正弦波振荡器PPT课件.ppt

5 1谐振放大器 第5章谐振放大器和正弦波振荡器 5 2正弦波振荡电路的基本工作原理 5 3常用正弦波振荡器 5 1 2常用谐振放大器 5 1 1LC并联回路的选频特性 5 1 3主要性能指标 5 2 1正弦波振荡电路的组成框图 5 2 3正弦波振荡器的建立与稳定过程 补充 5 2 2正弦波振荡器的振荡条件 5 3 3石英晶体振荡器 5 3 1LC振荡器 5 3 2RC振荡器 1 谐振放大器 具有选频和放大功能的放大器 它是利用LC并联回路的选频特性 从一个频带中选出某一频率进行放大 而将其它频率予以抑制 5 1谐振放大器 谐振放大器 宽频带放大器 电路组成特点 采用LC并联谐振回路作放大器的负载 应用 无线电发射和接收设备 2 当信号频率f等于谐振频率时 LC并联电路发生谐振 阻抗Z最大 1 LC并联回路的阻抗频率特性 5 1 1LC并联回路的选频特性 2 LC并联回路的相位频率特性 当f f0时 v与i的相位差 0o 电路呈纯电阻性 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 LC并联回路 3 3 阻频特性与Q值关系 品质因数Q表征LC并联电路选频特性的好坏 实验和理论证明 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 LC并联电路的Q值 一般在几十到一二百之间 4 5 1 2常用谐振放大器 1 电路结构特点 放大管集电极负载由一个LC并联回路构成 电源经电感线圈抽头接入 其目的是使谐振回路有高的Q值 提高放大器的选择性 1 单回路谐振放大器 2 工作原理 输入信号vi经T1耦合到放大管V的基极 经V放大后 由谐振回路选出f f0的信号 由T2耦合输出 3 电路的通频带和选择性 主要取决于谐振曲线 而它与理想的矩形谐振曲线相比相差甚远 因此 这种电路只能用于对通频带和选择性要求不高的场合 5 2 双回路调谐放大器 电路组成特点 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 互感耦合双回路调谐放大器 电路特点 放大管集电极负载由两个LC并联回路构成 它们之间采用互感耦合 调节L1 L2之间的距离或磁芯的位置 可改变耦合程度 从而改善电路的通频带和选择性 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 经V放大的信号先由L1C1并联回路选出f f0的信号 并耦合到L2C2并联回路进一步选频 最后在电感线圈L2的抽头处产生最大的输出电压vo 6 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的大小即可改变耦合程度 从而改善电路的通频带和选择性 2 电容耦合双回路调谐放大器 7 3 选择性和通频带与耦合程度的关系 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 与理想的矩形谐振曲线很接近 弱耦合时 谐振曲线出现单峰 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 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 8 中心频率 谐振放大电路的工作频率 一般在几百kHz到几百MHz 5 1 3谐振放大器的主要性能指标 增益 指放大电路对有用信号的放大能力 通频带 指其电压增益频率响应特性由最大值下降3dB时所对应的频率宽度 通常以BW表示 选择性 指对通频带之外干扰信号的衰减能力 噪声系数 输入信号的信噪比与输出信号的信噪比之比值 工作稳定性 指当放大电路的工作状态 元件参数等发生变化时 放大器的主要性能的稳定程度 9 5 2正弦波振荡电路自激振荡现象 扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声 其形成的过程如图所示 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 阻尼振荡 在振荡过程中 因损耗等效电阻R将部分电能转换成热能而出现的减幅振荡 等幅振荡 利用电源对电容充电 补充电容对电感放电过程中的能量损耗 v v 10 5 2 1正弦波振荡电路的组成框图 1 振荡器 振荡器是一种无需外加信号 就能自动将直流电能转换成某一频率的交流信号的电路 振荡器与电压放大器组成框图的比较 振荡器的组成部分 放大器和正反馈电路 11 正弦波振荡器 具有单一工作频率的自激振荡电路 正弦波振荡器组成 放大电路 选频电路和正反馈网络 2 正弦波振荡器 放大器 维持振荡器连续工作 选频电路 保证电路仅对某个特定 单一 的频率信号产生谐振 正反馈网络 使电路产生自激振荡 12 正弦波振荡器与谐振放大器电路的比较 开关S 掷 1 端 电路为谐振放大器 掷 2 端 电路为正弦波振荡器 13 相位平衡条件 反馈信号的相位与输入信号的相位相同 即为正反馈 即 2n n为自然数 其中 为vf与vi的相位差 n是整数 振幅平衡条件 反馈信号幅度与原输入信号幅度相等 即 5 2 2正弦波振荡器的振荡条件 2 振荡的起振条件 振幅起振条件 反馈信号幅度大于原输入信号幅度 即 1 振荡的平衡条件 相位起振条件 2n n为自然数 14 5 2 3正弦波振荡器的建立与稳定过程 当振荡信号幅度较小时 放大管处于线性放大区 因AVF 1 振荡信号被不断放大 直到信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时 即当AVF 1时 电路变为等幅振荡 15 5 3常用正弦波振荡器 16 5 3 1LC振荡器 1 变压器耦合式LC振荡器 电路组成特点 用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端 1 共发射极变压器耦合LC振荡器 LC振荡器 