《高频电子线路课件刘光祖2012版 第五章 正弦波振荡器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频电子线路课件刘光祖2012版 第五章 正弦波振荡器（101页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、通信电路原理 第五章正弦波振荡器 2 正弦波振荡器 5 1引言5 2反馈振荡器的基本工作原理5 3LC振荡器的电路分析5 4振荡器的频率稳定度5 5晶体振荡器 3 5 1振荡器定义 振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置从能量的观点看 放大器是一种在输入信号控制下 将直流电源提供的能量转变为按输入信号规律变化的交变能量的电路而振荡器是不需要输入信号控制 就能自动地将直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变能量的电路 4 振荡器分类 按振荡波形分类正弦波振荡器 非正弦波振荡器按工作机理分类反馈振荡器 负阻振荡器按选频网络分类LC振荡器 RC振荡器 晶体振荡器压控
2、振荡器 压控晶体振荡器集成振荡器 开关电容振荡器 5 振荡器构成 振荡器正常工作 必须有以下四个部分 放大器 至少有一个起能量变换 放大 作用的有源器件正反馈通路或负阻 必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件 以保证有稳定的振荡选频网络 振荡器具有单一频率稳幅 一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件 实际的放大器都有非线性限幅作用 使得振荡幅度不会无限大 也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件 以保证获得需要的输出波形 6 振荡器应用 通信系统中有广泛的应用混频器的本振信号调制的载波信号 解调的本地载波信号时钟 定时电路 电子测量设备的基准信号工业生产部门广泛应用的高频电
3、加热设备微波炉 电疗设备 7 对正弦波振荡器的分析 正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭环系统 它是一个非线性动态网络 可采用求解非线性微分方程或计算机辅助分析法 本章定性分析阐明振荡器的振荡特性 在进行电路分析时 仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法 在振荡的初始阶段 系统内流通的信号比较微弱 因此 可以引用线性系统的分析方法 来确定这一时期振荡器的工作状态 振荡建立后 用准线性方法 如用平均跨导代替跨导 采用线性方法 分析 获得重要的具有指导意义的结论 8 5 2LC振荡器的工作原理 LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分 正弦波振荡器则是基于二阶RLC回路的自由振荡现象
4、考虑了回路损耗后 回路将产生振幅衰减的阻尼振荡 5 2 1LC回路的自由振荡现象 9 维持等幅振荡措施 适时地补充必要的交变能量 以维持回路内部的能量平衡 反馈振荡器采用负阻器件 抵消回路存在损耗 如隧道二极管 负阻振荡器 从能量角度 振幅衰减由于在回路存在损耗 维持等幅振荡 10 起振条件 首先 要让振荡器自己振起来 自激振荡 平衡条件 其次 保证振荡器环路中的能量补充恰好抵消能量消耗 达到环路平衡稳定条件 最后 还要保证振荡器是稳定的 如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态 振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态 振荡特性与振荡条件 以互感耦合LC振荡器为例 根据反馈振荡器的工作原理 说
5、明反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本条件 11 反馈振荡器的工作原理 满足A j F j 1 无需加输入信号 放大网络 反馈网络 12 正弦波振荡器需要选频网络 反馈振荡器中 放大器单元的输入就是反馈网络的输出电压 反馈电压 正弦波振荡器要求输出角频率为 osc的正弦波 即只能在频率 osc上满足A j osc F j osc 1 为此 在振荡回路中 必须有选频网络给予保证这个选频网络的选频特性越好 振荡器频谱就越纯 13 反馈振荡器的平衡条件 开环 环路增益 平衡条件 振幅平衡条件 开环增益的模为1相位平衡条件 VF与Vi同相 满足正反馈 14 举例 15 当工作频率较高时 引起环路传
