《射频电路基础》课件第3章.pptx

1、第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器3.1 反馈式振荡器的工作原理反馈式振荡器的工作原理3.2 LC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器3.4 RC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.5 负阻器件与负阻型负阻器件与负阻型LC 正弦波正弦波 振荡器振荡器3.6 正弦波振荡器的特殊振荡现象正弦波振荡器的特殊振荡现象3.7 集成器件与应用电路举例集成器件与应用电路举例3.8 PSpice仿真举例仿真举例本章小结本章小结思考题和习题思考题和习题第三章 正弦波振荡器3.1 反馈式振荡器的工作原理反馈式振荡器的工作原理以放大器和反馈网络为基础构成的反馈式振荡器的结构框图如图3.1.

2、1所示,放大器和反馈 网络构成一个环路,表现电压信号的路径和变换,每个电压都用复振幅来体现各自的振幅和相 位。实际的反馈式振荡器中,放大器的负载是选频网络,通过反馈支路的连接,选频网络还包括 放大器的输入回路,反馈网络是选频网络的一部分。第三章 正弦波振荡器图3.1.1 反馈式振荡器的结构框图第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器3.1.1 平衡条件平衡条件 产生自激振荡必要的AF=1称为平衡条件。因为A=AejA,F=FejF,所以平衡条件可以 分解为AF=1和A+F=0。AF=1是对放大器和反馈网络振幅放大倍数的要求,称为振幅 平衡条件,A 1.振幅平衡条+件F=0则是对放大器和反馈网络

3、相移的要求,称为相位平衡条件。第三章 正弦波振荡器1.振幅平衡条振幅平衡条 因为A=Uo/Ui,F=Uf/Uo,所以振幅平衡条件AF=1与输出电压振幅Uo、净输入电压 振幅Ui和反馈电压振幅Uf有关。第三章 正弦波振荡器图3.1.2 振幅平衡条件第三章 正弦波振荡器在放大特性曲线与反馈特性曲线的交点 P处,纵坐标为UoP,横坐标UiP=UfP,于是从而振幅平衡条件成立。反之,在其他的工作点如 P,虽然放大特性曲线上和反馈特性曲线上 P的纵坐标UoP相同,但横坐标UiPUfP,所以振幅平衡条件不成立。第三章 正弦波振荡器对比说明,放大特性曲线与反馈特性曲线的交点 P满足振幅平衡条件,是振荡器的工

4、作点。点 P的坐标UoP、UiP和UfP都是有确定取值的振幅,所以振幅平衡条件决定了振荡振幅。振幅平衡条件实现的前提是放大特性曲线和反馈特性曲线在坐标系的第一象限要有交点,如 果出现了图3.1.2(b)所示的情况,就无法实现振幅平衡条件,必须修改放大器或反馈网络的设计。第三章 正弦波振荡器2.相位平衡条件相位平衡条件相位平衡条件A+F=0与放大器的相移A和反馈网络的相移F有关。图3.1.3中,放大 器用有源器件晶体管和负载LC 并联谐振回路代表,从静输入电压Ui 到输出电压Uo,放大器做 了两次信号变换。首先,晶体管把Ui变换为输出电流Io,因为基区渡越效应等原因,将Io 超前 Ui 的相位记

5、为晶体管的相移Y。其次,LC 回路利用其阻抗把Io 变换为Uo,Uo 超前Io的相位 记为负载的相移Z。所以,放大器的相移A=Y+Z,相位平衡条件又可以表示为Y+Z+F=0。因为Y+Z+F是信号在回路中走一圈受到的总相移,所以相位平衡条件还可以表 示为=0。第三章 正弦波振荡器图3.1.3 反馈式振荡器各部分的相移 第三章 正弦波振荡器当振荡频率远小于晶体管的特征频率时,Y 基本不随频率变化,在振荡频率附近的窄带范 围,F也基本不随频率变化,设E=Y+F,于是相位平衡条件要求Z=-E。图3.1.4中给 出了LC 并联谐振回路作为负载时,其阻抗的相频特性,即Z随频率的变化。在Z曲线与-E曲 线的

6、交点 P处,Z=-E,相位平衡条件成立。点 P的横坐标osc即为振荡频率,所以相位平衡 条件决定了振荡频率。在Z=0的位置,LC 回路谐振,谐振频率为0。为了提供负的Z以满足 相位平衡条件,LC 回路略微失谐,osc略微大于0。第三章 正弦波振荡器图3.1.4 用LC 并联谐振回路实现相位平衡条件第三章 正弦波振荡器3.1.2 稳定条件稳定条件 平衡条件是反馈式振荡器能够振荡的必要条件,根据平衡条件找到工作点后,该工作点还要满足稳定条件,保证工作点因为某种原因离开平衡位置后,能够经由电路自动调整,基本回到原 平衡位置,这也是振荡器维持振荡的必要条件。稳定条件也可以用电压的振幅和相位来分别描 述

