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1、第 3 章 正弦波振荡器,概 述,3.1 反馈振荡器的工作原理,3.2 LC 正弦波振荡器,3.3 LC 振荡器的频率稳定度,3.4 晶体振荡器,3.6 负阻正弦波振荡器,3.5 RC正弦波振荡器,3.0 谐振放大器简介,概 述,一、与功放比较(从能量角度),1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,2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，勿需输入信号控制。,1作信号源(本章将讨论),载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机； 正弦波信号源：电子测量仪
2、器；时钟信号：数字系统。,二、正弦波振荡器的应用,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。,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。工作于微波段。,按组成原理：,反馈振荡器的分类（按选频网络所采用的元件）： LC振荡器 R C振荡器 晶体振荡器 LC振荡器和晶体振荡器：产生高频正弦波。 RC振荡器：产生低频正弦波,各频段的振荡器：,（1）,（2）,（3）,（4）,3.0 谐振放大器简介,定义：采用谐振回路（串联
3、、并联及耦合回路）作负载的放大器。根据谐振回路的特性，谐振放大器对靠近谐振频率的信号有较大的增益；对远离谐振频率的信号增益迅速下降。谐振放大器不仅有放大作用，还起着滤波或选频的作用。,分类： （1）调谐放大器（高频放大器）调谐回路对外来信号的不同频率进行调谐 （2）频带放大器（中频放大器）调谐回路的调谐频率固定不变,一、LC并联谐振回路特性,1. 电路,r：串联损耗电阻（主要是线圈直流电阻）,2. 等效电路,：谐振电阻, r越大，越小,：谐振电导,3. 谐振频率（当z(j）为纯阻时）,4. 品质因素, r 越小，Q越大,或：,RP 越大，Q 越大,（当 Q 足够高时）,品质因数Q 又分,Q0
4、: 空载品质因数（固有品质因数），只考虑RP 。,Qe : 有载品质因数，除考虑RP 外，还考虑信号源内阻Rs和负载RL的影响。,显然，,增大Qe的方法：增大Q0，增大RL，采用RS大的恒流源激励。,5. 阻抗的频率特性,幅频特性,相频特性,物理意义： 当电流的频率为谐振频率f0时，LC谐振电路两端的电压最大。当电流的频率偏离谐振频率（失谐）时，电压变小。Q值越大，这种变化越剧烈。 当电流的频率为谐振频率f0时，电压和电流同相。当电流的频率偏离谐振频率时，电压和电流出现相移。Q值越大，由于频率偏离引起的相移就越大。,二、单级单调谐谐振放大器,当略去Cbe时：,ib与vi同相。,ic与ib同相。
5、,放大器的频率特性 A(j) 由 Z(j) 决定。,当vi的频率为谐振频率f0时，A(f)最大。当vi的频率偏离f0时，A(f)变小。Q值越大，这种变化越剧烈。 当vi的频率为f0时，vo和vi没有附加相移。当vi的频率偏离f0时，出现附加相移。Q值越大，由于频率偏离引起的附加相移越大。,1. 通频带BW0.7,增益自A(fo)下降3dB（0.707倍）时的上、下频率之差值。 经分析：,2. 选择性S(f),通频带外的某一特定频率上的增益与谐振时增益之比。,3. 绝对失谐,4. 一般失谐（广义失谐）,5. 矩形系数,其中BW0.1是A(f)下降到0.1A(f0)时的上、下频率差值。,Kr0.1
6、越小，选频特性越好。,单级单调谐电路：Kr0.1=9.95,三、阻抗变换网络,问题的提出：当接入Rs和RL时，Qe下降。要使下降不多，就要用阻抗变换网络。,1. 变压器式阻抗变换,2. 电感分压（自耦变压器）式阻抗变换,3. 电容分压式阻抗变换,3.1 反馈振荡器的工作原理,1组成,主网络与反馈网络构成闭合环路。,例：变压器耦合反馈振荡器(交流通路),(1)主网络负载为谐振回路的谐振放大器,(2)反馈网络与 L 相耦合的线圈 Lf 。,反馈振荡器工作原理,2等幅持续振荡的条件,(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
7、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。,闭合环路成为反馈振荡器的三个条件：,(1)起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。,(2)平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。,(3)稳定条件平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏。,以下分别讨论这三个条件：,3.1 反馈振荡器的工作原理,第 3 章 正弦波振荡器,3.1.1 起振与平衡条件,3.1.2 稳定条件,3.1.3 振荡器基本组成及其分析方法,一、平衡条件,1分析,(1)主网络将输出正弦振荡电压 ，角频率为 。,(2)所需输入电压 全部由反馈电压 提供，无需外加输入电压。,3.1.1 起振与平衡
8、条件,(3)变压器绕向正确，可保证反馈信号 与输入信号 同相。,2平衡条件,由,则：(1)振幅平衡条件：环路增益的模 T(osc) = 1,(2)相位平衡条件：,环路增益的相角T(osc) = 2n (n = 0，1，2，),二、起振条件,1分析,(2)谐振回路的选频功能，只允许角频率为 osc 的分量(osc 0)在谐振回路两端产生较大的电压。,(1)刚通电时，电路中存在电的扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)，具有很宽的频谱。,(3)变压器绕向正确，可保证反馈信号 与输入信号 同相，经放大和反馈的循环，使振荡电压的振幅不断增长。,，或环路增益,2起振条件,(1)振幅起振条件,3讨论,反
