通信电路课件正弦波振荡器

通信工程学院1正弦波振荡器通信工程学院2概述概述功率放大器：将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。特点：被动地，需输入信号控制。正弦波振荡器(Sinewave Oscillator)：将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：自动地，无需输入信号控制。通信工程学院3正弦波振荡器的应用作信号源要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。正弦交变能源要求：功率足够大，高效。通信工程学院4分类按波形：正弦波振荡器、非正弦波振荡器；按组成原理：反馈振荡器、负阻振荡器；按选频网路：LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器。振荡器在实质上是一种能量转换元件，利用反馈或负电阻效应来克服能量损失。通信工程学院53.1 3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理1 1、组成、组成主网络与反馈网络构成闭合环路。通信工程学院62 2、等幅持续振荡的条件、等幅持续振荡的条件 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程，即起振条件。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，即平衡条件。当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡，即稳定条件。通信工程学院73.1.1 3.1.1 平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件分析：刚通电时 谐振回路的选频功能 变压器绕向正确放大选频反馈再放大等多次循环通信工程学院8起振条件offfiio(j)(j)(j)VVVTAkVV V 环路增益振幅起振条件fiVVosc()1T或相位起振条件 T(osc)=A(osc)+f(osc)=2n(n=0，1，2，)通信工程学院9二、平衡条件二、平衡条件分析：若在某一频率 上，与 同相又等幅即oscfViVfiVV当环路闭合后：主网络将输出正弦振荡电压 ,角频率为 ；所需输入电压 全部由反馈电压 提供，无需外加输入电压。oVosciVfV通信工程学院10平衡条件Toscofffosciio(j)(j)(j)=TjVVVTAkeVV V 振幅平衡条件环路增益的模 T(osc)=1，即巴克好森准则相位平衡条件环路增益的相角T(osc)=2n(n=0，1，2，)通信工程学院11讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：起振时，T(osc)1，Vi 迅速增长；随后，T(osc)下降，Vi 的增长速度变慢；环路增益的相角 T(osc)则必须维持在 2n 上。到 T(osc)=1 时，Vi 停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。通信工程学院123.1.23.1.2稳定条件稳定条件一、问题的提出一、问题的提出稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素的影响受到破坏的条件。稳定平衡和不稳定平衡通信工程学院13振荡电路中存在干扰外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。内部：存在固有噪声。后果：均造成 T(osc)和 T(osc)等的变化，破坏平衡条件。干扰对平衡状态的影响(两种)通过放大和反馈的反复循环：振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免；振荡器有回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。通信工程学院14二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件iiAosc,1VVT若 ，干扰使得：稳定过程iiAosciosc1VVTVT 最后在新的 上重新满足平衡条件 T(osc)=1。iAViiAosciosc1VVTVT 最后在新的 上重新满足平衡条件 T(osc)=1。iAV通信工程学院15环路增益存在两个平衡点的情况分析：若使 Vi ViB，则 T(osc)随之增大，导致 Vi 进一步增大，从而更远离平衡点 B。最后到达平衡点 A。反之，若iiBosciVVTV直到停止振荡。而且，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产生大于ViB 的起始扰动电压，才能进入平衡点 A，产生持续等幅振荡。