7、,分为振幅稳定条件和相位稳定条件。第三章 正弦波振荡器1.振幅稳定条件振幅稳定条件 图3.1.5(a)中,工作点 P脱离了平衡位置,其接下来的运动轨迹可以根据放大器和反馈网络 对电压振幅的变换来确定。首先,点 P对应的净输入电压UiP1经过放大器得到输出电压UoP1,即 在图3.1.5(a)中,以UiP1为横坐标将点 P投影到放大特性曲线上,得到点 P新的位置,纵坐标为 UoP1。其次,UoP1经过反馈网络得到反馈电压UfP1,即再以UoP1为纵坐标将点 P投影到反馈特性曲 线上,得到点 P新的位置,横坐标为UfP1。至此,电压沿回路走了一圈。第三章 正弦波振荡器在第二圈中,UfP1成为新 的

8、净输入电压UiP2,再经过放大器得到新的输出电压UoP2,UoP2,再经过反馈网络得到新的反馈电 压UfP2,点 P也经过两次投影,运动到新的位置。以此类推,点 P逐渐回到原来的平衡位置。所 以,图3.1.5(a)所示的放大特性曲线和反馈特性曲线的交点满足振幅稳定条件。第三章 正弦波振荡器图3.1.5(b)中,工作点 P脱离平衡位置后,按照上述投影规律,在垂直方向上运动到放大特 性曲线上,在水平方向上运动到反馈特性曲线上,结果点 P没有回到原来的平衡位置,而是逐渐 运动到原点,其坐标即各个电压的振幅逐渐减小到零,说明振荡减弱,最后消失。所以,图3.1.5(b)所示的放大特性曲线和反馈特性曲线的

9、交点不满足振幅稳定条件,必须修改放大器或反馈网 络的设计。第三章 正弦波振荡器图3.1.5 振幅稳定条件第三章 正弦波振荡器对比图3.1.5(a)和图3.1.5(b),满足振幅稳定条件时,交点处放大特性曲线的斜率小于反馈 特性曲线的斜率,而不满足振幅稳定条件时,交点处放大特性曲线的斜率大于反馈特性曲线的斜 率,可以根据这个几何特征给出振幅稳定条件的表达式。放大特性曲线可以表示为Uo=AUi,反 馈特性曲线可以表示为Uo=Uf/F=Ui/F。第三章 正弦波振荡器点 P在平衡位置时,根据振幅稳定条件对两条曲线 的斜率要求,有第三章 正弦波振荡器因为点P在平衡位置,AF|P=1,所以不等式右端等于零

10、。不等式左端的Ui是点P处的净输入电 压振幅,大于零,所以振幅稳定条件简化为第三章 正弦波振荡器2.相位稳定条件相位稳定条件 根据图3.1.4,可以得到图3.1.6所示的总相移=Z+E和频率 的关系。图中,工作点P 脱离了平衡位置,对应的频率为P1。电压沿回路走第一圈,总相移P10,于是频率发生变化,变化量为 P1=P1/T1,其中,T1 为电压走第一圈需要的时间。以新的频率P2=P1+P1为横坐标,得到点 P新的位置,纵坐标为电压沿回路走第二圈时新的总相移P2。P2再产 生新的频率变化量P2=P2/T2,其中,T2为电压走第二圈需要的时间。P2又使点P运动 到新的位置。以此类推,点 P逐渐回

11、到原来的平衡位置,实现相位稳定条件。第三章 正弦波振荡器图3.1.6 用LC 并联谐振回路实现相位稳定条件第三章 正弦波振荡器根据以上分析,如果点 P对应的频率P小于振荡频率osc,则需要总相移P 0以产生正 的频率变化量进行位置修正,如果P大于osc,则需要P 0以产生负的频率变化量进行位置 修正。所以,相位稳定条件要求曲线在过零时斜率为负,即在平衡位置 P处(/)|P 0。包括晶体管的相移Y、负载的相移Z和反馈网络的相移F,其中,Y 和F基本不随频率变 3化,所以相位稳定条件还可以表示为(Z/)|P/2,放大特性如图3.1.8中曲线所示,其与反馈特性曲线的关系满足振幅起 振条件。随着电压振

12、幅的增大,直流电流增大,UBB减小,也减小,直到UBBUBE(on)时,1中的gm 是差动放大器的交流跨导,不同于晶体管的交流跨导。第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器【例【例3.2.5】单端输出电容反馈式差分对振荡器如图3.2.16(a)所示,已知晶体管的交流输入 电阻rbe和发射结电容Cbe,其余元件参数和电流源电流在图中给出。计算振荡频率osc并推导振 幅起振条件。第三章 正弦波振荡器图3.2.16 单端输出电容反馈式差分对振荡器第三章 正弦波振荡器电容支路的总电容为第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器将式(3.2.13)式(3.2.15)代入式(3.2.6)

