《通信电路》课件第4章.ppt
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1、第4章 正弦波振荡器.概述概述.反馈振荡原理反馈振荡原理.LC振荡器振荡器.晶体振荡器晶体振荡器.压控振荡器压控振荡器.集成电路振荡器集成电路振荡器.实例介绍实例介绍.章末小结章末小结第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器第4章 正弦波振荡器4.1 概概 述述 振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于,无需外加激励信号,就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。根据所产生的波形不同,可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波,后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。本章仅介绍正弦波振荡器。第4章 正弦波振荡器
2、 常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成,这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同,正弦波振荡器可分为振荡器、振荡器和晶体振荡器等类型。其中振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波,振荡器用于产生低频正弦波。正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成,也可以由集成电路组成,但前者的性能可以比后者做得好些,且工作频率也可以做得更高。本章介绍高频振荡器时以分立器件为主,介绍低频振荡器时以集成运放为主。另外还有一类负阻振荡器,它是利用负阻器件所组成的电路来产生正弦波,主要用在微波波段,本书不作介绍。第4章 正弦波振荡器 4.2.1并联谐振回路中的自由振荡现
3、象并联谐振回路中的自由振荡现象 在反馈振荡器中,并联谐振回路是最基本的选频网络,所以先讨论并联回路的自由振荡现象,并以此为基础分析反馈振荡器的工作原理。图4.2.1是一个并联谐振回路与一个直流电压源US的连接图。e0是并联回路的谐振电阻。在以前开关S接通,使uc()=Us。在时,开关S很快断开,接通。4.2 反馈振荡原理反馈振荡原理第4章 正弦波振荡器 根据电路分析基础知识,可以求出在e0 的情况下,以后,并联回路两端电压的表达式,即回路在欠阻尼情况下的零输入响应:CL/21teUtuatsc0cos)(4.2.1)其中振荡角频率0=1 ,衰减系数=1/(2Re0C)。LC第4章 正弦波振荡器
4、图 4.2.1 RLC电路与电压源的连接 第4章 正弦波振荡器 可见,当谐振电阻较大时,并联谐振回路两端的电压变化是一个振幅按指数规律衰减的正弦振荡。其振荡波形如图4.2.2所示。并联谐振回路中自由振荡衰减的原因在于损耗电阻的存在。若回路无损耗,即e0,则衰减系数,由式(421)可知,回路两端电压变化将是一个等幅正弦振荡。由此可以产生一个设想,如果采用正反馈的方法,不断地适时给回路补充能量,使之刚好与e0上损耗的能量相等,那么就可以获得等幅的正弦振荡了。第4章 正弦波振荡器图 4.2.2 RLC欠阻尼振荡波形 第4章 正弦波振荡器4.2.2反馈振荡过程及其中的三个条件反馈振荡过程及其中的三个条
5、件 利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡,这就是反馈振荡器的基本原理。反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路,如图4.2.3所示。其主网络一般由放大器和选频网络组成,反馈网络一般由无源器件组成。一个反馈振荡器必须满足三个条件:起振条件(保证接通电源后能逐步建立起振荡),平衡条件(保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态)和稳定条件(保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏)。第4章 正弦波振荡器图 4.2.3 反馈振荡器的组成 第4章 正弦波振荡器 .起振过程与起振条件起振过程与起振条件 在图4.2.3所示闭合环路中,在处断开,并定义环路增益 其中 ,分别是反馈电压、输入电压、主网络增益
6、和反馈系数,均为复数。fUAFiUFAUUTif)(其中f,oioUUAFUU(4.2.2)第4章 正弦波振荡器 在刚接通电源时,电路中存在各种电扰动,如接通电源瞬间引起的电流突变,电路中的热噪声等等,这些扰动均具有很宽的频谱。如果选频网络是由并联谐振回路组成,则其中只有角频率为谐振角频率0的分量才能通过反馈产生较大的反馈电压 。如果在谐振频率处,与原输入电压 同相,并且具有更大的振幅,则经过线性放大和反馈的不断循环,振荡电压振幅就会不断增大。所以,要使振幅不断增长的条件是:fUfUiU)()()()(0000iifUUTU第4章 正弦波振荡器也可分别写成:即1)(0T T(0)=2n (n=