6、输系数和相移的因素是很多的 晶体管输入阻抗 晶体管电流增益 谐振回路阻抗 反馈参数 振荡平衡条件表示为 16 振荡平衡条件 上式中 随频率的变化十分明显 而其余相角随频率变化较缓慢 谐振回路阻抗 如令 则上式为 17 相位平衡条件决定振荡频率 相位平衡条件 并联谐振回路的相频特性 18 19 振荡频率与谐振回路中心频率 反馈振荡器的相位平衡条件 决定了它的振荡频率反馈振荡器的相频特性主要由环路中的选频回路决定选频回路的Q值越大 相频特性的斜率越陡 选频回路的选频功能就越好 反馈振荡器的振荡频率 OSC就越接近于选频回路的中心频率 0振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率 20 反馈振荡器的
7、起振 起始信号 振荡器接通电源瞬间产生电流突变 电路内存在各种微弱噪声 特点 很微弱 占据频带很宽 电扰动通过振荡环路选频 放大 反馈而形成振荡 为了保证输出信号从无到有 幅度不断增长 在振荡建立过程中 反馈电压VF和原输入电压Vi 电扰动 必须同频同相 并且 VF Vi 21 反馈振荡器的起振条件 振幅条件 相位条件 以互感耦合LC振荡器为例 系统传输函数的极点位于S平面的右半部 系统不稳定 22 起振过程中的信号分析 起振初始 放大器工作于小信号状态线性工作状态 可用晶体管小信号等效电路计算其增益A 为了获得较高的增益A 要适当设置晶体管工作点 振荡建立过程中 环路增益T恒大于1 放大器的
8、输入Vi不断增大 放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态 非线性工作状态 出现饱和 截止 此时放大器增益A的估算一般采用大信号平均参数 如平均跨导 23 大信号非线性工作 晶体管集电极有丰富的谐波分量 输出信号通过选频增益下降 平均跨导小于静态跨导 24 稳幅措施 起振条件为T AF 1 输出信号幅度的不断增长 而后必须限制其增长 使其达到平衡 满足平衡条件T AF 1 环路中必须有一个非线性器件 其参数随信号的增大而变化 达到限幅的目的 特别是不要让晶体管工作于饱和区 因为饱和区的晶体管输出阻抗很低 并联在选频环路上 将使回路的Q值降低 影响频率的稳定度 晶体管本身的非线性 使得放大器的放
9、大倍数A随输入信号的增大而减小 25 反馈振荡器的稳定条件 振荡器进入平衡状态后 假设受到外界的扰动 将会破坏其原来的平衡状态干扰消失后 振荡器若能自动恢复到原来的平衡状态 则称之为是稳定的平衡状态否则 称之为是不稳定的平衡状态 自然界中处于平衡状态的物体都有稳定平衡和不稳定平衡之分 26 振幅稳定条件 某个平衡点上 若外界扰动使得振荡器的输入幅度增大 环路增益减小 反馈电压减小 若外界扰动使得振荡器的输入幅度减小 环路增益增大 反馈电压增大 为稳定的平衡状态 反之为不稳定的平衡状态 振荡器平衡时 环路增益为1 反馈电压VF等于放大器输入电压Vi 平衡点增益具有负斜率 有自偏置效应的振荡器 振
10、幅稳定性更好 27 振幅稳定条件的讨论 随着振荡幅度加大 放大器增益 以及环路增益 将自动降低 反之 振荡幅度减小放大器增益增大 如果反馈F不随输入变化而变化 则 并非所有的平衡点都是稳定的 28 当晶体管起始偏置电压取得比较低 使静态工作点接近于截止 则跨导小 增益小 当输入增大后 平均跨导变大 增益增加 输入进一步增大 进入饱和区 平均跨导变小 增益随之减小 无法起振 需要硬冲击 29 相位稳定条件 正弦振荡的角频率是相位随时间的变化率 相位的瞬时变化必然引起频率的变化相位超前 意味频率上升 相位滞后 意味频率下降 相位稳定条件即是频率稳定条件在频率 OSC处 平衡点 经过一个循环 反馈电
11、压与输入电压相位差2 2n 假设外界扰动 使得振荡器的频率上升了 经过环路后 反馈电压的相位应该滞后 才能使外界干扰消除 同理 若振荡器的频率下降了 经过环路后 反馈电压的相位应该超前 达到相位稳定 30 相位稳定条件的讨论 LC并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性 因而以LC并联谐振回路作为振荡器的选频回路 一定是相位稳定的 频率稳定的 振荡器相位稳定 即频率稳定 环路中应含有一负斜率变化的相频特性 31 假设外界扰动 使得振荡器的频率上升了 经过环路后 反馈电压的相位会滞后 若振荡器的频率下降了 经过环路后 反馈电压的相位会超前 达到相位稳定 32 自给偏置 加固定偏置 起振时 晶体管处于A
