高频电子线路_第4章.ppt

第4章正弦波振荡器 不需要外加输入信号的控制 就能自动地将直流电能转换成一定频率和一定幅度的交流电信号的现象 称为自激振荡 能产生自激振荡的电路 称为振荡器 和放大器一样也是能量转换器 它与放大器的区别在于 不需要外加信号的激励 其输出信号的频率 幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定 振荡器的分类 正弦波振荡器 非正弦波振荡器 振荡器 输出波形 产生机理 反馈式振荡器 负阻式振荡器 反馈型LC振荡器 反馈型RC振荡器 石英晶体振荡器 应用 1 无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号 2 超外差接收机用它产生本地振荡信号 3 电子测量设备和计时仪表用它产生频率 或时间 基准信号 4 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等 主要技术指标 1 振荡频率f及频率范围 2 频率稳定度 调频广播和电视发射机要求 10 5 10 7左右标准信号源 10 6 10 12要实现与火星通讯 10 11要为金星定位 10 123 振荡的幅度和稳定度 振荡器在现代科学技术中有着广泛应用 例如在通信设备中用来产生载波和本振信号 因此本章学习正弦波振荡器 由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的 因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡 作为研究振荡器工作原理的预备知识 LCR自由振荡电路 假设开关S先放于1的位置 使电容C最初充电到电压V 然后将S转换到2的位置 C上的电荷即经过L R放电 LCR自由振荡电路 此时 回路中的电流作周期性的变化 即产生了自由振荡 振荡频率为 三种不同的R所产生的电流变化曲线 R 0 即正电阻时所产生的衰减振荡 R 0时所产生的等幅振荡 R 0 即负电阻时所产生的增幅振荡 由此 可见 为了获得等幅振荡 就需设法使LC回路的电阻为零 但是由于实际的LC回路本身总是有正电阻的 因此 需要人为地引入一个负电阻 将回路本身的正电阻抵消 以获得等幅振荡 在电路中引入一个正反馈 即等效于引入一个负电阻 另一种方法就是利用有源器件本身的负阻特性 使之抵消LC回路的正电阻 负阻振荡器与反馈振荡器两种概念是统一的 能产生正弦波信号的振荡电路 称为正弦波振荡器 正弦波振荡器 按组成原理可分成反馈振荡器和负阻振荡器 反馈振荡器是目前应用最多的振荡器 它是建立在放大和反馈基础上的 4 1反馈式振荡器的工作原理 反馈振荡器产生振荡的基本原理振荡的平衡条件和起振条件振荡的稳定条件 开关S 1 放大器的输入端外加一正弦波信号ui 经过放大器放大后 在输出端产生输出信号uo uo经反馈网络 在反馈网络的输出端得到反馈信号uf 与ui大小相等 而且相位也相等 反馈振荡器构成框图 一 反馈振荡器产生振荡的基本原理 除去外加信号 开关S由1转接至2 使放大器和反馈网络构成一个闭环回路 那么 在没有外加输入信号的情况下 输出端仍可维持一定幅度的电压uo输出 从而产生了自激振荡 反馈振荡器构成框图 为使振荡器的输出uo为一个固定频率的正弦波 就是说 自激振荡器只能在某一频率上产生 而在其他频率上不能产生 则闭环回路内须含有选频网络 使只有选频网络中心频率的信号满足uf与ui相同的条件而产生自激振荡 反馈振荡器构成框图 二 振荡的平衡条件与起振条件 当接通电源时 回路内的各种电扰动信号经选频网络选频后 将其中某一频率的信号反馈到输入端 再经放大 反馈 放大 反馈的循环 该信号的幅度不断增大 振荡由小到大建立起来 随着信号振幅的增大 放大器将进入非线性状态 增益下降 当反馈电压正好等于放大器的输入电压时 振荡幅度不再增大进入平衡状态 1 振荡的建立过程 2 平衡条件 为维持等幅振荡所需满足的条件 当反馈信号uf等于放大器的输入电压ui时 或者说是等于产生输出电压uo所需要的输入电压ui 这时振荡电路的输出电压不再发生变化 电路达到平衡状态 因此 有 称为振荡的平衡条件 是指大小相等 相位相同 放大器开环电压放大倍数为 所以 又因为平衡时有 反馈振荡器构成框图 反馈网络的电压传输系数为 所以 振幅平衡条件 相位平衡条件 2 在平衡状态 电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量 平衡时输出幅度将不再变化 因此振幅平衡条件决定了振荡器输出幅度的大小 2 环路只在某一特定频率才能满足相位平衡条件 即相位平衡条件决定了振荡频率 