通信电子电路第四章.ppt

第4章正弦波振荡器 4 1概述4 2反馈型正弦波自激振荡器基本原理4 3三点式LC振荡器4 4改进型电容三点式振荡器4 5振荡器的频率稳定问题4 6石英晶体谐振器4 7石英晶体振荡器电路4 8陶瓷振子和陶瓷振子电路4 9单片集成振荡电路E1648 本章内容 本章重点与难点 一 本章重点1 振荡器的种类及应用 2 三点式振荡器 3 改进型电容三点式振荡器 即克拉泼电路和西勒电路 4 振荡器的频率稳定问题 5 压电效应 石英晶体谐振器 石英晶体振荡器电路 二 本章难点克拉泼电路和西勒电路 第四章LC正弦波振荡器 4 1概述 自激式 振荡器定义 是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置 他激式 振荡器定义 放大器的输入端加有激励信号源 例如谐振功率放大器 振荡器的分类 按工作方式分 所采用的分析方法和振荡器的特性来分 反馈式振荡器和负阻式振荡器 注意 我们只着重讨论反馈式振荡器 根据振荡器所产生的波形划分 又可以把振荡器分为正弦振荡器与非正弦振荡器 注意 本书只介绍正弦波振荡器 正弦波振荡器的构成 决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成 也是反馈放大器 正弦波振荡器的分类 标准 选频网络所采用的元件不同 LC振荡器 RC振荡器 晶体振荡器 LC振荡器和晶体振荡器 产生高频正弦波 RC振荡器 产生低频正弦波 各频段的振荡器 1 2 3 4 一 正弦波振荡器的应用 1 在信息传输系统的各种发射机中 就是把主振器 振荡器 所产生的载波 经过放大 调制而把信息发射出去的 2 在超外差式的各种接收机中 是由振荡器产生一个 本地振荡 信号 送入混频器 才能将高频信号变成中频信号 3 在研制 调测各类电子设备时 常常需要信号源和各种测量仪器 在这些仪器中大多包含有振荡器 例如高频信号发生器 音频信号发生器 Q表以及各种数字式测量仪表等 4 在工业生产中的高频加热 超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器 可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用 4 2反馈型正弦波自激振荡器基本原理 本节主要内容 本节以互感反馈振荡器为例 分析反馈型正弦波自激振荡器的基本原理 振荡产生的条件 建立和稳定过程 4 2 1从调谐放大到自激振荡调谐放大器电路分析 4 2 2自激振荡的平衡 条件 对互感反馈自激振荡器电路的说明 略 产生自激振荡必须具备两个条件 1 反馈必须是正反馈 即反馈到输入端的反馈电压 电流 必须与输入电压 电流 同相 对其进行阐述 得到结论 满足振荡的相位平衡条件是 为总相移n 为整数 例如 输入信号为 vi Visinwit输入端得到反馈信号 vf Visin wit 2 反馈信号必须足够大如果从输出端送回到输入端的信号太弱 就不会产生振荡了 一般情况下 放大器的放大倍数K 1 反馈电路的反馈系数F 1 为了使反馈信号足够大 放大器的增益必须补足反馈系数的衰减 例 假定输入信号幅度为10mV K 100输出信号幅度为1V 为使送回到输入端的电压仍可达到10mV 必须使F 1 100 平衡条件 振荡已经建立 为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位的关系 满足振荡的幅度平衡条件为 KF 1自激振荡平衡的复数表达式为 注 它包括振幅平衡条件和相位平衡条件两个方面 4 2 3振荡的建立和振荡条件 振荡产生的原理 振荡器闭合电源后 各种电的扰动 如晶体管电流的突然增长 电路的热噪声 是振荡器起振的初始激励 突变的电流包含着许多谐波成分 扰动噪声也包含各种频率分量 它们通过LC谐振回路 在它两端产生电压 由于谐振回路的选频作用 只有接近于LC回路谐振频率的电压分量才能被选出来 