12、类放大 增益高 起振后 随着Vi的不断增高 晶体管进入非线性区 从A类到B类 C类 电流的正负半周不对称 于是平均电流IB0 IC0增大 Re上的压降将增大 33 自给偏置加速了振荡进入平衡状态的过程P268 图5 2 11 工作点向负偏压方向移动 集电极电流由余弦形变为余弦脉冲形 导通角减小 平均跨导减小 增益减小 达到AF 1 34 反馈振荡器振荡的三大条件 正反馈 或负阻 适时补充能量 选频回路 移相网络 使得特定频率才能得以放大和正反馈 非线性器件使得幅度受限 最终到达平衡 负斜率环路增益 对输入幅度 和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性 回答的问题是 振荡是如何产生的 又是如何平衡
13、的 平衡是否是稳定的 起振条件 平衡条件 稳定条件 35 5 3 1LC振荡器的电路分析 以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器统称LC振荡器LC振荡器 可采用晶体管 场效应管 差分对管和线性集成电路作为放大器件以晶体管为例 可分为共基和共发两种组态 振荡平衡时 振荡频率近似为回路谐振频率 而谐振阻抗为纯阻 36 互感耦合LC振荡器 为了保证正反馈 输入与反馈同相 互感耦合线圈的同名端必须正确共基同极性共发反极性 共发电路输出电压与输入电压反相 而共基同相 共基电路 从集电极引回到发射极的反馈本身就是正反馈 而共发电路 直接从集电极引回到基极的反馈是负反馈 为了满足正反馈 反馈电压的极性要改变
14、 差分振荡电路 P270图5 3 2 37 画交流通路 1 旁路 耦合电容短路 38 2 耦合 旁路电容短路 39 3 大电阻开路 40 晶体管输入电阻对回路Q值的影响 LC谐振回路两端一般接在集电极输出端 晶体管的输入阻抗很低 共基 共发放大器 如果直接从集电极输出端 LC回路两端 取电压反馈回输入端 小的晶体管输入电阻并联在LC谐振回路两端 会大大降低回路的谐振电阻和Q值 41 为此 必须提高放大器输入端对LC并联谐振回路的接入阻抗 在反馈支路上进行阻抗变换阻抗变换的方法 一是采用变压器 互感耦合 二是采用部分接入对应的LC反馈放大器分为互感耦合振荡器和三点式振荡器两种 降低Q值的直接后果
15、 降低了放大器的增益 谐振电阻减小 可能使得环路增益小于1而无法起振 降低了振荡器的频率稳定度 42 5 3 2三点式振荡器 1 三点式振荡器采用LC回路部分接入的形式 降低晶体管的输入阻抗对回路的影响 电容 电容 电感 电感 43 与发射极相联的两个电抗元件必须是同性质的 另一个是异性 满足相位平衡条件 电容三点式 考毕兹振荡器 a 电感三点式 哈特莱振荡器 b a b 三点式振荡器 LC回路的三个电抗元件分别接于三极管的三个电极之间 三点式振荡器的组成法则 Rp 谐振电阻 44 2 电容三点式振荡器电路 即考毕茨 Colpitts 振荡器 45 交流通路 46 分析电路的起振条件 47 根
16、据 振幅 起振条件 AF 1 得出 相位条件即构成法则 48 讨论 当回路损耗可忽略 当一定时 的选取有两方面考虑 F过大 晶体管的输入电阻反映到回路两端越小 减小 放大倍数下降 不容易起振 F过小 反馈不足 回路能量补充不足 不能建立稳定振荡 起振条件与静点有关 静态电流决定输入电阻与输入电容 扩散电容 大 高 易于起振 49 电路的振荡频率 即考毕茨 Colpitts 振荡器的振荡频率稍高于回路的振荡频率 考虑晶体管输入 输出电阻时 回路有载Q会下降 振荡频率会升高 50 3 电感反馈型振荡器电路 即哈特莱 Hartley 振荡器 2 电路的振荡频率 1 分析电路的相位条件 51 4 两种振荡器电路比较 1 电容三点式电路 优点 由于输出端和反馈电路是电容 对高次谐波电抗小 反馈电压中高次谐波电压小 振荡波形更接近正弦波 振荡频率可较高 缺点 用两个电容调节频率不方便 又要不变 振荡器的振幅不稳定 某种比例可导致停振 2 电感三点式电路 优点 用一个电容可方便调节频率 缺点 由于反馈电路是电感 振荡波形含有高次谐波多 振荡频率不高 52 例 5 5 53 器件参数对振荡频率的影响
