通信电子线路第4章正弦波振荡器.ppt

第四章 正弦波振荡器,4.1 概述 4.2 反馈振荡器的工作原理 4.3 LC正弦振荡器 4.4 晶体振荡器 4.5 压控振荡器 4.6 集成电路振荡器 4.7 实用振荡器电路,正弦波振荡器：能自动将直流电能转换成（具有一定频率和振幅的）正弦交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。,应用：通信电路中作载波，本振信号；信号源及无线电测量仪表中。,产生方式：反馈式振荡器和负阻式振荡器 分类： 频率：低频，高频，微波振荡器 输出波形：正弦振荡器和非正弦振荡器,要求：输出功率大，效率高，波形失真小，频率稳定度高,4.1 概述,4.2 反馈振荡器的工作原理,4.2.1 并联谐振回路中的自由振荡现象,右上图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t以前开关S接通1, 使uc()=Us。在t=时, 开关S很快断开1, 接通2。根据电路分析基础知识, 可以求 出在e0 的情况下, t 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：,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。其振荡波形如右下图所示。,开关K接在1端，Uo=AUi。这时将开关迅速地转换到接于2端，去掉外部输入，此时Uf=UoF=UiAF 若AF=1，则Uf=Ui，没有输入也能维持输出，构成了振荡电路。,回归比：T= AF为反馈放大器的环路增益。 T1：增幅振荡；T1：减幅振荡,反馈式振荡器： 利用正反馈产生自激振荡,4.2 反馈振荡器的工作原理,4.2.1 基本组成,反馈系数：,开环增益：,原始激励：电源接通瞬间，相当于接入脉冲跳变信号，此外，电路中还有噪声，它们包含有丰富地频率成分，但是幅度非常微弱。 对于某一频率g的信号若满足：T(g) 1 ，则每循环一次，幅度就增大一次，产生增幅振荡，如图所示。,4.2.2 振荡的建立与振荡条件,一、振荡的建立与稳定,1、基本原理,振荡幅度增大，稳幅电路使T(g) 降低，最终使T(g) =1，振荡器进入稳幅振荡状态。,g称为振荡频率，或叫作振荡器的工作频率,注意： 为振荡频率， 为并联谐振频率。,2、电路组成： 放大器完成能量转换 选频网络完成频率选择及滤波 反馈网络完成正反馈 稳幅电路决定振荡的稳态振幅,2、平衡条件： T=1 振幅平衡条件： T=AF =1 相位平衡条件： T（）=A+ F=2n (n=0,1,2,3),相位平衡条件的含义-建立正反馈 满足振荡平衡条件时，经过稳幅过程实现等幅输出。,1、 起振条件： T1 振幅起振条件：T=AF 1 相位起振条件： T（）=A+ F=2n (n=0,1,2,3),二、振荡条件,3、 振荡稳定条件,当振荡器受到外部因素的干扰失去平衡后，能自动恢复到原来的平衡状态，或能够在原平衡状态附近重建平衡的，称为稳定的平衡。 稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件，振幅稳定条件是指当外界因素造成振荡幅度变化后，振荡器能够自动恢复原来振荡幅度所需满足的条件。相位稳定条件是指相位平衡条件被破坏时，电路能够重新建立相位平衡的条件。相位稳定条件同时也是频率稳定条件，因为相位的变化必然引起频率的变化 。,综上所述,振幅稳定条件：,图中A、B均为平衡点，其中A点为稳定平衡点，当某中扰动使电路离开A点（T1）时，电路会自动回到A点；B点是非稳定平衡点，受到扰动时电路会停振（左移）或过渡到A点（右移）。,上图的电路中起始扰动电压必须大于UiB，称为硬激励；下图的电路开机即可振荡，称为软激励。振荡电路应避免硬激励状态。,（1）振幅稳定条件,相位稳定条件：,负载回路相频特性：增大 ，T 减小,相位条件的稳定是靠增大，T降低来实现的,回路Q值越高稳定性越好,（2）相位稳定条件,图中A点为稳定平衡点，B点为非稳定平衡点。,4.2.3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： （1）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。 （2） 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。 （3）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。 （4）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（1）点可根据直流等效电路进行判断, 其余3点可根据交流等效电路进行判断。,例4.1判断下图所示各反馈振荡电路能否正常工作。 其中（a）、（b）是交流等效电路, （）是实用电路。,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, 振荡的振幅条件容易满足。而相位条件：1、要求正反馈, 2、是选频网络应具有负斜率特性。,（a）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。LC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, 一定要注意应采用其阻抗特性还是导纳特性。对于（a）图, LC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, 所以应采用其阻抗特性.根据并联回路的阻抗相频特性是负斜率。 综上所述, (a)图电路也满足相位条件, 因此能够正常工作（能振荡）。 （b）图由共基共集两级反馈组成。根据瞬时极性判断法, 如把LC并联回路作为一个电阻看待, 则为正反馈。但LC并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大, 正反馈最弱。 同时对于此LC并联回路来说, 其输入是电阻e2上的电压, 输出是电流, 所以应采用其导纳特性。 由于并联回路导纳的相频特性是正斜率, 所以不满足相位稳定条件。综上所述, （b）图电路不能正常工作（不能振荡）。 （c）图与（b）图不同之处在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, 且其导纳的相频特性是负斜率, 满足相位稳定条件, 所以（c）图电路能正常工作（能振荡）。(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。,4.2.4 LC振荡器的频率稳定度,设实际工作频率为f1，标称频率为f0 绝对频率偏差： 相对频率偏差：,频率稳定度：在一定时间间隔内振荡频率的相对变化量，即,频率稳定度是振荡器最重要的性能指标之一。频率稳定， 频率稳定是指当外界条件发生变化时，振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差尽可能小。,1 频率稳定度的概念,对频率稳定度的要求视用途而异，一般的短波、超短波发射机的相对频稳度为10-410-5数量级；电视发射机为10-7数量级；卫星通信发射机为10-910-11数量级。普通信号发生器为10-410-5数量级，高精度信号发生器为10-710-9数量级。用于国家时间标准的频率源，要求在10-12数量级。,2 提高频率稳定度的措施,二、提高振荡回路的标准性,一、减小外界因素的变化,采用恒温槽减小温度变化的影响；采用屏蔽措施减小磁场变化的影响；加入减振装置减小机械振动的影响；采用隔离电路减小负载变化的影响等 。,选用参数高度稳定的L、C元件，如用石英晶体替代谐振回路的L，或者采用温度补偿来减小温度变化对元件带来的影响。,外界因素通过改变0、Qe和 f来影响g。其变化用全微分表示：,从公式可以看出，增大Qe和减小f ，可以减弱0、 Qe和 f造成的频率偏移。,右图形象的表示了0、Qe和f分别变化时g相应的变化过程。,三、选取合理的电路形式减小晶体管对振荡频率的影响,选取合理的电路形式或采用自动调整电路来提高频率稳度是一项很重要的技术措施, 如下一节介绍的改进型电容三点式电路和第7章将要介绍的自动频率控制和锁相环技术都是普遍应用的例子。 也可采用加大回路总电容的方法可以减小极间电容的相对影响，但是大电容会使频率调谐范围变窄，使振荡变弱；减弱三极管与回路之间的耦合，也就是将三极管以部分接入方式接入回路，也可以减小极间电容对谐振回路的影响；通过稳定晶体管的工作点可以减小gm的变化，从而减小f的变化，也能够稳定振荡频率等方法。