正弦波振荡器剖析

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1、第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器概述概述: 功能功能:收端本振产生收端本振产生,发端载波产生发端载波产生, 要求要求:f稳稳,Um稳稳,波形好波形好 分类分类:1. 反馈式反馈式,负阻负阻 2. 正弦波振荡器，非正弦波振荡器正弦波振荡器，非正弦波振荡器振荡器（几百振荡器（几百KHz），），LC振荡器振荡器, 晶体振荡晶体振荡器器1正弦波振荡器剖析第一节第一节 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理一一 方框图以及平衡条件方框图以及平衡条件:1.组成形式及自激条件组成形式及自激条件 放大器放大器+反馈网络及反馈网络及 选频网络选频网络 K(S)放大器放大器 F(S)反馈环节反馈环节 闭环传递函数

2、闭环传递函数 Ku(S): 由由2正弦波振荡器剖析可以得到可以得到:当当 即没有外加信号即没有外加信号,也可以维持振荡输出也可以维持振荡输出.3正弦波振荡器剖析故自激故自激(平衡平衡)条件为条件为也可以表示为也可以表示为: 振幅条件振幅条件:相位条件相位条件:4正弦波振荡器剖析参数电路自激参数电路自激(平衡平衡)条件条件: 电压放大系数电压放大系数: 正向传输导纳正向传输导纳: 反馈系数反馈系数: 引入引入 5正弦波振荡器剖析所以所以,自激条件为自激条件为:则振幅条件则振幅条件: 相位条件相位条件:6正弦波振荡器剖析并联并联LC回路回路:其相频特性为其相频特性为:而而 ,相位条件满足相位条件满

3、足 ,在在 处处,若振幅条件满足若振幅条件满足,即二条件均满足即二条件均满足, 产产 生振荡生振荡.7正弦波振荡器剖析二二 起振条件起振条件: 满足振荡条件下满足振荡条件下,振荡建立过程应振荡建立过程应 放大特性为非线性放大特性为非线性, 反馈特性为线性反馈特性为线性. 8正弦波振荡器剖析过程过程:电子骚动电子骚动-放大选频放大选频-增幅增幅等幅等幅(A点点,平衡点平衡点)9正弦波振荡器剖析三三 稳定条件稳定条件: 外界因素使外界因素使f(或或 )或振幅变化或振幅变化,能否自动恢复平衡能否自动恢复平衡?1.幅度条件幅度条件: 做做 曲线组曲线组. 分析分析A点是否为稳定平衡点是否为稳定平衡?1

4、0正弦波振荡器剖析所以所以,幅度稳定条件为幅度稳定条件为: 放大特性斜率小于放大特性斜率小于0.显然显然:2.相位条件相位条件: 可见可见,相位条件为相位条件为: 曲线斜率为负曲线斜率为负11正弦波振荡器剖析12正弦波振荡器剖析互感耦合振荡器互感耦合振荡器13正弦波振荡器剖析第二节第二节 Lc振荡器振荡器一一.构成原则构成原则: 晶体管与晶体管与Lc回路按三端式结构连接回路按三端式结构连接. 按照相位条件满足构成按照相位条件满足构成. 为电抗为电抗,可为感抗或容抗可为感抗或容抗. 根据相位条件根据相位条件,需需:射同余异即射同余异即 射极相同射极相同,其余相反其余相反(与射极相连与射极相连 的

5、电抗的电抗 性质必须相同性质必须相同,另一另一 个余下的个余下的 则为异性电抗则为异性电抗) 说明说明:a.回路对回路对f0谐振谐振,则总电抗之和为零则总电抗之和为零: 即即:14正弦波振荡器剖析b: 谐振回路必须由异性电抗构成谐振回路必须由异性电抗构成,则则 必与必与 异性异性.15正弦波振荡器剖析例例: 两种基本的三端式电路两种基本的三端式电路: 电容反馈（考必兹）振荡器电容反馈（考必兹）振荡器; 电感反馈（哈特莱）振荡器电感反馈（哈特莱）振荡器 16正弦波振荡器剖析判断下图所示振荡器哪些是由基本三端式电路演变而来判断下图所示振荡器哪些是由基本三端式电路演变而来的？如不是判断可否震荡？的？

