高频正弦波产生分析课件.ppt
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1、高频正弦波产生分析反馈的概念反馈式振荡的基本原理 图示出的是一个反馈式放大器的框图。图示出的是一个反馈式放大器的框图。它由放大器和反馈网络组成,图中它由放大器和反馈网络组成,图中 是放大器输出电压复振幅,是放大器输出电压复振幅,是放大器输入电压复振幅,是放大器输入电压复振幅,是反是反馈网络输出反馈电压复振幅,馈网络输出反馈电压复振幅,是外加电压复振幅,放大器的增益是外加电压复振幅,放大器的增益 为为oUiUfUiUAAojiUAAeU A为为 超前超前 相角。相角。反馈网络的反馈系数为反馈网络的反馈系数为oUiUFfjoUFF eUF为为 超前超前 相角。相角。fUoU1ofiUAAUAFii
2、foUUUFU由此可得闭环的放大器增益为由此可得闭环的放大器增益为 A 平衡条件平衡条件 可见,振荡条件是 ,这是振荡的必要条件。它是一个复数方程,因此可以写成两个方程,一个是振幅方程式,称为振幅平衡条件,可表示为1AF 1A F 另一个是相位方程式,称其为相位平衡条件,可表示为:2,0,1,2,AFnn起振与稳幅:输出电压从幅值很小、含有丰富频率,到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。很多种频率很多种频率频率逐渐变为单频率逐渐变为单一一振幅越来越大振幅越来越大趋于稳幅趋于稳幅起振与稳幅1FA电路如何从起振到稳幅?电路如何从起振到稳幅?)(ifUUoUooUFAAFAF稳定的振幅稳定的振幅
3、非线性环节的必非线性环节的必要性!要性!反馈应用反馈应用正弦波的产生正弦波的产生+=桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路桥式正弦波振荡电路1.循环持续放大。循环持续放大。2.使用选频网络进行频率选择。使用选频网络进行频率选择。要点:要点:1f2RR R1可采用热敏电阻进行电路稳幅CRCRCRUUF j1 j1 j1of )1(j31RCRCFRC串并联选频网络的频率响应不但不但=0,且,且 最大,为最大,为1/3。F)(j31 21000ffffFRCf则,令LC 正弦波振荡电路 1.LC并联网络的选频特性电感与电容并联,可以构成LC 并联谐振电 路(通常称为LC 并联谐振回
4、路并联谐振回路),由于实际电 感可以看成一只电阻R(叫做线圈导线铜损铜损电阻)与一理想电感L相串联,所以LC 并联谐振回路为RL 串联再与电容C并联,如图所示。电感线圈和电容的并联电路 1谐振频率谐振频率 电路的感抗XL R,Q0 叫做谐振回路的空载Q 值,实际电路一般都满足该条件。对LC并联谐振是建立在 100RLQ条件下的,即LCfLC21 ,102谐振阻抗谐振阻抗 谐振时电路阻抗达到最大值,且呈电阻性。谐振阻抗和电流分别为CRLRQQRZ20200)1(理论上可以证明LC并联谐振角频率 0与频率 分别为0f3谐振电流谐振电流 电路处于谐振状态,总电流为最小值 00ZUI 谐振时XL0 X
5、C0,则电感L支路电流IL0与电容C 支路电流IC0 为000000IQXUXUIILCCL 即谐振时各支路电流为总电流的Q0倍,所以LC并联谐振又叫做电流谐振。当f f0时,称为电路处于失谐状态,对于LC并联电路来说,若f f0,则XL f0,则XL XC,电路呈容性。怎么去理解LC谐振?LC谐振在物理上是指:对于特定频率的信号,电感的谐振在物理上是指:对于特定频率的信号,电感的感抗和电容的容抗正好相等感抗和电容的容抗正好相等,使得信,使得信号能量在电感和电容之间你来我往毫无阻碍,不需要外加额外的能量,信号始终可以在号能量在电感和电容之间你来我往毫无阻碍,不需要外加额外的能量,信号始终可以在