13、,得到振幅起振条件为第三章 正弦波振荡器【例【例3.2.6】双端输出电感反馈式差分对振荡器如图3.2.17(a)所示,已知晶体管的交流输入电阻rbe和发射结电容Cbe,其余元件参数和电流源电流在图中给出,不计电感L1、L2和L3之间 的互感。计算振荡频率osc并推导振幅起振条件。第三章 正弦波振荡器图3.2.17 双端输出电感反馈式差分对振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器从差动放大器的电流方程可知,输出电流只有基波和奇次谐波,没有偶次谐波,所以差分对 振荡器的反馈电压中的谐波分量较少,有助于提高正弦波的波形质量。大信号工作时,输出电流 近似为

14、方波,晶体管近似工作在开关状态,输出电阻较大,提高了LC 并联谐振回路的品质因数。单端输出时,两个晶体管各自接LC 回路,一个构成振荡器,另一个接负载电阻,这种设计较好地 隔离了负载与振荡器。第三章 正弦波振荡器3.2.4 LC 正弦波振荡器的频率稳定度正弦波振荡器的频率稳定度正弦波振荡器的振荡频率会因为诸如元器件老化、温度变化、电压不稳定、噪声和干扰等因 素而发生变化。频率稳定度可以用|osc/osc|来量化,其中,osc为振荡频率的统计平均值,精度 较高时osc等于设计值,osc为各种原因造成的振荡频率的变化量。|osc/osc|是振荡频率的相 对变化量,取值越小,说明频率稳定度越高。第三

15、章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器图3.2.18 考虑晶体管极间电容的电容三端式振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器1.克拉拨振荡器克拉拨振荡器 克拉拨振荡器的基本设计思想是在原电容支路上串联一个较小的电容,总电容近似为此小电 容,这样晶体管极间电容对总电容和振荡频率的影响就可以忽略不计。在电容三端式振荡器基础上设计的克拉拨振荡器如图3.2.19所示,原电容支路上串联的电容 是C3,交流耦合电容CC的隔直流作用也由C3完成。电容的关系满足C3C1且C3C2,所以C3 远小于原电容支路的电容,即第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器图3.2.19 克拉拨振荡器第

16、三章 正弦波振荡器不难看出,C3越小,C越接近于C33,克拉拨振荡器的频率稳定度越高。但是,C3的接入会对振幅 起振条件造成一定影响。可以推导出图3.2.19所示的克拉拨振荡器的振幅起振条件为第三章 正弦波振荡器为了解决这个问题,可以在克拉拨振荡器中用不是很小的C3串联接入电容支路,保证实现振 幅起振条件。因为C3不很小,稳定频率的效果有限,所以再给电容支路并联一个大电容,总电容 近似为该大电容,这样也可以忽略晶体管极间电容对总电容和振荡频率的影响,这就是席勒振荡 器的设计思想。第三章 正弦波振荡器2.席勒振荡器席勒振荡器 在克拉拨振荡器基础上设计的席勒振荡器如图3.2.20所示,原电容支路上

17、并联的电容是C4。在克拉拨振荡器的电容关系C3C1且C3C2的基础上,席勒振荡器要求C4C3,电容支路的总 电容为振荡频率为第三章 正弦波振荡器图3.2.20所示的席勒振荡器的振幅起振条件与图3.2.19所示的克拉拨振荡器的振幅起振条 件相同,同为式(3.2.22)。因为C4没有出现在公式中,所以C4的接入和变化不影响振幅起振条 件。席勒振荡器可以通过调整C4来改变振荡频率,获得较大的振荡频率范围。第三章 正弦波振荡器 3.3 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 LC 并联谐振回路选频滤波时,带宽内生成的电压都可以得到反馈,导致振荡频率在带宽内 变化。引入负载电阻后,LC 回路的品质因数减小,带宽增

18、大,频率稳定度会下降。因为这个固有 特点,LC 正弦波振荡器的频率稳定度一般可以达到10-4量级,进一步提高频率稳定度则需要在电路设计中引入品质因数较高的元件或电路,限制选频滤波带宽。第三章 正弦波振荡器图3.2.20 席勒振荡器第三章 正弦波振荡器3.3.1 石英谐振器石英谐振器 石英晶体振荡器中的石英谐振器的材料基础是石英晶体,形状如图3.3.1(a)所示。石英晶体 是六棱柱椎体,穿过椎体对顶角的坐标轴记为Z 轴,因为光线沿此轴方向通过石英晶体会产生偏 振,所以Z 轴又称为光轴。石英晶体的横截面为正六边形,穿过六边形对顶角的坐标轴记为 X 轴,因为石英晶体的形变会沿 X 轴方向在表面产生电

19、荷,所以 X 轴又称为电轴。横截面上与 X 轴垂直的坐标轴穿过六边形对边,记为Y 轴,因为在电场作用下,石英晶体沿Y 轴方向的形变最 明显,所以Y 轴又称为机械轴。第三章 正弦波振荡器制作石英谐振器,首先需要在石英晶体中按一定角度切出一定大 小和形状的晶体片,切割角度决定了晶体片的性能。如 AT 切割,要求切面围绕 X 轴旋转并与Z 轴夹角为3515,如图3.3.1(b)所示。AT 切割的晶体片的适用工作频率是500kHz350MHz。由于加工方便、晶体片较小、温度稳定性好,AT 切割的应用较为广泛。第三章 正弦波振荡器基于天然的晶格结构,晶体片可以产生频率稳定度很高的机械振动,如厚度切变振动

