正弦波振荡器.ppt

第二章正弦波振荡器 正弦波振荡器的定义 不需输入信号控制就能自动将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路 振荡器的指标 振荡频率和振荡振幅的准确性和稳定性 其中以振荡频率的准确性和稳定性最为主要 振荡器的分类 正反馈构成的振荡器负阻振荡器 2 1反馈振荡器的工作原理 反馈振荡器实际是一个主网络和反馈网络构成的闭合环路 如图 反馈振荡器的主网络是谐振放大器 反馈网络是耦合线圈Lf 振荡的条件 保证接通电源后从无到有地建立起振荡的起振条件以及保证进入平衡状态 维持等幅持续振荡的平衡条件 2 1 1平衡和起振条件 把闭合环路在x处开环 环路增益为T j Vf Vi 若在某一角频率上 osc Vf和Vi同相又等幅 即Vf Vi或T j osc 1 则主网络输出角频率为 osc的正弦振荡电压Vo 而它所需输入电压Vi则完全由反馈电压Vf提供 无需外加输入电压 因而上式是维持振荡器输出等幅持续振荡的平衡条件 又称巴克好森条件 若令T j osc T osc ej T osc T osc 1 1 T osc 2n n 0 1 2 2 式 1 为振幅平衡条件 2 为相位平衡条件 而要保证振荡器起振 必须 Vf Vi或T osc 1 T osc 2n n 0 1 2 前者为振幅起振条件 后者为相位起振条件 2 1 2基本组成及其分析方法 振荡器必须满足起振条件和平衡条件 因此闭合回路中必须包含可变增益放大器和相移网络 前者提供足够的增益 且其值具有随电压增大而减小的变化特性 以保证环路进入平衡状态 使振荡器产生稳定的振荡幅度 而后者应在振荡频率上为环路提供合适的相移 使环路相移为零 或2n 各种反馈振荡电路的区别就在于可变增益放大器和相移网络的实现电路不同 可变增益放大器包括晶体三极管 场效应管放大器 差分放大器和集成运放 实现方法包括内稳幅和外稳幅 相移网络包括LC谐振回路 RC选频网络和石英晶体谐振器等 对反馈振荡器的近似分析方法 首先 检查振荡电路是否包含可变增益放大器和相移网络 闭合环路是否正反馈 其次 分析起振条件 起振时 为小信号工作 可用小信号分析方法 最后 分析振荡器的频率稳定度 并提出改进措施 2 2LC正弦波振荡器 采用LC谐振回路作为相移网络的反馈放大器为LC正弦波振荡器 包括 变压器耦合振荡电路三点式振荡电路差分对管振荡电路 2 2 1三点式振荡电路 右上图为电容三点式电路 反馈电压取自L和C2组成的分压电路 下图为电感三点式电路 反馈电压取自C和L2的分压器 共同特点是谐振回路三个引出端和三极管三极连接 与发射极连接的为同性质电抗 另一个为异性质电抗 接在B C之间 这种连接的三点式振荡电路 必满足相位平衡条件 实现正反馈 当回路谐振时 0即时 X1 X2 X3 0 回路呈纯阻 此时 A 0 反馈电压Vf jX2Vo j X2 X3 X2Vo X1为了满足相位平衡条件 f 0 X2必须与X1同性质 X3必须异性质电抗 这样 振荡器的振荡频率就是谐振回路的谐振频率 电容三点式振荡器的实用电路 上图为共射组态 下图为共基组态 不管何种组态 它们都是由可变增益器件和相移网络组成 而且它们的交流通路均满足与发射极相连的是两个同性质的容性电抗 不与发射极相连的是感性电抗 以实现正反馈 电路中 三极管必须偏置在合适的静态工作点 以保证它在起振时工作在放大区 提供足够的增益 满足振幅起振条件 以后在振荡过程中 随振幅增长 放大管将部分工作进入截止区 导致增益下降 同时 偏置电路的自给偏置效应也将进一步导致放大器增益随振荡幅度增大而下降 电感三点式振荡器电路 分析电容三点式振荡电路的起振条件 