6、如不是判断可否震荡？17正弦波振荡器剖析试分析哪种情况下可以振荡，是何种类型的振荡器？试分析哪种情况下可以振荡，是何种类型的振荡器？18正弦波振荡器剖析作业： P177 41， 43， 44， 19正弦波振荡器剖析二二.电容三端式振荡器电容三端式振荡器(Colpitts考必兹考必兹) 1.线路线路(要保证要保证 放大放大+反馈反馈+选频选频) 实际线路实际线路 交流等效电路交流等效电路 LC提供直流馈电提供直流馈电,Cb耦合耦合 R1, R2,Re,Ce组合偏压组合偏压(组合偏压有利于稳定组合偏压有利于稳定Q点点,稳定稳定 振幅振幅.) 20正弦波振荡器剖析2.高频等效电路高频等效电路 晶体管

7、振荡器晶体管振荡器,起振时工作于小信号放大状态起振时工作于小信号放大状态,可用小可用小信号参数信号参数1.反馈系数反馈系数F(jw)(忽略忽略 旁路旁路) 21正弦波振荡器剖析2.接入系数接入系数:(CE)管子接入管子接入LC回路回路等效到等效到c-e端的总谐振电导端的总谐振电导: 22正弦波振荡器剖析3.起振条件起振条件(对对gm的要求的要求)由振幅起振条件由振幅起振条件: 4.振荡频率振荡频率: 由高频等效电路求得由高频等效电路求得 的表达式的表达式: 23正弦波振荡器剖析振荡时振荡时 , 化简令虚部为零化简令虚部为零,有有: 可解出振荡频率可解出振荡频率: 例：例：24正弦波振荡器剖析

8、例:已知电容三端式电路已知电容三端式电路 晶体管晶体管 求求25正弦波振荡器剖析(2)反馈系数反馈系数(3)接入系数接入系数(4)起振条件起振条件: 回路空载损耗电阻回路空载损耗电阻: 26正弦波振荡器剖析27正弦波振荡器剖析三三.电感三端式电感三端式(Hartley,哈特来哈特来)振荡器振荡器 分析与电容三端式类似分析与电容三端式类似.28正弦波振荡器剖析29正弦波振荡器剖析比较比较 电容三端式电容三端式 电感三端式电感三端式电容有滤波作用电容有滤波作用,波形好波形好改变抽头位置即可改变反改变抽头位置即可改变反馈系数馈系数,较方便较方便可由极间电容取代可由极间电容取代C1,C2最高工作频率相

9、对较高最高工作频率相对较高工作频率高时，极间电容工作频率高时，极间电容可能改变电感的性质，所可能改变电感的性质，所以频率低以频率低改变频率时，改变反馈系数，改变频率时，改变反馈系数，可能停振，所以固定频率可能停振，所以固定频率改变频率不影响反馈系数改变频率不影响反馈系数,因而工作频率范围较宽。因而工作频率范围较宽。30正弦波振荡器剖析四四 改进的电容三端式电路改进的电容三端式电路 (Clapp 克拉泼电路克拉泼电路) 前面讲的两种电路前面讲的两种电路(考必兹、哈特莱考必兹、哈特莱),都会因为晶体管结都会因为晶体管结电容电容Cie,Coe受温度的影响而变化受温度的影响而变化,稳定性差稳定性差.

10、故对电路进故对电路进行改进行改进.1.增加电容增加电容C3(克拉泼克拉泼):串联改进串联改进(a) 实际电路实际电路; (b) 交流等效电路交流等效电路 31正弦波振荡器剖析 通常通常则回路电容则回路电容:振荡频率为振荡频率为:反馈系数反馈系数: 由于振荡频率由于振荡频率 不受结电容影响不受结电容影响,所以稳定度提高所以稳定度提高!32正弦波振荡器剖析问题问题:1.调谐范围窄调谐范围窄,主要适合于窄带工作主要适合于窄带工作. 2. 3. 可能停振可能停振,因而因而C1,C2不能太大不能太大.同样也不能太小同样也不能太小,否则否则C3对对C影响更小影响更小,调谐范围更小调谐范围更小. 4. ,波

11、段高端输出小波段高端输出小, 且不易起振且不易起振.33正弦波振荡器剖析2.并联改进型并联改进型(西勒电路西勒电路 siler) 在电路中增加在电路中增加C4(a) 实际电路实际电路; (b) 交流等效电路交流等效电路 34正弦波振荡器剖析接入系数接入系数 振荡频率振荡频率 调谐不影响接入系数调谐不影响接入系数,输出平稳输出平稳. 波段范围宽波段范围宽: 调谐不影响调谐不影响Kf和和P1. 优点优点: 1. Kf固定固定. 2. C3小小, C1,C2大大,极间电容影响小极间电容影响小,稳定性好稳定性好. 3. P1在在C4改变时不变改变时不变,波段内输出平稳波段内输出平稳.常用常用 于通信和

