高频电路第6章(完整)

《高频电路第6章(完整)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高频电路第6章(完整)（92页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章 正弦波振荡器 第第 6 章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 6.1 概述概述(6.1) 6.2 LC振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理(6.3 ,6.4, 6.5) 6.3 反馈型反馈型LC振荡器振荡器线路线路(6.6) 6.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器(6.8) 6.6本章小结与习题讲解本章小结与习题讲解 第六章 正弦波振荡器 6.1.1 基本概念基本概念 1、振荡器：无需外加激励信号的情况下，将直 流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅 度的交变电能的电路。 6.1 概述 2、振荡器在无线通信系统中的位置和作用、振荡器在无线通信系统中的位置和作用 在无线电发送设备中作为高

2、频载波产生单元； 在超外差接收机中作为本地振荡信号源； 第六章 正弦波振荡器 3、分类：、分类： 按振荡电路中的有源器件特性和形成振荡的原理分： 反馈型振荡器 负阻型振荡器 按照波形分： 正弦波振荡器 非正弦波振荡器（矩形、三角形、锯齿波） 第六章 正弦波振荡器 按照选频网络所采用的元件分： LC振荡器 晶体振荡器 RC振荡器 压控振荡器 4、定义、定义 反馈型振荡器：反馈型振荡器：放大器电路中加入正反馈，当正 反馈足够大时，放大器产生振荡，变成振荡器。 负阻式振荡器：负阻式振荡器：将一个呈现负阻特性的有源器件 直接与谐振电路相接，产生振荡。 第六章 正弦波振荡器 产生振荡产生振荡：不需要外加

3、激励信号，而由本身的正 反馈信号来代替外加激励信号的作用。 本章主要研究：反馈型本章主要研究：反馈型LC正弦波振荡器（高频）正弦波振荡器（高频） 第六章 正弦波振荡器 6.2 LC振荡器的基本工作原理 6.2.1 电路构成电路构成 1) 决定振荡频率的振荡回路。可以采用LC谐振回路 或石英晶体谐振器。 2) 实现正反馈的反馈网络。可以通过互感（变压器）、 电感、电容等分别获得正反馈电压，这就构成了互 感（变压器）反馈振荡器，电感反馈振荡器和电容 反馈振荡器。 3) 具有功率增益的有源器件。增益的功率分为两部分： 对后级的输出振荡功率和通过反馈网络供给本身 以激励功率。 4) 能量来源（直流电源

4、VCC），补充振荡回路电阻 消耗的能量。 第六章 正弦波振荡器 6.2.2 振荡器的工作原理振荡器的工作原理 以互感反馈型振荡器为例说明 + - v f v o L C + - + v i K 1 2 R b2 R e C e + V CC M + - Rb1 主网络：谐振放大器主网络：谐振放大器 反馈网络：耦合线圈反馈网络：耦合线圈L 第六章 正弦波振荡器 电路说明：电路说明： 开关K拨向“1”时，该电路为调谐放大器 开关K拨向“2”点，调谐放大器变为自激振荡器 将开关将开关拨向“2”点的电路重画并解释反馈型 振荡器的工作原理。 + - v f v o L C + - + K R b2 R

5、e C e + V CC M 第六章 正弦波振荡器 1、起振过程和原因、起振过程和原因 LC谐振回路捕捉到电路中的各种扰动中的 频率为fo的分量，使LC谐振回路发生谐振， 产生Vo， Vo进一步通过互感产生Vf，反馈 到输入端，作为振荡器的激励，有源器件 对Vf进行放大，再输出到谐振回路，不断 地通过放大选频反馈再放大等多次 循环的循环过程，使得输出交流信号Vo的幅 度增大，其频率为fo。 问题：频率为问题：频率为fo的扰动信号能否被无限放大？的扰动信号能否被无限放大？ 第六章 正弦波振荡器 捕捉到f0信号，小信号，晶体管工作在 线性放大区，放大倍数是常数 通过反复反馈放大过程，小信号变大信号

