电容反馈振荡器的比较（1）两种线路都简单，容易起振。（2）电感反馈振荡器的工作频率不能过高； （3）电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。综上，由于电容反馈振荡器具有工作频率高、波形好等优点，在许多场合得到了应用。电容反馈振荡器，工作频率可以较高。第33页/共91页34四、两种改进型电容反馈振荡器1. 克拉泼振荡器实际电路：交流等效电路：3132CCCC，（克拉泼振荡器 、西勒振荡器）第34页/共91页351. 克拉泼振荡器回路的总电容312CC ,C12331111CCC1CC30111LCLC振荡频率回路总电容主要由C3决定，极间电容对总电容的影响很小!反馈系数12CFC接入系数131CCpCC晶体管与回路间的耦合很弱！第35页/共91页361. 克拉泼振荡器等效到晶体管ce两端的负载电阻RL3Lo221oCCRp RRLR（1）主要用于固定频率或波段范围较窄的场合。（2）频率覆盖系数一般只有 1.2 1.3。结论：改变 C3RL变化K变化停振。 RL的变化 波段范围内输出振幅变化较大。第36页/共91页372. 西勒振荡器实际电路交流等效电路31321 CCCC），C3起频率微调作用。2）C4用来改变振荡器的工作波段。第37页/共91页382. 西勒振荡器回路的总电容4343211111CCCCCCC振荡频率)(114301CCLLC改变频率主要是通过调整C4完成的！接入系数31CpC（1）C4的改变并不影响接入系数 p，波段内输出幅度较平稳。西勒振荡器适用于较宽波段工作，在实际中用得较多。（2）改变C4 ，频率变化较明显，故西勒振荡器的频率覆盖系数较大，可达1.6 1.8。结论：第38页/共91页39五、场效应管振荡器1、互感耦合场效应管振荡器第39页/共91页402、电感反馈场效应管振荡器第40页/共91页413、电容反馈场效应管振荡器第41页/共91页42六、压控振荡器应用：广泛应用于频率调制器、锁相环路，以及无线电发射机和接收机中。第42页/共91页43七、单片集成振荡器举例见书P131第43页/共91页44作 业 4-2 4-3 4-4（a、 b、 d、 e）检查振荡器线路是否正确的步骤：检查振荡器线路是否正确的步骤： 1.1.检查交流通路是否存在正反馈检查交流通路是否存在正反馈 2.2.检查直流通路检查直流通路 为满足起振的振幅条件，起振时应使放大器工为满足起振的振幅条件，起振时应使放大器工作在线性放大区，即对三极管电路，直流通路应使作在线性放大区，即对三极管电路，直流通路应使发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。 4-6、4-8、4-10第44页/共91页45例1：判断电路是否可能产生正弦波振荡包含了放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个组成部分。第45页/共91页46例2：判断下面电路能否振荡？第46页/共91页47判断下面电路能否振荡？第47页/共91页48判断下面电路能否振荡？第48页/共91页49判断下面电路能否振荡？第49页/共91页50判断下列各交流通路能否振荡串联谐振呈纯电阻性小于900的相移第50页/共91页51例3：改正电路中的错误第51页/共91页52第52页/共91页53第53页/共91页54例4：判断图示电路能否满足相位平衡条件，若不能，请改正。感性容性方法1方法2交流等效电路第54页/共91页55第三节 振荡器的频率稳定度一、频率稳定度的意义和表征频率稳定度是指由于外界条件的变化，引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度，它是振荡器的一个重要指标。频率不稳定带来的影响？1、对频稳度的不同要求： 高精度信号 发生器用 途中波电台电视发射机信号发生器频稳度10-510-4 10-510-710-7 10-9第55页/共91页56一般的短波、超短波发射机的相对频稳度为10-410-5数量级； 电视发射机为10-7数量级； 卫星通信发射机为10-910-11数量级。 普通信号发生器为10-410-5数量级；高精度信号发生器为10-710-9数量级； 用于国家时间标准的频率源，要求在10-12数量级。对频率稳定度的要求视用途而异第56页/共91页57绝对偏差：设 f1 为实际工作频率，01fff相对偏差：0010fffff频率稳定度：用f / f1|时间间隔表示。2、频率稳定度的表征f 0 为标称频率频率准确度！频率稳定度?这个数值越小，频率稳定度越高！时间间隔？第57页/共91页583、按照时间间隔长短不同 一般指一天以上以至几个月的时间间隔内。 