7、,)(4.2.5)式(424)和(425)分别称为振幅起振条件和相位起振条件。在起振过程中,直流电源补充的能量大于整个环路消耗的能量。1)(0T(4.2.4)(4.2.3)第4章 正弦波振荡器 平衡过程与平衡条件平衡过程与平衡条件 振荡幅值的增长过程不可能无止境地延续下去,因为放大器的线性范围是有限的。随着振幅的增大,放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区,工作于非线性的甲乙类状态,其增益逐渐下降。当放大器增益下降而导致环路增益下降到时,振幅的增长过程将停止,振荡器达到平衡,进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态以后,直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。所以,反馈振荡器的平衡条件为:第4
8、章 正弦波振荡器 T(0)=2n n=,(4.2.8)式(427)和(428)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。(4.2.6)1)(0T也可分别写成:1)(0T(4.2.7)第4章 正弦波振荡器 根据振幅的起振条件和平衡条件,环路增益的模值应该具有随振幅Ui增大而下降的特性,如图4.2.4所示。由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图4.2.4所示的形状,所以这一条件很容易满足,只要保证起振时环路增益幅值大于即可。而环路增益的相位T(0)则必须维持在上,保证为正反馈。第4章 正弦波振荡器图 4.2.4 满足起振和平衡条件的环路增益特性 第4章 正弦波振荡器 .平衡状态的稳定性和稳定条件平衡状态
9、的稳定性和稳定条件 振荡器在工作过程中,不可避免地要受到各种外界因素变化的影响,如电源电压波动、温度变化、噪声干扰等。这些不稳定因素将引起放大器和回路的参数发生变化,结果使(0)或T(0)变化,破坏原来的平衡条件。如果通过放大和反馈的不断循环,振荡器越来越偏离原来的平衡状态,从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态,则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之,如果通过放大和反馈的不断循环,振荡器能够产生回到原平衡点的趋势,并且在原平衡点附近建立新的平衡状态,则表明原平衡状态是稳定的。第4章 正弦波振荡器 要使振幅稳定,振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说,在平衡点UiUiA附近,当不稳
10、定因素使输入振幅Ui增大时,环路增益幅值(0)应该减小,使反馈电压振幅Uf减小,从而阻止Ui增大;当不稳定因素使Ui减小时,T(0)应该增大,使Uf增大,从而阻止Ui减小。这就要求在平衡点附近,T(0)随Ui的变化率为负值,即:(4.2.9)式(429)就是振幅稳定条件。对照图424可以看到,满足这个条件的环路增益特性与满足起振和平衡条件所要求的环路增益特性是一致的。0)(0iAiUUiUT第4章 正弦波振荡器 振荡器的相位平衡条件是T(0)。在振荡器工作时,某些不稳定因素可能破坏这一平衡条件。如电源电压的波动或工作点的变化可能使晶体管内部电容参数发生变化,从而造成相位的变化,产生一个偏移量。
11、由于瞬时角频率是瞬时相位的导数,所以瞬时角频率也将随着发生变化。为了保证相位稳定,要求振荡器的相频特性T()在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力。具体来说,在平衡点=0附近,当不稳定因素使瞬时角频率增大时,相频特性T(0)应产生一个-,从而产生一个-,使瞬时角频率减小;第4章 正弦波振荡器 当不稳定因素使减小时,相频特性T(0)应产生一个,从而产生一个,使增大,即T()曲线在0附近应为负斜率,如图4.2.5所示。数学上可表示为:式(4.2.10)就是相位的稳定条件。0)(0T(4.2.10)第4章 正弦波振荡器图4.2.5 满足相位稳定条件的相频特性 第4章 正弦波振荡器 4.2.3反馈振荡电
12、路判断反馈振荡电路判断 根据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、平衡和稳定三个条件,判断一个反馈振荡电路能否正常工作,需考虑以下几点:可变增益放大器件(晶体管,场效应管或集成电路)应有正确的直流偏置,开始时应工作在甲类状态,便于起振。开始起振时,环路增益幅值AF(0)应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成,反馈系数F小于1,故A(0)必须大于1。共射、共基电路都可以满足这一点。为了增大A(0),负载电阻不能太小。环路增益相位在振荡频率点应为2的整数倍,即环路应是正反馈。第4章 正弦波振荡器 选频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频率点附近,可以认为放大器件本身的相频特性为常数,而