6、， 晶体管进入非线性放大区，放大倍数A与信 号幅度有关的变化量 最后会减 小到不能使 幅度变化的状态。 ,omomA VVAoV以下是输出以下是输出vO的波形图的波形图 第六章 正弦波振荡器 增幅振荡增幅振荡 等幅振荡等幅振荡 起振和稳幅过程起振和稳幅过程 2、起振条件、起振条件 总结：总结：由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳 定到一定的幅度。振荡的幅度不会无限增大 要求：要求：选频网络带宽极窄 第六章 正弦波振荡器 A F + - v s + - v o 基本反馈环 1) 振荡器的原理框图 vf 2) 定义：闭环增益 o f sifsvAvvvv11oooii f ffoifioivv v

7、vvAvvvvv vvvvi 第六章 正弦波振荡器 0foivvAv又fovFv1fAAFA即是所求的即是所求的闭环增益闭环增益。 说明：振荡器无外加激励的（说明：振荡器无外加激励的（us=0）,反馈电压作为放大器输反馈电压作为放大器输 入。入。 3) 要使放大器的输出幅度 ，则必须输入幅度 （因 为此时是线性工作区），而输入由反馈电压来承担 的。 第六章 正弦波振荡器 ,1f fi ivvvAFTvT而才能使振幅增长，处于增幅振荡过程。 而相位必须满足： 2(0,1,2.)Tnn4) 总结：总结：反馈型正弦波振荡器的起振条件是： 振幅起振条件 相位起振条件 12(0, 1,)AFAFnn1A

8、F 第六章 正弦波振荡器 5) 起振条件的物理意义： 振幅起振条件保证反馈电压幅度vf要一次比一次大； 相位起振条件保证环路保持正反馈。 第六章 正弦波振荡器 3、平衡过程及平衡条件、平衡过程及平衡条件 小信号，A是常数； 大信号， ,omomAVVA定义： 振荡特性：振荡特性：放大器增益A与输出电压幅度Vom之间的关系 反馈特性：反馈特性：反馈系数F与Vom之间的关系 A 0 Q V omQ 反馈特性 振荡特性 V o m F 1 第六章 正弦波振荡器 具体平衡过程如下： 起振： 因为F与输入信号幅度无关，只与构成反馈网 络的无源器件有关，从起振到平衡的变化过 程中，只有A随Vom变化而变化

9、。 1AF 增幅振荡 ,omomAVVA最终下降到使AF=1，即： 1AFvf=vi,这时输出电压幅度Vom不再变化，达到振幅平衡 第六章 正弦波振荡器 总结：振荡器的平衡条件为： 1()2(1,1,)()AFAFnn振振幅幅平平衡衡相相位位平平衡衡1A F，即 平衡条件：指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。 补充定义：补充定义： 在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。 第六章 正弦波振荡器 4、平衡状态的稳定原因和稳定条件、平衡状态的稳定原因和稳定条件 平衡状态的稳定：指在外因作用下，

10、振荡器在平衡点 附近可重新建立新的平衡，即一旦外因消失，它即能 自动恢复到原来的平衡状态。 比较：振荡平衡条件和平衡稳定条件 振荡平衡条件：只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。 平衡稳定条件：已建立的振荡能否维持，还必需看平衡状态是否稳定。因此，需要满足稳定条件 1) 定义： 第六章 正弦波振荡器 2) “稳定”含义（举例） 两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念 B Q 3) 振幅平衡的稳定条件 A 0 Q V omQ 反馈特性 振荡特性 V o m F 1 第一第一 种情种情 况：况： 第六章 正弦波振荡器

11、假定由于某种因素使振幅增大超过了VomQ，这时A ，即 AF1，于是振幅就自动衰减而回到VomQ。 1 F当某种因素使振幅小于VomQ，这时A ，即AF1，于是 振幅就自动增强，又回到VomQ。 1 F因此Q点是稳定平衡点。 第二第二 种情种情 况：况： V om A 0 F 1 F 1 A Q Q 第六章 正弦波振荡器 假定由于某种因素使振幅增大超过了VomQ，这时A ，即 AF1，振幅增加，越来越偏离Q点。 1 F当某种因素使振幅小于VomQ，这时A1，振荡处于 增幅振荡状态，有一点信号便可自激软自激软自激。 c) 对于第二种情况，开始时，AFg或g p的关系，则石英晶 体呈现容性。 6.

