Chapter7正弦波振荡器.ppt

Chapter 7 正弦波振荡器,7.1 概述 7.2 反馈型振荡器基本工作原理 7.3 反馈型LC振荡器线路 7.4 振荡器的频率稳定问题 7.5 石英晶体振荡器 7.6 其它形式的振荡器,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：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,7.1 概 述,本章主要讨论 反馈型正弦波振荡器的基本工作原理 振荡器的起振条件 振荡器的平衡条件 振荡器的平衡稳定条件 正弦波振荡器三端电路的判断准则 正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标,实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来，如右图。,自激振荡建立的物理过程,若开关K拨向“1”时，该电路则为调谐放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器L2上的电压为vf ，调整互感M及同名端以及回路参数，可以使 vi = vf 。,此时，若将开关K快速拨向“2”点，则集电极电路和基极电路都维持开关K接到“1”点时的状态，即始终维持着与vi相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。,7.2 反馈型振荡器基本工作原理,反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成： 包含两个(或两个以上)储能元件的振荡回路。 2) 可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。 3) 使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。,振荡器的起振条件,基本反馈环,如右图：,若在某种情况下1- =0时，此时即使没 有输入信号(vi=0)时，放大器仍有输出 电压放大器变为振荡器。,要维持一定振幅的振荡，反馈系数F应设计得大一 些。一般取,这样就可以使得在 1时的情况下起振。,由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：,1,其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。,振幅起振条件,相位起振条件,起振过程中偏置电压建立的过程,放大器增益A与输出电压幅度Vo之间的关系叫振荡特性，F与Vo之间的关系叫反馈特性。起振的幅度条件可用右上图表示。 在实际设计中，如果设计不当，振荡特性可能不是单调下降的，而如右下图所示。其静态工作点太低，ICQ太小，因而A0太小，以至不满足 。 这种振荡器电路一般不能自行起振，而必须给以一个较大幅度的初始激励，使动态点越过不稳定平衡点B才能起振，这叫硬激励起振，设计电路要力加避免。,起振条件与平衡条件 图解(软激励起振),硬激励起振特性,振荡器的平衡条件,所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。,振荡器的平衡条件为,=1,在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。,所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。 上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必需看平衡状态是否稳定。,振荡器平衡状态的稳定条件,两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念,假定由于某种因素使振幅增大超过了VomQ，可见这时A,即出现AF1的情况，于是振幅就自动衰减而回到VomQ。反之，当某种因素使振幅小于VomQ，这时A ，,即出现AF1的情况。于是振幅就自动增强，从而又回到VomQ。因此Q点是稳定平衡点。,，,1) 振幅平衡的稳定条件,形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即,0,2) 相位平衡的稳定条件,相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定的振荡。,振幅平衡的稳定条件,工作于非线性状态的有源器件(晶体管、电子管等)正好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。,必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。,如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压一个相角,相位超前就意味着周期缩短,频率不断地提高。反之，如果为负，即滞后于原输入电压同理将导致频率的不断降低。,从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相位的变化关系可表示为,0,相位稳定条件应为,为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为,写成偏微分形式，即,0,0,由于Y和F对于频率变化的敏感性一般远小于Z对频率变化的敏感性，即,因此，,0,LC振荡器按其反馈网络的不同，可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。 本部分内容重点介绍不同型式的反馈型LC振荡器，以三端式振荡器作为重点。 互感耦合振荡器是依靠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，选择合适的耦合量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：调集电路、调基电路和调发电路，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。,7.3.1 互感耦合振荡器,7.3 反馈型LC振荡器线路,由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。,调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。,(a) 调基电路,调基电路,调集电路在高频输出方 面比其它两种电路稳定， 而且幅度较大，谐波成 分较小。,（b）调集电路,L,L1,由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。,（c）调发电路,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，难于做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。,根据h参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率,起振条件：,hf,其中为L中的损耗电阻，h=h0hf hfhr,显然，M与hf越大，越容易起振。,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103104量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。