,利用互感耦合实现反馈振荡,4.3 LC振荡器,改变同名端的位置，则反馈极性改变,4.3.1 互感耦合振荡器,根据LC回路与三极管不同电极的连接方式分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型电路，如图所示,三种电路相比较，集电极调谐型电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且输出幅度大，谐波成分小。而基极调谐型电路的振荡频率可以在较宽的范围内变化，仍能保持振荡幅度平稳。,互感耦合振荡器一般工作于工作频率不太高的中、短波波段。,互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈, 所以, 应注意耦合线圈同名端的正确位置。为了满足正反馈条件，必须正确地设置初，次级绕组的同名端。根据晶体三极管三个电极上输出与输入的相位关系，即射极与基极和集电极与射极为同相关系，而集电极与基极则为反相关系。因此，我们以射极为准，当变压器初、次级绕组与晶体管相接时，其同名端设置应遵照如下规则： 对于有抽头的绕组，由于绕组有一端接地，因而电极与抽头相接处的同名端，可移至另一不接地的绕组端处。以上规则是我们在实际判断变压器耦合振荡器作为判别是否满足相位条件的依据。同时, 耦合系数要选择合适, 使之满足振幅起振条件。,互感耦合振荡器电路正反馈的判断方法,射极相接的绕组端与基极或集电极相接的绕组端应为同名端，否则不满足正反馈条件。这一规则也可以概括为“射基（集）同名”。对于场效应管，根据两管电极间的对应关系，则为“源栅（漏）同名”,例4.2判断下图所示互感耦合振荡电路能否正常工作。,解: 图 (a)、(b)分别为射、基同名和源、漏同名，满足相位条件，(c)由于是抽头，因而电极与抽头相接处的同名端，可移至另一不接地的绕组端处，所以射、基同名，满足相位条件。(d)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LC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。,4.3.2 三端式振荡器 一、三端式振荡器构成原则：,构成原则：射同它反，即与发射极相连的两电抗X1、X2性质相同；X3与X1、X2的电抗性质相反。,若为场效应管，则管脚对应关系为： b e cg s d,X1、X2、X3组成谐振回路 谐振时： X1+X2+X3=0 回路电流处处相同I 构成正反馈：X1、X2为同性质电抗,两种典型的三端式振荡器的简化电路： 左图：电容三端式电路，又称为考毕兹电路，它的反馈电压取自C1和C2组成的分压器； 右图：电感三端式电路，又称为哈特莱电路，它的反馈电压取自L1和L2组成的分压器。,二、 电容三端式振荡器,R1、R2、Re 为直流偏置电阻；振荡产生后作为自偏压电阻，稳幅作用。,Lc高频扼流圈，防止电源旁路,Ce旁路电容、Cb 隔直流电容,L 、C1、C2 构成谐振回路，决定振荡频率：,Rb包含在gie中；yfe=gm 忽略晶体管内部反馈：yre=0 Cie、 Coe 包含在C1 、C2； gL是集电极等效负载; Zce为三极管c、e端的等效阻抗；,拆环：将闭合反馈环路的输入端断开，考虑到输入回路对输出回路的影响，在输出端加入gie。,一般取：F=0.10.5，起振时T=35,电容三端式振荡器的特点： 优点：输出波形较好，工作频率较高，主要是由于其反馈支路采用了电容元件，高频时电抗小，能较好的滤除高次谐波。若直接采用极间电容代替回路电容，工作频率可以提高很多。 缺点：频率不易调整，因为改变回路电容会同时改变反馈系数，甚至可能造成回路停振。,三、电感三端式振荡器,紧耦合时，反馈系数为线圈匝数比,通过改变回路电容调整频率时，基本不影响F；但产生信号的频率较低；由于反馈电压取自L2，使输出含有较大的谐波电压。,两种振荡器的比较,电容三点式,电感三点式,改变 C1、C2比值来改变F 能够振荡的最高频率较高： 极间电容与C1、C2并联。 输出电压波形好： c、e间接C2，高次谐波阻抗小，谐波电压小。