高频电子线路-正弦波振荡器概要课件.ppt
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1、第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.2 LC 振振 荡荡 器器4.3 频率稳定度频率稳定度4.4 LC振荡器的设计振荡器的设计4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.1.1 反馈振荡器的原理分析反馈振荡器的原理分析 v反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路,放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载,是一调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第4 4
2、章章 正弦波振荡器正弦波振荡器()()()()()()()()()()()ouSoiioisiUsKUsUsU sK sF sU sUsU sUsU s()()()()()()()()1()()()()()()()()()1()iuiiiiuKU s K sK sKsU sU s K s F sK s F sU sT sK s F sUsKTsss结果:其中:(4 1)(4 2)(4 3)(4 4)(4 5)(4 6)由 得 其中 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器()()()1()(1(uK sK sK sKsT sF s结果:自激振荡的条件就是环路增益为1,即 1)()()(jFjK
3、jT(4 7)通常又称为振荡器的通常又称为振荡器的平衡条件。平衡条件。由式由式(4 5)还可知还可知,)()(,1)(,)()(,1)(sUsUjTsUsUjTiiii形成增幅振荡 形成减幅振荡(4 8)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1.2平衡条件平衡条件 振荡器的平衡条件即为振荡器的平衡条件即为()()()1()120,1,2TKFT jK jF jT jKFnn也可以表示为(4 9a)(4 9b)分别称为分别称为振幅平衡振幅平衡条件和条件和相位平衡相位平衡条件。条件。现以单调谐谐振放大器为例来看现以单调谐谐振放大器为例来看K(j)与与F(j)的意义。的意义。若若(),()()
4、oocibiUsUU UUK sU s由于()()coccfLcobbUUIUK jYjZUUUI(4 10)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器LfccbcbcooZjYIUUIUUUUjK)()(4 10)式中式中,ZL为放大器的为放大器的负载阻抗负载阻抗LjLccLeRIUZ(4 11)Yf(j)为晶体管的为晶体管的正向转移导纳正向转移导纳。fjfbcfeYUIjY)(4 12)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器与与F(j)反号的反馈系数反号的反馈系数F(j)cijUUjFFejFF)()(4 13)这样这样,振荡条件可写为振荡条件可写为 1)()()()()(jFZjYjFZ
5、jYjTLfLf(4 14)振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为 2,1,021nnFRYFLfLf(4 15a)(4 15b)由由K(j)F(j)1决定振幅大小和振荡频决定振幅大小和振荡频率的高低。振荡频率率的高低。振荡频率一般在回路谐振频一般在回路谐振频率率0附近。附近。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1.3 起振条件起振条件 为了使振荡过程中输出幅度不断增加为了使振荡过程中输出幅度不断增加,应使反馈应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大回来的信号比输入到放大器的信号大,即即振荡开始时应振荡开始时应为增幅振荡:为增幅振荡:1)(jT称为自
6、激振荡的称为自激振荡的起振条件起振条件,也可写为也可写为 ,2,1,021)(nnFRYjTFLfTLf(4 16a)(4 16b)分别称为起振的分别称为起振的振幅条件和相位条件振幅条件和相位条件,其中起振的其中起振的相位相位条件即为正反馈条件。条件即为正反馈条件。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 图 4 2 振幅条件的图解表示 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1.4 稳定条件稳定条件 振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件 振幅稳定条件为振幅稳定条件为0iiAUUiTU(4 17)由于反馈网络为线性网络由于反馈网络为线
7、性网络,即反馈系数大小即反馈系数大小F不随输入不随输入信号改变信号改变,故振幅稳定条件又可故振幅稳定条件又可写为写为 0iAiUUiUK(4 18)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 一个正弦信号的相位一个正弦信号的相位和它的频率和它的频率之间的关系之间的关系dtdtd(4 19a)(4 19b)相位稳定条件为相位稳定条件为 10L(4 20)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器012(fF)L(fF)L,图 4 4 互感耦合振荡器 10L 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器v互感耦合互感耦合式式的反馈的反馈振荡器振荡器实际电路实际电路,图图中反馈网络由中反馈网络由L和和L1间
8、的互感间的互感M担任担任,又又称为称为变压器耦合变压器耦合振振荡器。荡器。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.2 LC 振振 荡荡 器器 4.2.1振荡器的组成原则振荡器的组成原则 v基本电路:三端式基本电路:三端式(又称又称三点式三点式)的振荡器的振荡器,即即LC回路的回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路 Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.图 4 5三端式振荡器的组成 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器根据谐振回路的性质根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯电阻性谐振时回路应呈纯电阻性,有有1230XXX(4 21)回路
