第4章 正弦波振荡器

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1、1,2,4.1 概 述,一、 振荡器的功能,在无输入信号情况下，将电源的直流能量转换成具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出。,二、振荡器与放大器的区别,振荡器：不需外加激励信号,相同点：,不同点：,放大器：需外加的激励信号,3,振荡器,正弦波,非正弦波：,反馈型 振荡器,负阻型振荡器,LC振荡器,晶体振荡器,RC振荡器,三、 振荡器的分类,产生三角波、锯齿波、矩形波等,负阻器件+振荡回路,（正反馈原理）,4,四、正弦波振荡器的用途,高频加热设备,医疗仪器,发射机(载波频率fc),接收机(本地振荡频率fL),数字系统：时钟信号,通信系统：,测量仪器：信号源,高频能源：,五、主要技术

2、指标,振荡频率、振荡波形、振荡幅度、频率稳定度,5,4.2 反馈型LC振荡原理,定义：从放大器的输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号，能产生等幅正弦波输出称为反馈型振荡器。,一、 反馈型正弦波振荡器的组成,正反馈 网络,（选频网络）,6,组成：,放大器是对反馈信号进行放大；,正反馈网络是将输出回路中的能量取出一部分加 到放大器的输入端；,选频网络 是获得单一确定的振荡频率；,稳幅环节使振荡的输出稳定。,内稳幅,外稳幅,利用放大器 件的非线性,7,二、振荡的建立与起振条件,放大器的电压增益：,反馈系数：,这时调谐放大器与反馈网络就构成了自激振荡器。,环路增益,调谐放

3、大器,反馈网络,8,起振条件：,n=0,1,2,振幅起振条件,相位起振条件,增幅振荡,正反馈,9,三、 振荡的平衡条件,刚起振时，起始偏压为正偏置,电路的偏置电压为：,UB,+ UE _,+ UBE _,10,11,n=0,1,2,振幅平衡条件,相位平衡条件,平衡条件：,等幅振荡,丙类,乙类,甲乙类,甲类,放大器进入平衡的原因：,（1）放大器固有的非线性特性,（2）自给偏压效应,从起振到平衡，放大器工作状态的变化:,12,平衡条件的另一种表示形式：,振幅平衡条件:,相位平衡条件:,13,四、 振荡器平衡状态的稳定条件,1) 稳定平衡与不稳定平衡,2) 振荡器的稳定平衡,因某一外因的变化，振荡的

4、原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新的条件下建立新的平衡，当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。满足这样条件的平衡称为稳定平衡。,14,3） 振幅平衡的稳定条件,外因变化,（增幅振荡）,外因消失,（减幅振荡）,稳定,B点不稳定：,外因变化,外因消失,（减幅振荡）,Q点稳定：,软激励,硬激励,振幅的稳定条件：,（应避免）,15,4） 相位平衡的稳定条件,频率随相位变化的关系：,频率与相位的关系：,（频率的稳定条件）,16,相位平衡的稳定条件：,即要求选频网络的相频特性曲线在工作频率附近应具有负斜率。,实际中的并联LC谐振回路正好具有这种相频特性。,17,总 结,1) 正弦振荡器工作条件包括,起振条

5、件：,平衡条件：,稳定条件：,保证振荡器从无到有建立起振荡,保证振荡器进入平衡状态，产生持续的等幅振荡,保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏,振幅稳定条件,相位稳定条件,18,2) 振荡器的静态工作点应设计在软激励状态,4) 判断能否产生正弦振荡的方法 a) 是否可能振荡首先看电路供电是否正确；二是看是否满足相位平衡条件（正反馈） b) 是否起振看是否满足振幅起振条件 c) 是否产生正弦波看是否有正弦选频网络,3) 从振荡到平衡是由晶体管非线性与自给反偏压共同作用的结果，称为内稳幅；需要外加稳幅电路的称为外稳幅,19,4.3 反馈型LC振荡器,以LC谐振回路作选频网络的反馈振荡器称为L

