高频电路教案(2.1).ppt

,课程概述,Development,课题一 高频正弦波振荡器,我们常见到这样情况，当有人把他所使用的话筒靠近扬声器时，会引起一种刺耳的哨叫声 。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,作用：产生频率和振幅稳定的正弦信号。 特点：无需外加输入信号（激励）。 组成原理：利用正反馈。 应用： 作信号源 载波信号：无线发射机；超外差接收机：本振信号 ； 正弦波信号源：电子测量仪器；数字系统：时钟信号。 要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,Q1：什么是反馈？,当 和 同相时(相位相同时)，,反馈后的输入大于反馈前的输入：正反馈！,当 和 反相时(相位相反时)，,反馈后的输入小于反馈前的输入：负反馈！,外加输入信号,反馈 电压,放大器输入,放大器输出,Development,课题一 高频正弦波振荡器,Q2：振荡器与正反馈的关系,Development,课题一 高频正弦波振荡器,振荡器输出频率、振幅稳定的正弦波。,怎样保证振荡器输出信号的频率固定？,放大器初始输入信号由不同频率的分量组成：,接通直通电源时的电脉冲；,内部噪声等。,如果放大器不加选择地放大全部输入信号，则输出包含不同频率的分量，得不到固定频率的信号输出。,为了保证输出信号的频率单一固定，使用选频网络作为放大器的负载，确保只输出特定频率的信号。,选频网络,LC谐振回路 LC正弦波振荡器,石英晶体 石英晶体振荡器,Development,课题一 高频正弦波振荡器,Q3：什么是谐振？,类比概念：,谐振回路即能够产生谐振现象的闭合回路。我们把这时电路的,Q4：什么是谐振回路？,频率称为谐振频率。,由电感L、电容C组成；并联形式使用广泛。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,小结：当谐振即 时，回路阻抗 最大且为纯电阻，失谐 时阻抗变小， 时，0，回路呈感性， 时，0, 回 路呈容性。,并联谐振回路,Development,课题一 高频正弦波振荡器,并联谐振回路常直接作为放大器的负载使用，充当选频网络 。,图中，r代表线圈L的等效损耗电阻。,可证明，并联谐振回路的谐振频率为：,当回路谐振时， 最大。当激励信号频率,不等于谐振频率时， 值很小。,小结：谐振回路具有选频作用，当其作为放大器的负载时，相当,于只放大频率为 的信号。因此，振荡器的输出频率单一为 。,并联谐振回路,Development,课题一 高频正弦波振荡器,振荡器输出频率、振幅稳定的正弦波。,怎样保证振荡器输出信号的振幅固定？,起振 为了保证振荡幅度由小到大直到平衡，需保证：,和 同相位,幅度条件：,相位条件：,Development,课题一 高频正弦波振荡器,振荡器输出频率、振幅稳定的正弦波。,怎样保证振荡器输出信号的振幅固定？,增大 减小 趋于稳定。平衡时，,幅度条件：,相位条件： （不变）,振荡器起振后，输出信号 的幅度不是无限增大。,小结：相位条件是构成振荡器的关键。,平衡,不管在起振还是平衡状态时，振荡电路必须满足正反馈。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,正弦波振荡器的基本组成,Development,课题一 高频正弦波振荡器,当刚接通电源时，振荡电路中各部分总是会存在各种电的扰动，例如接通电源瞬间引起的电流突变、电路的内部噪声等，它们包含了非常多的频率分量，由于选频网络的选频作用，只有频率等于振荡频率fO的分量才能被送到反馈网络，其他频率分量均被选频网络所滤除。通过反馈网络送到放大器输入端的频率为fO的信号，就是原始的输入电压。,该输入电压被放大器放大后，再经选频网络和反馈网络，得到的反馈电压又被送到放大器的输入端。由于满足振荡的相位平衡条件和起振条件，因此该输入电压（即反馈电压）与原输入电压相位相同，振幅更大。这样，经放大、选频和反馈的反复循环，振荡电压振幅就会不断增大。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,随着振幅的增大，放大管进入大信号的工作状态。