第五章正弦波振荡器课件.ppt
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- 第五 正弦波 振荡器 课件
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1、第五章第五章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第1节节 概述概述第第2节节 反馈型反馈型LC振荡电路振荡电路2.1节节 反馈型反馈型LC振荡原理振荡原理2.2节节 反馈型反馈型LC振荡器振荡器2.3节节 振荡器的频率稳定措施振荡器的频率稳定措施2.4节节 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器第第3节节 晶体振荡电路晶体振荡电路教学基本要求教学基本要求1.掌握掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。2.掌握掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理和性能特点。作原理和性能特点。3.了解了解频率稳定度的概念和影响频率稳定度的频率稳定度的
2、概念和影响频率稳定度的因素,因素,掌握掌握改善频率稳定度的措施。改善频率稳定度的措施。振荡器的应用:振荡器的应用:载波发生器载波发生器 本地振荡器本地振荡器 测量仪器信号源(时间测量仪器信号源(时间/频率标准)频率标准)5.1 概述概述振荡器的主要技术指标:振荡器的主要技术指标:振荡频率振荡频率 频率稳定度频率稳定度 振荡幅度振荡幅度 振荡波形振荡波形与谐振功率放大器区别在于它激与自激。与谐振功率放大器区别在于它激与自激。5.2.1 反馈型反馈型LC振荡原理振荡原理实际中的反馈振荡器是由反馈放实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来的,如右图。大器演变而来的,如右图。可见,反馈性自激振荡器电路
3、可见,反馈性自激振荡器电路构成由三部分组成:构成由三部分组成:1 包含两个(或以上)储能元包含两个(或以上)储能元件的振荡回路。件的振荡回路。2 有补充回路损耗的能量来源。有补充回路损耗的能量来源。(直流电源)(直流电源)3 使能量在正确时间内补充到使能量在正确时间内补充到电路中的控制设备。(有源器电路中的控制设备。(有源器件)件)若开关若开关K拨向拨向“1”时,该电路则时,该电路则为谐振放大器,当输入信号为正为谐振放大器,当输入信号为正弦波时,放大器输出负载互感耦弦波时,放大器输出负载互感耦合变压器合变压器L2上的电压为上的电压为Uf,调整,调整互感互感M及同名端以及回路参数,及同名端以及回
4、路参数,可以使可以使Ui=Uf。此时,若将开关快速拨向此时,若将开关快速拨向“2”点,点,则集电极电路和基极电路都维持则集电极电路和基极电路都维持开关开关K接到接到“1”点时的状态,即点时的状态,即始终维持着与始终维持着与Ui相同频率的正弦相同频率的正弦信号。这时,调谐放大器就变为信号。这时,调谐放大器就变为自激振荡器。自激振荡器。suiufuou()()()()()()()()()()()1()()11()()()ooioofffoifoiiou su su sA sA sA su su su su su sA s F su su s u s 放大器放大器A0(s)反馈网络反馈网络F(s)s
5、uiufuou放大器放大器A0(s)反馈网络反馈网络F(s)21,0(21,nnAFFA()()1()()ofoA sA sA s F s 为了得到自激振荡的输出电压,使振荡能够为了得到自激振荡的输出电压,使振荡能够建立建立起来,需满足:起来,需满足:)21,0(210,nnFAFA为振荡器的为振荡器的起振条件起振条件,其中:,其中:A0是电源接通时的电压增益。是电源接通时的电压增益。增幅振荡增幅振荡正反馈正反馈3 3 振荡建立的振荡建立的起振条件起振条件?2 2 自激振荡器,满足维持振荡条件,振荡能否建立起来?自激振荡器,满足维持振荡条件,振荡能否建立起来?(a)通电后,集电极电流产生跃变在
6、谐振回路中激起振荡。通电后,集电极电流产生跃变在谐振回路中激起振荡。(b)谐振回路选频作用。谐振回路选频作用。(c)因为:因为:Uo(n+1)=AUi=AUf=AFUo(n)所以:所以:Uo(n+1)=AFUo(n)数值很小,不可能得到振荡输出电压。数值很小,不可能得到振荡输出电压。因为:因为:Uo(n+1)=A0FUo(n)所以:所以:Uo(n+1)Uo(n)1 如何自激?如何自激?Vcc闭合的脉冲电流;基极的噪声电流闭合的脉冲电流;基极的噪声电流起振过程起振过程:微小的电压脉冲微小的电压脉冲选频选频 反馈反馈 放大放大 再选频再选频 再反馈再反馈 如此循如此循环,振荡电压就会增长起来,建立