9、馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：,(1)起振时，T(osc) 1，Vi 迅速增长；,(2)随后，T(osc)下降，Vi 的增长速度变慢；,(3)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。,环路增益 特性如图。,(4)而环路增益的相角 T(osc) 则必须维持在 2n 上。,平衡条件多利用放大器的非线性实现。,例变压器耦合反馈振荡器：,刚通电时，Vi 很小，放大器小信号工作，增益较大，相应的 T(osc) 为大于 1 的水平线。,当 Vi 增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随 Vi 增
10、大而减小，相应地 T(osc) 也就随着 Vi 的增大而下降。,符合起振与平衡条件对 T(osc) 的要求。,3.1.2 稳定条件,一、问题的提出,1振荡电路中存在干扰,(1)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。,(2)内部：存在固有噪声(起振时的原始输入电压,进入平衡后与输入电压叠加引起波动)。,均造成 T(osc) 和 T(osc) 的变化，破坏平衡条件。,2干扰对平衡状态的影响(两种),通过放大和反馈的反复循环：,(1)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。,(2)振荡器有产生回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡
11、状态。原平衡状态是稳定的。,须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。,二、振幅稳定条件,图示增益特性环路，还满足振幅稳定条件。,1稳定过程,2环路增益存在两个平衡点的情况,如图，振荡器存在着两个平衡点 A 和 B，其中 A 是稳定的，B 点是否稳定？,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。,可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，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。,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。,3振幅稳定条件,可
12、见，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,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。,三、相位(频率)稳定条件,1T(osc) 的偏移对振荡频率的影响,(1)由相位平衡条件,T(osc) = 2n(n = 0，1，2，)，表明每次放大和反馈的电压与原输入电压同相。,(2)若某种原因使 T(osc) 0，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。由 = /t (正弦电压角频率是瞬时相位对时间的导数) ，因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率 osc。,(3)反
13、之，若某种原因使 T(osc) 0，则由于每次放大和反馈后的电压相位都要滞后于原输入电压相位，因而振荡频率 osc。,2相位(频率)稳定的讨论,若 T() 的特性如图(在 osc 附近有负斜率变化),(1)若某种原因使 T(osc) 0(即 osc)，由特性，T() 0， Vi 的超前势必受到阻止，,(2)若某种原因使 T(osc) 0， Vi 滞后必受阻。,3相位稳定条件,斜率越陡，则稳定性越灵敏。,4例：说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡和稳定条件。,T() 由两部分组成：,(1)放大器输出电压 对输入电压 的相移 A(),(2)反馈网络反馈电压 对 的相移 f(),即 T() = A()
14、 + f(),(2)f()，随 的变化十分缓慢，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：,0 谐振频率,Qe 有载品质因数,可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，且 Qe 越高，Z() 随 的变化斜率越大，频率稳定度越高。,3.1.3 振荡器基本组成及其分析方法,要产生稳定的正弦振荡，振荡器须满足起振、平衡、稳定三项条件。,1组成,(1)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。,(2)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
15、。,或：四个环节,2种类,根据可变增益放大器和相移网络的不同：,(1)可变增益放大器, 按放大管,晶体三极管放大器,场效应管放大器,差分对管放大器,集成运算放大器等, 按实现可变增益的方法,内稳幅(Self Limiting)：利用放大管固有的非线性,外稳幅(External Limiting)：放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。,(2)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,3分析方法,反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：,(1)首先，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。,(2)其次，分析起振条件。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。,(3)最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。,