一般在回路的谐振频率附近 1 使反馈电压与输入电压相位相同 以保证环路构成正反馈 1 使反馈电压与输入电压大小相等 振幅平衡条件 因而 振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件 相位平衡条件 3 起振条件 起振条件 为了振荡起来必需满足的条件 由振荡的建立过程可知 为了使振荡器能够起振 起振之初 在振荡幅度由小增大时 反馈电压Uf与输入电压Ui在相位上应同相 即为正反馈 在幅值上应要求Uf Ui 即 不能用起振条件来描述振荡器从接通电源开始的振荡现象 但可以利用起振条件来推断闭环后瞬态是否增幅振荡或能否自激振荡 因为在起振之初 振荡的幅度还很小 电路尚未进入非线性区 振荡器可以作为线性电路来处理 即可用小信号等效电路来计算环路增益 综上所述 反馈振荡器要满足起振条件和平衡条件 其中相位条件是一致的 即振荡闭合环路必须是正反馈 这是构成振荡电路的关键 同时 环路增益的模值T还要具有随振荡电压uf增大而下降的特性 起振时 T 1 ui迅速增大 随着振荡振幅的增大 T下降 ui增长缓慢 直到T 1 ui停止增长 振荡进行平衡状态 振荡器一般既有固定偏压 又有自给偏压 为了使电路能够自行起振 起振时放大器应该工作在线性区 所以静态工作点应设置得使晶体管起始工作状态为甲类 晶体管工作状态的变化 随着输入信号振幅的不断增加 自给偏压 反向 增大 晶体管的通角将由原来的180 逐渐减小 从甲类 甲乙类 乙类 丙类 电压增益的变化 振荡器进入丙类工作状态后 输出信号幅度增加有限 增益将随输入信号的增大而下降 直到AF 1振荡器由增幅振荡过度到等幅振荡 建立稳定的振荡 总结以上分析 我们得到以下几点结论 当正反馈电路满足起振条件AF 1时 电路能自行起振 只有频率等于选频网络谐振频率的振荡波才能满足正反馈条件 因此振荡器的振荡频率近似等于回路谐振频率 起振时放大器工作于甲类线性工作状态 AF 1 以后通角逐渐减小 放大器由甲类 甲乙类 乙类 丙类工作状态 放大倍数逐渐减小 当AF 1时 振荡达到平衡 振荡电路分析可分两步进行 先进行定性分析 然后进行定量分析 定性分析的目的是判断电路结构是否合理 放大器是否能正常放大 选频网络是否具有负斜率的相频特性 并可据此确定振荡器类型 闭合环路是否是正反馈 振荡电路的分析方法 1 定性分析 一看组成 主要是判断电路是否具备放大电路 选频网络和反馈网络三个基本组成部分 二看传输 观察电路中的交流信号传输是否正常 是否存在短路或开路现象 三看条件 一般从以下三方面入手 主要看相位条件 特别注意 幅值条件需要通过电路的参数的分析计算来决定 只要放大器工作在放大状态 一般情况下很容易满足幅值条件 所以一般假设满足幅值条件而只需判断相位条件 振荡闭合环路必须是正反馈 这是构成振荡电路的关键 判断方法如下 先将振荡电路分为放大电路和反馈电路 然后假设放大电路输入端断开 标出放大电路的输入电压ui 输出电压uo及反馈电压uf的瞬时极性 最后 将uf与ui的瞬时相位进行比较 相位相同 则构成正反馈 满足振荡的相位振荡条件 电路有可能产生振荡 定量分析仅需要证明电路满足起振条件 由于起振时 振荡器处于小信号线性放大状态 可以用小信号等效电路进行分析估算 估算时 振荡频率可以等于选频的中心频率 所以起振条件的分析可简化为振幅起振条件的分析 根据小信号等效电路 分别求出放大器的增益和反馈系数 便可依据T AF是否大于1 判断电路是否满足振幅起振条件 振荡器输出电压很难估算 可通过实验来确定 4 起振和平衡条件与电路参数的关系 晶体管 谐振回路 选频放大器 变压器Tr 反馈网络 RB1 RB2 RE 直流偏置电路 使放大器在小信号时工作在甲类 使振荡器起振阶段有较大的环路增益 LC回路的谐振频率上 输出电压uo与输入电压ui反相 根据反馈线圈L的同名端可知 反馈电压uf与uo反相 所以输入电压ui与反馈电压uf同相 振荡闭合环路构成正反馈 满足了振荡的相位条件 如果电路满足环路增益大于1 就能产生正弦波振荡 由前面可知 振荡器起振阶段是小信号工作 而平衡状态是大信号工作 放大器的电压放大倍数为 反馈网络由变压器Tr构成 所以反馈系数为 当忽略r时 有 振荡器环路增益表达式为 振荡器的相位平衡条件可写成 反之 振荡频率小于并联回路的谐振频率 在实际电路中 由于 fe f很小 故可认为振荡频率与LC回路谐振频率相等 则振荡频率可近似为 上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡可能在在某一状态平衡 但不能说明振荡的平衡状态是否稳定 已建立的振荡能否维持 还必须看平衡状态是否稳定 三 