一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化。长期稳定度 一般指一天以内，以小时、分钟或秒计时的时间间隔内。短期稳定度瞬时稳定度一般频率稳定度主要是指短期稳定度！引起不稳定的主要因素是振荡器中元器件老化。产生这种频率不稳定的因素有温度、电源电压等。引起不稳定的主要因素是振荡器内部的噪声。第58页/共91页59二、振荡器的稳频原理)(FfL振荡回路在0附近的幅角0L02()tanLQ相位平衡条件)tan(2FfL001Q11110LfF0LfFQ()Q() 0010fFfFL22LfFL()tan()Q2Q cos ()2Q 该式反映了振荡器的频率不稳定因素！振荡频率： 第59页/共91页60二、振荡器的稳频原理1. 回路谐振频率0的影响00LCL2C1 LC/10元件L 和C 的稳定度将影响振荡器的频率稳定度。0010fFfFL22LfFL()tan()Q2Q cos ()2Q 01提高回路的标准性！结论：第60页/共91页612. QL对频率的影响二、振荡器的稳频原理回路QL越大，频率稳定度就越高！0010fFfFL22LfFL()tan()Q2Q cos ()2Q LQ1 1提高回路的 Q L ！结论：第61页/共91页62二、振荡器的稳频原理0010fFfFL22LfFL()tan()Q2Q cos ()2Q fF 主要取决于晶体管内部的状态。)(Ff3.对频率的影响1 1fF() 减小晶体管的影响 ！结论：第62页/共91页631. 提高振荡回路的标准性三、提高频率稳定度的措施2. 减少晶体管的影响3. 提高回路的品质因数4. 减少电源、负载等的影响为减少温度对振荡频率的影响，可以将振荡器放在恒温槽内。 在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外，应选择 f T 较高的晶体管， f T越高，高频性能越好。 回路的Q值越大，回路的相频特性斜率就越大，即回路的Q 值越大，相位越稳定。振荡器电源应采取必要的稳压措施。应减小负载对回路的耦合，可在负载与回路间加射极跟随器等措施。第63页/共91页64第四节 LC振荡器的设计方法1 振荡器电路选择2 晶体管选择3 直流馈电线路的选择4 振荡回路元件选择5 反馈回路元件选择第64页/共91页65频稳度晶体振荡器：超过 10 5LC 振荡器：10 3 10 5晶体振荡器： 采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。 一、石英谐振器的电特性一、石英谐振器的电特性1石英晶体的性能与等效电路 利用石英晶体(Quartz-Crystal)的压电效应制成的一种谐振器件。第五节 石英晶体振荡器第65页/共91页66(1)性能 晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大小有关，且十分稳定。 将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频率，能有效地控制和稳定振荡频率。 压电效应：机械与电的相互转换效应。 正压电效应：外加力，产生电荷现象。 逆压电效应：外加电压，产生机械振动现象。 振动特性1石英晶体的性能与等效电路 具有多谐性，除基频振动外还有奇次谐波的泛音振动。 第66页/共91页67(2)等效电路 包括泛音在内的等效电路谐振频率附近的等效电路第67页/共91页68(2)等效电路 qqq12L Cf00qq0q1C C2LCCf串联谐振频率并联谐振频率二者关系：q0q0C1(1)2 Cff等效接入系数：qqoqoCCpCCC0q1(1p)2ff第68页/共91页69 在 q o 之间为正值，呈感性；其他频段内为负值，呈容性。 在 q 上 Xe= 0 ，为串联谐振；在 0 上 Xe ，为并联谐振。2电抗特性晶振体两个谐振频率：w q、w o ；且 wq w o 工作于 wq wo 之间为高 Q 电感，并联谐振。 工作于 wq附近为串联谐振，对 wq，相当于短路。 晶振体只能工作于上述两种方式，否则频稳度下降。结论：第69页/共91页703. 石英晶体振荡器频率稳定度具有高频稳度的原因：(3) 有非常高的 Q 值。(2) 与有源器件的接入系数 p很小。 一般为103 10 4。(1) 具有很高的标准性。 其振荡频率主要由石英晶体谐振器的谐振频率决定。第70页/共91页71二、晶体振荡器电路二、晶体振荡器电路并联型电路：晶体工作在略高于fq，呈感性，用做三点式电路中的回路电感。串联型电路：晶体工作在fq上，晶体串联谐振，用做一个短路元件。