7、了振荡。环,振荡电压就会增长起来,建立了振荡。4 4 起振后,振荡是否无限增大下去?起振后,振荡是否无限增大下去?(A0F1为增幅震荡)为增幅震荡)由于晶体管的非线性,振荡从线性放大进入失真的非线性状态。由于晶体管的非线性,振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真,其电流的直流分量产生负反馈,使工作点向负变化。波形失真,其电流的直流分量产生负反馈,使工作点向负变化。A,直到,直到AF=1达到等幅震荡。达到等幅震荡。tUVuVubmbbbbbBEcos波形失真,其电流的直流分量波形失真,其电流的直流分量产生负反馈,使工作点向负变产生负反馈,使工作点向负变化。化。A,直到,直到AF=1达到等幅
8、达到等幅震荡。震荡。4 4 起振后,振荡是否无限增大下去?起振后,振荡是否无限增大下去?(A0F1为增幅震荡)为增幅震荡)5 5 平衡状态平衡状态(大信号工作)(大信号工作)平衡后工作在什么状态?平衡后工作在什么状态?平衡平衡时:时:PccpcccimpcCMimpmCiCRgRgURIURIUUA)()()cos1()(1111起振起振时为小信号放大,时为小信号放大,A=A0,甲类状态,甲类状态,c=180o,所以,所以A0=gcRp由于晶体管的非线性,振荡从线性放大进入失真的非线性状态。由于晶体管的非线性,振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真,其电流的直流分量产生负反馈,使工作点向
9、负变化。波形失真,其电流的直流分量产生负反馈,使工作点向负变化。A,直到,直到AF=1达到等幅震荡。达到等幅震荡。)(0cAA所以:所以:FAFAAFcc001)()(co13g11.02.022A0F1时,时,1(c)0.5,所以,所以180o c 90o,平衡后为,平衡后为甲乙类甲乙类;A0F=2时,时,(c)=0.5,所以所以 c=90o,平衡后为平衡后为乙类乙类;A0F2时,时,(c)0.5,所以所以 c 1,满足起振条件,满足起振条件 平衡时:平衡时:AF=A0(c)F=1 则:则:(c)=0.625=(1-cos c)a1(c)则:则:c=101.5o 则:则:平衡时放大器工作在甲
10、乙类状态平衡时放大器工作在甲乙类状态)(cos1/1)(10cccFAco13g11.02.02(2)A0=10,F=0.2时时分析:分析:起振时:起振时:A0F=21,满足起振条件,满足起振条件 平衡时:平衡时:AF=A0(c)F=1 则:则:(c)=0.5=(1-cos c)a1(c)则:则:c=90o 则:则:平衡时放大器工作在乙类状态平衡时放大器工作在乙类状态(3)A0=20,F=0.2时时分析:分析:起振时:起振时:A0F=41,满足起振条件,满足起振条件 平衡时:平衡时:AF=A0(c)F=1 则:则:(c)=0.25=(1-cos c)a1(c)则:则:c=66.3o 则:则:平
11、衡时放大器工作在丙类状态平衡时放大器工作在丙类状态振幅平衡条件振幅平衡条件:相位平衡条件:相位平衡条件:(n=0,1,2)11fepY Z F2YZFn2、平衡条件的另一种表示形式、平衡条件的另一种表示形式 由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的影响,由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的影响,为了,为了使电路工作在相位平衡状态,需使电路工作在相位平衡状态,需 ,因此振荡器的频率并不等于回,因此振荡器的频率并不等于回路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。为简化问题,通常都近似地认为为简化问题,通常都近似地认为振荡频率就等于回路的谐振频率振荡频率就等于回路的
12、谐振频率0FY0Z )21,0(21,nnAFFA plfeimplmCiCZYUZIUUA11 晶体管晶体管 反馈网络反馈网络LC选频网络选频网络YjfeeYZjeZplFjFeuiic1uc1uf3.振荡平衡的稳定条件振荡平衡的稳定条件(1)稳定平衡定义:)稳定平衡定义:指某一外因的变化使指某一外因的变化使振荡的原平衡条件遭到破坏,振荡器能在新振荡的原平衡条件遭到破坏,振荡器能在新的条件下建立新的平衡。当外因去掉后,电的条件下建立新的平衡。当外因去掉后,电路能自动返回原平衡状态。路能自动返回原平衡状态。包括:包括:振幅稳定条件振幅稳定条件和和相位稳定条件相位稳定条件 上面所讨论的振荡平衡条