但电压的幅度很微小 但是由于电路中正反馈的存在 经过反馈和放大的循环过程 幅度逐渐增长 这就逐渐建立了振荡 注意 在振荡建立过程中 放大倍数K与反馈系数F的乘积不是等于1 而是大于1 例 K 100 F 1 10 假定电源接通时 振荡电压只激起Ube 1 v 经放大后可得到Uce 100 v 反馈后的就是Ube 10 v 再放大就得到Uce 1mv 如此循环 振荡电压就会增长起来 振荡器的输出幅度会不会无止境地增长下去呢 答案 不会的 因为 随着振荡幅度的增长 晶体管将要出现饱和 截止现象 也就是幅度Ube增加到一定程度后 ic的波形会出现切顶现象 虽然这时ic不是正弦波 但是由于谐振回路的选频性 选出它的基频分量 uce仍是正弦形状 这时uce的幅度基本上不再增长 振荡建立过程结束 波形稳定下来 起振条件 是指为产生自激振荡所需K F的乘积最小值 所以满足KF 1这一条件 才有可能使振荡电压逐渐增长 建立振荡 一般情况下 放大器具有非线性特性 反馈电路是线性电路 在振荡建立过程中 随着幅度的增长 放大器由甲类工作情况进入乙类 甚至丙类 工作情况 晶体管非线性作用使uce的幅度不能增长 K值逐渐下降 最后平衡 稳定在KF 1点 4 2 4振荡器的稳定条件平衡和稳定的关系 平衡不一定稳定 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 还必须看平衡状态是否稳定 说明 实际上 不稳定的因素总是存在的 如电源的波动 温度的变化和机械振动等 它们会使LC回路的参数发生变化 从而破坏了原来的平衡条件 改变了振荡幅度和频率 判断振荡器的稳定标准 如果上述不稳定因素去掉后 振荡器能回到原来的平衡状态 则平衡状态是稳定的 否则是不稳定的 说明稳定平衡和不稳定平衡的概念 a 和 b 分别画出了将一个小球置于凸面上的平衡位置B 而将另一个小球置于凹面上的平衡位置Q 显然 图 a 中的小球是处于不稳定的平衡状态 因为在这种情况下 稍有 风吹草动 小球将离开原来的位置而落下 图 b 中的小球则处于稳定的平衡状态 因为在此情况下 尽管有外力扰动 但由于重力作用 它仍然自动地回到原来的位置 振荡器的稳定平衡 在某种因素的作用下 使振荡器的平衡条件遭到破坏时 它能在原平衡点附近重建新的平衡状态 一旦外因消除后 它能自动地恢复到原来的平衡状态 振荡器的稳定条件包含两方面的内容 振幅稳定条件和相位稳定条件 1 振幅稳定条件 分析 a 图 判断A点是不是稳定的平衡点 看此点附近振幅发生变化时 是否能恢复原状 1 假设ube略有增长 这时K1 F故KF 1振幅自动回到A点 结论 在平衡点 若K曲线斜率是负的 即则满足稳定条件 若曲线斜率为正 则不满足稳定条件 结合 a 图 分析 b 图 略 2 相位稳定条件相位稳定条件 就是研究由于电路中的扰动暂时破坏了相位条件使振荡频率发生变化 当扰动离去后 振荡能否自动稳定在原有频率上 注意 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 d dt 所以当振荡器的相位发生变化时 频率也发生了变化 外干扰 同理 实际情况 LC回路有补偿相位变化的作用 LC回路 上述两种变动规律可总结为 振荡器相位稳定条件是 4 3三点式LC振荡器三点式LC振荡器 LC回路引出三个端点 分别同晶体管的三个电极相连的振荡器 称三点式振荡器 分类 电容三点式和电感三点式 4 3 1电容三点式振荡器 考比兹电路 电容反馈三点线路 也叫 考毕兹 振荡电路 图4 9电容三点式振荡器 电路分析 L C1 C2 组成振荡器回路 作为晶体管放大器的负载阻抗 反馈信号从C2两端取得 送回放大器输入端 扼流圈ZL 为了避免高频信号被旁路 而且为晶体管集电极构成直流通路 也可用RC代替 但将引入损耗 使回路有载QL值下降 所以RC值不能过小 Rb1 Rb2 Re 起直流偏置作用 Ce C4 旁路电容和隔直电容 