,改变抽头位置来改变F 能够振荡的最高频率较低： 极间电容与L1、L2并联,高频时 会改变电抗性质。 输出电压波形差： c、e间接L2，高次谐波阻抗大，谐波电压大。,解: 由图可知, 只要满足三点式组成法则, 该振荡器就能正常工作。 若组成电容三点式, 则在振荡频率f01处, 11回路与22回路应呈现容性, 33回路应呈现感性。 所以应满足f1f2f01f3或f2f1f01f3。 若组成电感三点式，则在振荡频率f02处，11回路与22回路应呈现感性, 33回路应呈现容性。所以应满足f3 f02f2f1或f3 f02f1f2。,例4.3在下图所示振荡器交流等效电路中, 三个LC并联回路的谐振频率分别是：,，,试问f1、f2、f3满足什么条件时该振荡器能正常工作？且相应的振荡频率是多少？,在两种情况下, 振荡频率的表达式均为：,两种改进型电容反馈式振荡器,引入：晶体管各个电极与电抗元件并联，极间电容对振荡器的影响很大，为提高频率稳定性，要尽量减小晶体管与回路的耦合。,四、克拉泼振荡器,晶体管以部分接入方式与回路连接,C3小， C主要由C3决定， C3小，频率可调范围小。,五、西勒振荡器,振荡频率主要C4由决定，可调范围大。 C4的变化对三极管对回路接入系数n1和F都不改变，展宽了工作频带，常用于频率可调的振荡器。,接入系数与克拉泼电路相同,4.4 晶体振荡器,优点：频率稳定度高。 缺点：单频工作标称频率。,串联谐振频率：,并联谐振频率：,(CqC0),4.4.1 石英晶体谐振特性,并联型晶体振荡器：含有石英晶体的电容三端式振荡器，也称为皮尔斯振荡器，如图所示。振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振与并联谐振频率之间，晶体等效为一个非线性电感。,4.4.2 晶体振荡器电路,一、并联型晶体振荡器（皮尔斯振荡电路）,皮尔斯振荡电路,由图（b）可以看出, 皮尔斯电路类似于克拉泼电路, 但由于石英晶振中Cq极小, Qq极高, 所以皮尔斯电路具有以下一些特点： （1）振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管c、b端, c、e端和e、b端的接入系数分别是：,三个接入系数一般均小于10-310-4, 所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小, 提高了回路的标准性。,（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。,例 4.5 下图为例4.5题：（a）是一个数字频率计晶振电路, 试分析其工作情况。,解: 先画出V1管高频交流等效电路, 如图（b）所示, 0.01F电容较大, 作为高频旁路电路, V2管作射随器。由高频交流等效电路可以看到, V1管的c、e极之间有一个LC回路, 其谐振频率为:,所以在晶振工作频率5MHz处, 此LC回路等效为一个电容。可见, 这是一个皮尔斯振荡电路, 晶振等效为电感, 容量为3pF10pF的可变电容起微调作用, 使振荡器工作在晶振的标称频率5MHz上。,密勒振荡器： 属于电感三端式电路。晶体和L1C1回路均等效为电感，因此要求振荡器工作频率g低于L1C1回路的固有谐振频率01。输出波形较好，但有载Qe值低，与皮尔斯振荡器相比，频率稳定度较低，为了减少三极管输入电阻对石英晶体的影响，可以采用场效应管代替三极管构成振荡电路。,泛音晶体振荡器,串联型晶体振荡器：电路通过晶体形成正反馈，振荡器的振荡频率等于晶体的串联谐振频率，即os，晶体等效为选频开关（一小电阻或近似短路线）。晶体工作于fs附近，呈现低阻抗，这时反馈最强且不带来附加相移，因此在这个频率上产生振荡。,二、串联型晶体振荡器,图所示电路，是一个电容三端式振荡器，在谐振回路与三极管之间的反馈支路中接入了一个具有选频能力的晶体。L、C1、C2、C3组成并联谐振回路，振荡频率调谐在串联谐振频率处，石英谐振器阻抗最小为，相移为0，形成正反馈，满足振幅和相位条件，产生振荡。,下图是某通信机用的9kHz串联晶体振荡器。9kHz石英谐振器串接在两级放大器的反馈支路上，只有在晶体和负载电容CL所决定的串联谐振频率上，正反馈最强，才产生振荡。第一级放大器采用谐振回路作负载，利用它的选频作用，输出端可以得到波形较好的正弦波。