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文档简介

BUPT Press,第4章正弦波振荡器,4.1 反馈振荡器的工作原理 4.2 LC正弦波振荡器电路 4.3 振荡器的频率稳定度 4.4 石英谐振器 4.5 振荡器线路应用,放大器是在外加输入信号控制下,把直流电源提供的部分能量转换成按信号规律变化的交变电能的电路。 振荡器没有外加输入信号的控制就能自动地将直流电能转换为具有一定频率和一定振幅的交变电能。,BUPT Press,正弦波振荡器在信息传输系统和无线电测量仪器等方面有着广泛的应用: 无线电通信、广播或电视发射机中,可以用来产生所需的载波信号; 超外差式接收机中,可以用来产生本地振荡信号; 各种无线电测量仪器中,可以用来作为各种频段的正弦波信号源。,BUPT Press,这些应用中,都要求振荡器产生所需频率和振幅的正弦波信号,其主要技术指标是: 振荡频率的准确性和稳定度; 振荡振幅的大小及其稳定性; 振荡波形的非线性失真等, 而其中最主要的是振荡频率的稳定度。,BUPT Press,本章讨论的是自激式振荡器,它是在无需外加激励信号的情况下,能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量电路。 振荡器的分类: 按波形分:正弦波振荡器和非正弦波振荡器 按工作方式分:负阻型振荡器和反馈型振荡器 按选频网络所采用的元件分:LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型,BUPT Press,本章主要讨论,反馈型正弦波振荡器的基本原理 平衡、起振和稳定条件 电路的判断准则 电路特点、性能指标及应用,BUPT Press,4.1反馈振荡器的工作原理,凡是将放大器的输出信号,经过正反馈电路回送到输入端作为其输入信号来控制能量转换,从而产生等幅持续振荡的振荡器称为反馈振荡器。 反馈振荡器可以从反馈放大器演变而来。 反馈振荡器工作原理的关键在于找出其间的演变条件。,BUPT Press,4.1.1平衡条件,反馈放大器的原理方框图:,BUPT Press,变压器耦合反馈放大电路:,BUPT Press,反馈放大器的主网络是谐振放大器; 反馈放大器的反馈网络是反馈耦合线圈Lf。 若设主网络的电压传递函数为A(s),反馈网络的电压反馈系数为F(s),则反馈放大器的环路增益函数为: T(s)=Vf(s)/Vi(s)=Vo(s)/Vi(s)Vf(s)/Vo( s)=A(s)F(s),BUPT Press,稳态工作时,令s=j,若在某一频率上(设=0),Vf与Vi同相,并且两者振幅相等,即Vf=Vi或T(jg)=1。则放大器就变为振荡器,产生角频率为g的正弦振荡。这时,主网络所需的输入电压Vi就将全部由反馈电压Vf提供,而无须外加激励信号电压Vs。,BUPT Press,若令T(jg)=T(g)ejT(g), 则 T(g)=1 T(g)=2n (n=0,1,2,) 上式就是反馈放大器实现自激振荡平衡的条件 振幅平衡条件; 相位平衡条件。,BUPT Press,满足平衡条件仅仅说明反馈放大器能够成为反馈振荡器,但是,没有说明振荡器必定能产生稳定的持续振荡。 平衡条件是振荡的必要条件,但不是充分条件 要保证振荡器产生稳定的持续振荡,还必须 同时满足起振条件和稳定条件。,BUPT Press,4.1.2 起振条件,振荡电压总是从无到有地建立起来的,那么,振荡器刚接通电源时,原始的输入电压是从哪里来的? 又如何能够从建立到平衡值? 电路刚接通电源时,振荡电路各部分总是存在着各种电的扰动,它们的频谱中包含有g的分量(g近似等于谐振回路的谐振角频率0)。,BUPT Press,当这些微小的扰动电流或电压作用于主网络输入端时,由于谐振回路的选频作用,放大器对接近于0的分量有较大的放大量,因此这个分量在谐振回路两端产生的电压较大,通过反馈线圈Lf再加到主网络的输入端;如果该电压与主网络原先的输入电压同相,并且具有更大的振幅,则经过放大和反馈的反复循环,电压振幅就会不断地增长。,BUPT Press,因此,保证振荡器接通电源后能够从小到大地建立起振荡的条件是 VfVi或T(g)1 T(g)=2n (n=0,1,2,) 一个反馈振荡器要产生振荡,必须既满足起振条件又满足平衡条件。如果只满足平衡条件,振荡就不会由小到大地建立到平衡值。,BUPT Press,4.1.3稳定条件,既要满足起振条件,又要满足平衡条件,T(jg)的幅值就必须具有随振荡振幅(例如Vi或Vo)增大而下降的特性,BUPT Press,而T(jg)的相角则必须维持在2n上。这样,起振时,T(jg)1,Vi开始迅速增长。 而后由于T(jg)随着Vi的增大而下降,使Vi的增长速度变慢,直到T(jg)=1时,Vi停止增长,振荡器便进入平衡状态,并且在相应的平衡振幅ViA上维持等幅振荡,如图中点A所示。,BUPT Press,T(g)随Vi变化的特性,说明振荡电路的环路中必须包含有非线性环节,在大多数振荡电路中,这个非线性环节就是作为主网络的放大器。