12、电视中于通信和电视中. 4.高低端都易于起振高低端都易于起振.35正弦波振荡器剖析作业：作业： 4-5 4-6 (a) 4-11 4-12 4-13(a) 4-1536正弦波振荡器剖析第三节第三节 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度一一 频率稳定度的意义和表征频率稳定度的意义和表征1.要求和意义要求和意义: 要求要求:准确准确,即标称值和实际值误差小即标称值和实际值误差小,(f1-f0)小小. 稳定稳定, 时间内变化小时间内变化小. 即准确且不随时间变化即准确且不随时间变化. 意义意义: 1.通信时通信时,不易同步不易同步,收发频率相对跑动收发频率相对跑动, 影响质量影响质量.开机后要寻找开

13、机后要寻找,要微调要微调. 2.干扰相邻信道干扰相邻信道,或使信道无法充分利用或使信道无法充分利用. 3.测速测速,测距不准确测距不准确 4.定时精度低定时精度低(电子表不准电子表不准)37正弦波振荡器剖析2.表征表征: 绝对偏差绝对偏差: 相对偏差相对偏差: 长期稳定度长期稳定度 1天天 短期稳定度短期稳定度 =1s-1天天 测测 瞬时稳定度瞬时稳定度 1s 38正弦波振荡器剖析不同设备对其短期稳定度的要求不同设备对其短期稳定度的要求: 短波发射机短波发射机 10-4- 10-5 (10-6) TV现场直播现场直播 优于优于 10-7 CCTV电视台电视台 10-11- 10-13 信号源信

14、号源 10-3- 10-4 数量概念数量概念: 10-7的稳定度相当于两个月差半秒的稳定度相当于两个月差半秒. 2*10-7的稳定度相当于两个月一秒的稳定度相当于两个月一秒. 39正弦波振荡器剖析二二 频率变动的原因频率变动的原因: 1.来源来源(物理物理) 元器件老化元器件老化(管子参数管子参数C0,Cu)-长期稳定度长期稳定度 环境条件变化环境条件变化(温度温度,湿度湿度,电源波动电源波动)-短期稳定度短期稳定度 随机噪声随机噪声-瞬时稳定度瞬时稳定度 2.具体影响分析具体影响分析: 相位条件决定稳定度相位条件决定稳定度,无论长、短、瞬时稳定度无论长、短、瞬时稳定度,最终都最终都体现在相位

15、的变化体现在相位的变化. 相位条件为相位条件为: 40正弦波振荡器剖析 41正弦波振荡器剖析42正弦波振荡器剖析三三 稳频措施稳频措施:应从器件应从器件,元件元件,线路线路,结构结构,环境等方面进行考虑环境等方面进行考虑.1.振荡回路振荡回路 a: 提高提高Q b:增加温度补偿增加温度补偿 c:合理选择合理选择L和可以采用高频瓷骨架和可以采用高频瓷骨架,烧渗银烧渗银;固定电容固定电容可以采用陶瓷介质电容可以采用陶瓷介质电容,可变电容采用膨胀系数小的金可变电容采用膨胀系数小的金属材料属材料,铜比铝好铜比铝好. 互异互异,即使其温度系数即使其温度系数,老化系数异号为好老化系数异号为好. 2.晶体管

16、晶体管: 43正弦波振荡器剖析3.线路线路: 电容三端，克拉泼，西勒电路电容三端，克拉泼，西勒电路; 晶体管与回路弱耦合晶体管与回路弱耦合(即即P1下降下降); 晶体管小电流工作晶体管小电流工作,加稳定加稳定Q点的措施点的措施(e极加极加Re)在负载和回路之间加射极跟随器在负载和回路之间加射极跟随器,增大增大QL,负载影响减小负载影响减小.4.结构结构,环境环境 恒温恒温,屏蔽等屏蔽等.44正弦波振荡器剖析第四节第四节 晶体振荡器晶体振荡器一一 石英晶体石英晶体: SiO2晶体结构晶体结构:六棱柱六棱柱,有多种切割方式有多种切割方式: FT, AT， GT，BT，CT 等等X,Y,Z;X轴轴(

17、电轴电轴);Z轴轴(光轴光轴);Y轴轴(机械机械).压电效应：当晶体受外力作用而变形，就会在表面压电效应：当晶体受外力作用而变形，就会在表面产生正负电荷，呈现出电压。产生正负电荷，呈现出电压。反压电效应反压电效应:当在晶体两面加以电压时，晶体又会发当在晶体两面加以电压时，晶体又会发生机械形变。生机械形变。45正弦波振荡器剖析二二 石英晶体等效电路及谐振特性石英晶体等效电路及谐振特性(1).等效电路等效电路 机械共振经电压转换等效为机械共振经电压转换等效为Lq,Cq,回路电感和电容回路电感和电容. rq为摩擦产生的损耗电阻为摩擦产生的损耗电阻; Co静电容静电容(1-100pF),电极引线和支架