保证起振时具有合适的静态工作点及交流通路 电容反馈三点式振荡器定义 名称由来 略 交流等效电路的画法 1 耦合 旁路 隔直电容短路2 扼流圈开路3 Rb1 Rb2 Re开路4 电源接地 1 三点式LC振荡器的相位平衡条件分析 电流超前电压900 电压超前电压900 LC振荡器相位平衡条件的判断标准 分析 Xbe与Xce应为同性质的电抗元件 结论 总结为一句话 射同集 基 反 与射极相连的元件电抗性质相同 与集电极 基极相连的元件的电抗性质相反 2 三点式LC振荡器的起振条件分析 即分析KF 1是否成立 yfeUi C2 b c e yie yoe C1 C2 C2 注意 1 用Y参数等效电路时 因为外部的反馈作用远大于晶体管的内部反馈 故可以忽略晶体管的内部反馈 即yre 02 Ri 晶体管输入电阻 Rs 晶体管输出电阻 Ro 谐振电阻 Ci Co 晶体管输入 输出电容 3 现把各元件都折合到c e端 如果则回路损耗可以忽略 得 起振条件的表达式 起振条件的表达式 分析上式 若为定值 1 右端第一项可看出F越大 保证起振的值 越低 2 第二项可看出F越大 为保证起振所需的 越高 S 3 分析振荡频率 说明 例 略 4 3 2电感反馈三点电路电感反馈三点电路定义 该电路是以谐振回路为集电极负载 并利用电感将谐振电压反馈到基极上故称为电感反馈式振荡器 也叫 哈特莱 振荡器 原理电路交流等效电路 式中 各符号含义仍与考毕兹电路相同 只是当L1与L2相互屏蔽没有耦合时得 理想 有耦合时得 振荡频率f0的近似式为 S 电容 电感三点式振荡电路比较 1 电容三点振荡器反馈电压取自反馈电容 而电容对高次谐波呈低阻抗 滤除谐波电流能力强 振荡波形更接近正弦波形 另外 晶体管的输入 输出电容同回路电容并联 为了减小它们对谐振回路的影响 可以适当增加回路的电容值 以提高频率的稳定度 它的缺点是由于用了两个电容 C1和C2 若要利用可变电容调频率就不方便了 电感三点式振荡电路反馈电压取自反馈电感 对高次谐波呈现高阻抗 不易滤去高次谐波 输出电压波形不好 振荡频率不是很高 一般只达几十MHz 它的优点是只用一只可变电容就可以容易地调节频率 4 4改进型电容三点电路基本型的缺点 振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的LC元件的值有关 而且还与晶体管的输入电容Ci以及输出电容Co有关 当工作环境改变或更换管子时 振荡频率及其稳定性就要受到影响 例 振荡频率可以近似写成 改进依据 减小Ci Co对谐振回路的影响 改进方案 串联改进型电容三点式振荡器 克拉泼电路 并联改进型电容三点式振荡器 西勒电路 4 4 1串联改进型电容三点式电路 克拉泼电路 电路原理图 特点 是把基本型的电容反馈三点线路集电极的电感改用L C串联回路代替 这正是它的名称的由来 串联改进型电容反馈三点式线路 又叫克拉泼电路 交流等效图 略 振荡频率 上式成立的条件 C1和C2都要选的比较大 C1 C2过大对电路的影响 前提 C1 C C2 C 4 4 2并联改进型电容反馈三点式振荡器 西勒电路 电路原理图和交流等效电路图 电路除了采用两个容量较大的C1 C2外 主要特点是把基本型的电容反馈线路集电极 基极支路改用LC并联回路再与C3串联 所以叫并联改进型 也叫西勒电路 回路谐振频率 把电容都折合到电感L两端 结论 n和C无关 当调节C来改变振荡频率时 n不变 注意 C3要选择合适 4 4 3几种三点式振荡器的比较 振荡器的频率稳定是一个十分重要的问题 例如 通信系统的频率不稳 就会漏失信号而联系不上 测量仪器的频率不稳 就会引起较大的测量误差 在载波电话中 载波频率不稳 将会引起话音失真 4 5振荡器的频率稳定问题 4 5 1振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度指标是用频率稳定度来衡量的 频率稳定度有两种表示方法 1 绝对频率稳定度 