6、C正弦波振荡器,20,一、互感耦合LC振荡器,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，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很重要。,互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调射电路，这是根据振荡回路是在基极电路、集电极电路和发射极电路来区分的。,判断相位平衡条件是否满足的方法：通常采用瞬时极性法。,21,1) 判断是否可能振荡的基本准则：是否是正反馈。,2) 是否能起振：取决于变压器是否有足够的耦合量M,方法：瞬时极性法,共基调集型,b,c,e,高频旁路电容,正反馈系数:,振荡频率:,22,互感耦合振荡器在调整反馈(改变M)时，基本上不影响

7、振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。,共e调b型,b,c,e,高频旁路电容,共b调e型,高频旁路电容,e,b,c,23,二、电容反馈式振荡器(考毕兹电路),1、电路结构,直流通路,交流通路,电容三点式振荡器,反馈信号取自 两端,24,2、相位平衡条件,用矢量法分析其交流通路是否满足相位平衡条件，即分析电路是否为正反馈。,25,3、起振条件,分析起振条件时可以利用高频小信号放大器的分析法。,（1） 电压增益,26,（3）起振条件, 满足起振条件是选取晶体管的,从输出电导和负载电导的影响看，F 越大越容易起振

8、，从输入电导看，F 不能太大。因而兼顾二者，F一般选取0.1-0.5。,（2）反馈系数（忽略各个g的影响）,27,4、振荡频率,振荡频率一般可以利用相位平衡条件求解。,在忽略 、 、 等的影响，可得近似式为,若忽略晶体管输入电容和输出电容的影响,28,三、电感反馈式振荡器(哈特莱电路),1、电路结构,电感三点式振荡器,反馈信号取自 两端,b,c,e,e,b,29,2、相位平衡条件,3、起振条件,反馈系数:,若忽略互感M 的影响则有：,4、振荡频率,30,四、电感三点式与电容三点式的比较,频率不易调（调L，调节范围小）,缺点：,优点：,(1)高次谐波成分小，输出波形好,(2)振荡频率可以做得很高

9、,缺点：,(2) 振荡频率不能太高,（1）输出波形差,优点：,频率易调（调C）,31,五、LC 三点式振荡器相位平衡条件的判断准则,(1)Xbe、 Xce应为同性质的电抗元件；,(2) Xcb 与Xce、 Xbe的电抗性质相反。,结论：射同集（基）反,(3) 对于振荡频率，应满足：,32,例1 判断下图电路是否可能振荡？可能振荡的属于哪种类型振荡器？,33,分析：,34,35,(e)经判断满足相位平衡条件，故可能振荡，为共基调射型互感耦合振荡器。,(f)经判断满足相位平衡条件，故可能振荡，为共射调基型互感耦合振荡器。,36,例2,37,例3,38,39,4.4 振荡器的频率稳定原理,频率稳定度

10、的定义：,40,按照时间间隔长短的不同，频率稳定度分为,一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量,主要由于器件老化。,一天之内振荡频率的相对变化量,主要由于温度、电源电压等外界因素变化,秒或毫秒内振荡频率的相对变化量,由电路内部噪声或突发性干扰引起。,中波广播电台发射机的频率稳定度为,电视发射机的频率稳定度为,标准信号发生器的频率稳定度为 ,41,二、频率不稳定的原因,42,振荡频率：,并联谐振回路的相角：,、,43,具体分析导致频率不稳定的因素：,(3)负载变化 影响回路Q值,（1）LC回路参数不稳定,温度,机械振动,（2）晶体管参数不稳定,温度,电源电压,44,三、振荡器的稳频措施,2、提高

11、振荡回路的标准性,1、 减小外界因素变化的影响,温度的影响,采用高稳定度直流稳压电源,采用金属屏蔽罩,采用减震器,在振荡器和负载之间加缓冲器,电压的影响,负载的影响,电磁场的影响,振动的影响,将振荡回路或整个振荡器置于恒温槽,45,3、 提高回路的品质因数,4、选用高稳定度的振荡电路,据LC回路的特性,Q值越大, 相频特性曲线越陡峭,相位越稳定。,如克拉波振荡电路、西勒振荡电路、石英晶体振荡电路。,46,4.5 高稳定度的LC振荡器,一 、一般电容三点式振荡电路的稳定性分析,工作状态和外界条件的变化都会改变Cie和Coe的值，从而改变振荡频率 f0，导致 f0 不稳定。,47,当 变化 ， 变

