第五章调谐放大器与振弦波振荡器教案.ppt

电子电路基础,第五章 调谐放大器与振弦波振荡器,5-1 调谐放大器,5-2 正弦波自激振荡器工作原理,5-3 lc振荡器,5-4 石英晶体振荡器,5-5 rc振荡器,了解调谐放大器的作用及单双调谐两种调谐放大器电路组成和选频特性，掌握电路产生自激震荡的条件及变压器耦合式和三点式振荡器电路组成工作原理。掌握石英晶体振荡器基本形式及工作原理及rc桥式振荡器电路组成元件的作用。,学习目的与要求,第五章调谐放大器和正弦波振荡器,2010年9月,5-1调谐放大器原理,5-2正弦波自激振荡器工作原理,5-3lc振荡器,5-4石英晶体振荡器,5-5rc振荡器,教 学 内 容,调谐放大器的工作原理,两种基本的调谐放大电路,例题与习题,复习提问,自激振荡的工作原理,复习提问,1、什么是谐振？,当电路的端电压和电流同相位时，电路呈电阻性。,2、谐振的分类？电路特点？,串联谐振：谐振时阻抗最小且为纯电阻,并联谐振：谐振时阻抗最大且为纯电阻,调谐放大器的工作原理,在无线电广播的发射和接收设备中，要求放大器具有选频放大能力，也就是说放大器能从含有多种频率的信号群中，选出某个频率的信号加以放大，而对其他频率的信号不予放大。具有选频放大性能的放大器，称为选频放大器。,由于是利用lc谐振回路的谐振特性来选频，所以又称调谐放大器。,1、lc并联电路的阻抗频率特性,它表示了lc并联电路的阻抗z与信号频率f之间的变化关系。,当f = f0时，lc并联电路发生谐振，阻抗最大。,当f f0时，电路失谐，阻抗很小。,f0称为谐振频率，又称固有频率,、lc并联电路的相位频率特性,它表示了lc并联电路两端电压v和流进并联电路电流i之间的相位角之差 与信号频率f之间的变化关系。,当f = f0时， = 0，电路呈纯阻性,当f 0，电路呈感性,当f f0时， 0，电路呈容性,lc并联电路随信号频率的变化呈现不同的性质,、lc并联电路的频率特性,阻频特性和相频特性统称为lc并联电路的频率特性。它说明了lc并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。,品质因数 :,曲线越尖锐，电路选频能力越强,曲线越平坦，电路选频能力越差,、lc并联电路的频率特性,r越小，q值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强,r越大，q值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差,阻频特性与q值关系,理论和实验证明：,、调谐放大器,电路特点是利用lc并联电路作为负载，因此放大电路具有选频放大能力。,工作原理：当信号频率等于谐振频率时，即f = f0，放大倍数avo最大；放大器输出电压最大。,谐振曲线,两种基本的调谐放大电路,一、单回路调谐放大器,工作原理：输入信号vi经t1通过cb和ce送到晶体管的b、e极之间，放大后的信号经lc谐振电路选频由t2耦合输出。,电感抽头和变压器的作用是减少外界对谐振回路的影响，保证有高的q值。,单回路调谐放大器的通频带和选择性取决于谐振曲线，与理想的矩形谐振曲线比相差甚远，因此这种电路只能用于通频带和选择性要求不高的场合。,电路优点：调整方便、工作稳定；缺点：失真大。,两种基本的调谐放大电路,二、双回路调谐放大器,电路特点是集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。,1. 互感耦合：,电路特点是双调谐回路依靠互感实现耦合。调节l1、l2之间的距离或磁芯的位置，改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。,两种基本的调谐放大电路,工作原理：假定l1c1和l2c2调谐在信号频率上，输入信号vi通过t1送到v时，集电极信号电流经l1c1产生并联谐振。此时，由于互感耦合，l1中的电流在l2c2回路电感的抽头处产生很大的输出电压vo。,2. 电容耦合：,电路特点是通过外接电容ck实现两个调谐回路之间的耦合，改变ck的大小就可改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。,两种基本的调谐放大电路,3. 选择性和通频带与耦合程度的关系：,（1）弱耦合时，谐振曲线出现单峰；,（2）强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率f0处下凹的程度与耦合强度成正比；,（3）临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率f0处曲线较平坦。,双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。,5.2正弦波振荡器基本知识,一、lc回路中的自由振荡,二、自激振荡的条件,三、自激振荡建立过程,自激振荡的工作原理,正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。,一、lc回路中的自由振荡,自由振荡电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。,自激振荡的工作原理,阻尼振荡因损耗等效电阻r将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。,等幅振荡利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程。,这种等幅正弦波振荡的频率称lc回路的固有频率，记作f0,自激振荡的工作原理,二、自激振荡的条件,1. 相位平衡条件,反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180的偶数倍。