20、、伸缩 振动、曲变振动,等等。晶体片具有一个独特的物理特性,称为压电效应:机械形变会使晶体片内 部极化,在晶体片表面产生异性电荷,形成电压;外加到晶体片表面的电压又会反过来引起机械 形变。压电效应使得机械能和电能可以相互转换,机械振动表现为电谐振。为了把电谐振引入电 路,在晶体片的两个切面镀银,连接引脚,封装保护,制成石英谐振器,简称晶振。图3.3.1(c)、(d)所示为谐振频率在1MHz以上的石英谐振器的两种典型内部结构。第三章 正弦波振荡器图3.3.2(a)所示为石英谐振器的电路符号和电路模型。石英谐振器可以在基音频率和近似为 其整数倍的泛音频率上发生谐振,石英晶体振荡器选用基音或奇次泛音

21、频率工作,分别称为基音 晶振或泛音晶振。石英谐振器在所选频率附近的谐振特性可以用一个LC 串并联谐振回路代表,其中包括四个元件。静态电容C0代表电极和引线的电容,取值一般为几皮法。与C0并联的是电感 Lqn、电容Cqn和电阻rqn构成的串联支路,n=1,3,5,n=1代表基音频率对应的LC 串联 支路,n=3代表三次泛音频率对应的LC 串联支路,以此类推。其第三章 正弦波振荡器图3.3.1 石英谐振器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器图3.3.2 石英谐振器的电路符号、电路模型和阻抗的频率特第三章 正弦波振荡器3.3.2 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 并联型石英晶体振荡器一般

22、用基音晶振,石英谐振器代替LC 并联谐振回路中的电感。根据 图3.3.2(b)所示的频率特性,振荡频率fosc应该满足fs1foscfp1。为了获得足够的电感,fosc 取值更接近fp1。由于fs1与fp1非常接近,所以fosc的变化范围很小,而Xe的变化范围很大,可以 对较大范围的外接电容形成并联谐振,这保证了振荡频率的稳定度。反之,foscfp1 时,石英谐振器容性失谐,如果用来代替LC 回路中的电容,则会因为 Xe随fosc的变化不明显而 导致频率稳定度下降,而且晶体片失效时,静态电容C0仍然存在,可以维持振荡但频率错误。第三章 正弦波振荡器 图3.3.3所示为某数字频率计中的信号源,第

23、一级电路为并联型石英晶体振荡器,放大器为 共集电极放大器。交流通路中,电容C2连接发射极和基极,电感L1和电容C1构成局部的LC 并 联谐振回路,通过交流耦合电容CE连接发射极和集电极,基极和集电极之间则通过石英谐振器、电容C3和C4构成的支路连接,石英谐振器的标称频率为5 MHz。根据“射同基反”的设计要求,L1C1并联谐振回路应该失谐且呈容性。容性失谐要求振荡频率fosc大于 L1C1 回路的谐振频率f0,因为f0=4MHz,所以fosc取标称频率5MHz。第三章 正弦波振荡器图3.3.3 使用并联型石英晶体振荡器的数字频率计信号源第三章 正弦波振荡器【例3.3.1】并联型石英晶体振荡器如

24、图3.3.4(a)、(b)所示,石英谐振器的基音频率为1.4 MHz,其余元件参数在图中给出。计算振荡频率fosc。图3.3.4 并联型石英晶体振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器3.3.3 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器 串联型石英晶体振荡器一般使用泛音晶振,石英谐振器添加在正反馈支路中,构成一个谐振 频率为串联谐振频率fsn的LC 串联谐振回路。原有的LC 并联谐振回路在其通带生成各个频率的电压,其中,只有频率等于fsn的电压被石英谐振器短路,通过反馈支路产生正反馈;其他频率的 电压经过石英谐振器时,石英谐振器对其失谐,因为品质因数很高而近似为开路,形不成反馈。所以,电

25、路的振荡频率fosc=fsn。第三章 正弦波振荡器图3.3.5所示为 BDZ 3 1三路载波终端机主振荡器使用的串联型石英晶体振荡器。第一级 放大器的LC 并联谐振回路的谐振频率为9kHz,带宽较大,第一次选频获得9kHz左右通带内 的电压。该电压经过第二级放大器放大,又从正反馈支路回到第一级放大器的输入端。石英谐振 器的标称频率为 9kHz,带宽远远小于LC 回路的带宽,经过石英谐振器的第二次选频,并通过 负载电容CL微调频率,可以使振荡频率fosc准确等于9kHz。第三章 正弦波振荡器图3.3.5 使用串联型石英晶体振荡器的 BDZ 3 1三路载波终端机主振荡器第三章 正弦波振荡器【例【例