,BUPT Press,放大器工作时怎样由T(jg)1过渡到 T(jg)=1的呢?,信号较小时,晶体管工作在线性放大区,放大器的输出随输入的增加而线性增加 随着入信号振幅的增加,放大器逐渐由放大区进入截止区或饱和区,进入非线性状态,此时输出信号幅度增加有输限,即增益将随输入信号的增加而下降。,BUPT Press,BUPT Press,所以振荡器工作到一定阶段,环路增益将下降当T(jg)=1时,振幅的增长过程停止,振荡器到达平衡状态,进行等幅振荡。 因此,振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡,是由于放大器的非线性完成的。,BUPT Press,振荡器在工作的过程中不可避免的要受到外界各种因素的影响,如温度改变,电源电压的波动等,这些波动将使放大器放大倍数和反馈系数改变,破坏了原来的平衡状态,对振荡器的正常工作将会产生影响。 如果通过放大和反馈的不断循环,振荡器能在原平衡点附近建立起新的平衡状态,则原平衡点是稳定的;否则原平衡点是不稳定的。,BUPT Press,稳定条件,振幅稳定条件,相位稳定条件,BUPT Press,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。,在平衡点附近,当不稳定因素使振幅增大时,环路增益 的模值应该减小,形成减幅振荡,从而阻止振幅的增大,达到新的平衡。,反之,当不稳定因素使振幅减小时,环路增益的模值应该 增大,形成增幅振荡,从而阻止振幅的减小,达到新的平 衡。,振幅稳定条件,BUPT Press,振幅稳定条件为:,反馈网络为线性网络,即反馈系数F大小不随输入信号改变, 故振幅稳定条件也可写为:,BUPT Press,相位稳定条件,设振荡器原在w=wg处处于平衡状态,即有:,设有外因使反馈电压Ub的相位超前与原输入信号Ub,即此时 0, f,即频率提高,假设提高到w2,则此时不满足平衡条件。,要满足平衡条件,应使 ,此时 ,即Ub相位落后于Ub, f,使频率恢复到原来的频率wg,相位稳定条件:,BUPT Press,在LC振荡器中, 特性主要由并联谐振回路 特性决定:,BUPT Press,Q越大,,越大,稳定性越好,因此,反馈振荡器在其主网络和反馈网络的两个基本组成部分中,必须具有能使T()随振荡电压振幅增加而下降的稳幅机构以及能使T()随频率增加而下降的稳频机构,缺一不可。,BUPT Press,反馈振荡器产生持续震荡满足:,起振条件,平衡条件,稳定条件,三者缺一不可,4.1.4 基本组成及其分析方法,作为主网络中的有源器件可以有晶体管、场效应管、差分对管、线性集成电路和电子管等; 作为稳相机构的相移网络可以有LC谐振回路、RC移相电路或选频电路、石英晶体谐振器等; 作为反馈网络可以有变压器耦合电路、电感分压电路、电容分压电路等。,BUPT Press,其中用得最广泛的是下列三种振荡电路:采用LC谐振回路的LC振荡器、采用石英谐振器的高稳定晶体振荡器、采用RC移相或选频电路的RC振荡器。,BUPT Press,考查一个振荡器,首先,检查实际振荡电路是否合理,也就是检查振荡器是否含有上述必需的组成部分,检查其中反馈网络是否属于正反馈,即是否可能满足相位平衡条件。其次,分析起振条件。振荡开始时,Vi很小,放大管工作在伏安特性的线性区,可以近似用小信号等效电路表示。因此,采用线性电路分析方法就可导出环路增益T(j)的表示式,并由此求出起振条件。,BUPT Press,4.2 LC正弦波振荡器电路,LC振荡器根据其反馈网络的不同可以分为,互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。 本部分重点介绍不同型式的反馈性LC振荡器,以三点式振荡器作为重点。,BUPT Press,4.2.1 互感耦合振荡器电路,互感耦合振荡器是利用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,选择合适的耦合系数M,使之满足振幅起振条件很重要。 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集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。,BUPT Press,BUPT Press,调基电路:,BUPT Press,调基电路振荡频率在较宽的范围改变时,振幅比较平衡。 由于基极和发射极之间输入阻抗较低,为了避免过多影响回路的Q值,故在调基和调发这两个电路中,晶体管和振荡回路作部分耦合。,BUPT Press,调集电路: 调集电路在高频 输出方面比其他 两种电路稳定, 而且幅度较大, 谐波成分较小。,BUPT Press,调发电路: 由于基极和发射 极之间输入阻抗 较低,为了避免 过多影响回路的 Q值,故在调基 和调发这两个电 路中,晶体管和振荡回路作部分耦合。,BUPT Press,互感耦合振荡器在调整反馈(改变M)时,基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在,在频率较高时,难于作出稳定性高的变压器。