13、反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组成,其相频特性也可视为常数,所以相位稳定条件应该由选频网络实现。注意LC并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的相频特性是负斜率,而LC并联回路导纳的相频特性和LC串联回路阻抗的相频特性是正斜率。以上第点可根据直流通路进行判断,其余3点可根据交流等效电路进行判断。第4章 正弦波振荡器 例例4.1 判断图例4.2.6所示各反馈振荡电路能否正常工作。其中()、()是交流等效电路,()是实用电路。图例4.2.6 例4.1图 第4章 正弦波振荡器 解解:图示三个电路均为两级反馈,且两级中至少有一级是共射电路或共基电路,所以只要其电压增益足够大,振荡的振幅
14、条件容易满足。而相位条件一是要求正反馈,二是选频网络应具有负斜率特性。第4章 正弦波振荡器()图由两级共射反馈电路组成,其瞬时极性如图中所标注,所以是正反馈。并联回路同时担负选频和反馈作用,且在谐振频率点反馈电压最强。在讨论选频网络的相频特性时,一定要注意先分别判断此选频网络的输入输出参数是电压,还是电流,然后才能决定究竟是应采用其阻抗特性还是导纳特性。对于()图,并联回路输入是V2管集电极电流ic2,输出是反馈到V1管b、e两端的电压ube1,对应的网络函数是阻抗(输出电压与输入电流的比值),所以应采用其阻抗特性。根据图.(b),可知并联回路的阻抗相频特性是负斜率。综上所述,(a)图电路也满
15、足相位条件,因此能够正常工作。第4章 正弦波振荡器 ()图由共基共集两级反馈组成。根据瞬时极性判断法,如果把图中谐振时的并联回路作为一个纯电阻看待,则应该是正反馈。根据图中信号的流程,V2管的输出发射极电流在Re2上产生电压,此电压就是LC并联回路的输入,而LC回路的输出就是流入Re1的电流,对应的网络函数是导纳,所以这里应采用其导纳特性。由于并联回路导纳的相频特性是正斜率,因此不满足相位稳定条件。也可以从另一个角度考虑,由于LC并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大,近似于开路,因此正反馈支路断开,这个电路不会起振。综上所述,()图电路不能正常工作。第4章 正弦波振荡器 ()图与()图不同之处在
16、于用串联回路置换了并联回路。由于LC串联回路在谐振频率点阻抗趋于零,正反馈最强,且LC串联回路导纳的相频特性是负斜率,满足相位稳定条件,所以()图电路能正常工作。(c)图中在V2的发射极与V1的基极之间增加了一条负反馈支路,用以稳定电路的输出波形。第4章 正弦波振荡器4.2.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 1.频率稳定度定义频率稳定度定义 反馈振荡器若满足起振、平衡、稳定三个条件,就能够产生等幅持续的振荡波形。当受到外界不稳定因素影响时,振荡器的相位或振荡频率可能发生些微变化,虽然能自动回到平衡状态,但振荡频率在平衡点附近随机变化这一现象却是不可避免的。为了衡量实际振荡频率相对于标称
17、振荡频率0变化的程度,提出了频率稳定度这一性能指标。第4章 正弦波振荡器 频率稳定度是将振荡器的实测数据代入规定的公式中计算后得到的。根据测试时间的长短,将频率稳定度分成长期频稳度、短期频稳度和瞬时频稳度三种,测试时间分别为一天以上、一天以内和一秒以内。时间划分并无严格的界限,它是按照引起频率不稳定的因素来区别的。长期频稳度主要取决于元器件的老化特性,短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等,而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。第4章 正弦波振荡器通常所讲的频率稳定度一般指短期频稳度,定义为 niinffffnff12000000)(1lim(4.2.11)其中,(
18、f0)i=|fi-f0|是第次测试时的绝对频率偏差;是绝对频率偏差的平均值,也就是绝对频率准确度。可见,频率稳定度是用均方误差值来表示的相对频率偏差程度。niinffnf100|1lim第4章 正弦波振荡器 2.提高提高LC振荡器频率稳定度的措施振荡器频率稳定度的措施 反馈振荡器的振荡频率通常主要由选频网络中元件的参数决定,同时也和放大器件的参数有关。各种环境因素如温度、湿度、大气压力等的变化会引起回路元件、晶体管输入输出阻抗以及负载的微小变化,从而对回路值和振荡频率产生影响,造成频率不稳定。针对这些原因,主要可采取两类措施来提高振荡器的频率稳定度。(1)减小外界因素变化的影响。可以采用稳压或
19、振荡器单独供电的方法来稳定电源电压,或采用恒温或温度补偿的方法来抵消温度变化的影响,还可以预先将元器件进行老化处理,采取屏蔽、密封、抽真空方法减弱外界磁场、湿度、压力变化等等的影响。第4章 正弦波振荡器 (2)提高电路抗外界因素变化影响的能力。这类措施包括两个方面:一是提高回路的标准性,二是选取合理的电路形式。回路的标准性是指外界因素变化时,振荡回路保持其谐振频率不变的能力。回路标准性越高,则频率稳定度越高。采用温度系数小或温度系数相反的电抗元件组成回路,注意选择回路与器件、负载之间的接入系数,实现元器件合理排队以尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响,这些措施都有助于提高回路的标准性。如
