《通信电子电路课件北邮信通院通信电子电路第3章正弦振荡电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信电子电路课件北邮信通院通信电子电路第3章正弦振荡电路（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章：正弦波振荡电路,信息与通信工程学院,内容提要,内容提要,本章着重讨论正弦波振荡电路的构成、工作原理、分析方法以及常用的正弦振荡电路,振荡电路的定义及其分类：正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路,正弦振荡电路的分类,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,从工作原理来看：,根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三端型LC、RC、晶体,反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作,负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡。工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多,从构成来看：,根据有源器件的不
2、同：晶体管、场效应管、集成电路、压控等等,反馈式正弦波振荡电路的工作原理,构成反馈式正弦波振荡电路的条件：,放大电路的正反馈，从而产生自激振荡,选频网络或者相移网络，以控制振荡频率和波形,放大电路的非线性，以控制振荡幅度,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,反馈式正弦波振荡电路的自激条件,方框图的结构说明,巴克豪森准则(Barkhousen Criterien)：,开环法,相位平衡条件是先决的、最本质的条件,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,反馈式正弦波振荡电路自激条件举例,互感耦合调集振荡电路的说明,除满足相位平衡条件外还必须满足幅度平衡条件,第一节：反
3、馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,振荡幅度的建立和稳定过程(一),起振过程的定性解释,故起振条件为：,稳幅过程,内稳幅：靠放大电路中晶体管所固有的非线性特性达到稳定值,假定晶体管不进入饱和区且忽略基区调宽效应。,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,振荡幅度的建立和稳定过程(二),当输入为小信号时,当输入为大信号时,在谐振频率下：,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,振荡幅度的建立和稳定过程(三),在谐振频率下：,输出电压从起振到稳定的全过程：,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,稳定条件(一),振荡电路的平衡条件不能说明振荡电路在
4、外来干扰作用下平衡状态是否稳定，只是维持振荡的必要条件而不是充分条件,稳定平衡状态，干扰因素消失后振荡能自动回到原来的平衡状态,两种可能的平衡状态：,不稳定平衡状态，干扰因素消失后越来越偏离原来的平衡状态,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,稳定条件(二)：振幅稳定条件,振幅稳定条件的定义,左图中的B点即为稳定平衡状态,稳定过程叙述,振幅稳定条件：,硬激励和软激励的区别,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,稳定条件(三)：相位稳定条件,相位稳定条件的定义,环路相位变化对角频率的影响,相位稳定过程叙述,相位稳定条件：,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频
