《高频电路原理与分析》（第四版） 电子课件教案-第4章 正弦波振荡器

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1、高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理 4.2 LC 振 荡 器4.3 频率稳定度4.5 LC振荡器的设计考虑4.5 石英晶体振荡器 4.6 振荡器中的几种现象高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理自激振荡器： 将直流电能转换为交变振荡能量1.按波形分类：(1)简谐波振荡器：产生波形近似为正弦波高频：LC振荡器(较稳定)石英晶体振荡器(最稳定)低频：RC振荡器(稳定性差)(2)张弛振荡器：产生非正弦波2.研究方法：正反馈方法(多采用) 负阻方法(简介)重点：正弦波振荡器工作原理；起振条件、平衡条件、稳定条件；电路的判别原则

2、。高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器一、问题的引入调谐放大器和自激振荡器 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器自激振荡器条件： 1.有正反馈电路，满足 ： 相位条件： 与同相幅度条件：足够大2.有选频电路，以产生 正弦或余弦信号；3.有非线性部件，将 直流电能转为交流信 号能量。反馈振荡器模型高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器二、振荡器的平衡条件反馈振荡器模型高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器(4 1) (4 2) (4 3)(4 4)(4 5) (4 6)由 得 其中 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器自激振荡的条件就是环路增益为1,

3、即 (4 7) 通常又称为振荡器的平衡条件。 由式(4 5)还可知形成增幅振荡 形成减幅振荡(4 8)高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器 4.1.2平衡条件振荡器的平衡条件即为也可以表示为(4 9a) (4 9b) 式(4 9a)和(4 9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。 现以单调谐谐振放大器为例来看K(j)与F(j)的意义。 若 由式(4 2)可得高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器(4 10) 式中, ZL为放大器的负载阻抗(4 11) Yf(j)为晶体管的正向转移导纳。 (4 12) 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器与F(j)反号的反馈系数F(j)(4 13) 这样,

4、 振荡条件可写为 (4 15) 振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为 (4 15a) (4 15b) 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器4.1.3 起振条件 为了使振荡过程中输出幅度不断增加, 应使反馈回 来的信号比输入到放大器的信号大, 即振荡开始时应为 增幅振荡, 因而由式(4 8)可知称为自激振荡的起振条件, 也可写为 (4 16a) (4 16b) 式(4 16a)和(4 16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件, 其中起振的相位条件即为正反馈条件。 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器图 4 2 振幅条件的图解表示 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器 4.1.5 稳定条件

5、振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 振幅稳定条件为(4 17) 由于反馈网络为线性网络, 即反馈系数大小F不随输入信号改变, 故振幅稳定条件又可写为 (4 18) 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器1幅度稳定条件 A点:软激励状态(初始静态工作点在放大区) 两曲线交点A， 为平衡稳定点 B点:硬激励状态(静态工作点靠近截止区) 两曲线交点B，为平 衡不稳定点 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器幅度稳定条件为：且相差越大越好。 即：振幅稳定是利用放大器的非线性，使Av与振幅的 变化成反比。 内稳幅：加大放大器的非线性，和自给偏压效应。 外稳幅：放大器为线性时，另插入非线性环

6、节。高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器一个正弦信号的相位和它的频率之间的关系(4 19a) (4 19b) 相位稳定条件为 (4 20) 2相位稳定条件(频率稳定性)当相位平衡条件a+f=2n被破坏时，振荡器本身应能 重新建立起相位稳定点。某原因(温度、电压等)引起：Vf超前Vs ，使周期缩短(f)Vf滞后Vs -，使周期加大(f)LC回路(稳频机构)可抵消引入的相位变化：f，(容性)产生-LCf，(感性)产生+LC高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器设:系统原工作频率f01对应 LC(A点)， 某原因引起,使 f(f01f02)， 这时LC回路产生-LC；若： -LC=0，系统在f02

7、(B点)达 到新的相位平衡。 即： 若扰动保持，系统稳定在 f02(B点)，频率稳定度下降；注意：相频曲线负斜率越大，f02偏离f01越小，频率稳定 度越高。提高回路Q值可加大负斜率，石英晶体Q值极高，故 频率稳定性好；使固有LC0，即原f01接近f0(负斜率，且越大越好)若扰动消除，返回f01(A点)。则相位稳定条件为：高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器 4.1.6 偏置电路对振荡性能的影响1)自给偏压效应高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器图中:则:初始工作点VBEQ较高,在放大区: VBEQ=VBB-IB0Rb-IE0Re接通后:高,ic大,Av高,软自激状态正反馈使vs(vf)I

