第三章-正弦波振荡器分析课件.ppt
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1、第三章第三章 正弦波振荡器正弦波振荡器3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.3 LC3.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器3.4 3.4 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题3.5 3.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器3.6 RC3.6 RC正弦波振荡器正弦波振荡器3.7 3.7 特殊振荡现象特殊振荡现象3.1 3.1 概述概述振荡器振荡器 在在没有外加信号作用没有外加信号作用下的一种自动将直流电源下的一种自动将直流电源 的能量的能量变换变换为一定波形的交变振荡能量的装置为一定波形的交变振荡能量的装置振荡器分类振荡器分类按原理按原理 反馈式振荡器
2、反馈式振荡器 负阻式振荡器负阻式振荡器按波形按波形 正弦波振荡器正弦波振荡器 非正弦波振荡器非正弦波振荡器RC振荡器振荡器LC振荡器振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器微波电子管微波电子管微波半导体器件微波半导体器件各频段的振荡器各频段的振荡器 本章主要讨论正弦波振荡器的基本原理,并对典型本章主要讨论正弦波振荡器的基本原理,并对典型振荡电路进行分析。振荡电路进行分析。3.2 3.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理(注意同名端)(注意同名端)主网络反馈网络Vo-Vi-Vf- - Vf反馈振荡器组成方块图反馈振荡器组成方块图 闭合环路成为反馈振荡器的条件闭合环路成为反馈振荡器的条件 组成组
3、成 主网络主网络 放大器,选频网络放大器,选频网络 反馈网络反馈网络 无源器件无源器件起振条件起振条件平衡条件平衡条件稳定条件稳定条件一、平衡条件一、平衡条件相位平衡条件相位平衡条件振幅平衡条件振幅平衡条件 T = KF = 1 (开环增益)(开环增益)(在谐振频率点,总相移在谐振频率点,总相移360度;其他频率,回路失谐,度;其他频率,回路失谐,总相移不是总相移不是360度,不能振荡)度,不能振荡)设:放大器的放大倍数设:放大器的放大倍数 K,反馈电路的反馈系数,反馈电路的反馈系数 F自激振荡条件自激振荡条件:反馈必须是正反馈;反馈信号足够大:反馈必须是正反馈;反馈信号足够大), 2 , 1
4、 ,0n(n2)(oscT二、振荡的建立和起振条件二、振荡的建立和起振条件振荡器闭合电源后,各种电扰动振荡器闭合电源后,各种电扰动 振荡器起振的初始激励振荡器起振的初始激励(如晶体管电流的突然增长、电路的热噪声等,频谱很宽)(如晶体管电流的突然增长、电路的热噪声等,频谱很宽) 建立振荡建立振荡 LC谐振回路的选频作用谐振回路的选频作用 谐振频率的电压分量被谐振频率的电压分量被选出,幅度微小;存在选出,幅度微小;存在正反馈正反馈,经反馈和放大的循环,经反馈和放大的循环过程,建立了振荡过程,建立了振荡 起振条件起振条件 KF 1 (且正反馈)且正反馈)振荡的建立过程振荡的建立过程Ube增大增大Ub
5、e较小较小起振条件:起振条件:KF 1Ube的幅度增加,振的幅度增加,振荡电压增加,但不会荡电压增加,但不会无止境增加。因为振无止境增加。因为振荡幅度增加,晶体管荡幅度增加,晶体管出现饱和、截止现象,出现饱和、截止现象,ic不是正弦波,但由不是正弦波,但由于谐振回路的选频性,于谐振回路的选频性,选出它的基频分量,选出它的基频分量,uce仍是正弦形状。仍是正弦形状。uce的幅度基本不再增的幅度基本不再增大,振荡建立过程结大,振荡建立过程结束,波形稳定下来。束,波形稳定下来。振振 荡荡 器器 的的 波波 形形三、稳定条件三、稳定条件不稳定平衡不稳定平衡 稳定平衡稳定平衡 软激励放大倍数放大倍数 K