,4.5 压控振荡电路,4.5.1变容二极管,有些可变电抗元件的等效电抗值能随外加电压变化，将这种电抗元件接在正弦波振荡器中，可使其振荡频率随外加控制电压而变化，这种振荡器被称为压控正弦波振荡器,压控振荡器简称为VCO (Voltage Controlled Oscillator)，在频率调制、频率合成、锁相环路、电视调谐器、频谱分析仪等方面有着广泛的应用,最常用的压控电抗元件是变容二极管,变容二极管简介,变容二极管原理,静态直流偏压,将变容二极管作为压控电容接入LC振荡器中，就组成了LC压控振荡器；一般可采用各种形式的三点式电路,4.5.2变容二极管压控振荡器,为了使变容二极管能正常工作，必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压，而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰，所以在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等.,在分析压控振荡器时，除正确画出振荡器的直流通路和高频振荡回路外，还需画出变容二极管的直流偏置电路与低频控制回路,对于高频振荡电路与低频控制电路，应仔细分析每个电容与电感的作用,变容二极管压控振荡器实例(一),LC压控振荡器及其高频等效电路,电路实质上为一个西勒振荡电路,振荡频率的控制方法,注意振幅对振荡频率的影响,变容二极管压控振荡器实例(二),压控振荡器的主要性能指标,线性度,压控灵敏度：,变容二极管压控振荡器的频率一电压特性。一般情况下，其特性是非线性的，非线性程度与变容制数和电路结构有关。在中心频率附近较小区域内线性较好，灵敏度也较高。,4.5.3晶体压控振荡器,为了提高压控振荡器中心频率稳定度, 可采用晶体压控振荡器。,在左图所示晶体压控振荡器高频等效电路中, 晶振作为一个电感元件。 控制电压调节变容二极管的电容值, 使其与晶振串联后的总等效电感发生变化, 从而改变振荡器的振荡频率。,振荡器振荡在晶体的串联谐振频率上,这种晶体压控振荡器比一般压控振荡器的性能更优良，但它的频率调整范围较小,4.6 集成电路振荡器,4.6.1差分对管振荡电路,电路结构说明,LC回路两端的振荡电压幅度不能太大，一般为200mV左右,交流等效电路的分析,优点：,截止区限幅的优点,奇对称性的优点,4.6.2单片集成振荡器电路E1648,下图是用E1648组成的100MHz晶体振荡器，晶体标称频率为100MHz，LC回路应调谐于晶体标称频率处，不过回路谐振频率与标称频率偏差10%时仍能工作，但频率稳定度会受影响。实测此振荡器的频率稳定度为10-5，输出电压峰峰值不小于750mV。,4.6.3运放振荡器,由运算放大器代替晶体管可以组成运放振荡器, 图（a)是电感三点式运放振荡器。,图(b)是晶体运放振荡器, 图中晶体等效为一个电感元件, 可见这是皮尔斯电路。 运放振荡器电路简单, 调整容易, 但工作频率受运放上限截止频率的限制。,(a),(b),其振荡频率：,补充说明： 振荡器中的几种现象,在实际振荡电路中，由于各种原因，还可能产生一些特殊的振荡现象。如寄生振荡，间歇振荡，频率占据，频率拖曳等。这些振荡现象一般应尽量避免，但有时也可以利用间歇振荡和频率占据现象来实现某些功能。,1 寄生振荡,寄生振荡是指某些特定频率上，由电路中某些集总参数和分布参数构成的闭合环路，满足振荡条件而产生的自激振荡，一般是叠加在正常振荡的波形上，引起振荡波形的畸变。,低频寄生振荡 由电路中的电感量较大的高频扼流圈、电容量较大的隔直流电容或旁路电容所引起。,超高频寄生振荡 分布参数（如引线电感、管子极间电容）所引起。,2 间歇振荡,如果振荡电路中某些元件参数选择不当，就会产生间歇振荡，这时输出电压的波形如下图(b)所示。,电源接通后，振荡建立速度快，振荡电压迅速增加，管子进入非线性区域，实现稳幅，振荡很容易趋于稳定（图b的t1t2时间段内）。如果在t2时刻，UBB继续变负，振荡幅度会有所减小，A也随之下降，造成环路增益小于1，若在此期间偏压不能迅速建立，则振荡迅速衰减到零，停振，直到偏压又增加到起振时的电压，开始新一轮振荡。,为防止间歇振荡的产生，偏置电压的变化速度必须跟上振荡振