当振幅增大到一定程度后，由于稳幅环节的作用，放大倍数的模A将下降（反馈系数的模F一般为常数），于是环路增益AF逐渐减小，输出振幅Uom的增大变缓。直至AF下降到1时，反馈电压振幅与原输入电压振幅相同，电路达到平衡状态，于是振荡器就输出频率为fO 、且具有一定振幅的等幅振荡电压。正弦振荡的建立过程中输出电压Uo的波形。一个微弱的电扰动就能使振荡器建立起自激振荡。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,Development,课题一 高频正弦波振荡器,Development,课题一 高频正弦波振荡器,LC正弦波振荡器,互感耦合正弦波振荡器,互感耦合（变压器耦合）正弦波振荡器,三点式正弦波振荡器,判断互感耦合振荡器能否起振，就是要判断互感绕组能否,互感耦合正弦波振荡器的一个绕组是选频网络中的电感L，另,一个绕组作为反馈网络。,满足相位条件，即能否保证电路构成正反馈。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,实际电路分析,瞬间极性法： 用来判断是否正反馈。在放大器输入端施加电压 ，设某一 瞬时该信号的极性为正，用“(+)”表示，假设在这一瞬时反馈信号 极性同为正，则为正反馈，否则为负反馈。,判断电路能否起振：,根据相位平衡条件（即正反馈条件）判断,判断放大电路的组态：一般在振荡器中为共基/共射电路。,同名端： 主线圈在某一个瞬间电位为正时，副线圈也一定在同一个瞬 间有一个电位为正的对应端，这两个对应端叫该线圈的同名端。,共基：基极、射极输入，基极、集电极输出，输入输出同相。,共射：射极、基极输入，射极、集电极输出，输入输出反相。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,(-),根据同名端定义， 上端应为正。此为反馈信号，则反馈信号与输入信号同相，为正反馈。因此，电路能振荡。,射极、基极输入，射极、集电极输出，放大电路为共射电路。设某一瞬时从基极输入的信号极性为正，则集电极输出与输入反相，应为负，则 的上端为正。,互感耦合振荡器实际电路分析（判断电路能否振荡）,实例1：集电极调谐型振荡器,Development,课题一 高频正弦波振荡器,射极、基极输入，射极、集电极输出，放大电路为共射电路。设某一瞬时从基极输入的信号极性为正，则集电极输出与输入反相，应为负，则 的上端为负。,根据同名端定义， 下端应为负。 中间抽头信号应为正，此为反馈信号，则反馈信号与输入信号同相，为正反馈。因此，电路能振荡。,互感耦合振荡器的实际电路分析（判断电路能否振荡）,实例2：基极调谐型振荡器,Development,课题一 高频正弦波振荡器,实例3：发射极调谐型振荡器,基极、射极输入，基极、集电极输出，放大电路为共基电路。设某一瞬时从射极输入的信号极性为正，则集电极输出与输入同相，应为正，则 的上端为正。,根据同名端定义， 上端应为正。 中间抽头信号应为正，此为反馈信号，则反馈信号与输入信号同相，为正反馈。因此，电路能振荡。,互感耦合振荡器的实际电路分析（判断电路能否振荡）,Development,课题一 高频正弦波振荡器,三点式振荡器的基本结构图,三点式正弦波振荡器,由于电路组态为共射电路，输入与输出信号反相，即 与 反相。为保证电路是正反馈，即 与 同相，则必须满足 与 反相。,小结电路形成振荡的相位平衡条件： 射极连接性质相同的电抗元件；基极或集电极连接性质相反的电抗元件。 即射同基（集）反。 根据电抗元件的不同性质，三点式正弦波振荡器可以分为：,Development,课题一 高频正弦波振荡器,三点式正弦波振荡器,三点式振荡器的基本结构图,电感三点式振荡器,电容三点式振荡器,Development,课题一 高频正弦波振荡器,电感三点式（哈特莱）,电感三点式振荡器的基本结构图,三点式振荡器的基本结构图,如果左图中 与 均为电感， 为电容，则构成电感三点式振荡器。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,实际电路分析,判断电路能否起振的步骤：,画出交流通路： 直流电压源 短路 旁路电容、隔直电容 短路 扼流电感 开路 偏置电阻 取消,根据相位平衡条件判断： 交流通路是否满足射同基（集）反的条件,画交流通路的几个原则！