12、化 时，总电容的增量：,其中,从而,从上式可以看出，要提高频率稳定度一定要尽可能减小 的变化。在 和 一定时，应减小 和 。,48,提高频率稳定度的措施：,（1）同时减小 、,增大 ，减小,减小 ，增大,减小， 增大,增大， 减小,（）,（2）增大 ，即增大 和,（）,可见，一般电容三点式振荡电路频率稳定度不可能太高。要提高频率稳定度从电路形式上应使 、 同时减小，且振荡频率不决定于 和 ， 和 可增大。,49,二 、串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼振荡器Clapp）,C3 C1 ， C3 C2,振荡频率：,50,优点：,总电容的增量：,其中,从而,（1）频率可调,（2） 、 可同时减小 ，

13、频率稳定且 、 可增大,51,缺点：,频带内输出幅度不平稳，实际中常用于固定频率振荡器。,CLAPP电路的主要缺点是：频率不能太高，频带范围不宽，,52,三 、并联改进型电容三点式振荡器（西勒振荡器Siler）,C3 C1 ， C3 C2,振荡频率：,53,改进：克拉波电路中是改变C3来调节频率，而C3的改变会影响接入系数p， 从而可能导致停振。但西勒电路中，改变C4来调节频率，而C4的改变不会影响接入系数p。,相对克拉泼振荡器的改进之处：,故西勒电路的优点：振荡频率可以很高，且在频带内振幅比较稳定，调谐范围比较宽，实际中常用于变频振荡器。,54,例4,分析：本题是一个西勒电路。,55,56,

14、4.6 晶体振荡电路,以石英谐振器作选频网络的反馈振荡器称为石英晶体振荡器,其频率稳定度可达 ，而LC回路的一般不超过,因为石英谐振器具有极高的Q 值和良好的稳定性,57,一、 石英晶体及其特性,从一块晶体上按一定 的方位角切割成的薄片 称为晶片,化学成分：SiO2,1. 石英晶体的结构和基本特性,基本特性：压电效应,极板间加电场,晶体产生机械变形,逆压电效应：,正压电效应：,极板间加机械力,晶体产生电场,交变电压,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。,电谐振,当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一固定的机械振动频率。,58,2. 石英晶体的等效电路,Lq :动态电感,表征质量 几十mH

15、 几百H,rq :动态电阻,表征摩擦损耗 几几百欧,等效电路,Co :静态电容,约25PF,故晶体 Q 值很高，一般为几万至几百万,Cq :动态电容,表征弹性,59,等效电路,串联谐振频率:,并联谐振频率：,通常,60,3. 石英晶体的电抗特性,容性,容性,感性,呈感性,呈容性,相当于短路,Xe=0,相当于开路,Xe0,Xe0,忽略 时，总阻抗为,61,4、 石英晶体的使用注意事项,:外接一定的负载电容CL时所对应的频率,标称频率,62,二、 晶体振荡器,，晶体作电感元件使用,，晶体作短路元件使用,63,1、 并联型晶体振荡器,皮尔斯,密勒,两种基本类型电路,64,典型皮尔斯电路,负载电容,CL,回路总电容,调节C3可使其工作在标称频率上,65,总电容的增量：,其中,由此可见， 和 很小，不稳定电容 、 的影响非常小，所以频率稳定度较高。,66,2、 串联型晶体振荡器,JT,67,举例：,68,机械振动的谐波称为泛音。,利用基频振动称为基频晶体，利于泛音振动称为泛音晶体。,石英晶体基频越高，晶片越薄，加工难并易碎，故要求频率高时使用泛音频率。多用三次和五次的。,奇次,3、 泛音晶体振荡器,晶体完整的等