6、LC之间来回跑(之间来回跑(振荡),就是振荡了。振荡),就是振荡了。谐振,会使谐振谐振,会使谐振回路中的电流无穷大回路中的电流无穷大,因为该回路(对于这个频率的信号)的阻抗为,因为该回路(对于这个频率的信号)的阻抗为0了。了。当然这是理想状况,因为总有一点点损耗的,比如电感的自带的线圈电阻等。当然这是理想状况,因为总有一点点损耗的,比如电感的自带的线圈电阻等。解:解:(1)50 MHz121 rad/s1025.610060RLQLCfLC,k25 kHz2020000RQZQfB,(2)IL0 IC0=Q0I=5 mA。p 电感线圈与电容器构成的LC并联谐振电路,已知R=10,L=80 H,
7、C=320 pF。试求:(1)该电路的固有谐振频率f0、通频带B与谐振阻抗|Z0|;(2)若已知谐振状态下总电流I=100 A,则电感L支路与电容C支路中的电流IL0、IC0为多少?负反馈:负反馈:T()ICUE UBE(UB基本不变)基本不变)IB IC 反馈:反馈:将输出量通过一定的方式引回输入将输出量通过一定的方式引回输入回路影响输入量的措施称为反馈。回路影响输入量的措施称为反馈。Re起直流负反馈作用,其值越大,反馈起直流负反馈作用,其值越大,反馈越强,越强,Q点越稳定。点越稳定。Re没有交流负反馈作没有交流负反馈作用。用。T()ICQ1.1.静态工作静态工作点分析点分析eBEQBQEQ
8、CCb21b1bBQRUUIVRRRU)(ecEQCCeEQcCQCCCEQRRIVRIRIVU1EQBQII分压式电流负反馈工作点稳定电路CCb21b1bBQVRRRUeBEQBQEQ RUUI 为了稳定为了稳定Q点,通常点,通常I1 IB,即,即I1 I2;因此;因此基本不随温度变化。基本不随温度变化。2.2.动态分析:动态分析:beLio rRUUAubeb2b1irRRRcoRR ee)1()(beLebebLcbioRrRRIrIRRIUUAu)1(ebeb2b1iRrRRRcoRR 构成正弦波振荡电路最简构成正弦波振荡电路最简单的做法是通过变压器引入单的做法是通过变压器引入反馈。反
9、馈。附加相移附加相移LC选频放大电路正弦波振荡电路 当当 f=f0时,电压放大倍数的时,电压放大倍数的数值最大,且附加相移为数值最大,且附加相移为0。放大电路放大电路反馈网络反馈网络Uo共射电路共射电路A=-变压器反馈式电路)(0iffUfUC1是必要的吗?是必要的吗?分析电路是否可能产生正弦波振荡:分析电路是否可能产生正弦波振荡:1)放大电路是否能正常工作放大电路是否能正常工作2)是否满足相位条件是否满足相位条件3)是否可能满足幅值条件是否可能满足幅值条件 为使为使N1、N2耦合紧密,将它们合二为一,组成电感反馈式电路。耦合紧密,将它们合二为一,组成电感反馈式电路。注意注意同铭端!同铭端!如
10、何组成?如何组成?电感反馈式电路反馈电压取自哪个线圈?反馈电压取自哪个线圈?反馈电压的极性?反馈电压的极性?)(0iffUfU 电感的三个抽头分别接晶体管的三个极,故称电感的三个抽头分别接晶体管的三个极,故称之为电感三点式电路。之为电感三点式电路。电路特点?电路特点?电感反馈式电路特点:耦合紧密,易振,振幅大,特点:耦合紧密,易振,振幅大,C 用可调电容用可调电容可获得较宽范围的振荡频率。波形较差,常含有可获得较宽范围的振荡频率。波形较差,常含有高次谐波。高次谐波。减小。增大,则具有相关性;若增大与故阻就是它自身的负载,因为放大电路的输入电FANFA 1 由于电感对高频信号呈现较大的电抗,故波
11、形中含高次谐波,为使振荡波形好,采用电容反由于电感对高频信号呈现较大的电抗,故波形中含高次谐波,为使振荡波形好,采用电容反馈式电路。馈式电路。图3.10 电容三点式振荡器(a)电路图(a)RLC1C2CC1000 pFRE700 RB22 kCB0.033 FRB1*L1.3 H0.033 FEC(15 V)2000 pF电容反馈式振荡器电路(三点式)电容反馈式振荡器电路(三点式)图3.10 电容三点式振荡器(b)交流通路(b)REUiUoLRe0C1C2UfRL1)画出该振荡器的交流等效电路,判断其电路类型画出该振荡器的交流等效电路,判断其电路类型图中图中RB1、RB2、RE为直流偏置电阻。
