第六章-正弦波振荡器课件

第六章 正弦波振荡器基础知识：-LC回路的相位特性-高频小信号放大器-高频功放1本章主要内容n6.1 概述n6.2 振荡的起振、平衡、稳定条件n6.3 电感耦合型反馈振荡器n6.4 三端式反馈振荡器n6.5 振荡器的频率稳定性问题n6.6 晶体振荡器重点重点26.1 概述n1、什么是振荡器n2、振荡器在无线通信中的作用n3、振荡器的发展趋势n4、振荡器的主要类型31、什么是振荡器？n振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。换为交流电能的装置。n它与放大器的区别在于它与放大器的区别在于,无需外加激励信号无需外加激励信号,就就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。交流信号。振荡器振荡器Vcc42、振荡器在无线通信中的作用n在发射端负责生成载波（即用来承载有用信息的高频正弦波）n在接收端负责生成本振信号（用于混频）53、振荡器的发展趋势n振荡器的发展经历了以下几个阶段q机电式振荡（机械振荡带动电子开关）qLC/RC振荡器q晶体振荡器q激光振荡器n总的说来，其发展趋势是q精确化、稳定化、小型化64、振荡器的主要类型n按输出振荡波形分q正弦波振荡器q非正弦波振荡器(如方波、锯齿波等)n按工作原理分q反馈式振荡器q负阻式振荡器n按器件分qLC振荡器：几百kHz几百MHzqRC振荡器：1MHz以下q石英晶体振荡器：振荡频率稳定我们重点学习的是我们重点学习的是76.2.1 反馈型振荡器的原理n反馈型LC振荡器实际上是由谐振放大器演变而来n当K拨向1，右图所示为谐振放大器；加上激励信号，经过放大器放大后，在输出端有一个回路，回路上得到的信号就比输入信号得到放大，如果把放大之后的信号通过互感耦合到次级线圈上，就得到输出电压vf,vf是可以通过调整互感M来改变的，如果调整M使vf与vi相等，那么把K拨向2，可以维持放大器使输出端仍然有输出信号，原来的放大器就变为一个振荡器，为什么呢？这时没有输入信号，但还有输出信号。6.2 振荡的起振、平衡、稳定条件8n是不是每个振荡器都需要一个激励信号产生振荡之后再去掉呢？n不需要。实际中，K一开始就接于2端，自激振荡产生的过程就是电源VCC从断开到接通时会产生一个跳变信号，当它产生跳变的时候，跳变的脉冲就会在晶体管的基级和集电极有一个脉冲跳变，当它产生跳变的时候，这里头就有各种成分的谐波分量，可以通过LC谐振回路选出某一个频率的信号，这个信号也许很小，可以通过互感耦合耦合到次级反馈加入到输入端，虽然刚开始时信号微弱，但是通过三极管放大，放大之后选频，选频之后再反馈，反馈之后再放大，反复进行，振荡幅度就会变大。这个振荡幅度是否会无限制变大呢？不会。因为随着输入信号幅度的变大，晶体管放大倍数会下降，它的输出就不会无限制的增加，就会稳定到一定的幅度上。起振起振平衡平衡96.2.2 起振条件FA振荡起始时，电扰动激起的振荡是微弱的，为了使振荡电压的振幅不断增长，必须使对LC回路的能量补充大于回路本身的能量损失，即使反馈到放大器输入端的信号电压大于原来输入端的信号电压。振幅方面，|A|F|必须大于1 （否则信号会逐渐衰减至消失）相位方面，（否则信号不是标准的正弦波，甚至相互抵消。）其物理意义是：其物理意义是：振幅起振条件要求振幅起振条件要求反馈电压幅度要一次比反馈电压幅度要一次比一次大一次大;而相位起振条件则而相位起振条件则要求环路保持正反馈。要求环路保持正反馈。106.2.3 平衡条件n所谓“平衡”指起振一定时间后,输出振幅达到额定值时,恒定不变。n此时不必再进行增幅振荡，而要维持等幅振荡。FA1112振荡建立的过程振荡建立的过程6.2.4 稳定条件n所谓“稳定”是指振荡器具有如下的特点：q当外界因素（如电源电压波动、温度变化等）导致输出振幅（或相位）增大时，振荡器内部机制可自动使输出振幅（或相位）减小，从而恢复到平衡状态；q反之亦然。n用放在凹或凸面上的小球来比喻最为恰当：不稳定状态稳定状态13振幅平衡的稳定条件n假定由于某种原因使振幅增大超过了 ，可见这时 ，于是振幅就自动衰减而回到 ，反之，当某种因素使振幅小于 ，这时，于是振幅就自动增强，从 而又回到 。因此 点是稳定平衡点。1415形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即0）172、相位稳定条件n由上面的分析可知，相位超前导致频率加快；n因此如果想让频率恢复成振荡器额定频率（具有稳定性），振荡器内部应有这样的机制：当输入信号频率加快时，会形成相位的延迟。n用符号表示这一稳定过程：183、LC回路的相位特性（第二章内容）n以并联谐振回路为例194、以LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能由三极管组成由三极管组成的放大器的放大器204、以LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能（续）21反馈型振荡器起振、平衡、稳定条件的总结（重要知识点）振幅条件相位条件起振（由静到动）平衡（振幅恒定）稳定（维持平衡）2223反馈型振荡器基本组成部分1)放大电路：放大作用放大电路：放大作用2)正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件3)选频网络：确定选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡保证电路产生正弦波振荡4)非线性环节（稳幅环节）：稳幅非线性环节（稳幅环节）：稳幅1)是否存在主要组成部分；是否存在主要组成部分；2)放大电路能否正常工作，即是否有合适的静态工作放大电路能否正常工作，即是否有合适的静态工作点，信点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路号是否可能正常传递，没有被短路或断路；3)是否满足相位条件，即是否存在是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡，是否可能振荡；4)是否满足幅值条件，即是否一定振荡。