振荡的稳定条件 除了研究振荡的起振和平衡条件 还需要研究稳定条件 平衡状态有稳定平衡和不稳定平衡 振荡器工作时要处于稳定平衡状态 振荡器的稳定平衡是指在外因作用下 振荡器在平衡点附近可重新建立新的平衡状态 一旦外因消失 它即能自动恢复到原来的平衡状态 1 振幅稳定条件AF与Ui的变化方向相反 当不稳定因素使振荡振幅增大时 环路增益的模应 增大 减小 使T 1 uf ui 形成减幅振荡 然后在原平衡点建立起新的平衡点 减小 当不稳定因素使振荡振幅减小时 环路增益的模应 增大 减小 使T 1 uf ui 形成增幅振荡 然后在原平衡点建立起新的平衡点 增大 由于反馈网络为线性网络 所以反馈系数为常数 所以 2 相位稳定条件相位与频率的变化方向相反 由于振荡的角频率等于相位的变化率 d dt 则相位变化 则频率也必然变化 因此 相位平衡的稳定条件实质上也就是频率稳定条件 在实际电路中 由于 fe f很小 视为常数 反馈型LC振荡器中 起振时 放大器的工作状态与平衡时的工作状态有何不同 振荡起振条件与平衡条件中放大倍数A是否相同 为什么 思考题 起振时 放大器工作在小信号状态 即工作在线性甲类状态 所以它的放大倍数A比较大 平衡状态时 放大器工作在大信号状态 即工作在非线性甲乙类 乙类或丙类状态 所以A是指放大器的平均增益 其值小于起振时的A值 4 2LC正弦波振荡器 以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器 常用的电路有变压器反馈振荡器和三点式振荡器 一 变压器反馈式正弦波振荡器 相位条件 1 起振条件 判断Uf和Ui是否同相 即判断是否为正反馈 振幅条件 2 振荡频率 判断环路增益是否大于1 优点 结构简单 易起振 输出幅度大 调节方便 3 电路特点 缺点 频率稳定性差 适用于中 短波段 振荡频率不是很高的场合 二 三点式振荡器的基本工作原理 什么叫三点式振荡器 所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言 由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器 又称考毕兹振荡器 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器 又称哈特莱振荡器 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压 1 三点式振荡器一般组成原则 放大器件 晶体管 LC谐振回路 X1 X2 X3回路有三个引出点分别与晶体管的三个电极相连接 使谐振回路既是晶体管的集电极负载 又是正反馈选频网络 把这种电路称为三点式振荡器 设回路谐振时有电流i在流动 则有 jIX1 jIX2 jIX3 0 即 X1 X2 X3 0 根据 X1和X2为性质相同的电抗元件 即同为感性或同为容性电抗元件 与发射极相连的X1与X2电抗性质相同不与发射极相连的X3与X1 或X2 电抗性质相反 得三点式的一般组成原则 三 电感三点式 Hartley 哈特莱电路 如果正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路 所形成的是电感反馈式三端振荡器 交流通路的基本形式 三极管三个电极分别与电感三个引出端相连 反馈电压取自L2上 振荡频率 反馈系数 其中 电路特点 容易起振 变电容而不影响反馈系数 调整频率方便 振荡波形不够好 高次谐波反馈较强 波形失真较大 不适于很高频率工作 分布电容和极间电容并联于L1与L2两端 F随频率变化而改变 四 电容三点式 Colpitts 考毕兹电路 如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路 所形成的是电容反馈式三端振荡器 三极管三极分别与电容的三个引出端相连 反馈电压取自C2上 交流通路的基本形式 振荡频率 反馈系数 电路特点 输出波形较好 高次谐波反馈较弱 波形接近正弦波 频率稳定度较好 分布电容和极间电容并联于C1与C2两端 被较大C1与C2吸收 适用于较高的工作频率 甚至可只利用器件的输入电容和输出电容 变电容影响F 变电感不便 调整频率不太方便 电感三点式和电容三点式振荡器的比较 电容三点式 1 输出波形好 接近于正弦波 2 因晶体管的输入输出电容与回路电容并联 可适当增加回路电容提高稳定性 3 工作频率可以做得较高 利用极间电容 缺点 调整频率困难 起振困难 电感三点式 起振容易 调整方便 缺点 输出波形不好 在频率较高时 不易起振 五 改进型电容三点式 前面研究的三种振荡器 其振荡频率不仅取决于LC回路参数 