,(隔直电容) 短路,Development,课题一 高频正弦波振荡器,电感三点式的实际电路分析（判断电路能否振荡）,画出交流等效电路图；,交流通路,(直流电源)短路,(旁路电容) 短路,(偏置电阻) 取消,(偏置电阻) 取消,实际电路,根据相位平衡条件判断；交流通路是否满足射同基（集）反。,射极连接电感 和 ，基极(集电极)连接电感 ( )和电容 。,因此，满足相位平衡条件。该电路是电感三点式，可以振荡。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,电感三点式的实际电路分析（计算振荡频率和反馈系数）,交流通路,(隔直电容) 短路,(直流电源)短路,(旁路电容) 短路,(偏置电阻) 取消,(偏置电阻) 取消,实际电路,由于 、 串联，回路等效电感 ( 为互感系数),振荡频率,反馈系数,Development,课题一 高频正弦波振荡器,电容三点式（考毕兹）,电容三点式振荡器的基本结构图,三点式振荡器的基本结构图,如果左图中 与 均为电容， 为电感，则构成电容三点式振荡器。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,电容三点式的实际电路分析（判断电路能否振荡）,画出交流等效电路图；,根据相位平衡条件判断；交流通路是否满足射同基（集）反。,射极连接电容 和 , 基极(集电极)连接电容 ( )和电感,因此，满足相位平衡条件。该电路是电容三点式，可以振荡。,实际电路,交流通路,Development,课题一 高频正弦波振荡器,电容三点式的实际电路分析（计算振荡频率和反馈系数）,振荡频率,实际电路,交流通路,反馈系数,由于 、 串联，回路等效电容,Development,课题一 高频正弦波振荡器,电容三点式的实际电路分析（改进）,存在问题：由于受极间电容( 、 、 )的影响， 不稳定。,电容三点式振荡器,克拉泼振荡器,解决办法：为提高 的稳定性，在电感 处串联电容, 假设略去极间电容( 、 、 )的影响,、 、 串联, 总电容,，振荡频率,Development,课题一 高频正弦波振荡器,电容三点式的实际电路分析（改进）,存在问题：调节频率 不方便。,电容三点式振荡器,克拉泼振荡器,解决办法：在克拉泼振荡器的基础上在电感 处并联可变电容,、 、 串联后与 并联, 总电容,振荡频率,西勒振荡器,通过调节 的大小改变,Development,课题一 高频正弦波振荡器,Development,课题一 高频正弦波振荡器,石英晶体谐振器的内部结构,Development,课题一 高频正弦波振荡器,串联谐振回路,Development,课题一 高频正弦波振荡器,阻抗特性 (a) 串联谐振回路的阻抗特性；(b) 并联谐振回路的阻抗特性,Development,课题一 高频正弦波振荡器,由图可见，串联谐振回路在谐振频率点的阻抗最小，相频特性曲线斜率为正；并联谐振回路在谐振频率点的阻抗最大，相频特性曲线斜率为负。所以，串联回路在谐振时，通过电流最大；并联回路在谐振时，两端电压U最大。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,图2-1-16 晶体振子等效电路 a)晶体振子的图形符号 b)等效电路,晶体的有效电阻,晶体的固有电容,电极之间的电容,晶体的固有电感,晶体串联谐振频率：,晶体并联谐振频率：,Development,课题一 高频正弦波振荡器,图2-1-17 晶体的电抗特性,Development,课题一 高频正弦波振荡器,当L0、C0、R0支路发生串联谐振时，电抗为零，则AB间的阻抗为纯电阻R0，由于R0很小，可视为短路，说明石英晶体在这种情况下可充当特殊短路元件使用。 当 fs fs或f fp时，等效电路呈容性，晶体充当一个等效电容。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,并联型晶体振荡器,串联型晶体振荡器,fs f fp，晶体呈感性。晶体作为电感元件，与其它元件并联构成并联谐振回路。,f = fs，晶体工作在串联谐振状态，在振荡器中用作短路元件。,Development,课题一 高频正弦波振荡器,晶体在电路中起电感作