正弦波谐振器(精)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第三章 正弦波谐振器,光学与电子信息工程学院,1,不需要输入信号控制就能自动将,直流能量转换为,特定功率和振幅的,交变能量,的电路。,2,3.1 反馈振荡器原理,反馈振荡器：,决定振荡频率的,选频网络,+维持振荡的,正反馈放大器,按照,选频网络,所采用元件的不同,分,LC,振荡器 -高频正弦波,RC,振荡器 -低频正弦波,晶体振荡器 -高频正弦波,正反馈放大器,既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成,也可以由集成电路组成,但前者的性能可以比后者做得好些,且工作频率也可以做得更高。本章介绍高频振荡器时以分立器件为主,介绍低频振荡器时以集成运放为主。,3,3.1 反馈振荡器原理,反馈振荡器组成,必须满足三个条件：,起振条件,（保证接通电源后能逐步建立起振荡）,平衡条件,（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）,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）。,4,3.1 反馈振荡器原理,起振过程与起振条件,起振过程中,直流电源补充的能量大于整个环路消耗的能量,振幅起振条件,相位起振条件,A,F,5,3.1 反馈振荡器原理,平衡过程与平衡条件,随着振幅的增大,放大器逐渐由放大区进入非线性区,其增益逐渐下降。当放大器增益下降而导致环路增益下降到时,振幅的增长过程将停止,振荡器达到平衡,进入等幅振荡状态。,振荡器进入平衡状态以后,直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。,满足起振和平衡条件的环路增益特性,6,3.1 反馈振荡器原理,稳定条件：,振幅稳定条件,相位稳定条件,A,为稳定平衡点,B,为不稳定平衡点,在稳定平衡点,A,附近，环路增益,T,作为输入电压,U,i,的函数，应具有负斜率,7,3.1 反馈振荡器原理,为了保证相位稳定,要求振荡器的相频特性,T,(,),在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力.,相位稳定条件同时也是频率稳定条件。,8,3.1 反馈振荡器原理,反馈振荡电路判断,判断一个反馈振荡电路能否正常工作,需考虑的几点：,可变增益放大器件应有正确的直流偏置,开始时,应工作在,甲类状态,便于起振,起振时,T,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,必须大于,1,。,共射、共基电路,都可以满足,环路应是,正反馈,选频网络应具有负斜率的相频特性。,在振荡频率点附近,可认为,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。,9,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,注意,耦合电容,C,b,的作用。如果将,C,b,短路,则基极将通过变压器次级直流接地,振荡电路不能起振。根据瞬时极性判断法，是正反馈。,互感耦合型,LC,振荡器：,10,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,11,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,三点式振荡电路的原理电路（交流环路）,电容三点式电路（,Colpitts,电路）图(,a,),电感三点式电路（,Hartely,电路）图(,b,),12,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,电路组成法则,三个电抗元件,X,1,，,X,2,，,X,3,分别与三极管的发射级、基极和集电极相连,如果忽略三极管输入阻抗和输出阻抗，且回路品质因数足够高,为满足相位条件，,V,f,，,V,0,必须反相,所以，,X,1,，,X,2,同性质电抗，,X,3,为异性质电抗,13,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,三点式振荡器实际电路,起振相位条件：三端式电路保证,振幅起振条件：受静态工作点影响，与管子参数相关，也与负载，反馈系数相关,14,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,15,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,电感反馈振荡器,16,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,电容三点式与电感三点式振荡器各有优缺点。,线路简单，易起振。,电容三点式优点：反馈电压取自,C,2,而电容对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：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。,电感三点式优点：,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：反馈电压取自,L,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。,17,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,例：如图所示为三回路振荡器的交流回路，,f,01,，,f,02,，,f,03,为三个回路的固有谐振频率。写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下，振荡频率处在什么范围内。,解,串联谐振的电抗特性曲线,并联谐振的电抗特性曲线,18,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,1.,构成电容三点式振荡电路,19,3.2 反馈振荡器,LC,正弦波振荡器,例：分析各电路能否起振，并讨论满足起振所需的相位条件，P79例3.2-1,20,3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度,影响频率稳定的因素,改善频稳度的措施,长期、短期稳定度、瞬时稳定度。,减小外界因素的变化,提高振荡回路的标准性,选用参数高度稳定的,LC,元件,减小不稳定的寄生参量,减少晶体管对振荡频率的影响,减小与回路之间的耦合,稳频的主要,措施有,：,21,3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度,改进型的电容三点式电路：,克拉泼（,clapp）,电路,osc,主要由,C,3,决定。与,C,1,、,C,2,并联的极间电容,C,ce,、,C,be,、,C,cb,对,osc,的影响大大减小，振荡器的频率稳定性提高。