根据晶体在振荡电路中的不同作用，晶体振荡器有：呈感性呈短路元件第71页/共91页721、并联型晶体振荡电路Ce :旁路电容。C1 、C2 :既是回路的一部分，也是反馈电路。（1）皮尔斯振荡器C3：微调电容第72页/共91页73振荡频率：01L1eCX321L1111CCCC外部电容：等效接入系数：qLoqLoqCpCCCCCC并联谐振频率：1q1(1p)2ff（a）改变CL可以微调振荡频率。（b）CL主要由C3决定。通常电路中C3C1、C2。 分析： 晶体振荡器反馈系数：21CCF 实际电路中用与晶体串一小电容C3来微调振荡频率。 （1）皮尔斯振荡器第73页/共91页74(2)并联型晶体振荡器的实际线路其适宜的工作频率范围为0.85 15 MHz。交流等效电路1k第74页/共91页75皮尔斯振荡器(3)密勒(Miler)振荡器 由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了Q L ，故密勒振荡器的频率稳定度较低。结论：第75页/共91页76(3)密勒(Miler)振荡器交流等效电路 由于皮尔斯振荡器的频稳度比密勒振荡器高，故实际应用的晶体振荡器大多为皮尔斯振荡器，在频率较高时可以采用泛音晶体构成。第76页/共91页77(4) 泛音晶体皮尔斯振荡器+UccC2交流等效电路第77页/共91页78原理分析：设取五次泛音，标称频率为5 MHz。（a）对五次泛音，LC1 呈容性，满足电容三点式；（b）对基音、三次泛音，LC1 呈感性，不满足组成法则；（c）对高于七次以上泛音，使放大器增益减小，振荡器停振。(4) 泛音晶体皮尔斯振荡器53.51为抑制基音和三次泛音的寄生振荡，LC1 应调谐在三次和五次泛音之间，例如 3.5 MHz。一般为3、5、7次泛音。第78页/共91页792、串联型晶体振荡器实际线路等效电路 晶体接在振荡器要求低阻抗的两点间，通常在反馈电路中。第79页/共91页802、串联型晶体振荡器原理分析：当 f = fq 时，晶体串联谐振，等效为短路元件，电路满足相位条件，且反馈最强，满足起振条件。 f fq 时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振幅和相位起振条件。 因此这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。第80页/共91页812、串联型晶体振荡器补充说明： 通常这种晶体标明其负载电容为无穷大。不需要外加负载电容CL。 这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。串联型晶体振荡器能适应高次泛音工作。 在实际制作中，若fq有小的误差，则可以通过回路调谐来微调。第81页/共91页82(1) 实际使用时必须外加负载电容，并经微调后才能获得标称频率。(4) 晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率。(3) 在并联型晶体振荡器中，石英晶体起等效电感。(2) 石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。 3、使用注意事项第82页/共91页83下图是一个数字频率计晶振电路，求： （1）画出其交流等效电路，并说明该电路的工作频率。（2）利用相位平衡条件判断该电路能否起振，并说明理由 （3）若将5MHz的晶振换成2MHz的，该电路能否正常工作，为什么？第83页/共91页84影响晶体振荡器频率稳定度的因素仍然是温度、电源电压和负载变化，其中最主要的还是温度的影响。三、 高稳定晶体振荡器克服温度的影响的措施：（1）采用温度系数低的晶体晶片。（2）保持晶体及有关电路在恒定温度环境中工作。第84页/共91页85频稳度可达10710 9。 槽内的感温电阻(如温敏电阻)作为电桥的一臂，当温度等于所需某一温度(拐点温度)时，电桥输出直流电压经放大后，对加热电阻丝加热，以维持平衡温度；恒温的原理: 当环境温度变化，从而使槽温偏离原来温度时，通过感温电阻的变化改变加热电阻的电流，从而减少槽温的变化。恒温晶体振荡器的组成框图第85页/共91页86频稳度可达10510 6。 温度改变时，温敏电阻改变，加在变容管上的偏置电压改变，从而使变容管电容变化，以补偿晶体频率的变化，因此整个振荡器频率随温度变化很小，从而得到较高的频率稳定度。温度补偿晶体振荡器稳频原理:第86页/共91页87温度补偿晶体振荡器实用电路变容二极管集成压控振荡器压控振荡器VCO第87页/共91页88精品课件！第88页/共91页89精品课件！第89页/共91页90作业 4-15第90页/共91页91感谢您的观看。第91页/共91页