通信工程学院16硬激励：靠外加冲击而产生振荡。软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。振幅稳定条件要使平衡点稳定，T(osc)必须在 ViA 附近具有随 Vi 增大而下降(负斜率变化)的特性，即iAosci()0VTV斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的 T(osc)变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。通信工程学院17三、相位三、相位(频率频率)稳定条件稳定条件 T(osc)的偏移对振荡频率的影响由相位平衡条件T(osc)=2n(n=0，1，2，)，表明每次放大和反馈后的电压与原输入电压同相；若某种原因使 T(osc)0，相位超前，表明振荡器角频率将高于osc；若某种原因使 T(osc)osc，希望T()0，Vi 的超前势必受到阻止；若某 0，Vi 的滞后势必受到阻止。相位稳定条件osc()0|T 通信工程学院19举例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。T()由两部分组成：放大器输出电压 对输入电压 的相移 A()；反馈网络反馈电压 对 的相移 f()。oViVfVoV即 T()=A()+f()通信工程学院20A()放大管(可略)并联谐振回路相移 Z()f()，可认为它与 无关。故 Z()随 变化的特性可代表 T()随 变化的特性。并联谐振回路，其相频特性0ze02()()arctanQ 0 谐振频率Qe 有载品质因数通信工程学院213.1.33.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法一、一、振荡三条件的振荡三条件的归纳与归纳与讨论讨论平衡条件osc()1T j振幅平衡条件相位平衡条件osc()1Tosc()2(0,1,2.)Tnn起振条件振幅起振条件T(osc)1相位起振条件()2(0,1,2.)Toscnn稳定条件振幅稳定条件相位稳定条件iAosci()0VTVosc()0|T 通信工程学院22三个条件都必须满足，缺一不可。在实际振荡电路中，必须满足起振和平衡条件，而稳定条件则是隐含在电路结构中。如果电路结构合理，只要满足起振条件，就能自动进入平衡状态，产生持续振荡。振荡器的分析可分为定性和定量两个方面：定性分析判断电路结构是否合理，包括电路中是否有选频网络，选频网络的相频特性是否为负斜率，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，可以采用微变等效电路的方法进行分析。通信工程学院23二、基本组成及其分析方法二、基本组成及其分析方法 组成可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n。种类可变增益放大器 按放大管分：晶体三极管，场效应管，差分对管和集成运放；按实现可变增益的方法：内稳幅：利用放大管固有的非线性。外稳幅：放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。通信工程学院24相移网络具有负斜率变化的相移 LC 谐振回路 RC 相移和选频网络 石英晶体谐振器三、工程分析方法三、工程分析方法检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出 T(j)，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。通信工程学院253.2 LC 3.2 LC 正弦波振荡器正弦波振荡器定义：采用 LC 谐振回路作为相移网络的振荡器。种类：变压器耦合振荡电路三点式振荡电路差分对管振荡电路通信工程学院263.2.13.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路一、电路组成法则一、电路组成法则电路(a)电容三点式，考毕兹(Colpitts)电路；(b)电感三点式，哈脱莱(Hartley)电路。通信工程学院27组成法则射同集基反与射极相连的元件电抗性质相同，与基极相连的元件的电抗性质相反。证明此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。通信工程学院28证明：回路谐振时 而 与 反相 反馈电压0321XXX.oViV.22foo231()jXXVVVj XXX 为了满足相位平衡条件，就必须与 反相，因而X2必须与X1为同性质电抗，再由X1X2X30，可知X3应为异性电抗。.fV.oV振荡频率等于谐振回路的振荡频率？