8、B0,IE0工作点左移(甲甲乙 丙)VBE0在VBE0处，达到平衡条件AvFv=1,vs(vf)s(vf)不变,IB0、IE0为 常数，VBE0不变。(可通过测IE0，判断是否起振)高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器2）自给偏压电路引起的间歇振荡原因：(1)丙类工作时，管子正半周角导通，向回路提 供能量，若CbRb,CeRe时间常数过大，导通时间，回路得不 到足够的能量补充；(2) 回路Q值低，能量损耗大。 若：提供的能量=回路能量损耗,电路可维持振荡。 否则：电路产生间歇(衰减)振荡甚至停振。因此要求R,C,Q 的选取应满足：高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器4.1.7 振荡线路举例

9、互感耦合振荡器反馈网络由L和L1间的互感M担任, 因而称为互感耦合式的反馈振荡器, 或称为变压器耦合振荡器。 共基组态 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器共射组态 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器起振与平衡条件的参数表示:图 (d)等效电路已知:设:振荡器的负载 阻抗为Zc有:高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器a.判断Uf和Ui是否同相b.判断是否为正反馈 相位条件：起振条件：振荡频率：高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器 4-2 LC正弦波振荡器三端式振荡器的组成 变压器耦合振荡器 三点式LC正弦波振荡 器 工作频率 几百kHz几MHz 几MHz几百 MHz 频率稳定度 10

10、e-2 10e-310e-44-2-1 三点式振荡器的组成原则三点式振荡器的一般形式(如图) 振荡器的三极分别与回路的三点相连接，故称三点式振荡器。高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有(4 21) 一般情况下, 回路Q值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流 İb 、集电极电流 İ c以及发射极电流 İe, 故由上图有(4 22a) (4 22b) 因此X1、 X2应为同性质的电抗元件。 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器三端式振荡器有两种基本电路, 如图所示。 图 (a)中X1和X2为容性, X3为感性, 满足三端式振荡器的组成

11、原则, 反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容反馈振荡器, 也称为考必兹(Colpitts)振荡器 两种基本的三端式振荡器(a) 电容反馈振荡器; (b) 电感反馈振荡器 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器一些常见振荡器的高频电路, 判断它们是由哪种基本线路演变而来的。 几种常见振荡器的高频电路 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器4-2-2 电容反馈振荡器（考毕滋电路） 图a是一电容反馈振荡器的实际电路, 图(b)是其交流 等效电路。高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器电容反馈振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路; (c) 高频等效电路 高频电路原理与分析第4章 正弦波

12、振荡器电路的振荡频率为 (4 23) (4 25) C为回路的总电容 由图(c)可知, 当不考虑gie的影响时, 反馈系数F(j)的大小 为(4 25) (4 26) （忽略Cie、Coe对C1、C2的影响）高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器将gie折算到放大器输出端, 有(4 27) 因此, 放大器总的负载电导gL为则由振荡器的振幅起振条件YfRLF1, 可以得到(4 28) (4 29) 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器可见:Fv不可过大或太小工程上 Fv=C1/C2=1/21/8优点：波形好；频率稳定度高；工作频率高。 缺点：频率不易调整，改变C1、 C2时会改变Fv ,改进

13、方法之一 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器4-2-3 电感反馈振荡器（哈特莱电路） 下图是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器电感反馈振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路; (c) 高频等效电路 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器同电容反馈振荡器的分析一样, 振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示, 即式中的L为回路的总电感, 由图有(4 30) (4 31) 由相位平衡条件分析, 振荡器的振荡频率表达式为 (4 32) 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响, 反馈系数的大小为

14、(4 33) 由起振条件分析, 同样可得起振时的gm应满足(4 35) 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器Fv的取值：过小：反馈量小，不易起振；过大：Ri经N2影响回路Q值及频率 稳定度，严重时不起振。 工程上一般：Fv=N2/N1=1/31/8谐振频率：优点：易起振，易调整(调C基本上不影响Fv) 缺点：波形差；工作频率低： f,L1和L2的匝数，L2不能(210)fo 较高的晶 体管,这样晶体管内部相移较小。通常选择fT (310)f1max 。同时希望电流放大系数大些,这既容易振荡,也便于减小 晶体管和回路之间的耦合。 三、偏置电路的确定静态应靠近截止区,以利于进入平衡状态时,管子处

15、于截止状 态(输出阻抗大),对网络影响小。一般：IcQ=14mA四、振荡回路参数的确定L/C=10e-510e-6； 三点式:Fv=0.40.1。从稳频出发,振 荡回路中电容C应尽可能大,但C过大,不利于波段工作;电感L也 应尽可能大,但L大后,体积大,分布电容大,L过小,回路的品质因 数过小,因此应合理地选择回路的C、L。在短波范围,C一般取 几十至几百皮法,L一般取0.1至几十微亨。 高频电路原理与分析第4章 正弦波振荡器五、直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在线性放大区;从稳频出发,稳定状态应在截止区,而不应在饱和区,否则回路的有载品质因数QL将降低。所以,通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区,电路应采用自偏压。 六、振