因此,它们的工作频率不宜过高,一般应用于中、短波波段。,BUPT Press,三端式LC振荡器,三端式LC振荡电路是经常被采用的,其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围,频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些,约为10-3 10-4 量级,采取一些稳频措施后,还可以再高一些。,BUPT Press,三端式LC振荡器有许多种,主要有: 电感三端式,又称哈特莱振荡器(Hartley) ; 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 (Clapp) 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),BUPT Press,4.2.2 电感反馈振荡器电路,谐振回路作为 集电极负载, 利用电感L2将 谐振电压反馈 到基极,故称 电感反馈振荡器,或称“Hartley”振荡器。,BUPT Press,BUPT Press,LC谐振回路引出 三个端点,分别 与晶体管的三个 电极相连接,所 以又叫做电感三 端式振荡器。,这种电路能否起振,关键问题是看它能否构成正反馈,即能够满足相位平衡条件。 由放大器的倒相作用,回路 上的输出电压Vo与Vi相差 180o。回路谐振时,Vo在 CL2支路内所产生的电路I 超前于Vo 90o,I在L2两端产生的电压降也超前于I 90o,所以Vf与Vi同相。,BUPT Press,只要适当选择L1和L2的比值,使其满足AF1, 电路就能够产生振荡。 下面分析这种电路的起振条件和工作频率,BUPT Press,由参数等效电路可以推导,电感反馈三端电路的起振条件: 电感反馈三端电路的振荡频率:,BUPT Press,哈特莱电路的优点: 1、L1和L2之间有互感,反馈较强,容易起振 2、振荡频率调节方便,只要调整电容C即可; 3、C的改变基本不影响电路的反馈系数。,BUPT Press,电路的缺点: 1、振荡波形不好,因为反馈电压在电感上获得,而电感对高次谐波呈高阻抗,因此对高次谐波的反馈较强,使波形失真大。 2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高,这是因为频率太高,L太小且分布参数的影响太大。,BUPT Press,4.2.3电容反馈振荡器电路,利用C2将谐振回路的 的一部分电压反馈到 基极。LC谐振回路的 三个端点分别与晶体 管的三个电极相连,所以 以称为电容反馈三端式 振荡器,或考毕兹振 荡器。,BUPT Press,利用矢量分析法可以证明 该电路满足相位平衡条件。 只要适当选取C1和C2的 比值,并使放大器有足够 的放大量,电路就能够 振荡。,BUPT Press,对电路定量分析可得振荡器的工作频率为 由于 ,所以 其中,,BUPT Press,若考虑振荡回路损耗和负载的影响,但不考虑晶体管内反馈,这种电路的起振条件为: 或写为 相当于放大器的电压放大倍数A 为反馈系数的倒数1/F,BUPT Press,考毕兹电路的优点: 1、振荡波形好; 2、电路的频率稳定度高,适当加大回路的电容量,就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响; 3、电容三端电路的工作频率可以做得较高,可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容,其工作频率可以做到几十MHz到几百MHz的甚高频段范围。,BUPT Press,电路的缺点: 调节C1和C2来改变振荡频率时,反馈系数也将改变,从而影响到起振条件和工作状态。但只要在L两端并上一个可变电容器,并令C1、C2为固定电容,则在调整频率时,基本不会影响反馈系数。,BUPT Press,4.2.5 高稳定度的LC振荡器电路,问题的提出 综上所述,基本电路的工作频率严格来讲都与晶体管参数和负载谐振阻抗 有关,这些参数的变化是振荡器频率不稳定的重要因素之一,怎样才能减小它们对振荡频率的影响呢?,BUPT Press,计入不稳定电容的三端振荡器等效电路:,BUPT Press,减小在回路中不稳定参数的有效方法,是减弱有源器件与LC振荡回路之间的耦合,使折算到回路内的有源器件参数下降。实际是减小回路接入系数p,以减小与有源器件相耦合的等效谐振阻抗。 下面介绍两种改进的电容三端振荡电路。,BUPT Press,2、克拉波电路,右图表示一实际 的克拉泼电路。 其中,BUPT Press,克拉泼电路的交流等效电路:,BUPT Press,利用电容三端式振荡电路的方法,可得该电路的振荡频率为 由于 ,所以三电容串联后的等效电容为:,BUPT Press,克拉波电路的特点: 1、由于 的接入系数减小,晶体管与谐振回路是松耦合;

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