通信工程学院29LI+-LVLI9090iLLLiCCCVj LILI eIIVej CCLVfVoVoV以环路电流IL为参考分析输出与反馈相位关系：结论：电路满足正反馈结构通信工程学院30二、三点式振荡电路二、三点式振荡电路电容三点式振荡器电路RB1,RB2和RE：分压式偏置电阻；CC,CB和CE：旁路和隔直电容，至少要比谐振回路电容值大一个数量级以上；L,C1和C2构成并联谐振回路。通信工程学院31思考：反馈信号从哪取得？能否满足自激振荡的相位平衡条件呢？不同之处：两图的区别是交流接地电极方式不同，所以反馈方式也不同；（a）反馈电压加到三极管的基极，（b）反馈电压加到三极管的发射极通信工程学院32就交流通路而言，不论三极管哪一个极交流接地，它们都是由可变增益器件（三极管）和移相网络（并联谐振回路）组成，且满足三点式振荡电路的组成法则。由偏置电路设置合适的静态工作点，以保证起振时工作在放大区（一般情况是甲类），提供足够的增益，满足起振条件；起振后，振荡振幅增长，直到三极管呈现非线性特性时，放大器的增益将随振荡幅度增大而减小，同时，偏置电路产生的自给偏置效应又进一步加速放大器增益的下降。通信工程学院33直流偏置电路如图所示。刚起振时，发射结直流偏置为静态偏置电压，VBE0=VBEQ=VBB-IBQRB-IEQRE。反馈 vi vi 一部分进入截止区 iC为失真的脉冲波，其平均值 IC0 ICQ VBE0 增益 平衡通信工程学院340oscTBEQ1VBEQ2VBEQ3VBE0ViVVBEQ1VBEQ2VBEQ3通信工程学院35电感三点式振荡器电路L2必须通过隔直电容（CB和CE）接到基极或发射极上，以防止偏置电路被L2短路。通信工程学院36三、电容三点式振荡电路的起振条件三、电容三点式振荡电路的起振条件分析原则：起振时，放大器为小信号工作，可以小信号等效电路分析方法导出T(j)，并由此求出起振条件以及由起振条件决定电路参数及相应的振荡频率。通信工程学院37等效电路推导环路增益 T(j)时，应将闭合环路断开。断点左面加环路的输入电压 Vi(j)断点右边(与C2 并联)接入自断点向左看进去的阻抗 ZiRe0：L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻。220e00LLRLLQrr通信工程学院38用混合 型等效电路表示（共基组态）设 fosc 1 (gm A)可求得三点式振荡器的相位起振条件为2osc1212iL0LC CCCLg g振幅起振条件为2mLi21osc11(1)(1)CgggCLC振幅起振条件通信工程学院43振荡角频率 osc 振荡频率 osc 由相位起振条件决定iLiLosc021201211g gg gLCC CC C式中，1212C CCCC：LC 回路总电容，：固有谐振角频率。01LCosc 与 0(LC)有关，还与 gi(Ri)、gL(Re0、RL)有关，且 osc 0。在实际电路中，一般满足2012iLC Cg g工程估算时，osc 0=1LC通信工程学院44振幅起振条件的简化工程估算时，令 =osc 0，代入振幅起振条件，即2mLi21osc11(1)(1)CgggCLC得：121mLi112CCCgggCCC设电容分压比 n112CnCC则mLi1ggngnm2Li1gngn g 或通信工程学院45若i2gC则2in g为 经电容分压器折算到集电极上的电导值ig回路谐振时集电极上的总电导值2Lign g 回路谐振时放大器的电压增益mv02LigAgn g 反馈系数fvkn振幅起振条件v0fv1Ak即接入系数通信工程学院46讨论：为满足振幅起振条件，应增大 Av(0)和 kfv。增大 kfv(=n)，n2gi 增大，Av(0)减小；减小 kfv，虽提高 Av(0)，但回路增益 T(0)受限。故 n 取值应适中。提高 ICQ，可以增大 gm，从而提高 Av(0)，但不宜过大，否则，gi(1/re=gm/)会过大，造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取 1 5 mA。结论：若振荡管 fT 5fosc，RL 又不太小(1 k)，且 n(两电容)取值适中，一般都满足起振条件。通信工程学院47 所示闭合环路在基极处开断，三极管接成共发组态。闭合环路其他断开方式通信工程学院48结论：分析的时候，环路闭合点不论何处断开，其振幅起振条件都一样。不过断开点不同，放大器的组态和反馈网络的组成就不同，相应的放大器增益和反馈系数不同。四、用工程估算法求起振条件四、用工程估算法求起振条件 将闭合环路断开，画出开环等效电路。求出固有谐振频率 0，并令osc 0。将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。通信工程学院49例 1：判断如图所示交流通路能否满足相位平衡条件？解：若 L、C3 串联支路呈感性，则符合相位平衡条件条件：当 osc 时，L、C3 串联支路呈感性。