12、为直流偏置电阻。CB是基极偏置的滤波电容,是基极偏置的滤波电容,CC是集电极耦合电容,是集电极耦合电容,它们对交流应当等效短路。直流电源它们对交流应当等效短路。直流电源EC对于交流等效短路接地。对于交流等效短路接地。RB1、RB2被交流短路。由此可画出被交流短路。由此可画出该电路的交流等效电路,如图该电路的交流等效电路,如图3.10(b)所示。所示。2)求该振荡器的工作角频率求该振荡器的工作角频率g在工程设计的近似条件下,可认为振荡器的工作频率在工程设计的近似条件下,可认为振荡器的工作频率g等于由等于由L、C1、C2组成的回路的组成的回路的谐振频率谐振频率0。所以该振荡器的工作频率。所以该振荡
13、器的工作频率 012121gC CLCC3)求反馈系数求反馈系数F共基组态放大器从射极和基极之间输入,集电极和基极之间输出。输出电压共基组态放大器从射极和基极之间输入,集电极和基极之间输出。输出电压 经由电容组成的反馈经由电容组成的反馈网络,从网络,从C2两端取得反馈电压两端取得反馈电压 ,把它加到放大器的输入端,把它加到放大器的输入端(晶体管的射极晶体管的射极),构成正反馈。放,构成正反馈。放大器的输入电阻大器的输入电阻ri是放大器负载的一部分,放大器输入端的电容是放大器负载的一部分,放大器输入端的电容Cbe与与C2并联。所以反馈网络是并联。所以反馈网络是由由C1和和C2+Cbe分压构成。在
14、忽略与反馈网络各端点相并联的电阻影响的条件下,反馈系数可近分压构成。在忽略与反馈网络各端点相并联的电阻影响的条件下,反馈系数可近似为似为fUoU112b eCFCCC通常有通常有CbeC2:112CFCC4)起振条件分析起振条件分析 在直流电源刚刚接通的瞬间,振荡器应满足起振条件。由于起振的一刻是线性小信号状态工作在直流电源刚刚接通的瞬间,振荡器应满足起振条件。由于起振的一刻是线性小信号状态工作,所以晶体管可以用微变等效电路去等效,如图所示。,所以晶体管可以用微变等效电路去等效,如图所示。所示电路起振时交流等效电路(a)晶体管等效电路;(b)振荡器等效电路eUbereCbe gmUbebc(a
15、)ereCbe gmUibUbe(Ui)UoRLLreC1C2RECbe Ufce(b)根据图根据图3.11可以看出可以看出RL、Re0并接在并接在c、b两端,输入电阻两端,输入电阻ri=REre处于处于e、b两端。如何把两端。如何把ri折合到折合到c,b之间之间呢呢?通常用能量守恒的方法。也就是说通常用能量守恒的方法。也就是说ri在在e,b之间消耗的功率应等于把之间消耗的功率应等于把ri折合到折合到c、b之间的等效电阻之间的等效电阻Ri所消耗的功率,即所消耗的功率,即2222222,/ebcbiEeiicboiiiiebiUUrRrrRUUrRrrUUF 所以,所以,RL应等于应等于RL、R
16、eo、Ri三者的并联,即三者的并联,即/1LLeoimLRRRRg R F 在负载和反馈系数已知的条件下,可以导出满足起振条件要求的晶体管跨导在负载和反馈系数已知的条件下,可以导出满足起振条件要求的晶体管跨导gm的范围的范围:111111111(1)(1)(1)mLLeoimmLeoEeLeomLeoEFgR FR FR FrFFgg FR FR FRrR FR FFgR FFR FFRFu由式可确定满足起振条件的晶体管跨导范围。晶体管的静态工作点电流由式可确定满足起振条件的晶体管跨导范围。晶体管的静态工作点电流IEQ越大,越大,gm越大越大(re越小越小),振荡器越容易起振;,振荡器越容易起
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