12、5 石英晶体振荡器 当工作频率g与并联谐振角频率p相近，晶体 的阻抗骤然增加，近乎开路 第六章 正弦波振荡器 6.5.36.5.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 6.5 石英晶体振荡器 1、LC振荡器频率稳定度差，为了获得更高的 频率稳定度，采用石英晶体振荡器。 2、石英晶体振荡器是将石英晶体作为振荡回路 元件而构成，可以获得更高的频率稳定度。 问题：为什么用石英晶体作为振荡回路元件， 能使振荡器的频率稳定度大大提高？ 第六章 正弦波振荡器 石英晶体的物理和化学性能稳定。 石英晶体的Q值和特性阻抗都很高，故晶振的谐 振电阻也很高。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

13、仍很大， 使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。 在串并谐振频率之间电抗特性陡峭，故对频率变 化灵敏。 6.5 石英晶体振荡器 3、石英晶体在振荡器中作为感性元件或短路线使用。 并联谐振型晶体振荡器 串联谐振型晶体振荡器 电感电感 短路线短路线 第六章 正弦波振荡器 3、并联谐振型晶体振荡器：石英晶体作感性元件 使用。 常用的两种基本类型： c-b型电路 相当于电容三 端振荡电路 b-e型电路 相当于电感三 端振荡电路 6.5 石英晶体振荡器 皮尔斯 (Pierce)振 荡电路 密勒(Miller) 振荡电路 第六章 正弦波振荡器 1) 皮尔斯(Pierce)振荡电路 C b R e V

14、 CC C 1 C 2 R b2 R b 1 L c 6.5 石英晶体振荡器 电路： 等效电路： 第六章 正弦波振荡器 振荡回路与晶体管、 负载之间的耦合很 弱。 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。 特点： 6.5 石英晶体振荡器 第六章 正弦波振荡器 1212LCCCCC0LqCCCw0与wq很接近,稳定性很高 1 20 000011()112q q LqL q qLq q LCCCC CCLCCCCCC 6.5 石英晶体振荡器 第六章 正弦波振荡器 另一种典型电路： 6.5 石英晶体振荡器 CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEB C2Ub.

15、gmUb.C3CqLqrqC0第六章 正弦波振荡器 2) 密勒(Miller)振荡电路 6.5 石英晶体振荡器 EcVC2LCeC1图： 密勒振荡器 石英等效为电感元件等效为电感元件，满足三 端振荡器构成法则。 这种振荡器与电感三端式振荡 器基本类似。 说明：说明： 第六章 正弦波振荡器 4、串联型晶体振荡器 C b R e V CC R C 1 C 2 L C 3 1600p 680 C 20k 2 .2 k R b 1 R b 2 C p 300p 3 . 8 m F R e C 1 C 2 C 3 L 串联型晶体振荡电路 6.5 石英晶体振荡器 第六章 正弦波振荡器 串联型晶体振荡器是将石英用于正反馈支路中，利 用其串联谐振时等效为短路元件其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈作用最强， 满足振幅起振条件，使振荡器在晶振串联谐振频率fq 上起振。 这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反 馈支路上增加了一个晶振。 说明：说明： 6.5 石英晶体振荡器 第六章 正弦波振荡器 1. 振荡器是无线电发送设备和超外差接收机的心脏部分， 也是各种电子测试仪器的主