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。常合二为一常合二为一反馈型振荡器分析方法反馈型振荡器分析方法24相位条件的判断方法：瞬时极性法瞬时极性法 断开反馈，在断开处给放大电路加断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，且规且规定其极性，然后根据定其极性，然后根据 Ui的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf的极性的极性若若Uf与与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不可能产生自激振荡。可能产生自激振荡。在多数正弦波振荡电路在多数正弦波振荡电路中，输出量、净输入量和中，输出量、净输入量和反馈量均为电压量。反馈量均为电压量。极性？极性？6.3 电感耦合型反馈振荡器n互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，通过耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振条件。n互感耦合振荡器有三种形式：q调基电路q调集电路q调发电路是根据振荡回路所在的位置来区分的。25n瞬时极性法：n利用电路中各点对“地”的交流电位的瞬时极性来判别。假设放大电路中的输入电压处于某一瞬时极性（正半周为正，用“+”表示，负半周为负，用“-”表示），沿放大电路通过反馈网络再回到输入回路。依次定出电路中各点电位的瞬时极性。如果反馈信号与原假定的输入信号瞬时（变化）极性相同，则表明为正反馈，否则为负反馈。261、调基电路 调基电路振荡频率调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，在较宽的范围改变时，振幅比较平稳。振幅比较平稳。由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调基电值，故在调基电路中，晶体管与振荡回路中，晶体管与振荡回路作部分接入。路作部分接入。交流接地交流接地272、调集电路调集电路在高频输出方调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成而且幅度较大，谐波成分较小。分较小。283、调发电路 由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调发电值，故在调发电路中，晶体管与振荡回路中，晶体管与振荡回路也作部分耦合。路也作部分耦合。29采用瞬时极性法判断互感耦合LC振荡器相位时的注意事项：n（1）先看清是共基、共射还是共集电路；n（2）把正确的信号输入端标上“+”，把地标上“”；n（3）通过瞬时电流的流向帮助中间点的极性判断；n（4）有抽头电路时，先找到接地那一端，抽头处的极性与不接地的那一端极性相同。n（5）循环一圈后，仍为“+”则符合起振相位条件，否则就不可能起振。306.4 三端式反馈振荡器n三端式振荡器的优点q其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比互感耦合振荡电路高一些，约为103104量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。n本节的主要内容：q6.4.1 电感反馈式三端振荡器（Hartley Oscillator）q6.4.2 电容反馈式三端振荡器（Colpitts Oscillator）q6.4.3 三端振荡器相位平衡条件判断准则（重要）316.4.1 电感反馈式三端振荡器（Hartley Oscillator）电感反馈三端式振荡器电路电感反馈三端式振荡器电路为了分析方便，为了分析方便，画出交流等效电路画出交流等效电路32电感反馈三端振荡器交流等效电路电感反馈三端振荡器交流等效电路Ik33电感反馈三端振荡器反馈系数电感反馈三端振荡器反馈系数F的计算的计算Ik34电感反馈三端振荡器振荡频率计算电感反馈三端振荡器振荡频率计算Ik35电感反馈三端振荡器优缺点电感反馈三端振荡器优缺点优点：优点：1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；之间有互感，反馈较强，容易起振；缺点：缺点：1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，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；反馈较强，使波形失真大；2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这 是因为频率太高，是因为频率太高，L L太小且分布参数的影响太大。