26、3.3.2】串联型石英晶体振荡器如图3.3.6(a)所示,石英谐振器的基音频率为4.9MHz,其余元件参数在图中给出。计算振荡频率fosc,并说明调节电容C1的作用。第三章 正弦波振荡器图3.3.6 串联型石英晶体振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器3.4 RC 正弦波振荡器正弦波振荡器 随着振荡频率的降低,LC 正弦波振荡器的电感和电容的取值按平方率增大,元件的体积和 重量相应增加,频率较低时,电感和电容不再适用于集成和小型化的电路。振荡频率为几十千赫 兹以下的正弦波振荡器可以用电阻和电容构成的RC 移相网络或RC 选频网络取代LC 并联谐振 回路,作为放大器的负载并构成反馈网络,

27、这样的正弦波振荡器称为RC 正弦波振荡器。第三章 正弦波振荡器3.4.1 RC 移相振荡器移相振荡器 RC 移相振荡器利用RC 移相网络对输出电压做适当的相移,相移产生的反馈电压与净输入 电压同相,满足相位平衡条件。RC 移相网络包括RC 导前移相网络和RC 滞后移相网络。第三章 正弦波振荡器图3.4.1 RC 移相网络及其反馈系数的频率特性第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器图3.4.2 共发射极放大器和导前移相网络构成的RC 移相振荡器第三章 正弦波振荡器【例【例3.4.1】判断图3.4.3所示的RC 移相振荡器是否满足相位平衡条件。解解 与LC

28、 正弦波振荡器一样,RC 正弦波振荡器也可以用瞬时极性表示信号的方向,用信 号方向一致或不一致表现信号的同相和反相关系。第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器图3.4.4 RC 移相振荡器的移相网络和电压变换第三章 正弦波振荡器图3.4.4 RC 移相振荡器的移相网络和电压变换第三章 正弦波振荡器用类似于LC 正弦波振荡器中使用的方法可以计算RC 移相振荡器的振荡频率并推导振幅起 振条件。设未连接RC 移相网络的放大器的开路电压放大倍数为Auo,输入电阻为Ri,输出电阻 为Ro。放大器连接常用的三级导前移相网络构成的RC 移相振荡器的交流等效电路如图3.4.5所示。第三章 正弦波振荡器图3.

29、4.5 RC 移相振荡器的交流等效电路第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器【例【例3.4.2】共发射极放大器构成的RC 移相振荡器如图3.4.6所示,已知晶体管的交流输入 电阻rbe和共发射极电流放大倍数,其余元件参数在图中给出,RB1 RB2rbe,RC=R。推导 振荡频率osc和振幅起振条件的表达式。图3.4.6 共发射极放大器构成的RC 移相振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器图3.4.7 输出端开路时共发射极放大器的 交流等效电路第三章 正弦波振荡器【例【例3.4.3】反相比例放大器构成的RC 移相振荡器如图3.4.8所示,元件参数在图中给出,R1=R

30、。推导振荡频率osc和振幅起振条件的表达式。图3.4.8 反相比例放大器构成的RC 移相振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器反馈网络的反馈系数为第三章 正弦波振荡器图3.4.9 反相比例放大器构成的 有源RC 移相振荡器第三章 正弦波振荡器3.4.2 RC 选频振荡器选频振荡器 RC 选频振荡器利用RC 选频网络实现选频滤波,选频网络的幅频特性有类似于LC 并联谐 振回路的带通滤波特性,在通频带生成反馈电压,相频特性使中心频率处的反馈电压与净输入电 压同相,满足相位平衡条件。常见的RC 选频网络是RC 串并联网络。第三章 正弦波振荡器RC 串并联网络如图3.4.10(a)所示,可 以

31、将其视为图3.4.1所示的RC 导前移相网络 和滞后移相网络的叠加。RC 串并联网络的反 馈系数为第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器图3.4.10 RC 串并联网络及其反馈系数的频率特性 第三章 正弦波振荡器图3.4.11(a)所示为同相比例放大器和RC 串并联网络构成的RC 选频振荡器,称为文氏桥振 荡器。RC 串并联网络和电阻R1、R2构成电桥,集成运算放大器的同相输入端和反相输入端接在电桥的中点。RC 串并联网络是正反馈网络,R1和 R2构成负反馈网络,如图3.4.11(b)所示。正、负反馈网络的两个反馈电压在电桥的中点,分别作用到集成运放的同相端和反相端。输出正弦波时,集成运放工

32、作在线性放大区,同相端和反相端的电压几乎相等。第三章 正弦波振荡器图3.4.11 文氏桥振荡器第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器与LC 正弦波振荡器相比,由于RC 移相网络和RC 选频网络的品质因数较低,所使用的大 电阻、大电容的稳定度较差,所以RC 正弦波振荡器的频率稳定度和波形质量都低于LC 正弦波 振荡器。但是,RC 正弦波振荡器中不需要电感,电阻和电容的取值随着振荡频率的降低而线性 增大,并非平方率增大,电路便于集成和小型化,所以普遍应用于产生音频以下的正弦波。第三章 正弦波振荡器图3.4.12 文氏桥振荡器第三章 正弦波振荡器3.5 负阻器件与负阻型负阻器件与负阻型LC 正弦波

