通信电路课件：正弦波振荡器

通信工程学院1正弦波振荡器通信工程学院2概述概述功率放大器：将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。特点：被动地，需输入信号控制。正弦波振荡器(Sinewave Oscillator)：将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：自动地，无需输入信号控制。通信工程学院3正弦波振荡器的应用作信号源要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。正弦交变能源要求：功率足够大，高效。通信工程学院4分类按波形：正弦波振荡器、非正弦波振荡器；按组成原理：反馈振荡器、负阻振荡器；按选频网路：LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器。振荡器在实质上是一种能量转换元件，利用反馈或负电阻效应来克服能量损失。通信工程学院53.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理1、组成、组成主网络与反馈网络构成闭合环路。通信工程学院62、等幅持续振荡的条件、等幅持续振荡的条件 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程，即起振条件。进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上，即平衡条件。当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡，即稳定条件。通信工程学院73.1.1 平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件分析：刚通电时 谐振回路的选频功能 变压器绕向正确放大选频反馈再放大等多次循环通信工程学院8起振条件环路增益振幅起振条件或相位起振条件 T(osc)=A(osc)+f(osc)=2n(n=0，1，2，)通信工程学院9二、平衡条件二、平衡条件分析：若在某一频率 上，与 同相又等幅，即当环路闭合后：主网络将输出正弦振荡电压 ,角频率为 ；所需输入电压 全部由反馈电压 提供，无需外加输入电压。通信工程学院10平衡条件振幅平衡条件环路增益的模 T(osc)=1，即巴克好森准则相位平衡条件环路增益的相角T(osc)=2n(n=0，1，2，)通信工程学院11讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：起振时，T(osc)1，Vi 迅速增长；随后，T(osc)下降，Vi 的增长速度变慢；环路增益的相角 T(osc)则必须维持在 2n 上。到 T(osc)=1 时，Vi 停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。通信工程学院123.1.2稳定条件稳定条件一、问题的提出一、问题的提出稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素的影响受到破坏的条件。稳定平衡和不稳定平衡通信工程学院13振荡电路中存在干扰外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。内部：存在固有噪声。后果：均造成 T(osc)和 T(osc)的变化，破坏平衡条件。干扰对平衡状态的影响(两种)通过放大和反馈的反复循环：振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免；振荡器有回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。通信工程学院14二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件若 ，干扰使得：稳定过程最后在新的 上重新满足平衡条件 T(osc)=1。最后在新的 上重新满足平衡条件 T(osc)=1。通信工程学院15环路增益存在两个平衡点的情况分析：若使 Vi ViB，则 T(osc)随之增大，导致 Vi 进一步增大，从而更远离平衡点 B。最后到达平衡点 A。反之，若直到停止振荡。而且，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产生大于ViB 的起始扰动电压，才能进入平衡点 A，产生持续等幅振荡。通信工程学院16硬激励：靠外加冲击而产生振荡。软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。振幅稳定条件要使平衡点稳定，T(osc)必须在 ViA 附近具有随 Vi 增大而下降(负斜率变化)的特性，即斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的 T(osc)变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。通信工程学院17三、相位三、相位(频率频率)稳定条件稳定条件 T(osc)的偏移对振荡频率的影响由相位平衡条件T(osc)=2n(n=0，1，2，)，表明每次放大和反馈后的电压与原输入电压同相；若某种原因使 T(osc)0，相位超前，表明振荡器角频率将高于osc；若某种原因使 T(osc)osc，希望T()0，Vi 的超前势必受到阻止；若某 0，Vi 的滞后势必受到阻止。相位稳定条件通信工程学院19举例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。T()由两部分组成：放大器输出电压 对输入电压 的相移 A()；反馈网络反馈电压 对 的相移 f()。即 T()=A()+f()通信工程学院20其中A()放大管(可略)并联谐振回路相移 Z()而f()可认为它与 无关。故 Z()随 变化的特性可代表 T()随 变化的特性。并联谐振回路，其相频特性：0 谐振频率Qe 有载品质因数通信工程学院21通信工程学院223.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法一、一、振荡三条件的归纳与讨论振荡三条件的归纳与讨论平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件起振条件振幅起振条件T(osc)1相位起振条件稳定条件振幅稳定条件相位稳定条件通信工程学院23三个条件都必须满足，缺一不可。在实际振荡电路中，必须满足起振和平衡条件，而稳定条件则是隐含在电路结构中。如果电路结构合理，只要满足起振条件，就能自动进入平衡状态，产生持续振荡。