13、件只能说明振荡能在某一状态平上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡,但还不能说明这种平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立衡,但还不能说明这种平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件,但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持,振荡的必要条件,但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持,还必须看平衡状态是否稳定。还必须看平衡状态是否稳定。1)振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件UcA0AUcQ2UcQ1UcQQQ2Q11/F假设电路在假设电路在Q点达到平衡态,即点达到平衡态,即AF=1。Uc(n+1)=AFUc(n)如果由于某种因素使振幅增大超过如果由于某种因素使振幅增大超过UcQ,
14、达到了,达到了Q1点,则此时出现点,则此时出现AF1,于是振幅就自动增强,于是振幅就自动增强,从而又回到从而又回到UcQ。因此。因此Q点是稳定平点是稳定平衡点。衡点。振荡特性振荡特性反馈特性反馈特性如果晶体管的静态工作点取得太低,如果晶体管的静态工作点取得太低,而且反馈系数而且反馈系数F又较小时,可能会出现又较小时,可能会出现另外一种振荡形式。这时另外一种振荡形式。这时A=f(Uc)的变的变化曲线不是单调下降的,而是先随化曲线不是单调下降的,而是先随Uc的增大而上升,达到最大值后,又随的增大而上升,达到最大值后,又随Uc的增大而下降。因此,它与的增大而下降。因此,它与1/F线可线可能出现两个交
15、点能出现两个交点B与与Q。这两个点都是。这两个点都是平衡点。平衡点。UcA0A1/FQ1BQB点的平衡态是不稳定的。当点的平衡态是不稳定的。当Uc0为了保持振荡器相位平衡点稳定,振荡器本身应该具有恢复相为了保持振荡器相位平衡点稳定,振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。即,在振荡频率发生变化的同时,振荡电路中位平衡的能力。即,在振荡频率发生变化的同时,振荡电路中能够产生一个新的相位变化,以抵消由外因引起的能够产生一个新的相位变化,以抵消由外因引起的变化,因变化,因而这两者的符号应该相反,即相位稳定条件应为而这两者的符号应该相反,即相位稳定条件应为/0。写成偏微分形式,即写成偏微分形式,即0FZ
16、Y0ZZFZY为因此,相位稳定条件应由于 Y为为ic1与基极输入电压与基极输入电压ui的相的相角;角;Z为为LC谐振回路基波谐振阻谐振回路基波谐振阻抗的相角。抗的相角。相位稳定条件:相位稳定条件:c cc c0 0 YFYF YFYF z z YFYF0Z振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线 Z=f()在工作频率附近具有负的斜率,才能满足频率稳定在工作频率附近具有负的斜率,才能满足频率稳定条件。事实上,并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率。条件。事实上,并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率。因而因而LC并联谐振回路不但是决
17、定振荡频率的主要角色,而并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色,而且是稳定振荡频率的机构。且是稳定振荡频率的机构。002QarctgZYFFYZ纵坐标也表示与纵坐标也表示与 Z等值异号的等值异号的 YF相角相角如如 FY增大到增大到 FY,即产生了一个增量,即产生了一个增量 FY,从而破坏原来工作频率从而破坏原来工作频率 c的平衡条件。这种的平衡条件。这种不平衡促使不平衡促使 c升高。由于频率升高,使谐振升高。由于频率升高,使谐振回路产生负的相角增量回路产生负的相角增量 Z。当。当 Z=FY时,相位重新满足时,相位重新满足 =2n,振荡器在,振荡器在 c的的频率上再一次达到平衡。但新的平衡点
18、偏离频率上再一次达到平衡。但新的平衡点偏离原平衡点原平衡点 =c c。Q越大越大 越小。越小。4.振荡电路分析实例振荡电路分析实例VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈网络反馈网络+ui-ic-uo+uf-ifuu 有uiuoA1/F1iu 3iu 2iu 4iu 03u 02u 01u 04u 1fu 2fu 3fu 01121fifuuuu 232022fifiuuuuu 343033fifiuuuuu 123123,oooiiiuuuuuu 即即有有可见起振初期是一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 丙丙类类状状态态乙乙类类甲甲乙乙类类甲甲类类总结总结
19、:)2,1,0(2nnFA0CQCUUcUA0CZ10FA1AF)2,1,0(2nnFA起振条件起振条件平衡条件平衡条件平衡的稳定条件平衡的稳定条件5.2.2 反馈型反馈型LC振荡器振荡器 电源电源有源器件有源器件 选频网络选频网络反馈网络反馈网络0.相关背景知识相关背景知识输入输出相位共射bc负共基ec正共集be正互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的,耦合线圈同名端的正确位置的放置,选择合适馈的,耦合线圈同名端的正确位置的放置,选择合适的耦合量的耦合量M,使之满足振幅起振条件很重要。,使之满足振幅起振条件很重要。互感耦合振荡器有三种