33、振荡器正弦波振荡器在较高的射频频段如微波频段,经常采用负阻器件作为有源器件,为LC 谐振回路或谐振腔 补充交流能量,产生并维持正弦波输出,这样的电路称为负阻型LC 正弦波振荡器。第三章 正弦波振荡器3.5.1 负阻器件负阻器件 如图3.5.1所示,负阻器件的伏安特性曲线有一段的斜率为负值,将直流静态工作点Q 设置 在负阻区的中点,则交流信号使工作点在负阻区运动时,因为动态电阻-r 为负值,交流电压和交流电流反相,-r 上消耗的交流功率为负值,即产生出交流功率。如同晶体管等有源器件一样,负阻器件的交流功率也是从直流功率转换过来的。第三章 正弦波振荡器图3.5.1 负阻器件的伏安特性第三章 正弦波

34、振荡器根据伏安特性的特点,负阻器件分为电压控制型和电流控制型。电压控制型负阻器件的每个 电压对应唯一的电流,而每个电流可以对应多个电压,所以需要用直流偏置电压Ubias确定唯一的 直流静态工作点;电流控制型负阻器件的每个电流对应唯一的电压,而每个电压可以对应多个电 流,所以需要用直流偏置电流Ibias确定唯一的直流静态工作点。常用的负阻器件包括耿氏二极管、隧道二极管和双基极二极管。耿氏二极管和隧道二极管具 有电压控制型的伏安特性,双基极二极管则表现出电流控制型的伏安特性。第三章 正弦波振荡器3.5.2 负阻型负阻型LC 正弦波振荡器正弦波振荡器 设计负阻型LC 正弦波振荡器时,为了便于为负阻器

35、件提供直流偏置电压或直流偏置电流,并维持直流偏置电压和电流的稳定,可以为电压控制型负阻器件选择使用LC 并联谐振回路,为 电流控制型负阻器件选择使用LC 串联谐振回路,如图3.5.2所示。第三章 正弦波振荡器图3.5.2 负阻器件的直流偏置与LC 谐振回路第三章 正弦波振荡器图3.5.3(a)所示为使用耿氏二极管的微波谐振腔的电压控制型电路模型。耿氏二极管的负阻 为-rd,结电容为Cd,管壳电容为C0,引线电感为L0。谐振腔用LC 并联谐振回路等效,包括电感Lr、电容Cr和负载电阻RL。把所有的元件参数都折算到与耿氏二极管并联的支路上,得到如 图3.5.3(b)所示的简化电路模型,其中的LC

36、并联谐振回路包括电感L、电容C 和不计-rd时的 谐振电阻Re。第三章 正弦波振荡器图3.5.3 使用耿氏二极管的微波谐振腔的电压控制型电路模型第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器负阻型LC 正弦波振荡器的振荡频率较高,电路简单,温度特性较好,噪声较低。但是,受限 于负阻器件的伏安特性,负阻型LC 正弦波振荡器的频率稳定度不如反馈式振荡器,振幅也较不 稳定。负阻器件不能放大交流信号,所以负阻型LC 正弦波振荡器的输出功率较小。第三章 正弦波振荡器3.6 正弦波振荡器的特殊振荡现象正弦波振荡器的特殊振荡现象由于元器件选择不当、分布参数影响、外来信号侵入等原因,正弦波振荡器可能会产生特殊 的振

37、荡现象,如寄生振荡、间歇振荡和频率占据,它们都影响电路的正常工作,需要准确识别并 排除。第三章 正弦波振荡器1.寄生振荡寄生振荡 正弦波振荡器发生振荡频率外的低频振荡和高频振荡,低频振荡的频率远低于正常振荡频 率,高频振荡的频率远高于正常振荡频率,低频振荡和高频振荡叠加到正常输出的波形上,造成 波形的起伏和毛刺,这种现象称为寄生振荡,如图3.6.1所示。第三章 正弦波振荡器图3.6.1 发生寄生振荡的正弦波振荡器的输出波形第三章 正弦波振荡器发生寄生振荡的原因是电路中除LC 并联谐振回路之外的其他电感和电容构成了振荡回路并 且也满足振荡条件。其中,低频寄生振荡涉及取值较大的电感和电容,如高频扼

38、流圈、交流耦合 电容、旁路电容,等等。为了排除低频寄生振荡,可以减少高频扼流圈的数量,选择扼流圈的电感 量、交流耦合电容和旁路电容的电容量,确定振荡回路的结构并加接电阻增加回路损耗,直至振 荡条件被破坏。高频寄生振荡涉及取值较小的电感和电容,包括器件的极间电容、引线电容和引 线电感等分布参数,例如,隔直流电容和旁路电容在高频时受分布参数影响而变成电感,不能交 流短路。第三章 正弦波振荡器为了排除高频寄生振荡,可以给晶体管的基极和集电极串联小电阻,增大引线间距,采 用粗短引线,为隔直流电容和旁路电容并联几百皮法的小电容以在频率很高时维持电容特性并交 流短路,合理布线以减小输出回路和输入回路的耦合