振荡器的分析可分为定性和定量两个方面：定性分析判断电路结构是否合理，包括电路中是否有选频网络，选频网络的相频特性是否为负斜率，电路中是否具有正反馈。定量分析仅需分析电路是否满足起振条件，由于起振时，振荡管处于线性放大状态，且输入信号很微弱，可以采用微变等效电路的方法进行分析。通信工程学院24二、基本组成及其分析方法二、基本组成及其分析方法 组成可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n。种类可变增益放大器 按放大管分：晶体三极管，场效应管，差分对管和集成运 放；按实现可变增益的方法：内稳幅：利用放大管固有的非线性。外稳幅：放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。通信工程学院25相移网络具有负斜率变化的相移 LC 谐振回路 RC 相移和选频网络 石英晶体谐振器三、工程分析方法三、工程分析方法检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出 T(j)，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。通信工程学院263.2 LC 正弦波振荡器正弦波振荡器定义：采用 LC 谐振回路作为相移网络的振荡器。种类：变压器耦合振荡电路三点式振荡电路差分对管振荡电路通信工程学院273.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路一、电路组成法则一、电路组成法则电路(a)电容三点式，考毕兹(Colpitts)电路；(b)电感三点式，哈脱莱(Hartley)电路。通信工程学院28组成法则射同集（基）反与射极相连的元件电抗性质相同，与集电极、基极相连的元件的电抗性质相反。证明此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。通信工程学院29证明：回路谐振时 而 与 反相 反馈电压为了满足相位平衡条件，就必须与 反相，因而X2必须与X1为同性质电抗，再由X1X2X30，可知X3应为异性电抗。振荡频率等于谐振回路的振荡频率？通信工程学院30二、三点式振荡电路二、三点式振荡电路电容三点式振荡器电路RB1,RB2和RE：分压式偏置电阻；CC,CB和CE：旁路和隔直电容，至少要比谐振回路电容值大一个数量级以上；L,C1和C2构成并联谐振回路。通信工程学院31思考：反馈信号从哪取得？能否满足自激振荡的相位平衡条件呢？不同之处：两图的区别是交流接地电极方式不同，所以反馈方式也不同；（a）反馈电压加到三极管的基极，（b）反馈电压加到三极管的发射极通信工程学院32就交流通路而言，不论三极管哪一个极交流接地，它们都是由可变增益器件（三极管）和移相网络（并联谐振回路）组成，且满足三点式振荡电路的组成法则。由偏置电路设置合适的静态工作点，以保证起振时工作在放大区（一般情况是甲类），提供足够的增益，满足起振条件；起振后，振荡振幅增长，直到三极管呈现非线性特性时，放大器的增益将随振荡幅度增大而减小，同时，偏置电路产生的自给偏置效应又进一步加速放大器增益的下降。通信工程学院33直流偏置电路如图所示。刚起振时，发射结直流偏置为静态偏置电压，VBE0=VBEQ=VBB-IBQRB-IEQRE。反馈 vi vi 一部分进入截止区 iC为失真的脉冲波，其平均值 IC0 ICQ VBE0 增益 平衡通信工程学院34自给偏置效应（Automatic Bias Shift）通信工程学院35电感三点式振荡器电路L2必须通过隔直电容（CB和CE）接到基极或发射极上，以防止偏置电路被L2短路。通信工程学院36三、电容三点式振荡电路的起振条件三、电容三点式振荡电路的起振条件分析原则：起振时，放大器为小信号工作，可以小信号等效电路分析方法导出T(j)，并由此求出起振条件以及由起振条件决定电路参数及相应的振荡频率。通信工程学院37等效电路推导环路增益 T(j)时，应将闭合环路断开。断点左面加环路的输入电压 Vi(j)断点右边(与C2 并联)接入自断点向左看进去的阻抗 ZiRe0：L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻。通信工程学院38用混合 型等效电路表示（共基组态）设 fosc 1 (gm A)可求得三点式振荡器的相位起振条件为振幅起振条件为振幅起振条件通信工程学院43振荡角频率 osc 振荡频率 osc 由相位起振条件决定式中，：LC 回路总电容，：固有谐振角频率。osc 与 0(LC)有关，还与 gi(Ri)、gL(Re0、RL)有关，且 osc 0。在实际电路中，一般满足工程估算时，osc 0=通信工程学院44振幅起振条件的简化工程估算时，令 =osc 0，代入振幅起振条件，即得：定义电容分压比 n则或通信工程学院45若则为 经电容分压器折算到集电极上的电导值回路谐振时集电极上的总电导值回路谐振时放大器的电压增益反馈系数振幅起振条件即接入系数通信工程学院46讨论：为满足振幅起振条件，应增大 Av(0)和 kfv。增大 kfv(=n)，n2gi 增大，Av(0)减小；减小 kfv，虽提高 Av(0)，但回路增益 T(0)受限。故 n 取值应适中。提高 ICQ，可以增大 gm，从而提高 Av(0)，但不宜过大，否则，gi(1/re=gm/)会过大，造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取 1 5 mA。结论：若振荡管 fT 5fosc，RL 又不太小(1 k)，且 n(两电容)取值适中，一般都满足起振条件。通信工程学院47 所示闭合环路在基极处开断，三极管接成共发组态。闭合环路其他断开方式通信工程学院48结论：分析的时候，环路闭合点不论何处断开，其振幅起振条件都一样。不过断开点不同，放大器的组态和反馈网络的组成就不同，相应的放大器增益和反馈系数不同。四、用工程估算法求起振条件四、用工程估算法求起振条件 将闭合环路断开，画出开环等效电路。求出固有谐振频率 0，并令osc 0。将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。通信工程学院EC例题：图4-9 例4-1的电容三点式振荡器电容三点式振荡电路的起振条件分析通信工程学院解：根据给定电路，画出环路的等效电路。图4-10 例4-1电路的等效电路振荡频率（1）回路电容通信工程学院（2）起振条件则：通信工程学院52例 1：判断如图所示交流通路能否满足相位平衡条件？解：若 L、C3 串联支路呈感性，则符合相位平衡条件条件：当 osc 时，L、C3 串联支路呈感性。近似前提：C3 0，X 0，呈感性；0，X 0，X 0，