5、域分析方法,正弦波振荡电路的线性频域分析方法(一),首先要检查电路的结构是否满足反馈型正弦振荡电路的必要因素,判别正弦振荡电路能否振荡的步骤：,其次是分析振荡的平衡条件,任何振荡电路起振时， 都很小，放大电路工作在晶体管的线性工作区，因此在起振阶段可以用小信号模型构成的微变等效电路进行计算。只要满足起振条件，靠晶体管的非线性最终一定能够得到稳定的等幅振荡,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,正弦波振荡电路的线性频域分析方法(二),画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件,画微变等效电路，并在某一点开环。开环后应保证原来的工作条件不变,计算开环传递函数,利用相位平衡条件确定振
6、荡角频率,利用 角频率下的平衡条件，确定维持振荡幅度所需要的 值,选择晶体管的 使 ，此时电路满足起振条件,开环法的定义与步骤：,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,正弦波振荡电路的线性频域分析方法(三),画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件,画微变等效电路，并列写出电路方程，这是一组线性齐次方程组,令线性方程组复系数矩阵的行列式,选择晶体管的 使 ，此时电路满足起振条件,闭环法的定义与步骤：,解 ，可确定振荡角频率 和维持振荡幅度所需的 值,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,正弦波振荡电路的线性频域分析方法(补),按照甲类的方法使用小信号交流等效电
7、路来计算起振时的放大倍数,但实际电路中往往在振幅达到平衡时已经进入强非线性区，此时应使用基波来进行分析，即利用丙类放大电路的分析方法,注意这两种方法的局限性：,经验的数据为在视器件输入端为开路时，设置反馈系数为1/5-1/10,第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法,利用LC组成选频网络的反馈型正弦波振荡电路统称为LC正弦波振荡电路,LC振荡电路中晶体管的工作状态(一),第二节：LC正弦波振荡电路,振荡电路的运用条件,振荡电路的工作区域,起振时的放大倍数,工作点的选择,振荡幅度的建立过程,实用的小功率振荡器多工作于甲乙类,LC振荡电路中晶体管的工作状态(二),静态工作点选在截止区
8、时无法自动起振,第二节：LC正弦波振荡电路,LC振荡电路中晶体管的工作状态(三),甲类起振丙类工作的自偏电路,起振后工作点的移动过程简述,第二节：LC正弦波振荡电路,调谐型正弦波振荡电路,采用互感耦合线圈(或变量器)作为反馈网络构成的振荡电路即为调谐型电路,使用部分接入的原因,第二节：LC正弦波振荡电路,三端型LC振荡电路(一),三端电感振荡电路，通常也称为哈特莱(Hartley)电路,亦可称为电感分压反馈式振荡电路,第二节：LC正弦波振荡电路,三端型LC振荡电路(二),三端电容振荡电路，通常也称为科皮兹(Colpitts)电路,亦可称为电容分压反馈式振荡电路,第二节：LC正弦波振荡电路,选频
9、网络的反相作用(一),第二节：LC正弦波振荡电路,选频网络的反相作用(二),第二节：LC正弦波振荡电路,当选频网络的输入信号频率为 时,选频网络与放大电路的反相作用相加，从而可以构成正反馈,选频网络的反相作用(三),第二节：LC正弦波振荡电路,选频网络的反相作用(四),左图所示三端型电路的判别准则：,与 的电抗性质相同,与 ， 的电抗性质相反,可用于判别多个不同符号电抗元件构成的复杂电路,第二节：LC正弦波振荡电路,射同基(集)反,选频网络的反相作用(例),判别下图是否满足自激所需的相位条件，设,由于集射和基射之间为感抗，则基集之间必须为容抗,即：,故左图满足自激所需相位条件,第二节：LC正弦
10、波振荡电路,例：判别以下电路能否起振(一),例题,不可能,不可能,例：判别以下电路能否起振(二),例题,分析三端型LC振荡电路的注意事项,对于三端型LC振荡电路，不能象放大电路那样可以分为共射、共基和共集三种组态，原因如下：,在放大电路中，三种组态的区分是依据信号源、负载和晶体管相连接的公共电极不同；信号源和负载是分开的，放大特性实质上代表信号源和负载的能量相对关系,在三端型LC振荡电路中，晶体管的三个电极和LC谐振回路的三个点相连接，不存在像放大电路中那样的信号源和负载是两个分离体。从而不能将三种组态套用于振荡电路中,切勿认为晶体管的哪个电极接地，就是共哪个极的振荡电路,第二节：LC正弦波振