39、。第三章 正弦波振荡器2.间歇振荡间歇振荡 LC 正弦波振荡器开始工作时,振荡和直流偏置同时建立。从起振到平衡所需的振荡建立的 时间与环路增益的大小AF 和LC 回路的品质因数Qe 有关:AF 越大,Qe 越小,振荡建立越快;AF 越小,Qe 越大,振荡建立越慢。直流偏置建立的快慢则与交流耦合电容的充放电时间常数 有关,越大,直流偏置建立越慢;越小,直流偏置建立越快。当振荡建立较快而直流偏置建立较 慢时,LC 正弦波振荡器会发生时而振荡、时而停顿的间歇振荡。第三章 正弦波振荡器以图3.6.2(a)所示的变压器耦合式振荡器为例,该电路中,放大器的通角小于,交流信号的 一个周期中,晶体管将工作在放

40、大区和截止区。反馈系数F 为常数,用开环增益A 描述的放大特 性则与晶体管的直流偏置电压UBE有关,UBE=UBB-UEE,UBB和UEE分别为基极直流电位和发射 极直流电位,UEE也是交流耦合电容CE上的直流电压。第三章 正弦波振荡器电源接通时,UEE=0,UBE较大,放大特性 曲线较高,如图3.6.2(b)中曲线所示,满足振幅起振条件 AF 1,净输入电压ui的振幅Ui迅 速增大,如图3.6.2(c)中波形所示。如果CE和电阻RE取值过大,则充放电时间常数=RECE 很大,导致UEE增加很慢,UBE和放大特性基本不变。晶体管的输入电压uBE=UBE+ui,随着Ui 增大,uBE小于导通电压

41、UBE(on)的时间增加,晶体管在交流信号的一个周期里处于截止区的时间也 增加,A 因而下降,当满足振幅平衡条件AF=1时Ui趋于不变。因为晶体管工作在放大区和截 止区,发射极电流iE是余弦脉冲,时间平均值为IE0,所以UEE的趋向值为IE0RE。第三章 正弦波振荡器UEE缓慢增加 后,UBE减小,放大特性曲线高度下降,如图3.6.2(b)中曲线所示,与反馈特性曲线的交点的横 坐标Ui减小,ui如图3.6.2(c)中波形所示。最后,UBE减小到一定程度,放大特性高度下降到如 图3.6.2(b)中曲线所示,因为AF 1时则再次起振。第三章 正弦波振荡器图3.6.2 间歇振荡第三章 正弦波振荡器为

42、了排除间歇振荡,需要适当降低振荡建立速度,包括减小环路增益,增大品质因数,并且 减小交流耦合电容的充放电时间常数,包括采用较小的交流耦合电容和与其并联的电阻。第三章 正弦波振荡器3.频率占据频率占据 LC 正弦波振荡器受到外来信号的干扰,如果干扰信号的频率s接近于振荡器的振荡频率 osc,振荡频率会偏离osc,向s接近,即振荡频率受到s的牵引。当s足够接近osc时,振荡频 率会被牵引到与s相等,这种现象称为频率占据。第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器图3.6.3 共基极组态电容三端式振荡器中的频率占据第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器式(3.6.5)给出了以变化前的振荡频率osc为

43、中心的干扰信号的频率s的取值范围。考虑到 的变 化,发生频率占据的干扰信号带宽即频率占据带宽为为了排除频率占据,除了切断或消弱外来信号的干扰外,也可以根据式(3.6.6),增大品质因数以减小频率占据带宽,减小引入干扰信号的频率范围。第三章 正弦波振荡器3.7 集成器件与应用电路举例集成器件与应用电路举例单集片成集器成件L与C应高用频电振路荡举器例E1648的内部电路如图3.7.1(a)所示,器件外围电路如图3.7.1(b)所示。第三章 正弦波振荡器第三章 正弦波振荡器集成振荡器具有外接元件少、稳定性高、可靠性好、调整使用方便等优点。由于目前集成电 路技术的限制,其最高振荡频率还低于分立元件振荡

44、器,电压和功率也难以做到分立元件振荡器 的水平。但是,集成电路是微电子技术的发展方向,集成振荡器的性能将不断提高。第三章 正弦波振荡器图3.7.1 E1648单片集成振荡器第三章 正弦波振荡器共基极组态电容三端式振荡器如图3.8.1所示,电路的瞬态分析参数设置如图3.8.2所示,瞬 态分析结果如图3.8.3所示。瞬态分析的最大步长对振荡器仿真结果影响较大,如果步长不合适,则可能观测不到振荡波形,或波形质量较差。3.8 PSpice仿真举例仿真举例第三章 正弦波振荡器图3.8.1 共基极组态电容三端式振荡器第三章 正弦波振荡器图3.8.2 瞬态分析的参数设置第三章 正弦波振荡器图3.8.3 瞬态