9、回路Q值很高值很高,回路电流远大于晶体管的基极电流回路电流远大于晶体管的基极电流 İb 、集电极电流集电极电流 İ c以及发射极电流以及发射极电流 İe21bcUjX IUjX I (4 22a)(4 22b)因此因此X1、X2应为同性质的电抗元件。应为同性质的电抗元件。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器v三端式振荡器组成原则:三端式振荡器组成原则:满足三端式振荡器的组成原则满足三端式振荡器的组成原则v(a)电容反馈振荡器电容反馈振荡器,也称为考必也称为考必兹兹(Colpitts)振荡器振荡器v(b)电感反馈振荡器,电感反馈振荡器,也称为也称为哈特莱(哈特莱(Hartley)振荡器)振荡
10、器LC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2 图 4 6两种基本的三端式振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器01020301003010203020030102010203010200033(4(1)(2)()3)ffffffffffffffffffffff不能振荡第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器v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(d)Cbc(a)(b)(c)(e)(f)图 4 8 几种常见振荡器的高频电路 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.2.2 电容反馈振荡器电容反馈振荡器 v 图图(a)是一电容反馈振荡器的实际电路是一
11、电容反馈振荡器的实际电路,v 图图(b)是其交流等效电路。是其交流等效电路。CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)VLC2C1V(b)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器gieUb.C1C2egieUb.(c)goegLbUb.gmI.u电容电容反馈振荡器电路高频等效电路反馈振荡器电路高频等效电路 u简化简化Y参数模型参数模型:Yre=0,Yfe gm第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 图图4 8电路的振荡频率为电路的振荡频率为 2121211)(1CCCCCCCgggLCLoeie(4 23)(4 24)C为回路的总电容为回路的总电容 10122111()1bFcLCUCCK
12、F jUCC当不考虑当不考虑gie的影响时的影响时,反馈系数反馈系数F(j)的大小为的大小为(4 25)(4 26)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 将将gie折算到放大器输出端折算到放大器输出端,有有222()111()bieieFiecLFieoeLmFmoeLieFLFUggK gUgK ggggKgggg KgK(4 27)因此因此,放大器总的负载电导放大器总的负载电导gL为为则由振荡器的则由振荡器的振幅起振条件振幅起振条件YfRLF1,可以得到可以得到(4 28)(4 29)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.2.3 电感反馈振荡器电感反馈振荡器 电感反馈振荡器的实际
13、电路和交流等效电路电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路 CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2Ucb.Ub.CL2L1V(b)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M 图图 4 10 电感反馈振荡器电路电感反馈振荡器电路(a)实际电路实际电路;(b)交流等效电路交流等效电路;(c)高频等效电路高频等效电路 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示:101LC 式中的式中的L为回路的总电感为回路的总电感:MLLL221(4 30)(4 31
14、)由相位平衡条件由相位平衡条件,振荡器的振荡频率表达式为振荡器的振荡频率表达式为)(12211MLLgggLCLoeie(4 32)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器工程上计算反馈系数工程上计算反馈系数不考虑不考虑gie影响影响,大小为大小为 MLMLjGKF12)(4 33)由起振条件分析由起振条件分析,同样可得起振时的同样可得起振时的gm应满足应满足FieFLoemKgKggg1)(4 34)gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器两种振荡器特点之比较两种振荡器特点之比较第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振
15、荡器4.2.4 两种改进型电容反馈振荡器两种改进型电容反馈振荡器 1.克拉泼振荡器克拉泼振荡器R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)LRoC1C2C3V 图图 4-11 克拉泼振荡器电路克拉泼振荡器电路(a)实际电路实际电路 (b)交流等效电路交流等效电路第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 由图4 10可知,回路的总电容为 312123311111CC CCCCCC(4 35)022310131()C1LoRCRpCpRCCRCC负载接入系数:结果:越大耦合越弱,频率更稳定。(4 36)(4 37)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器克拉泼振荡器振荡频率克拉泼振荡器振荡频