,三端式LC振荡器有多种形式，主要有：,电感三端式，又称哈特莱电路(Hartley)； 电容三端式，又称考毕兹(Coplitts)； 串联型改进电容三端式，又称克拉泼(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),7.3.2 三端式LC振荡器,(a) 共发电感反馈三端式振荡器电路,(b) 等效电路,由h参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件,hfe ,电感反馈三端电路的振荡频率为,电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路),哈特莱电路的优点：,1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；,电路的缺点：,1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得， 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。,2、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。,3、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。,电容反馈三端振荡器(考毕兹电路),电容三端式振荡电路,（a）,（b）,可推导电容反馈三端电路的起振条件,hfe ,电容反馈三端电路的振荡频率,考毕兹电路的优点：,1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。,2）电路的频率稳定度较高，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。它的工作 频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。,电路的缺点：,调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。,串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路),（a）克拉泼电路的实用用电路,（b）高频等效电路,因为C3远远小于C1和C2，所以三电容串联后的等效电容,振荡角频率,故克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关。,(1)由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。,(2)调整C1 C2的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。,而由于管子的放大倍数与频率的3次方成反比，故随着放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故:,(3)调整C3值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。,(1) 克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。,(2) 工作波段内输出波形随着频率的变化大。,克拉泼电路的特点:,因为克拉泼电路要求的起振条件为,并联型改进电容三端式振荡器(西勒(Seiler)电路),(a)实际电路,(b)高频等效电路,其回路等效电容,振荡频率,(1) 波段覆盖率宽。,(2) 工作波段内,输出波形不随频率变化。,因为西勒电路要求的起振条件为：,而晶体管的放大系数正好满足特性。,西勒(Seiler)电路特点：,C3的选择要合理，C3过小时，振荡管与回路间的耦合过弱， 振幅平衡条件不易满足，电路难于起振; C3过大时，频率稳定度会下降。 在保证起振条件得到满足的前提下，尽可能的减小电容C3值。,LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则),三端式振荡器的原理电路,三端式LC振荡器是一种反馈式LC振荡器。,当回路元件的电阻很小，可以 忽略其影响，同时也忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗的影响，则电路要振荡必须满足条件：,xbe+xce+xcb=0,对于振荡管而言，其集电极电压vo与基极输入电压 是反相的，二者相差180，为了满足振荡系统的相位平衡条件，反馈系数F也须产生180相位差，为此，xeb与xce必须性质相同，即为同名电抗，则xcb必然为异名电抗。,简言之就是“ce，be同抗件，cb反抗件” 以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。,由此得出三端电路组成法则为： xeb、xce电抗性质相同，xcb与xeb、xec电抗性质相反。,例7-1 振荡电路如图(a)所示，试画出交流等效电路，并判断电路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？,解 1) 根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图(b)所示。 2) 根据交流等效电路可知，因为xeb为容性电抗，为了满足三端电路相位平衡判断准则，xce也必须呈容性。同理，xcb应该呈感性。,(b),(a),根据并联谐振回路的相频特性，当振荡频率f0f1(回路L1C1的固有频率)时，L1C1呈容性。根据xbe+ xce+ xbc=0， L3C3回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知， f0f3时可以振荡，等效为电容三端振荡电路。其条件可写为,即,L1C1L3C3,并联谐振回路的相频特性,例7-2 有一振荡器的交流等效电路如图所示。已知回路参数L1C1L2C2L3C3，试问该电路能否起振，等效为哪种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？,解 ： 该电路要振荡必须满足相位平衡判 断准则。先假定xce、xbe均为电感，则xcb应为电容。 根据已知条件L1C1L2C2L3C3， 则有f1f2f3，若要xce、xbe为电感，则应该f0f1，f0f2，同时f0f3，由已知条件看出f0不可能同时大于f3小于f2，故不成立。 若xce、xbe同为电容，则f0f2f1，同时应该f0f3，有已知条件知振荡频率可满足该条件，即f1f2f0f3，所以，该电路应为电容三端振荡器。,频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。,绝对准确度,相对准确度,7.4 振荡器的频率稳定问题,振荡器的实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差，称为振荡频率的准确度。它通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为,频率准确度:,指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度，如t时间内测得频率的最大变化为fmax，则频率稳定度定义为:,长期频率稳定度： 一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。,短期频率稳定度： 一般指一天以内频率的相对变化最大值。,瞬间频率稳定度： 指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化， 通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。,振荡器的频率稳定度,短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。 长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。 瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。,振荡器的频率稳定度,1. 振荡回路参数对频率的影响,因为振荡频率,其相对频率变化量为,2. 回路品质因素Q值对频率的影响,如右图，Q值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。