18、电容电极引线和支架电容. (2).Q值高值高: 46正弦波振荡器剖析 (3)具有多个谐振点具有多个谐振点: 可振荡于可振荡于 (4)电抗特性电抗特性:47正弦波振荡器剖析(5)接入系数接入系数(负载接入负载接入):在实际电路中，晶体两端并接有电容在实际电路中，晶体两端并接有电容CL,此时接入系数为：此时接入系数为：48正弦波振荡器剖析主要特点主要特点:很高很高,工作稳定工作稳定q,Cq老化慢老化慢,标准高标准高,常温温度相对变化量常温温度相对变化量 极小极小.极小极小( ),外电路对外电路对f的影响小的影响小,因而因而 优优,晶体振荡器频率稳定度极高晶体振荡器频率稳定度极高.49正弦波振荡器剖

19、析三三 线路应用线路应用:分类分类: a.并联型晶体振荡器电路并联型晶体振荡器电路, b.串联型晶体振荡器电路串联型晶体振荡器电路,1.并联型晶振电路并联型晶振电路 (1)电路电路晶体接于晶体接于c,b之间之间,用作电感用作电感-皮尔斯皮尔斯(Pierce)因为因为C结反向应用结反向应用,结电阻大结电阻大,对晶体对晶体Q值影响小，属值影响小，属电容三端式改进电路电容三端式改进电路. 50正弦波振荡器剖析 晶体等效为电感的电路还有晶体等效为电感的电路还有:称为密勒电路称为密勒电路(Miler电路电路)稳定性较低稳定性较低,晶体并在晶体并在ce，be之间之间,QL值降低值降低51正弦波振荡器剖析(

20、2)Pierce电路振荡器频率计算电路振荡器频率计算: 可见可见,Pierce电路的振荡频率近似由晶体决定电路的振荡频率近似由晶体决定，52正弦波振荡器剖析(3)并联型晶体振荡器实际电路并联型晶体振荡器实际电路: 并联型晶体振荡器的实用线路并联型晶体振荡器的实用线路 -Piece 电路电路 53正弦波振荡器剖析密勒振荡器密勒振荡器该电路晶体接在基极和发射极该电路晶体接在基极和发射极之间，只要晶体呈现感性，该之间，只要晶体呈现感性，该电路即满足三端式振荡器的组电路即满足三端式振荡器的组成原则，且电路类似于电感反成原则，且电路类似于电感反馈的振荡器，又称为密勒馈的振荡器，又称为密勒(Miler)振

21、荡器。由于晶体与晶振荡器。由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数了有载品质因数QL，故密勒振，故密勒振荡器的频率稳定度较低。荡器的频率稳定度较低。54正弦波振荡器剖析 泛音晶体皮尔斯振荡器泛音晶体皮尔斯振荡器 LC回路用以破坏基频及低次泛音的相位条件回路用以破坏基频及低次泛音的相位条件; LC的谐振频率要高于要抑止的泛音的谐振频率要高于要抑止的泛音,低于工作泛音频率低于工作泛音频率.高次泛音时，由于接入系数的降低，等效到晶体管输出高次泛音时，由于接入系数的降低，等效到晶体管输出端的负载电阻下降，使得放大器增益减小，电路停振。端的负载电阻下降，使得放大器增

22、益减小，电路停振。55正弦波振荡器剖析2.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器 一种串联型晶体振荡器一种串联型晶体振荡器 (a)实际线路实际线路;(b)等效电路等效电路在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。56正弦波振荡器剖析3 使用注意事项使用注意事项(1) 石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前，在石英晶石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前，在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的，实际使用时也体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的，实际使用时也必须外加负载电容，并经微调后

23、才能获得标称频率。必须外加负载电容，并经微调后才能获得标称频率。(2) 石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。 (3) 在并联型晶体振荡器中，石英晶体起等效电感的作用，在并联型晶体振荡器中，石英晶体起等效电感的作用，若作为容抗，则在石英晶片失效时，石英谐振器的支架电容若作为容抗，则在石英晶片失效时，石英谐振器的支架电容还存在，线路仍可能满足振荡条件而振荡，石英晶体谐振器还存在，线路仍可能满足振荡条件而振荡，石英晶体谐振器失去了稳频作用。失去了稳频作用。(4) 晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率。晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率。57正弦波振荡器剖析