还与晶体管的内部参数 Goe Gie Coe Cie 有关 而晶体管的参数又随环流温度 电源电压的变化而变化 因此其频率稳定度不高 以电容三点式为例 如图所示 Cie和Coe分别与回路电容并联 其振荡频率可近似写成 如何减小晶体管电容Coe Cie对频率的影响呢 1 加大回路电容C1和C2的值 但它限制了振荡频率的提高 同时为确保 的不变 减小了L的值 随之带来Q值下降 使振荡幅度下降甚至停振 这种方法只适用于频率不高的场合 交流通路的基本形式 1 克拉泼 Clapp 振荡器 电感L支路中串联了小电容C3 振荡频率 可见 f只取决于L C3 而与C1 C2基本无关 故可以增加C1 C2 不必减小电感L 以减小晶体管极间电容对频率的影响 提高了频率稳定度 改变C3即可改变振荡频率而不影响反馈系数 改变C1 C2可调节反馈系数而不会影响振荡频率 优点 振荡频率和反馈系数互不影响 缺点 调节C3改变频率时影响振幅 即当减小C3时引起振荡幅度下降 C3过小时 放大倍数越小 则振荡器则会因不满足振幅起振条件而停止振荡 一般用于固频振荡器 电路特点 为了解决这一矛盾 可以保持C3不变 而在电感L两端并联一个小的可变电容 用以改变振荡频率 这就是西勒 Seiler 振荡器 因为C4与L并联 所以又成为并联型电容三点式振荡器 2 西勒 Seiler 振荡器 交流通路的基本形式 在L两端又并联了一可调电容C4 振荡频率 具有克拉泼振荡器频率和反馈系数独立的优点 频率基本上仅由C3和C4及L决定 调节C4时不影响电路增益 输出幅度稳定 电路特点 画出振荡器起振时开环小信号等效电路 计算振荡频率 并验证振荡器是否满足振幅起振条件 略去晶体管的内反馈 由于晶体管的输入电容和输出电容远小于C1 C2故也可略去它们的影响 4 3振荡器的频率和振幅稳定度 一个振荡器除了它的输出信号要满足一定的频率和幅度外 还必须保证输出信号频率和幅度的稳定 频率稳定度和幅度稳定度是振荡器两个重要的性能指标 而频率稳定度更为重要 例如 电子钟时钟频率不稳 直接影响计时的精度 一 频率稳定度 1 频率稳定度的定义 其中 f 实际工作频率 f0 标称频率 评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度 频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度 它可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度 定义 绝对频率准确度 相对频率准确度 频率稳定度 是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值 也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度 常用相对频率稳定度表示 频率稳定度按时间间隔分为 长期频率稳定度 数月或一年内的相对频率准确度 短期频率稳定度 一天内的相对频率稳定度 瞬时频率稳定度 秒或毫秒内的相对频率稳定度 2 导致频率不稳定的因素 影响振荡频率的有如下因素 1 振荡回路参数L与C 回路电阻r 2 有源器件的参数 3 外界因素 温度 电源电压 负载变化等 3 提高频率稳定度的主要措施 1 减小外界因素的变化 2 合理选择元器件 3 合理设计振荡电路 1 减小外界因素的变化 影响振荡频率的外界因素主要有 机械振动 环境温度的变化 湿度及大气压力的变化 电源电压的变化 周围电磁场的影响 负载不稳定等 1 机械振动 回路线圈 电容应具有较高的机械强度 底板和屏蔽罩必须结实 元器件焊接牢固 加防震措施和调谐回路锁定装置 2 温度 将主要元器件放在恒温槽中 合理选择回路元件的材料 如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料 采用正负温度补偿 也可用热敏电阻稳定偏置 3 湿度和大气压力 将振荡器和主要元件密封 还可选用吸潮性较小的介质和绝缘材料 4 电源电压 采用性能好的稳压电源 振荡器单独供电 5 周围电磁场的影响 采用电磁屏蔽措施 6 负载变化 加缓冲级 跟随器 7 老化 预先对元器件进行老化处理 2 合理选择元器件 1 采用高质量的回路元件 2 减小分布电容和引线电感 引线尽可能短 且应有足够的机械强度 各引线和元器件的连接和安装尽可能牢靠 3 减小不稳定电容对回路标准性的影响 即减小不稳定电容在回路中所占的比重 4 提高回路的有效Q值 采用先进工艺提高线圈本身的Q值 二 振幅稳定度 其中 U 实际输出电压 U0 标称输出电压 4 4石英晶体振荡器 一般LC振荡器的频率稳定度 