太小且分布参数的影响太大。2、振荡频率调节方便，只要调整电容、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。的大小即可。3、而且、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。的改变基本上不影响电路的反馈系数。366.4.2 电容反馈式三端振荡器（Colpitts Oscillator）电容反馈三端式振荡器电路电容反馈三端式振荡器电路37电容反馈三端振荡器交流等效电路电容反馈三端振荡器交流等效电路Ik38电容反馈三端振荡器反馈系数电容反馈三端振荡器反馈系数F的计算的计算Ik39电容反馈三端振荡器振荡频率计算电容反馈三端振荡器振荡频率计算40例题6.1n已知一电容反馈三端振荡器交流图如下q反馈系数F=1/3q电感L=10uHq振荡频率为19.4MHzn求C1和C241电容反馈三端振荡器优缺点电容反馈三端振荡器优缺点优点：优点：1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可）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。以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作 频率可做到几十频率可做到几十MHz到几百到几百MHz的甚高频波段范围。的甚高频波段范围。缺点：缺点：调调C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在只要在L两端并上一个可变电容器，并令两端并上一个可变电容器，并令C1与与C2为固定电为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。426.4.3 三端振荡器相位平衡条件判断准则（重要）n分析电感/电容反馈三端振荡器n用归纳法，不难得出结论：q三极管be间阻抗Xbe与ce间阻抗Xce必须同性质q且它们与bc间阻抗Xbc必须不同性质43上述准则的理论依据Ik4445 简言之就是“ce，be同抗件，cb反抗件”以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。由此得出三端电路组成法则为：xeb、xce电抗性质相同，xcb与xeb、xec电抗性质相反。许多变形的三端式LC振荡电路，xce和xbe、xcb往往不都是单一的电抗元件，而是可以由不同符号的电抗元件组成。但是，多个不同符号的电抗元件构成的复杂电路，在频率一定时，可以等效为一个电感或电容。根据等效电抗是否具备上述三端式LC振荡器电路相位平衡判断准则的条件，便可判明该电路是否起振。46例6.2 振荡电路如图(a)所示，试画出交流等效电路，并判断电路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？解 1)根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图(b)所示。2)根据交流等效电路可知，因为xeb为容性电抗，为了满足三端电路相位平衡判断准则，xce也必须呈容性。同理，xcb应该呈感性。(b)b)(a)a)47 根据并联谐振回路的相频特性，当振荡频率foscf1(回路L1C1的固有频率)时，L1C1呈容性。根据xbe+xce+xbc=0，L3C3回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知，foscf3时可以振荡，等效为电容三端振荡电路。其条件可写为即L1C1L3C3并联谐振回路阻抗的幅角与频率的关系例题6.3(补充)n试判断下列电路是否可能起振?如果可能,需要什么条件?属于何种类型的振荡器?(1)(2)(3)48例题6.3(第一图解答)bec49例题6.3(第二图解答)bec50例题6.3(第三图解答)bec5152例6.4 有一振荡器的交流等效电路如图所示。已知回路参数L1C1L2C2L3C3，试问该电路能否起振，等效为哪种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？解：该电路要振荡必须满足相位平衡判 断准则。先假定xce、xbe均为电感，则xcb应为电容。根据已知条件L1C1L2C2L3C3，则有f1f2f3，若要xce、xbe为电感，则应该foscf1，foscf2，同时foscf3，由已知条件看出fosc不可能同时大于f3小于f2，故不成立。若xce、xbe同为电容，则foscf2f1，同时应该foscf3，有已知条件知振荡频率可满足该条件，即f1f2foscf3，所以，该电路应为电容三端振荡器。作业n教材299页n习题6.6(此类题型是考试重点)536.5 振荡器的频率稳定性问题n衡量振荡器的指标q准确度n离中心的偏离程度（体现指标是概率论中讲的“误差”）q稳定度n变化摆动的剧烈程度（体现指标是概率论中讲的“方差”）q例如：q一个振荡器标称1MHz，但是总是输出1.1M，称不准确（但稳定）q一个振荡器标称1MHz，但是实际输出是0.991.01MHz中的一个随机变量，则称是不稳定的。54准确度绝对准确度绝对准确度相对准确度相对准确度人们更关心的是振荡器的频率稳定度人们更关心的是振荡器的频率稳定度55振荡器的实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差，称为振荡频率的准确度。