6、,反馈系数,反馈系数 F,1/F是一条水平线;是一条水平线;ube较小时,较小时,K1/F,随着,随着ube的增长,的增长,K减小,减小,A点:点:KF=1若晶体管的静态工作点取得太低,甚至为反偏,而且反馈系数若晶体管的静态工作点取得太低,甚至为反偏,而且反馈系数F又选得较小时,会出现以下形式,有两个平衡点又选得较小时,会出现以下形式,有两个平衡点A、B(一般情况下,都使振荡电路工作于软激励状态,避免硬激励)(一般情况下,都使振荡电路工作于软激励状态,避免硬激励)uB相位稳定条件相位稳定条件 振荡角频率就是相位的变化率振荡角频率就是相位的变化率t (相位稳定条件(相位稳定条件 频率稳定条件频率
7、稳定条件 ) 相位增量相位增量 对频率的影响:对频率的影响: 反馈电压的相位超前了原有电压相位反馈电压的相位超前了原有电压相位 , 相位超前意味周期缩短相位超前意味周期缩短。若振荡电压不断放大、。若振荡电压不断放大、 反馈、再放大,循环下去,相位一次比一次超前,反馈、再放大,循环下去,相位一次比一次超前, 周期缩短,相当于每秒钟内循环的次数增加,也周期缩短,相当于每秒钟内循环的次数增加,也 即即振荡频率不断地提高。振荡频率不断地提高。 振荡器的频率不会因振荡器的频率不会因 的出现而不断的升高或降低的出现而不断的升高或降低 (谐振回路的相位稳定作用)(谐振回路的相位稳定作用)稳定条件稳定条件 曲
8、线斜率为负曲线斜率为负 振幅稳定条件振幅稳定条件 相位稳定条件相位稳定条件0)(oscT0V)(TiAViosc起振条件起振条件平衡条件平衡条件稳定条件稳定条件 闭合环路成为反馈振荡器的条件闭合环路成为反馈振荡器的条件 推导:环路增益推导:环路增益T随输入电压增加而下降随输入电压增加而下降 由于自给偏压的作用,振荡器起振后,随着振荡幅度的由于自给偏压的作用,振荡器起振后,随着振荡幅度的增加,放大器工作状态由甲类进入乙类、丙类。增加,放大器工作状态由甲类进入乙类、丙类。)cost(cosgUibmc集电极电流集电极电流余弦脉冲电流的幅度余弦脉冲电流的幅度)cos1(gUIbmmaxct(当(当
9、时)时).bL.c.b.cVRIVV)j(A11平均电压放大倍数:平均电压放大倍数:max11)(cmcII)cos)(gVIIccbmmaxcmc1111)(A)cos)(gRAcccL1011Ao为小信号线性放大倍数为小信号线性放大倍数乙类:乙类:丙类:丙类:50901.)(o301.)(c T=Akf 随输入电压振幅增大而下降随输入电压振幅增大而下降3.3 LC3.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器一、一、三点式振荡电路三点式振荡电路 定义定义 LC回路引出的回路引出的三个端点三个端点,分别同晶体管,分别同晶体管 的的三个电极三个电极相连相连的振荡器的振荡器分类分类 电容三点式电路电容三点
10、式电路 电感三点式电路电感三点式电路电容三点式电容三点式L、C1、C2组成振荡回路,组成振荡回路,反馈信号从反馈信号从C2两端取得,两端取得,送回到放大器输入端。扼送回到放大器输入端。扼流圈流圈Lc避免高频信号避免高频信号被旁路、为集电极构成直被旁路、为集电极构成直流通路(可用流通路(可用Rc代替,但代替,但引入损耗,有载引入损耗,有载Q值下降,值下降,Rc值不能过小值不能过小)。)。 利用利用电容电容C2将谐振回将谐振回路的一部分电压反馈到基路的一部分电压反馈到基极上极上电容反馈三点式电容反馈三点式振荡器振荡器 等效电路等效电路L振荡频率等于振荡频率等于 LC谐振谐振频率时,频率时,Uce与