331LC 近似前提：C3 0，X 0，呈感性；0，X 0，X 0，呈容性；0，呈感性。若构成电容三点式电路L1C1、L2C2 回路呈容性失谐，L3C3 回路呈感性失谐。容性失谐：fosc f02；感性失谐：fosc f01，fosc f03。01osc02osc03fffff通信工程学院55例4 试判断图3-2-14(a)所示场效应管振荡电路能否满足相位平衡条件，如果不能，试改正。通信工程学院56解：对场效应管，三点式电路组成法则不变，源同栅（漏）反。画出交流通路：通信工程学院57改正方法：为防止漏极直流短路，都必须接隔直流电容CD通信工程学院58五、电容三点式与电感三点式振荡电路的比较五、电容三点式与电感三点式振荡电路的比较电容三点式优点：振荡波形好，反馈电压取自反馈电容C2，而电容对高次谐波呈低阻抗，滤除谐波电流能力强，振荡波形更接近于正弦波。在振荡频率较高时，有时可以不用回路电容，直接利用晶体管的输入输出电容构成振荡电路，工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。缺点：调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。通信工程学院59电感三点式优点：L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振。振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。C的改变基本上不影响电路的反馈系数。缺点：振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大。振荡频率不能做得太高，这是因为当频率太高，极间电容影响加大，可能使支路电抗性质改变，从而不能满足相位平衡条件。通信工程学院603.33.3LC LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度(Frequency(Frequency Stability)Stability)一、定义一、定义：指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。二、种类（时间的长短）二、种类（时间的长短）长期频稳度：一天以上乃至几个月内因元器件老化而引起的频率相对变化量。短期频稳度：一天内因温度、电源电压等外界因素变化而引起的频率相对变化量，通常所说的频稳度。瞬时(秒级)频稳度：电路内部噪声引起频率相对变化量。通信工程学院61三、对频稳度的不同要求三、对频稳度的不同要求 高精度信号高精度信号 发生器发生器用用 途途中波电台中波电台电视发射机电视发射机信号发生器信号发生器频稳度频稳度10-510-4 10-510-710-7 10-9四、短期频稳度数学定义四、短期频稳度数学定义 21()1Limnoscoscioscnioscoscoscffffnffoscf标称频率osciioscfff)(11()Limnoscioscnifffn第i个时间间隔内的实测的绝对频差绝对频差的平均值/绝对频率准确度通信工程学院623.3.1 3.3.1 提高频率稳定度的基本措施提高频率稳定度的基本措施一、频稳度的定性分析一、频稳度的定性分析 由相位平衡条件 T(osc)=0，得：A()主要取决于并联谐振回路的相移 z()，它在谐振频率附近随 的变化十分剧烈；f()随 的变化相对要缓慢得多，可近似认为它是与频率无关的常数，用 f 表示。得：Z(osc)=-fToscAoscfoscZoscf()()()()0 影响振荡频率 osc 的参数是 0、Qe 和f。0Zosce02()()arctanQ 而：通信工程学院63谐振频率 0 变化若 L、C 变化，0 产生 0 的变化，则 z()曲线沿横坐标平移 0，曲线形状不变。通信工程学院64 Qe 变化 若负载和管子参数变化，使谐振回路 Qe增加 Qe，则 z()曲线变陡。Qe 引起振荡频率的变化量与f 和 Qe大小有关。通信工程学院65若 f 产生 f，则 z()曲线形状不变，而交点移动。f 引起振荡频率的变化与 f(同条曲线)、Qe 的大小有关。f变化通信工程学院66提高 LC 振荡器频稳度的基本措施：减小 0、Qe 和 f；减小 f 和增大 Qe，以减小由 Qe、f 引起的振荡频率变化量。通信工程学院67二、提高频稳度的基本措施二、提高频稳度的基本措施减小外界因素的变化外界因素：温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中以温度的影响最严重。措施：减振、恒温、密封(湿度、大气压)、高稳定度电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。