11、荡电路,三端电感振荡电路(一),使用闭环法，可得：,第二节：LC正弦波振荡电路,三端电感振荡电路(二),优点：,容易起振，输出电压幅度较大,容易通过调节电容改变振荡频率，调节时不影响反馈系数,缺点：,输出端和反馈端均为电感，振荡波形不太好,电感上的分布电容和晶体管的极间电容影响环路增益，电路的振荡频率不能过高,第二节：LC正弦波振荡电路,三端电容振荡电路,使用开环法(在基极开环)进行分析,第二节：LC正弦波振荡电路,三端电容振荡电路的近似估算,振荡角频率的近似估算：,分别计算 、 来估算起振条件：,负号的含义,反馈系数的决定,负号的含义,阻抗变换作用,第二节：LC正弦波振荡电路,三端电容振荡电
12、路的优缺点,优点：,输入端和反馈端都是电容，对高次谐波电抗较小，振荡波形好,只要减小电容就能提高振荡频率，若不外加电容，仅利用晶体管的输入和输出电容作回路电容，则振荡频率可高达几百兆赫，甚至上千兆赫,缺点：,改变频率不方便，适用于作为固定频率的振荡器,和 接在晶体管集射极和基射极上，振荡频率越高， 和 的电容值越小，此时晶体管的结电容将直接影响到 和 ，从而影响振荡频率的稳定性,第二节：LC正弦波振荡电路,关于振荡频率的进一步讨论,严格计算时应取决于相位平衡条件,一般应采用平衡条件时器件进入强非线性区后对基波进行分析的方式,工程估算方法如下：,暂不考虑器件输出、输入阻抗的影响,由于在整个振荡电
13、路中相位随频率变化最剧烈的是作为放大环节负载的谐振回路。在振荡频率比器件特征频率低很多时可忽略器件内部的相移。又因为通常反馈电路的相移不大，从而只需振荡频率稍微偏离回路的谐振频率，其所造成的放大环节的相移可抵消反馈回路的相移，即满足相位平衡条件。故谐振回路的谐振频率可近似看作为振荡频率,第二节：LC正弦波振荡电路,改进型三端电容振荡电路(一),串联改进型三端电容电路，克拉泼(clapp)电路,优点,缺点：不易起振等,第二节：LC正弦波振荡电路,改进型三端电容振荡电路(二),并联改进型三端电容电路，西勒(Seiler)电路：频率稳定性高，输出幅度较平稳，频率覆盖宽,固定，通过改变 来调节振荡频率
14、。,优点：调节频率时不影响反馈及放大倍数,第二节：LC正弦波振荡电路,调栅电路的自激条件,第二节：LC正弦波振荡电路,结型场效应管自给偏压电路,采用 、 组成的栅极自给偏压,工作过程简述：,起振时,振荡电压增大时,满足幅度平衡条件后,第二节：LC正弦波振荡电路,MOS管三端电路,、 构成栅极外接检波电路,、 构成源极自给偏置方式,第二节：LC正弦波振荡电路,晶体管振荡电路的注意事项,不管是分压式偏置还是恒流源偏置，都具有自给偏压效应。为保证起振，要设置一定的工作点。当电路起振后，由于自给偏压效应，电路会自动移动到丙类工作状态。自给偏压效应一方面可提高振荡器的使用效率，更重要的是具有自动稳幅作用
15、,第二节：LC正弦波振荡电路,差分对管振荡器,电路结构说明,LC回路两端的振荡电压幅度不能太大，一般为200mV左右,第二节：LC正弦波振荡电路,交流等效电路的分析,优点：,截止区限幅的优点,奇对称性的优点,集成LC振荡器,差分对管振荡器,恒流源电路,T10T14组成偏置电路,共射-共基级联放大器,单入单出差动放大器,隔离输出级,第二节：LC正弦波振荡电路,负反馈稳幅电路,其它振荡器,请自行参考课本,第二节：LC正弦波振荡电路,综述(一),第三节：RC正弦波振荡电路,使用RC振荡电路的原因,RC振荡电路的定义：使用RC移相网络替代LC选频网络构成的正弦振荡电路,由于RC选频网络的选频特性比LC
16、选频网络的特性差得多，导致RC振荡器的电路构成和器件工作状态与LC振荡器有明显的区别：常采用负反馈来提高电路的选频特性,综述(二),第三节：RC正弦波振荡电路,综述(三),总的反馈效果是：在振荡频率，正反馈超过负反馈，并满足自激条件；偏离自激频率时，力求使负反馈超过正反馈，以抑制不需要的频率，从而改善输出波形,RC振荡电路的构成方法：,由同相放大电路和对所需频率能产生零相移的RC移相网络构成,由反相放大电路和对所需频率能产生 相移的RC移相网络构成,根据结构的不同可以进行分类,第三节：RC正弦波振荡电路,文氏桥RC振荡电路的构成,由同相放大电路和串并联RC网络构成,电路结构说明：正反馈网络和负反馈网络,第三节：RC正弦波振荡电路,文氏桥RC振荡电路的振荡频率和起振条件,故振荡角频率即为,幅度平衡条件为,称为文氏桥电路的原因,第三节：RC正弦波振荡电路,文氏桥RC振荡电路振荡的建立与稳定,由于RC振荡电路的频率选择性差，没有有效滤除谐波的能力，因此应使用外稳幅的方法解决振荡电路的稳幅问题，例如左图中R2的使用,使用温度系数为负的热敏电阻 后的稳定过程描述