20、果采用回路Q值很高的石英晶体谐振器,则可组成频率稳定度很高的晶体振荡器。第4章 正弦波振荡器4.3 LC 振振 荡荡 器器 4.3.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器 图4.3.1是常用的一种集电极调谐型互感耦合振荡器电路。此电路采用共发射极组态,回路接在集电极上。注意耦合电容Cb的作用。如果将Cb短路,则基极将通过变压器次级直流接地,振荡电路不能起振。根据瞬时极性判断法,此电路可以看成是一个共射电路与起倒相作用的互感耦合线圈级联而成,是正反馈。读者可以画出其高频等效电路。第4章 正弦波振荡器图 4.3.1 集电极调谐型互感耦合振荡器电路第4章 正弦波振荡器 互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦
21、合实现正反馈,所以,应注意耦合线圈同名端的正确位置。同时,耦合系数要选择合适,使之满足振幅起振条件。互感耦合振荡器的频率稳定度不高,且由于互感耦合元件分布电容的存在,限制了振荡频率的提高,因此只适用于较低频段。另外,因高次谐波的感抗大,故取自变压器次级的反馈电压中高次谐波振幅较大,所以导致输出振荡信号中高次谐波分量较大,波形不理想。第4章 正弦波振荡器 【例4.2】判断图例4.3.2所示两级互感耦合振荡电路能否正常工作。解解:在V1的发射极与V2的发射极之间断开。从断开处向左看,将V1的eb结作为输入端,V2的ec结作为输出端,可知这是一个共基共集反馈电路,振幅条件是可以满足的,所以只要相位条
22、件满足,就可起振。利 用 瞬 时 极 性 判 断 法,根 据 同 名 端 位 置,有ue1uc1ub2ue2(ue1),可见是负反馈,不能起振。如果把变压器次级同名端位置换一下,则可改为正反馈。而变压器初级回路是并联回路,作为V1的负载,此处应考虑其阻抗特性,由于满足相位稳定条件,因此可以正常工作。第4章 正弦波振荡器图4.3.2 例4.2图第4章 正弦波振荡器 4.3.2三点式振荡器三点式振荡器 电路组成法则电路组成法则 三点式振荡器是指回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合,可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点,
23、是一种广泛应用的振荡电路,其工作频率可达到几百兆赫。图4.3.3是三点式振荡器的原理图。先分析在满足正反馈相位条件时,回路中三个电抗元件应具有的性质。第4章 正弦波振荡器 假定回路由纯电抗元件组成,其电抗值分别为ce,be和bc,如果不考虑晶体管的电抗效应,则当回路谐振(0)时,回路呈纯阻性,有:ce+bebc=0,因此 cebebc 由于 是 在bebc支路分配在Xbe上的电压,有fUcUccebebcbecbef)(jjUXXXXUXUcofUUU第4章 正弦波振荡器图4.3.3 三点式振荡器的原理电路 第4章 正弦波振荡器因为这是一个正反馈反相放大器,与 同相,与 反相,所以 iUfUc
24、UiU0cebeXX 即be与ce必须是同性质电抗,因而Xbc必须是异性质电抗。第4章 正弦波振荡器 由上面的分析可知,在三点式电路中,回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质,另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点式电路组成的相位判据,或称为三点式电路的组成法则。与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路,称为电容三点式电路,也称为考毕兹电路。与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路,称为电感三点式电路,也称为哈特莱电路。第4章 正弦波振荡器 电容三点式电路(又称考毕兹电路电容三点式电路(又称考毕兹电路Coplitts)图4.3.3()是电容三点式电路一种常见形式,
25、()是其高频等效电路。图中1、2是回路电容,是回路电感,b和c分别是高频旁路电容和耦合电容。一般来说,旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。有些电路里还接有高频扼流圈,其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高频振荡信号,旁路电容和耦合电容可近似为短路,高频扼流圈可近似为开路。第4章 正弦波振荡器图 4.3.4 电容三点式振荡电路 第4章 正弦波振荡器 由于电容三点式电路已满足反馈振荡器的相位条件,只要再满足振幅起振条件就可以正常工作。因为晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致,所以只要能起振,必定满足平衡和稳定条件。由图4.3
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