通信工程学院68提高振荡回路标准性标准性：振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能力。标准性越高，0 就越小。0 与 L、C 的关系00011()()(1)(1)LL CCLCLC将此式展开，忽略高阶小量，化简为 0012LCLC（）通信工程学院69为提高回路标准性，必须减小 L、C 的相对变化量。措施：温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。使用稳定度高的外接集总电容、电感，减小不稳定的寄生量及其在 L、C 中的比重。fosc=(LC)-1/2稳定，CL Q0 Qe 频稳度通信工程学院703.3.23.3.2克拉泼克拉泼(Clapp)(Clapp)振荡电路振荡电路(b)(b)与电容三点式振荡器的差别：与 C1、C2 串联的电容 C3。且C3 取值较小。满足 C3 C1，C3 C2，回路总电容取决于 C3。通信工程学院71回路总电容取决于 C3，减小了极间电容 Cce、Cbe、Ccb(并联在 C1、C2 上)对频率的影响。C3 越小，影响越小，回路标准性越高。提高了频率稳定度牺牲了环路增益接入 C3 后，虽反馈系数不变，但接在 A、B 两端的电阻 折算到集电极间的数值 减小LLe0(/)RRR LR223LLL31 2()CRn RRCC、C1，2 是 C1、C2 极间电容的总和，因而环路增益减小。C3 越小，环路增益越小。C3 过小，就不会满足振幅起振条件，而停振。通信工程学院723.43.4晶体振荡器晶体振荡器频稳度晶体振荡器：超过 10-5LC 振荡器：10-3 10-5晶体振荡器(Crystal Oscillator)：采用石英谐振器(简称晶体 Quartz-Crystal)控制和稳定振荡频率的振荡器。通信工程学院733.4.13.4.1石英谐振器的电特性石英谐振器的电特性一、结构与性能一、结构与性能利用石英晶体的压电效应(Piezoelectric)制成的一种谐振器件。通信工程学院74温度特性 按不同的切割方式，石英晶体有不同的温度特性。固有频率 晶体片切割的越薄，其固有振动频率越高。压电效应 当石英片受到外部压力或拉力作用时，在其两面会产生出电荷，这是正压电效应。而当石英片的两面加电场时，石英片会产生形变，这是逆压电效应。当加交变电压时，由于正、逆压电效应的作用，在线路中会出现交变电流。振动多谐性除基频(Fundamental Frequency)振动外，还有奇次泛音(Overtones)振动。通信工程学院75二、等效电路二、等效电路当外加交流电压的频率等于晶体固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振，且具有串联谐振特性。C0：静态电容和支架引线分布电容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶体基频等效电路；Lq3、Cq3、rq3：晶体三次泛音等效电路 。通信工程学院76典型值：C0约1pF10pFLq约10-3H10-2 HCq约10-4pF10-1pFrq约几十欧到几百欧结论：石英晶振的值和特性阻抗都非常高。值可达几万到几百万,因为由于石英晶振的接入系数n=Cq(C0+Cq)很小,所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。由上面两点可得石英晶振的频率稳定度是非常高的。1qqqqLQrc通信工程学院77三、电抗特性三、电抗特性忽略 rq 时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为qq0crcrqq02sp20(1)()(j)j(11)1()1 j1()jLCjCZXjLCCC spqqq0qq011,L CC CLCC通信工程学院78在 s p 之间为正值，呈感性；其他频段内为负值，呈容性。在 s 上 Xcr=0，为串联谐振；在 p 上 Xcr ，为并联谐振。感性区通信工程学院79qps0q0qq011CCC CLCCqPss012CC或由于CqC0，所以fp极靠近fs四、实际电路四、实际电路qC0CLCqLqrqNs0L112CffCCfN：晶体标称频率；CL：负载电容，通常30pF/50pF。通信工程学院80小结小结：晶振体两个谐振频率：fs、fp；且 fs fp 工作于 fs fp 之间为高 Q 电感，并联谐振。工作于 fs 附近为串联谐振，对 fs，相当于短路。通信工程学院813.4.2 3.4.2 晶体振荡电路晶体振荡电路并联型晶振电路晶体工作于略高于串联谐振频率fs，呈感性的频段（fs f 2R1，即 ，满足起振条件。0()1TRt为热敏电阻，具有负值温度系数。刚起振，温度最低，阻值最大，运放增益最大；起振后，温度升高，阻值降低，运放增益减小，最后平衡。外稳幅工作方式，运放工作在线性状态。通信工程学院93改画为文氏电桥(Wien Bridge)振荡电路