11、与Ube(矢量)反相,电流(矢量)反相,电流I滞后滞后Uce90度。反馈电度。反馈电压压Uf滞后电流滞后电流I 90度,度,故故Uf与与Ube同相,满足同相,满足相位平衡条件。相位平衡条件。 满足起振条件?满足起振条件?Uf+ -分析起振条件分析起振条件放大倍数放大倍数K、反馈系数、反馈系数F,KF1?Rs、Co为晶体管输出电阻、电容;为晶体管输出电阻、电容;Ri、Ci为晶体为晶体管输入电阻、电容;管输入电阻、电容;Ro为回路谐振电阻。为回路谐振电阻。反馈系数反馈系数F等于等于Ueb与与Uce之比,忽略电阻对电容的旁路作用,之比,忽略电阻对电容的旁路作用,可得:可得:i2o1CCCCF把各元件
12、折合到把各元件折合到c-e端端放大倍数为放大倍数为iRRK c-e间总电阻间总电阻R为电流放大倍数为电流放大倍数得得FF1RRsiF较小时,近似写为较小时,近似写为F1RRsisoRnR F)Rn1R1(FRo2si如果如果 时,得时,得F大,等效负载电阻减小,放大倍数下降,不易起振;大,等效负载电阻减小,放大倍数下降,不易起振;F过大会使振荡波形的非线性失真严重。因此通常过大会使振荡波形的非线性失真严重。因此通常F选选得较小(得较小(0.010.5)。)。iLmnggng1mVIgEQm26电压分压比电压分压比CCCn211一般取一般取 IEQ = 1 5 mA fT 5fosc RL 1k
13、 n 适中适中一般能满足起振条件一般能满足起振条件起振条件起振条件或或12iLmgnggn1fvovk )(A gm为三极管跨导,为三极管跨导,gL为负载等效到振荡回路的电导,为负载等效到振荡回路的电导, gi为振荡器输入电导,为振荡器输入电导,n为反馈系数。为反馈系数。振振 荡荡 电电 路路电感三点式电感三点式等效电路等效电路 电容三点式电容三点式 电感三点式电感三点式三点式相位判据三点式相位判据射同集(基)反两种三点式振荡电路比较两种三点式振荡电路比较 电容三点式电容三点式 振荡波形更接近正弦波振荡波形更接近正弦波 (反馈电压取自电容,(反馈电压取自电容, 而电容对高次谐波呈低阻抗,而电容
14、对高次谐波呈低阻抗, 滤除谐波电流能力强)滤除谐波电流能力强) 不便作可变频率振荡器不便作可变频率振荡器 (用了两个电容)(用了两个电容) 电感三点式电感三点式 振荡波形不好振荡波形不好 (反馈电压取自电感,(反馈电压取自电感, 而电感对高次谐波呈高阻抗,而电感对高次谐波呈高阻抗, 不易滤去高次谐波)不易滤去高次谐波) 可以作可变频率振荡器可以作可变频率振荡器 (只用一只电容调频率)(只用一只电容调频率) 考虑输入、输出电容考虑输入、输出电容CiCi、Co Co (或结电容(或结电容CbeCbe、CceCce)CiCo改进电路改进电路克拉泼电路、西勒电路克拉泼电路、西勒电路克拉泼电路克拉泼电路
15、C C3 3C C3 3振荡器的频率振荡器的频率LC1osci2013CC1CC1C1C13CC3oscLC1其中其中选选 C1 C3,C2 C3 时,时, 振荡频率振荡频率(与(与 C0 和和 Ci 无关)无关) 不稳定电容对振荡频率的影响减小,且不稳定电容对振荡频率的影响减小,且C3越小,影响越小。越小,影响越小。 但:但:输出电阻折算到输出电阻折算到c-e间的值减小间的值减小 环路增益减小环路增益减小 停振停振L,L LR)CCC(RnR2213322)R/R(ReoLLC1、C2愈大愈好?愈大愈好?负载接在负载接在L两端,折合到两端,折合到ce端的电阻为:端的电阻为:L2 LRnR接入
16、系数(分压比)接入系数(分压比)(L两端的电阻)两端的电阻)因为因为C1 C3, C2 C3,分压比可近似为,分压比可近似为克拉泼电路可以提高频率稳定度,但存在以下缺点:克拉泼电路可以提高频率稳定度,但存在以下缺点:1. C1、C2过大,则振荡幅度太低(过大,则振荡幅度太低(n小,小, 小)。小)。2. 减小减小C来提高来提高fo时,振荡幅度显著下降;但时,振荡幅度显著下降;但 C减到一定减到一定程度时,可能停振。因此,限制了程度时,可能停振。因此,限制了fo的提高。的提高。3. 用作频率可调振荡器时,振荡幅度随频率增加而下降,用作频率可调振荡器时,振荡幅度随频率增加而下降,在波段范围内幅度不
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