第四章-正弦波振荡器课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 正弦波振荡器,第一节 概述,振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于,无需外加激励信号,就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。,根据所产生的波形不同,可将振荡器分成：,1、正弦波振荡器,2、非正弦波振荡器,正弦波振荡器主要由决定振荡频率的,选频网络,和维持振荡的,正反馈放大器,组成,这就是反馈振荡器。,第四章 正弦波振荡器第一节 概述 振荡器是一种能,1,按照选频网络所采用元件的不同,正弦波振荡器可分为：,1、振荡器,2、振荡器,3、晶体振荡器,主要性能指标：,频率稳定度,按照选频网络所采用元件的不同,正弦波振荡器可分为：主要性能,2,第二节 反馈振荡原理,一、并联谐振回路中的自由振荡现象,以后,回路在欠阻尼情况下的零输入响应：,第二节 反馈振荡原理一、并联谐振回路中的自由振荡现象以,3,第四章-正弦波振荡器课件,4,二、振荡过程与振荡条件,利用,正反馈,方法来获得等幅的正弦振荡,这就是反馈振荡器的基本原理。,二、振荡过程与振荡条件 利用正反馈方法来获得等幅的正弦,5,一个反馈振荡器必须满足三个条件：,1、,起振条件,（保证接通电源后能逐步建立起振荡）,2、,平衡条件,（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）,3、,稳定条件,（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。,起振过程与起振条件,在图423所示闭合环路中,在处断开,并定义环路增益,要使振幅不断增长的条件是:,T,(,0,)=2n,(n=,),一个反馈振荡器必须满足三个条件：起振过程与起振条,6,平衡过程与平衡条件,反馈振荡器的平衡条件为:,T(,0,)=1 ,T,(,0,)=2n(n=,),只要保证起振时环路增益幅值大于即可。而环路增益的相位,T,（,0,）,则必须维持在,上,保证为,正反馈,。,平衡过程与平衡条件反馈振荡器的平衡条件为:T(0)=1,7,平衡状态的稳定性和稳定条件,平衡状态的稳定性和稳定条件,8,三、反馈振荡电路判断,可变增益放大器件(晶体管,场效应管或集成电路)应有正确的直流偏置,开始时应工作在,甲类,状态,便于起振。,开始起振时,环路增益幅值,FA,(,0,),应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成,反馈系数,F,小于1,故,A(,0,),必须大于1,。,共射、共基电路,都可以满足这一点。为了增大,A(,0,),负载电阻不能太小。,环路增益相位在振荡频率点应为2,的整数倍,即环路应是,正反馈,。,选频网络应具有,负斜率的相频特性,。因为在振荡频率点附近,可以认为放大器件本身的相频特性为常数,而反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组成,其相频特性也可视为常数,所以相位稳定条件应该由选频网络实现。注意,LC,并联回路阻抗,的相频特性和,LC,串联回路导纳,的相频特性是负斜率,而,LC,并联回路导纳的相频特性和,LC,串联回路阻抗的相频特性是正斜率。,三、反馈振荡电路判断 可变增益放大器件(晶体管,场效应管,9,例 4.1 判断图例4.1所示各反馈振荡电路能否正常工作。其中（）、（）是交流等效电路,（）是实用电路。,例 4.1 判断图例4.1所示各反馈振荡电路能否正常工作。,10,四、振荡器的频率稳定度,1、频率稳定度定义,根据测试时间的长短，频率稳定度分为：,A、,长期频稳度：一天以上；元器件老化,B、,短期频稳度：一天以内；电源电压和环境温度的变化及电路参数的变化,C、,瞬时频稳度：一秒以内；元器件内部噪声,四、振荡器的频率稳定度1、频率稳定度定义 根据测,11,2 提高,LC,振荡器频率稳定度的措施,A、,减小外界因素变化的影响,B、,提高电路抗外界因素变化影响的能力,1）提高回路的标准性：回路的标准性是指外界因素变化时，振荡回路保持其振荡频率不变的能力,2）选取合理的电路形式,2 提高LC振荡器频率稳定度的措施A、减小外界因素变化的影响,12,第三节,LC,振荡器,按其反馈网络的不同，,LC,振荡器分为：,1、互感耦合,2、电容耦合,3、自耦变压器耦合,一、互感耦合振荡器,第三节 LC振荡器按其反馈网络的不同，LC振荡器分为：1、互,13,二、三点式振荡器,电路组成法则,当回路谐振（,0,）,时,回路呈纯阻性,有：,ce,be,bc,二、三点式振荡器 电路组成法则当回路谐振（0）时,14,即,be,与,ce,必须是,同性质,电抗,因而,X,bc,必须是,异性质,电抗。,在三点式电路中,回路中与,发射极,相连接的两个电抗元件必须为,同,性质,另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点式电路组成的相位判据,或称为三点式电路的组成法则。,与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路,称为电容三点式电路,也称为考毕兹电路。与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路,称为电感三点式电路,也称为哈特莱电路。,即be与ce必须是同性质电抗,因而Xbc必须是异性质电,15,电容三点式电路,电容三点式电路,16,求得振幅起振条件为:,求得振幅起振条件为:,17,.电感三点式电路,其中,L=L,1,+L,2,+2M,M,为互感系数,.电感三点式电路其中L=L1+L2+2M,M为互感系数,18,起振条件为：,起振条件为：,19,电容三点式振荡器的优点是：反馈电压取自,2,而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量很小,因而输出波形好,接近于正弦波。,缺点是：反馈系数因与回路电容有关,如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率,必将改变反馈系数,从而影响起振。,电感三点式振荡器的优点是便于用改变电容的方法来调整振荡频率,而不会影响反馈系数,缺点是反馈电压取自,2,而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量较多,输出波形较差。,两种振荡器共同的缺点是：晶体管输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联,影响回路的等效电抗元件参数,从而影响振荡频率。由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等因素而变化,所以三点式电路的频率稳定度不高,一般在,-3,量级。,电容三点式振荡器的优点是：反馈电压取自2,而电,20,例.