45、分析的输出电压波形第三章 正弦波振荡器本本 章章 小小 结结(1)反馈式正弦波振荡器是由放大器和反馈网络构成的正反馈环路,用反馈信号取代输入信 号,实现无输入的振荡。振荡条件包括平衡条件、稳定条件和起振条件,分别提出了环路对振幅 和相位传输的要求。其中,最主要的是相位平衡条件和振幅起振条件。第三章 正弦波振荡器(2)LC 正弦波振荡器用LC 并联谐振回路作为放大器的负载,并构成反馈网络。变压器耦合 式振荡器用变压器的同名端实现相位平衡条件。三端式振荡器的相位平衡条件体现为“射同基反”或“源同栅反”的电路设计。用拆环得到的交流等效电路,能够严格计算三端式振荡器的振荡频率 并推导振幅起振条件对元器

46、件参数的要求;也可以采用工程近似,忽略环路各级相移,根据LC 回路的谐振频率计算振荡频率,根据有源器件的交流跨导、谐振电阻和估算的反馈系数推导振幅 起振条件。第三章 正弦波振荡器(3)克拉拨振荡器和席勒振荡器通过减小有源器件极间电容的影响来提高LC 正弦波振荡器的 频率稳定度。石英晶体振荡器采用石英谐振器实现选频和稳频,根据石英谐振器在电路中的位置和 功能,石英晶体振器又分为并联型石英晶体振荡器和串联型石英晶体振荡器。(4)RC 正弦波振荡器用电阻和电容构成的RC 移相网络或RC 选频网络作为放大器的负载 和反馈网络,产生并维持正弦波。负阻型LC 正弦波振荡器用负阻器件为LC 回路补充交流能量

47、,形成振荡。第三章 正弦波振荡器(5)寄生振荡、间歇振荡和频率占据是常见的正弦波振荡器的特殊振荡现象,通过正确选择 元器件、减小分布参数、增大LC 回路的品质因数、切断或消弱外来信号的干扰等方法可以排除 这些现象。第三章 正弦波振荡器思考题和习题思考题和习题 图 P3 13-1 变压器耦合式振荡器的简化交流通路如图 P3 1所示,确定变压器的同名端,实现相 位平衡条件。第三章 正弦波振荡器3-2 多回路三端式振荡器的简化交流通路如图 P3 2所示,判断电路是否满足相位平衡条 件。如果满足条件,确定振荡频率osc的范围;如果不满足条件,说明原因,并提出修改措施。图 P3 2第三章 正弦波振荡器3

48、-3 多回路三端式振荡器的简化交流通路如图 P3 3所示,确定满足相位平衡条件的振荡 频率osc的范围。图 P3 3第三章 正弦波振荡器3-4 多回路三端式振荡器的简化交流通路如图 P3 4所示,确定以下两种条件下的振荡频 率osc的范围。图 P3 4 图 P3 5第三章 正弦波振荡器3 5 共基极组态电感三端式振荡器如图P3 5所示,已知晶体管的交流输入电阻re 和交流 跨导gm,发射结电容Cbe忽略不计,其余元件参数在图中给出,不计电感L1 和L2 之间的互感。推导振荡频率osc和振幅起振条件的表达式。图 P3 5第三章 正弦波振荡器3-6 电路如图 P3 6所示,晶体管的发射结电容Cbe

49、忽略不计。(1)已知振荡频率fosc=2.5MHz,计算电感L。(2)保持fosc和L 不变,如何调整元件参数,才能使反馈系数F 减小一半?图 P3 6第三章 正弦波振荡器3-7 振荡频率为osc的共源极组态电感三端式振荡器如图 P3 7所示,已知场效应管的交 流跨导gm,忽略不计管子的输入阻抗,不计电感L1 和L2 之间的互感,电感的内阻r1oscL1,r2oscL2。证明振幅起振条件为第三章 正弦波振荡器图 P3 7第三章 正弦波振荡器3-8 振荡频率为osc的共源极组态电容三端式振荡器如图 P3 8所示,已知场效应管的交 流跨导gm ,忽略不计管子的输入阻抗。证明振幅起振条件为gm 2o

50、scC1C2r。图 P3 8第三章 正弦波振荡器3-9 差分对振荡器如图 P3 9所示,电阻RB=500,负载电阻RL=1k,热电压UT=26mV,晶体管的交流输入电阻rbe和发射结电容Cbe忽略不计。(1)图 P3 9(a)中,电 感 L1=3.8H,L2=56H,L1 和 L2 之 间 的 互 感 不 计,电 容 C=128pF。计算振荡频率osc和振幅起振条件对电流源电流I0 的取值要求。(2)图P3 9(b)中,电容C1=330pF,C2=330 率osc和振幅起振条件对电流源电流I0 的取值要求。第三章 正弦波振荡器图 P3 9第三章 正弦波振荡器3-10 克拉拨振荡器如图P3 10