利用LC选频回路进行选频的振荡器 LC振荡器用来产生频率为几千赫 十几兆赫的高频信号 LC振荡器分为变压器耦合式振荡器和三点式振荡器两大类 2 共基极变压器耦合LC振荡器 17 振荡条件 电路能满足相位平衡条件和振幅平衡条件 1 共发射极变压器耦合LC振荡器 18 2020 1 27 19 工作原理 初始信号经LC选频回路产生频率为fo的振荡信号 其中一部分信号经L3 4正反馈回到振荡管基极 由放大器放大后 再选频 再放大 不断地循环 振荡由弱到强逐渐建立 当信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时 电路自动满足振幅平衡条件AVF 1 电路作等幅振荡 振荡频率 电路的振荡频率为LC并联回路的固有振荡频率 即 调节LC并联回路中的电感量L或电容量C 均可改变电路的振荡频率fo 20 2 电路不满足相位平衡条件 由图中标出的瞬时电压极性可知 电路为负反馈 例 判断如下电路能否产生自激振荡 1 电路不满足振幅起振条件 因三极管的基极被反馈线圈Lf短路接地 使V处于截止状态 解 判断一个振荡电路是否能产生振荡的一般步骤是 检查电路的直流通路是否正确 即振荡管能否处于放大状态 检查电路的交流通路是否存在正反馈 21 例 判断电路能否产生自激振荡 解 电路满足振幅起振条件和相位平衡条件 能产生自激振荡 22 2 共基极变压器耦合LC振荡器 电路结构特点 L与C组成选频回路 C1为旁路电容 使基极交流接地 C2为隔直耦合电容 将选频回路中的一部分振荡信号反馈到振荡管的发射极 L1为反馈线圈 将放大后的信号送回到选频回路 以补充回路中的能量损耗 振荡条件 电路满足振幅平衡和相位平衡条件 能产生自激振荡 振荡频率 23 电路满足相位条件 适当选择L 和L 的比值 使AVF 1 电路满足振幅条件 电路即能产生振荡 其振荡频率为 2 三点式LC振荡电路 电路特点 LC振荡回路的三个端点与三极管的三个电极相连 1 电感三点式振荡器 其中M是L 与L 之间的互感系数 优点 振荡频率很高 一般可达到几十兆赫 缺点 波形失真较大 24 2 电容三点式振荡器 相位条件 当振荡管基极为 时 线圈1端电位为 3端电位为 电路形成正反馈 满足相位条件 振幅条件 适当的选择C C 的数值 使电路具有足够大的放大倍数 电路可产生振荡 电路的振荡频率为 电路特点 频率较高 可达100MHz以上 优点 输出波形好 缺点 调节频率不方便 Vcc 25 1 RC串并联网络的选频特性 5 3 2RC正弦波振荡电路 RC正弦波振荡器是利用电阻和电容组成选频电路的振荡器 一般用来产生频率在200HZ以下的低频正弦信号 1 电路组成 RC串并联电路如图所示 26 2 选频特性 幅频特性 当输入信号频率为0时 C1 C2开路 输出电压vo为0 随着输入信号频率f的增加 C1与C2的容抗逐渐减小 电路中出现电流 输出电压vo逐渐增大 在输入信号频率为无穷大的情况下 C1 C2短路 输出电压vo又为0 当输入信号频率f fo时 输出电压最大 即 其幅频特性曲线描述了这个变化过程 27 相频特性 当输入信号频率为0时 输出电压v0超前于输入电压vi90o 当输入信号频率为fo时 输出电压与输入电压同相位 当输入信号频率为无穷大时 输出电压落后于输入电压90o 综上所述 只有当f fo时 F 0 且此时输出电压达到最大 由此可见 RC串并联网络具有选频特性 28 2 RC桥式振荡器 电路如图所示 其中RC串并联电路起正反馈和选频作用 放大部分由同相放大电路组成 R3 R9是本级电流串联负反馈电阻 Rf是级间电压串联负反馈电阻 它们的作用是减小失真 稳定输出 由于RC串并联网络和Rf R3组成电桥电路 所以这种电路又称为RC桥式振荡电路 1 由分立元件构成的RC桥式振荡器 29 电路如图所示 其中 放大元件由集成运放LM741承担 它与R1 RP R2 R3 V1 V2组成同相放大器 V1 V2起稳幅作用 R4 C1 R5 C2组成RC串并联选频网络 在电路中起正反馈作用 2 由集成运放构成的RC桥式振荡器 30 4 振荡频率 5 电路的优缺点该电路频率调节方便 调节范围宽 由于电路引入了负反馈 所以工作稳定 波形较好 目前 音频 低频 振荡器多采用这种电路 在RC串并联选频网络中 取R1 R2 R C1 C2 C 则振荡频率为 3 电路的起振荡条件只要同相放大器的放大倍数AV 3 即有AVF 1 电路即满足起振荡条件 31 石英晶体谐振器是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板 引出两个电极 加以封装所构成 5 3 3石英晶体振荡器 电路优点 频率稳定度高 可达10 10 量级 1 石英晶体的基本特性及其等效电路 32 压电效应 晶片在电压产生的机械压力下 其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象 压电谐振 外加交变电压的频率等于晶体固有频率时 回路发生串联谐振 电流振幅最大的一种现象 产生压电谐振时的振荡频率称为晶体谐振器的谐振频率 压电效应 33 当晶体不振动时 可用静态电容C0来等效 当晶体振动时 机械振动的惯性可用电感L来等效 晶片的弹性可用电容C来等效 晶片振动时的损耗用R来等效 2 符号和等效电路 石英晶体谐振器的品质因数Q很大 可达104 106 加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关 所以 由石英晶体谐振器组成振荡电路 可获得很高的频率稳定度 34 由于C C0 因此 s和 P两个频率非常接近 石英晶体谐振器在 s和 P之间为感性 在此区域之外为容性 4 电抗频率特性 当L C R串联支路谐振时 其等效电路的阻抗最小 串联谐振频率为 当等效电路发生并联谐振时 并联谐振频率为 3 谐振频率 共有两个 35 2 石英晶体振荡电路 1 并联型晶体振荡电路 振荡回路由C1 C2和石英晶体组成 其中 石英晶体起电感L作用