它是指在一定条件下实际振荡频率f与标准频率fo的偏差 f f f fo2 相对频率稳定度 它是指在一定条件下 绝对频率稳定度与标称频率之间的比值 注意 常用的是相对频率稳定度 简称频率稳定度 例 略注意 1 越小 频率稳定度越高 2 一定条件指一定的时间范围或一定的温度或电压变化范围 在一定时间范围内的频率稳定度可以分为以下几种情况 短期稳定度 一小时内的相对频率稳定度 一般用来评价测量仪器和通讯设备中主振器的频率稳定指标 中期稳定度 一天内的相对频率稳定度 长期稳定度 数月或一年内的相对频率稳定度 4 5 2造成频率不稳定的因素LC回路参数的不稳定温度变化是其不稳定的主要因素 温度会使电感线圈和回路电容的几何尺寸变形 而改变电感L和电容C的数值 一般L具有正温度系数 即L随温度的升高而增大 电容器的温度系数可正可负 2 晶体管参数的不稳定当温度变化或电源变化时 必定引起静态工作点和晶体管结电容的改变 从而使振荡频率不稳定 4 5 3稳频措施1 减小温度的影响2 稳定电源电压3 减少负载的影响4 晶体管与回路之间的连接采用松耦合5 提高回路的品质因数 见书 6 使振荡频率接近于回路的谐振频率 4 6石英晶体谐振器近代科学技术的发展对正弦波振荡器的稳定度要求愈来愈高 例如 作为频率标准的振荡器的频率稳定度要求达到10 8以上 而对于振荡器 尽管采用各种稳频措施 但理论分析和实践都表明 其频率稳定度一般只能达到10 5 原因主要是LC回路的Q值不能做的很高 解决办法 石英晶体振荡器就是以石英晶体谐振器取代LC振荡器中构成谐振回路的电感 电容元件所组成的正弦波振荡器 它的频率稳定度可达到10 10 10 11数量级 所以得到极为广泛的应用 4 6 1石英晶体的压电效应及等效电路石英晶体是硅石的一种 它的化学成分是二氧化硅 SiO2 在石英晶体上按一定方位角切下薄片 然后在晶片的两个对应表面上用喷涂金属的方法装上一对金属极板 就构成石英晶体振荡元件 正 反压电效应 当给石英晶片施加压力时 在晶片的两个表面产生正 负电荷 呈现出电压 其大小与所加力产生的形变成正比 若施加张力则产生反向电压 这种现象叫正压电效应 给晶片施加电场 晶片将延伸或压缩 发生形变 这种现象称为反压电效应 a 结构示意图 b 等效电路 c 符号 共振现象 晶片的几何尺寸和结构一定时 它本身具有一个固有的机械振动频率 当高频交流电压加于晶片两端时 晶片将随交变信号的变化而产生机械振动 当其振荡频率与晶片固有振荡频率相等时 机械振动幅度最大 流过晶片的电流最大 这种现象叫做共振现象 注意 石英晶片的共振具有多谐性 即除可以基频共振外 还可以谐频共振 通常把利用晶片的基频共振的谐振器称为基频谐振器 利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器 晶片可用一个串联LC回路表示 Lq 为动态电感 Cq 为动态电容 Rq 为动态电阻 C0 此外还有切片与金属极板构成的静电电容 即使石英晶片不振动 仍存在 石英谐振器的最大特点是 一般常用的石英谐振器的等效参数大致是 略 4 6 2石英晶体的阻抗特性注意 例 略 不计动态电阻rq时的等效阻抗 3 电抗 频率曲线 rq 0 由上式看出 当时 Lq Cq支路产生串联谐振 Z 0 当时 产生并联谐振 或时 电抗呈容性 时 电抗呈感性 图4 21石英谐振器的电抗特性 特别注意 4 6 3石英谐振器的频率温度特性 虽然石英谐振器等效回路具有高Q的优点 但是 如果它的电参数不稳定 仍然不能保证频率稳定度的提高 这还要看温度变化时 它的频率是否稳定 在一定的温度范围之内 石英晶体的各电参量具有较小的温度系数 具体情况与晶片切割类型有关 在一定的温度范围之内 石英晶体的各电参量具有较小的温度系数 具体情况与晶片切割类型有关 下图示出AT DT CT三种切型的石英谐振器频率温度特性曲线 可以看出 在室温附近 它们的稳定性是比较满意的 其中以AT切型为最好 但是 当温