,7.4.1 影响频率稳定度的因素,3. 有源器件的参数对频率的影响,振荡管为有源器件，若它的工作状态(电源电压或周围温度等)有所改变，则由式,如果晶体管参数h与hi将发生变化，即引起振荡频率的改变。,另外， 当外界因素(如电源电压、温度、湿度等)变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。,1. 减小外因变化，根除“病因”,减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振 荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L、C，抵消L、C。,减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。,3) 减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。,4) 减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。,7.4.2 振荡器稳定频率的方法,5) 消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。,减小负载的影响: 在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路Q值； 本级采用低阻抗输出; 本级输出与下一级采取松耦合； 采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之 间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，提高频率稳定度。,2. 提高回路的标准性,所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。,要提高回路标准性即要减小L和C，因此可采取优质材料的电感和电容。,3. 减小相角YF及其变化量YF,为使振荡器的频率稳定度高，则要求YF的数值小，且变化量小。,可使振荡器的工作频率比振荡管的的特性频率低很多，即ffT,减小相角Y, 选用电容三端式振荡电路减小相角YF ，使振荡波形良好。,7.5.1 石英晶体及其特性,石英晶体具有正反压电效应。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶体片的机械振动最大，晶体表面电荷量最多，外电路中的交流电流最强，于是产生了谐振。,1. 石英晶体谐振器,7.5 石英晶体振荡器,石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（温度变化1所引起的固有频率相对变化量）在106以下。,石英晶振的振动具有多谐性,有基频振动和奇次谐波泛音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。,晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。,2. 石英晶体的阻抗频率特性,符号 基频等效电路 完整等效电路 石英晶体谐振器,如上图：,安装电容C0 约110pF 动态电感Lq 约103102H 动态电容Cq 约104101pF 动态电感rq 约几十几百,由以上参数可以看到,石英晶振的Q值和特性阻抗都非常高。Q值可达几万到几百万。,（2）由于石英晶振的接入系数P= Cq/(C0+ Cq)很小，所以外 接元器件参数对石英晶振的影响很小。,由图(b)可以看到，石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和一个并联谐振回路。,若忽略q，则晶振两端呈现纯电抗。,串联谐振频率 ：,并联谐振频率：,石英晶体的阻抗特性,1. 皮尔斯(Pierce)振荡电路,皮尔斯(Pierce)振荡电路,振荡回路与晶体管、负载 之间的耦合很弱。,(2) 振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英 晶振本身的参数具有高度的稳定性。,7.5.2 晶体振荡器电路,(3) 由于振荡频率f0一般调谐在标称频率fN上，位于晶振的 感性区间，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。 (4) 由于晶振的Q值和特性阻抗都很高，所以晶振的谐振 电阻也很高，一般可达1010以上。这样即使外电路接 入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗 仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。,2. 密勒(Miller)振荡电路,密勒振荡电路通常不采用晶体管，原因是正向偏置时晶体管发射结电阻太小，虽然晶振与发射结的耦合很弱，但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性，所以采用输入阻抗高的场效应管。,3. 泛音晶体振荡电路,并联型泛音晶体振荡电路，假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为5MHz，基频为1MHz，则LC1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。 在5MHz频率上，LC1回路呈容性，振荡电路满足组成法则，而对于基频和三次泛音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，LC1回路虽呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。LC1回路的电抗特性如(b)图所示。,(b) LC1回路的电抗特性,(a) 并联型泛音晶体振荡电路,4.串联型晶体振荡器,串联型晶体振荡电路,串联型晶体振荡器 是将石英晶振用于正反 馈支路中，利用其串联 谐振时等效为短路元件， 电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶振串联谐振频率fq上起振。,这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。,压控振荡器是以某一电压来控制振荡频率或相位大小的一种振荡器，常以符号VCO(Voltage Controlled Oscillator)代之。 在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制(AFC)系统中的振荡电路、锁相环路(PLL)中所用的振荡电路等均为压控振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。,7.6 压控振荡器(VCO),1. 变容二极管压控振荡器的基本工作原理 在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极管取代。,变容二极管的电容量Cj取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会使变容管的Cj变化，Cj的变化会导致振荡频率的改变。,对于图中，若C1、C2值较大，C4又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与L相并联的总电容为,变容管是利用半导体PN结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线如图所示。图中，反向偏压从3V增大到30V时，结电容Cj从18pF减小到3pF，电容变化比约为6倍。,通常将fmax和fmin的比值称为频率覆盖系数，以符号Kf表示，上述振荡回路的频率覆盖系数为,(VR为最小),(VR为最大),对于不同的Cj，所对应的振荡频率为,某彩色电视接收机VHF调谐器中第6-12频段的本振电路如图所示电路中，控制电压VC为0.5-30V