它通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为稳定度 频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。长期稳定度（一天以上）长期稳定度（一天以上）短期稳定度（一天以内）短期稳定度（一天以内）瞬间稳定度（瞬间稳定度（1秒以内）秒以内）体现器件的抗衰老能力体现器件的抗衰老能力体现电路的环境适应能力体现电路的环境适应能力体现电路的抗干扰能力体现电路的抗干扰能力56稳定度的测量与计算n前面已经讲过它用方差来体现n所以计算公式为57影响频率稳定度的几个因素n（1）LC器件的稳定度q方法一：选择稳定度好的LC器件q方法二：温度补偿法（如选用负温系数电容）n（2）LC回路的Q值q提高LC回路的Q值n（3）回路电路r（实际通过Q来影响）q尽量减小振荡器的负载n（4）有源器件参数（如分布电容等）58回路的Q值为什么会影响振荡器的稳定性？59两种改进型的三端式LC振荡器n克拉泼(Clapp)电路 (串联型改进电容三端式振荡器)q电感支路上串联一个电容，降低三极管输出电容的接入系数，从而稳定频率。n西勒(Seiler)电路 (并联型改进电容三端式振荡器)q电感支路上先并联一个电容、再串联一个电容，降低三极管输出电容的接入系数，从而稳定频率。60串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)（a a）克拉泼电路的实用电路）克拉泼电路的实用电路（b b）高频等效（考虑分布电容）电路）高频等效（考虑分布电容）电路选取选取C3远远小于远远小于C1或或C2，所以三电容串联后的等效电容，所以三电容串联后的等效电容改进后调节改进后调节C3不会影响反馈系数不会影响反馈系数C1/C26162(1)由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。(2)调整C1 C2的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。(3)调整C3值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。克拉泼电路的特点:并联型改进电容三端式振荡器并联型改进电容三端式振荡器即西勒即西勒(Seiler)电路电路(a)(a)实际电路实际电路(b)(b)高频等效电路高频等效电路63C4变化不影响反馈系数，同时也不影响放大倍数，C4改变，振荡频率就随着改变6.6 晶体振荡器n6.6.1 晶振内部原理n6.6.2 并联型晶体振荡器n6.6.3 串联型晶体振荡器646.6.1 晶振内部原理n晶振的内部结构石英切片石英切片金属支架金属支架金属支架金属支架引线引线当外加电压时当外加电压时,石英切片会产石英切片会产生固定频率的机械振荡生固定频率的机械振荡反之反之,石英如果存在机械振荡石英如果存在机械振荡,会在金属支架上产生电压会在金属支架上产生电压如果外加频率与晶振本身机械振荡频率相同如果外加频率与晶振本身机械振荡频率相同,则产生持续振荡则产生持续振荡65晶振的等效电路模型符号符号 基频等效电路基频等效电路 完整等效电路完整等效电路支架电容支架电容C0 约约110pF动态电感动态电感Lq 约约103102H（由晶振的质量（由晶振的质量/惯性等效而来）惯性等效而来）动态电容动态电容Cq 约约104101pF（由晶振的弹性等效而来由晶振的弹性等效而来）动态电阻动态电阻rq 约几十约几十几百几百（由晶振的机械损耗等效而来由晶振的机械损耗等效而来）66CoCqLqRqfqfp电容性电容性电容性电容性电电感感性性 fXqO国产国产B45 1MHz中等精度晶体的等效参数中等精度晶体的等效参数如下：如下：Lq=4.00H，Cq=0.0063pF，rq100200，Co=23 pF。因而晶体的品质。因而晶体的品质因数因数Qq很大，一般为几万至几百万很大，一般为几万至几百万（12 50025 000）676.6.2 并联型晶体振荡器1.皮尔斯皮尔斯(Pierce)振荡电路振荡电路 即即c-b型（晶体位于三级管型（晶体位于三级管cb之间）之间）fqfp电容性电容性电容性电容性电电感感性性 fXqO68皮尔斯(Pierce)振荡器等效电路(1)振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱，提高了稳定性。振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱，提高了稳定性。(2)振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本身的振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本身的 参数具有高度的稳定性。参数具有高度的稳定性。(3)由于晶振的等效电感极大，所以由于晶振的等效电感极大，所以LC回路的回路的Q值极高，频率稳定值极高，频率稳定作用很强。作用很强。692、密勒(Miller)振荡电路即b-e型（晶体位于三极管be之间）C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JT706.6.3 串联型晶体振荡器fqfp电容性电容性电容性电容性电电感感性性 fXqO71石英晶体在串联谐振时阻抗近于石英晶体在串联谐振时阻抗近于0，可认为，可认为短路，此时正反馈最强，满足振荡条件短路，此时正反馈最强，满足振荡条件