,22,3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度,负载减小，放大器的开环增益相应减小，而反馈系数保持不变，则环路增益可能太小，而不能起振。,。,晶体管各端之间的接入系数均小于,1,。晶体管寄生参量对选频回路的影响大大减小。,C,3,越小，接入系数越小，这种影响越小。,随,C,3,的减小，克拉拨电路的稳定性提高，但起振条件越来越难满足。,克拉拨电路常用做固定频率或窄带的振荡器电路,23,3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度,西勒振荡器(,Seiler),C4C3,振荡器工作频率的改变通过调整,C4,实现。,C4,改变,C3,不变，接入系数不变，对,T,影响不大。展宽了振荡器的工作频段，稳定性也得以提高。,24,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,石英晶振,固有频率十分稳定,振动具有多谐性,即除了基频振动外,还有奇次谐波泛音振动,基频晶体,泛音晶体,通常在工作频率大于,6 MHz,时采用泛音晶体,25,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,(,a),符号；(,b),基频等效电路；(,c),完整等效电路,频率稳定度高：,2),接入系数,p,=,C,q,/(,C,0,+,C,q),很小,外接元器件参数对石英晶振的影响很小。,安装电容,C,0,约,1,p,F,10,p,F,动态电感,L,q,约,10,-3,H,10,2,H,动态电容,C,q,约,10,-4,p,F,10,-1,p,F,动态电阻,r,q,约几十,到几百,石英晶体谐振器,26,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,石英晶体谐振器,基频等效电路,石英晶振电抗频率特性,27,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,并联型晶体振荡电路,（,Parallel-Mode Crystal Oscillator）,当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时，晶体呈感性，满足电容三点式电路。,28,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,假设泛音晶振为五次泛音,标称频率为5,MHz,基频为1,MHz,则,LC,1,回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样,在5,MHz,频率上,LC,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,LC,1,回路呈感性,电路不符合组成法则,不能起振。,如果采用泛音晶体振荡电路，则需考虑抑制基波和低次泛音振荡的问题。,29,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,串联型晶体管振荡电路,（,Series-Mode Crystal Oscillator）,C,1,C,3,、,C,2,、,L,构成普通的电容三端式振荡器，晶体接入反馈支路。,C,1,C,3,、,C,2,、,L,组成并联谐振回路，并调谐在晶体串联谐振频率,f,s,。石英晶体谐振阻抗最小，相移为,0,，形成正反馈，满足幅度和相位条件，产成振荡。,30,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,31,解,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,32,3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器,33,3.4 反馈振荡器,RC,正弦波振荡器,RC,振荡器,适用于振荡频率较低,采用电阻和电容构成选频反馈网络，其选频特点是靠,RC,移相,来满足相位平衡条件而实现的振荡器。,RC,振荡器特点,构造简单，经济方便，但频率稳定度较差，,RC,振荡器的频率范围较低，为几十,KHz,34,3.4 反馈振荡器,RC,正弦波振荡器,RC,移相网络,RC,导前移相网络,RC,串联导前网络频率特性,该电路可实现,090,之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率,c,对应的 相移,(,c,)=45,35,3.4 反馈振荡器,RC,正弦波振荡器,采用,RC,导前电路构成的,RC,振荡电路如下：,36,3.4 反馈振荡器,RC,正弦波振荡器,RC,滞后移相网络,RC,滞后移相电路,RC,串联滞后网络频率特性,该电路可实现,0,90,之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率,c,对应的 相移,(,c,)=,45,37,3.4 反馈振荡器,RC,正弦波振荡器,RC,选频网络,RC,串并联网络,RC,串并联选频电路,这种电路与,LC,谐振电路相比，品质因数很低,(Q1/3),，带宽很宽，选频特性远远低于,L,C,选频网络。这是,RC,网络共有的特点，所以利用,RC,网络构成的振荡器波形质量差。,38,3.4 反馈振荡器,RC,正弦波振荡器,串并联,RC,振荡电路,集成运放接成同相放大器，,RC,串并联提供零相移，环路才能满足相位平衡条件：,39,3.4 反馈振荡器,RC,正弦波振荡器,40,3.4 反馈振荡器,RC,正弦波振荡器,例：试根据振荡器得相位条件，判断下图所示,的,RC,振荡电路可能产生振荡吗？为什么？,41,习题,1,）为什么晶体管振荡器大都采用固定偏置与自偏置的混合偏置电路？,2,）以克拉泼振荡器为例说明改进型电容三点式电路为什么可以提高频率稳定度？,3,）用石英晶体稳频，如何保证振荡一定由石英晶体控制？,4,）判断一个振荡电路能否正常工作，有几个基本考虑点？,42,习题,5,）利用相位平衡条件的判断准则，判断三点式振荡器交流等效电路，哪个是错误的（不可能振荡）？哪个是正确的（可能振荡）？属于哪类振荡电路？有些电路应说明在什么条件下才能振荡？,对场效应管，源极,S,对应发射极，栅极,G,对应基极，漏极,D,对应集电极,43,内容总结,第三章 正弦波谐振器。不需要输入信号控制就能自动将直流能量转换为特定功率和振幅的交变能量的电路。本章介绍高频振荡器时以分立器件为主,介绍低频振荡器时以集成运放为主。起振过程与起振条件。起振过程中,直流电源补充的能量大于整个环路消耗的能量。振荡器进入平衡状态以后,直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。3.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器。电容三点式电路（Colpitts电路