16、率1231211FLCLCCKC反馈系数:(4 38)(4 39)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2.西勒振荡器西勒振荡器 电感电感L并联一可变并联一可变电容电容C4。R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V 图 4 11 西勒振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器回路的总电容为回路的总电容为 3124341231234111111()CC CCCCCCCCLCL CC(4 40)(4 41)振荡器的振荡频率为振荡器的振荡频率为 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.2.5 场效应管振荡器场效应
17、管振荡器 RLCL2EcCGugsRGL1iDVDSGM(a)(b)EcL1C1CSRSRGGVSDRDCB第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器输出1.3 H1 M6.8 kRL20 MHz振荡器C1680 pFC275 pFVCF47 pF Ec 12 VL(c)Ec 图 4 12 由场效应管构成的振荡器电路(a)互感耦合场效应管振荡器;(b)电感反馈场效应管振荡器;(c)电容反馈场效应管振荡器 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.2.6 压控振荡器压控振荡器 压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。度。压控灵敏度压控灵敏度定义为
18、单位控制电压引起的振荡频率定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量的变化量,用用S表示表示,即即ufS(4 42)图图4 14 示出了一压控振荡器的频率示出了一压控振荡器的频率-控制电压特控制电压特性性,一般情况下一般情况下,这一特性是这一特性是非线性非线性的的,非线性程度与变非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。容管变容指数及电路形式有关。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 12 VL1100 pF输出V110 k100 pFC11.5 pFC2V2控制电压100kCj0f0Uf 图 4 13 压控振荡器线路 图 4 14 压控振荡器的 频率与控制电压关系 第第4 4章章 正弦波振
19、荡器正弦波振荡器 4.2.7 E1648单片集成振荡器单片集成振荡器(a)V10V11V12V13V14VD2VD1V6V7V8V5V4V3V2V1输出V91214第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器1234567141312111098(b)0.1 F0.1 F 15 VC1CL1 k输出 9 VRL10.1 F 图 4 15 E1648内部原理图及构成的振荡器 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器v E1648单片集成振荡器的振荡频率是由单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和脚和12脚之间的外接振荡电路的脚之间的外接振荡电路的L、C值决定值决定,并与并与两脚之间的输入电容两脚之间的输
20、入电容Ci有关有关,其表达式为其表达式为)(21iCCLf第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.3 频率稳定度频率稳定度 4.3.1 频率稳定度的意义和表征频率稳定度的意义和表征 v由于外界条件的变化由于外界条件的变化,引起振荡器的实际引起振荡器的实际工作工作频率偏离标称频率频率偏离标称频率的的程度程度,它是振荡器的一个它是振荡器的一个很重要的指标。很重要的指标。v长期稳定度、短期稳定度与瞬时稳定度长期稳定度、短期稳定度与瞬时稳定度(相位噪声相位噪声)001001ffffffff(4 44)(4 43)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.3.2 振荡器的稳频原理振荡器的稳频原理由
21、式由式(4 9b)有有 )(FiL设回路设回路Q值较高值较高,根据第根据第2章的讨论可知章的讨论可知,振荡回路在振荡回路在0附近的幅角附近的幅角L可以近似表示为可以近似表示为00)(2tanLLQ因此相位平衡条件可以表示为因此相位平衡条件可以表示为1002()tan()LfFQ第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器1000101111002()tan()tan()2()()LfFfFLLfFLfFQQQQ (445)(446)(447)考虑到考虑到QL值较高值较高,即即1/01,有有0010122()tan()2cos()2fFfFLfFLQQQ(448)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振
22、荡器图416 从相位平衡条件看振荡频率的变化 (a)相位平衡条件;(b)0的变化;(c)fFLQ、(a)01(fF)L(b)01(fF)LL1001L(c)高QL低QL1(fF)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 1.回路谐振频率回路谐振频率0的影响的影响v0由构成回路的电感由构成回路的电感L和电容和电容C决定决定,v要考虑回路的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件要考虑回路的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件,还还应考虑并在回路上的其它电抗应考虑并在回路上的其它电抗,如晶体管的极间电容如晶体管的极间电容,后后级负载电容级负载电容(或电感或电感)等。等。v设回路电感和电容的总变化量分别为设回路
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