即 = 2 n ,其中，为vf与vi的相位差，n是整数。vi、vo、vf的相互关系如图所示。,2. 振幅平衡条件,反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。 即 = ,自激振荡的工作原理,三、自激振荡建立过程,自激振荡器：去掉信号源，把开关s和点“2”相连所组成的电路。,自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号vi，振荡管v产生集电极电流ic，因ic具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。,自激振荡的工作原理,5-3、lc振荡器,5-3 lc 正弦波振荡电路,5.1 lc 并联电路的特性,当频率变化时，并联电路阻抗的大小和性质都发生变化。,并联电路的导纳：,当,电路发生并联谐振。,并联谐振角频率,令：,谐振回路的品质因数,当 q 1 时,谐振频率：,回路等效阻抗：,lc 并联回路的阻抗：,发生并联谐振时，,在谐振频率附近，,可见，q 值不同，回路的阻抗不同。,不同 q 值时，lc 并联电路的 幅频特性：相频特性：,z01,z02,q1 q2,q1,q2,q1,q2,q1 q2,感性,纯阻,容性,结论：,1. 当 f = f0 时，电路为纯电阻性，等效阻抗最大；当 f f0 时，电路为容性。所以 lc 并联电路具有选频特性。,2. 电路的品质因数 q 愈大，选频特性愈好。,谐振时 lc 回路中的电流,电容支路的电流：,并联回路的输入电流：,所以：,当 q 1 时，,结论：谐振时，电容支路的电流与电感支路的电流大小近似相等，而谐振回路的输入电流极小。,一、变压器反馈式振荡电路,1、电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。(瞬时极性法),2、振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图 5-8 变压器反馈式 振荡电路,二、1 电感三点式振荡电路,1、电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,2、振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图 5-10,电感三点式振荡电路的特点,1.由于二线圈之间耦合很紧，因此容易起振。,2.调节频率方便。,3.一般用于产生几十兆赫以下的频率。,4.输出波形中含有较大的高次谐波，故波形较差。,5.频率稳定度不高。,二，2 电容三点式振荡电路,1、电路组成,用瞬时极性判断为正反馈，所以满足自激振荡的相位平衡条件。,2、振荡频率和起振条件,振荡频率,起振条件,图 5-11,3. 电容三点式改进型振荡电路,振荡频率,选择 c c1， c c2，,则：,减小了三极管极间电容对振荡频率的影响，适用于产生高频振荡。,图 5-12,3.lc正弦波振荡电路,变压器反馈式,电感三点式,电容三点式,电容三点式改进型,品质因素愈大，选频特性愈好，频率稳定度愈高。,q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,5-4 石英晶体振荡电路,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,lc振荡电路 q 数百,石英晶体振荡电路 q 10000 500000,一. 石英晶体,2. 基本特性,1. 结构：,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大 ,压电谐振,3. 石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路：,（1）串联谐振,频率特性：,晶体等效阻抗为纯阻性,（2）并联谐振,通常,所以,二、并联型石英晶体振荡电路,交流等效电路,振荡频率,由于,图 5-17,三、串联型石英晶体振荡电路,图 5-18 串联型石英晶体振荡电路,当振荡频率等于 fs 时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，此时正反馈最强，相移为零，电路满足自激振荡条件。,振荡频率,调节 r 可改变反馈的强弱，以获得良好的正弦波。,实际使用时外接一小电容cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成lc振荡电路。,1. 集成运放块并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与c1、c2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,2. 分立式并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。 加入石英晶体是利用石英晶体的高q值，提高振荡频率的稳定性。,5-5 rc振荡器,一、rc移相网络,1. rc超前型网络,2. rc滞后型网络,3. rc串并联选频网络,二、rc振荡电路,1 . rc超前型振荡器,构成：反相放大器+三节rc超前型网络,2 . rc滞后型振荡器,3. rc串并联选频网络,二、rc振荡电路,1 . rc超前型振荡器,构成：反相放大器+三节rc超前型网络,2 . rc滞后型振荡器,二、rc桥式振荡器的工作原理：,在 f0 处,满足相位条件：,因为：,af=1,a=3,a=3,同相放大器,文氏桥选频电路,振幅条件：,例题:r=1k，c=0.1f，r1=10k。rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,af=1，,a=3,=210=20k,=15