在图例4.3所示振荡器交流等效电路中,三个并联回路的谐振频率分别是：,f,1,=1(),f,2,=1(),f,3,=1(),试问,1,、,2,、,3,满足什么条件时该振荡器能正常工作？且相应的振荡频率是多少？,解:由图可知,只要满足三点式组成法则,该振荡器就能正常工作。,若组成电容三点式,则在振荡频率,01,处,1,1,回路与,2,2,回路应呈现容性,3,3,回路应呈现感性。所以应满足,1,2,01,3,或,2,1,01,3,。,例.在图例4.3所示振荡器交流等效电路中,三个并联,21,若组成电感三点式,则在振荡频率,02,处,1,1,回路与,2,2,回路应呈现感性,3,3,回路应呈现容性,所以应满足,1,2,02,3,或,2,1,02,3,。,在两种情况下,振荡频率,0,的表达式均为:,若组成电感三点式,则在振荡频率02处,11回路与,22,克拉泼（）电路,克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与串联的电容,3,。各电容取值必须满足：,3,1,3,2,这样可使电路的振荡频率近似只与,3,、有关。,克拉泼（）电路克拉泼电路的特点是在回路中增加,23,由此可见,克拉泼电路的振荡频率几乎与,1,、,2,无关。,由于,ce,的接入系数大大减小,所以它等效到回路两端的电容值也大大减小,对振荡频率的影响也大大减小。,同理,be,对振荡频率的影响也极小。,因此,克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。,克拉泼电路是用牺牲环路增益的方法来换取回路标准性的提高。,克拉泼电路的缺陷是不适合于作波段振荡器。,克拉泼电路只适宜于作固定频率振荡器或波段复盖系数较小的可变频率振荡器。所谓波段复盖系数是指可以在一定波段范围内连续正常工作的振荡器的最高工作频率与最低工作频率之比。一般克拉泼电路的波段复盖系数为。,由此可见,克拉泼电路的振荡频率几乎与1、2无关。,24,西勒（）电路,1,、,2,远大于,3,1,、,2,远大于,4,西勒（）电路1、2远大于3,25,第四节 晶体振荡器,一、石英晶振的阻抗频率特性,1、具有压电效应,2、固有频率十分稳定,3、振动具有多谐性，除有基频外，还有3、5、7等奇次谐波,第四节 晶体振荡器一、石英晶振的阻抗频率特性1、具有压电效应,26,安装电容,C,0,约,pF,F,动态电感,L,q,约10,-3,H10,2,H,动态电容,C,q,约10,-4,pF10,-1,pF,动态电阻,r,q,约几十欧到几百欧,安装电容C0约pFF,27,）石英晶振的值和特性阻抗,都非常高。,2）由于石英晶振的接入系数,n=C,q,(C,0,+C,q,),很小,所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。,）石英晶振的值和特性阻抗都非常高。2）由于石英晶振,28,串联谐振频率,并联谐振频率,标称频率,N,。,N,的值位于,s,与,p,之间,这是指石英晶振两端并接某一规定负载电容,L,时石英晶振的振荡频率。,串联谐振频率并联谐振频率标称频率N。N的值位于s与p,29,二、晶体振荡器电路,根据石英晶振在振荡器中的作用原理,晶体振荡器可分成两类。一类是将其作为,等效电感元件,用在三点式电路中,工作在,感性区,称为并联型晶体振荡器；另一类是将其作为一个,短路元件,串接于正反馈支路上,工作在它的,串联谐振频率,上,称为串联型晶体振荡器,。,皮尔斯（）振荡电路,二、晶体振荡器电路 根据石英晶振在振荡器中的作用原理,30,（）振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管、端,、端和、端的接入系数分别是:,（）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。,（）振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管、端,31,（,）由于振荡频率,0,一般调谐在标称频率,N,上,位于晶振的感性区内,电抗曲线陡峭,稳频性能极好。,（,）由于晶振的值和特性阻抗,都很高,所以晶振的谐振电阻也很高,一般可达,10,以上。这样即使外电路接入系数很小,此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大,使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。,例 4.5 图例4（）是一个数字频率计晶振电路,试分析其工作情况。,（）由于振荡频率0一般调谐在标称频率N上,位于晶振,32,在晶振工作频率,MHz,处,此回路等效为一个电容。可见,这是一个皮尔斯振荡电路,晶振等效为电感,容量为,pFpF,的可变电容起微调作用,使振荡器工作在晶振的标称频率,MHz,上。,在晶振工作频率MHz处,此回路等效为一个电容。可见,33,密勒（）振荡电路,石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间,并联回路在振荡频率点等效为电感,作为另一电感元件连接在漏极和源极之间,极间电容,gd,作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于,gd,又称为密勒电容,故此电路有密勒振荡电路之称。,密勒（）振荡电路 石英晶体作为电感元件连,34,泛音晶振电路,泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中,为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上,不但必须,有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡,而且必须,正确地调节电路的环路增益,使其,在工作泛音频率上略大于1,满足起振条件,而,在更高的泛音频率上都小于1,不满足起振条件。,在实际应用时,可在三点式振荡电路中,用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件,使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则,不能起振；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则,达到起振。,泛音晶振电路 泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同,35,假设泛音晶振为五次泛音,标称频率为,MHz,基频为,MHz,则,1,回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样,在,MHz,频率上,1,回路呈容性,振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说,1,回