20、形式:调基电路、调集电路和互感耦合振荡器有三种形式:调基电路、调集电路和调发电路,这是根据振荡回路是在基极、集电极和发调发电路,这是根据振荡回路是在基极、集电极和发射极来区分的。射极来区分的。1.互感耦合振荡电路互感耦合振荡电路利用利用L1和和L2之间的互感来实之间的互感来实现正反馈,适用于短波段以现正反馈,适用于短波段以下下。优点:互感耦合振荡电路在优点:互感耦合振荡电路在调整反馈(改变调整反馈(改变M)时,基)时,基本不影响振荡频率本不影响振荡频率判断是否可能振荡的方法,以能否满足相位平衡条件,即是判断是否可能振荡的方法,以能否满足相位平衡条件,即是否构成正反馈为判断准则。否构成正反馈为判
21、断准则。瞬时极性法瞬时极性法来判断是否为正反馈。来判断是否为正反馈。振荡频率的估算:振荡频率的估算:共基放大电路为同向放大。共基放大电路为同向放大。L1和和L2的的同名端同名端接法决定是接法决定是否满足正反馈的要求。否满足正反馈的要求。CLf1021共基调集共基调集共射调基共射调基共基调射共基调射注意:注意:1 L1和和L2的同名端接法,从而满足相位平衡条件;的同名端接法,从而满足相位平衡条件;2 由于输入由于输入阻抗低,采用部分接入法,不影响阻抗低,采用部分接入法,不影响Q值;值;3 由于高频时由于高频时L会有分布电会有分布电容,所以互感耦合方式工作频率不宜过高;容,所以互感耦合方式工作频率
22、不宜过高;4 M越大,越易起振。越大,越易起振。其它电路形式其它电路形式+-+-+-三端式三端式LC振荡器振荡器 三端式三端式LC振荡电路是经常被采用的,其工作频率约在几振荡电路是经常被采用的,其工作频率约在几MHz到几百到几百MHz的范围,频率稳定度也比变压器耦合振荡的范围,频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些,约为电路高一些,约为10-310-4量级,采取一些稳频措施后,还量级,采取一些稳频措施后,还可以再提高一点。可以再提高一点。三端式三端式LC振荡器有多种形式,主要有:振荡器有多种形式,主要有:电感三端式,又称哈特莱振荡器(电感三端式,又称哈特莱振荡器(Hartley)电容三端式,又
23、称考毕兹振荡器(电容三端式,又称考毕兹振荡器(Coplitts)串联型改进电容三端式,又称克拉泼振荡器(串联型改进电容三端式,又称克拉泼振荡器(Clapp)并联型改进电容三端式,又称西勒振荡器(并联型改进电容三端式,又称西勒振荡器(Selier)LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则)三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则)C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc2.电容反馈振荡电路电容反馈振荡电路(Colpitts Oscillators)+uce-+ube -LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc典型的电容三端式振荡电路。满典型的电容三端式振荡电路。满足相位
24、平衡条件,只要适当选取足相位平衡条件,只要适当选取C1与与C2的比值,并使放大器有足的比值,并使放大器有足够的放大量,电路就能产生振荡。够的放大量,电路就能产生振荡。=C1+Coe=C+Ceg 0是电感是电感L的内电导的内电导g0折合到折合到ce两端的电导两端的电导值值g 0=p12 g0,其中其中p1=(C 1+C 2)/C 2 bceC2C1LyieRLyoe-Uc+ube-yfeubebecC 2C 1giegLgoeyfeube-Uc+ube-gieg 0Lbec31feceobeyUUg.A电压增益电压增益LgiegLyfeubegoe+uf-uce+g 0C 1C 2其中,其中,2
25、012/1/oeLieLLggggp gpCCgR102.1feyCA FgC2200111()()feoeLieoeLieCyggggp ggggFgCFF起振条件起振条件 得得C 2C 1giegLgoeyfeube-Uc+ube-gieg 0总结:总结:(1)满足起振条件是选取晶体管的)满足起振条件是选取晶体管的(2)晶体管一旦选定)晶体管一旦选定(参数参数 一定一定)可以改变可以改变F和和 来保证起振。来保证起振。F一般选取一般选取0.1-0.5。即适当选择。即适当选择C1和和C2的值的值(3)由于晶体管输入电导的影响,)由于晶体管输入电导的影响,F并不是越大越容易起振。并不是越大越容
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