f f0只能达到10 3 10 5 若要求频率稳定度超过10 5 需用石英晶体振荡器 应用 广泛用于高频率稳定性的振荡器中 也用做高性能的窄带滤波器 一 石英晶体及其特性 1 结构及外形 2 物理特性 1 正 反压电效应 当晶体受外力作用而变形 如伸缩 切变 扭曲等 时 就在它对应的表面上产生正 负电荷 呈现出电压 这称为正压电效应 电能和机械能的转换 当在晶体两面加电压时 晶体又会发生机械形变 这称为反压电效应 物理特性 续 2 稳定的谐振频率 晶片的谐振频率与它的材料 几何形状 尺寸及振动方式 取决于切片方式 有关 且十分稳定 其温度系数均在10 6或更高数量级上 用于高频的晶体切片 其谐振时的电波长常与晶片厚度成正比 谐振频率与厚度成反比 谐振频率与晶片厚度的关系 基音 泛音 对于一定形状和尺寸的某一晶体 它既可以在某一基频上谐振 也可以在高次谐波 谐频或泛音 上谐振 物理特性 续 石英晶体的物理和化学性能都十分稳定 晶体的 值可高达数百万数量级 在串 并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内 具有极陡峭的电抗特性曲线 因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力 因此 用石英晶体作为振荡回路元件 就能使振荡器的频率稳定度大大提高 3 符号及等效电路 也称为包括泛音在内的等效电路 C0 晶体的静电容 一般为几个pF至几十个pF Lq Cq rq 对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数 rq 机械摩擦和空气阻尼引起的损耗 输入信号的频率不同 石英晶体具有串联谐振特性和并联谐振特性 4 串联谐振频率与并联谐振频率 晶体的电抗频率特性曲线 等效为串联谐振时的串联谐振频率 等效为并联谐振时的并联谐振频率 串联谐振频率 并联谐振频率 二者关系 由于C0 Cq 得 Cq C0 1 f0与fq相差很小 国产B45型1MHz中等精度晶体 Lq 4 00HCq 0 0063pFrq 100 200 C0 2 3pF 由此可见 Lq很大 Cq很小 晶体谐振器的品质因数非常大 一般为几万甚至几百万 这是普通LC电路无法比拟的 品质因数 例 1 石英晶片规定要外接负载电容CL 标在晶体外壳的振荡频率或标称频率就是并接CL后测得的f0的值 一般基频晶体规定CL为30pF或标为 指无需外接负载电容 常用于串联型晶体振荡器 标称频率 石英谐振器使用时需要注意以下两点 2 石英晶片工作时必须要有合适的激励电平 注意不要超过晶片的额定激励电平 并尽量保持激励电平的稳定 过大 频率稳定度会显著变坏 甚至可能将晶片振坏 过小 则噪声影响加大 振荡输出减小 甚至停振 因此 振荡电路可分为两类 一类是作为等效电感元件 称为并联型晶体振荡器 一类是作为串联谐振元件 称为串联型晶体振荡器 二 串联型石英晶体振荡器 基本原理 晶体所在的正反馈支路发生串联谐振 使正反馈最强而满足振荡 这种振荡器类似于三点式振荡器 区别就是两个分压电容C1 C2的中间抽头通过石英谐振器接到晶体管的发射极 完成正反馈的作用 三 并联型晶体振荡器 基本原理 晶体工作在fs和fP之间 在电路中等效一特殊电感 并联型石英晶体正弦波振荡电路的电路原理如图 振荡电路的选频网络由石英晶体和电容C1 C2组成 皮尔斯晶体振荡器 这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同 只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中 作为一个感性元件 并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器 石英晶体的基频越高 晶片的厚度越薄 频率太高时 晶片的厚度太薄 加工困难 且易振碎 因此在要求更高频率工作时 可以在晶体振荡器后面加倍频器 另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上 构成泛音晶体振荡器 三 泛音晶体振荡器 所谓泛音 是指石英片振动的机械谐波 它与电气谐波的主要区别是 电气谐波与基波是整数倍关系 且谐波与基波同时并存 泛音则与基频不成整数倍关系 只是在基频奇数倍附近 且两者不能同时存在 由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统 它的固有频率从理论上来说有无限多个 若泛音晶体的标称泛音次数为5 相应的标称频率为5MHz 则LC谐振回路应调谐在3 5次泛音频率之间 如3 5M