右上角为共基组态电容三点式的实际电路和交流通路 设L C1 C2并联谐振回路的固有谐振电阻为Reo LQo Qo为回路的固有品质因数 若工作频率远小于fT 三极管可使用混合 型简化等效电路 如图 把环路从x处断开 在断开点右边加环路输入电压vi 左边加自断开点向右看进去的阻抗 如右图 R L RL Reo 并令Ri RE re re C2 C2 Cb e 电容三点式电路相位和振幅起振条件 B 0gm A 或者X1 X2 X3 X1X2X3gL gi根据相位起振条件 振荡频率为式中C C1C2 C1 C2 分别为回路总电容和固有谐振角频率 起振条件简化为 X1 X2 X3 0 式中 n X2 X1 X2 C1 C1 C2 为电容分压比 n2gi是gi经电容分压网络折算到 间的电导 根据相位起振条件得到 2 2 2差分对管振荡电路 如右图 T1和T2为差分对管 其中T2的集电极外接LC谐振回路 谐振在振荡频率上 并将输出电压加到T1的基极 构成正反馈 T2的集电极通过LC谐振电路回到T2管的基极 VBB成为两管的基极偏置电压 保证两管基极同电位 环路增益 差分对管的振荡角频率和振幅起振条件为 osc 1 LC 1 L C Cb e 2 gm 2gL 1 rb e振幅起振条件还可近似为 E1648集成振荡器 判断电路能否振荡例一 判断右图是否振荡解 若振荡频率高于L C3串联谐振回路的振荡频率 L C3串联支路呈感性 为电容三点式电路 C为C1 C2 C3串联电容值 例二 试求上例振荡电路的振荡起振条件 图中 Reo为L C1 C2 C3串联谐振回路的固有谐振阻抗 把折算成数值电路振幅起振条件近似为 例三试判断如图所示电路是否振荡 如果不能振荡 请改正 2 3LC振荡器的频率稳定度 频率稳定度是振荡器的重要性能指标 定义是 在规定时间或规定温度 湿度 电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化量 频率稳定度有长期 短期和瞬时之分 通常讲的频稳度一般指短期频稳度 当振荡频率为规定fosc时 短期频稳度定义为 2 3 1频率稳定度的定性分析 2 3 1频率稳定度的定性分析 提高LC振荡器的频稳度的基本措施 设法减小外界因素变化 减小外接因素变化引起 0 Qe e的变化 尤其是 0的变化 减小 e和增大Qe 2 3 3克拉泼振荡电路 克拉泼电路是电容三点式振荡器的改进型 区别是增加了一个与L串接的电容C3 为了减小耦合 C3较小 C1 C2较大 回路总电容接近C3 C3越小 管子极间电容对回路谐振频率的影响越小 回路标准性越高 但C3太小 环路增益太低 电路可能不起振 2 4晶体振荡器 要使用高频稳度的振荡器 需采用晶体振荡器 晶体振荡器是用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器 石英谐振器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件 内部结构如图 石英片有固有震动频率 而且十分稳定 它的震动具有多谐性 除基频振动外 还有奇次谐波的泛音振动 将石英谐振器接到振荡器的闭合环路中 利用它的固有振动频率 可以有效的控制和稳定振荡频率 振荡器的振荡频率可以控制在石英片的机械振动频率上 频稳度可达到10 6或更高数量级 若忽略rq 晶体两端阻抗为纯电抗 大小为 式中在 s p频率范围内 Xer为感性 其他频段为容性 在 s上 Xer 0 具有串联谐振特性 s为串联谐振角频率 在 p上 Xer 具有并联谐振特性 p为并联谐振角频率 2 4 2晶体振荡电路 根据晶体在振荡电路的不同作用 晶体振荡器有并联型电路和串联型电路之分 晶体工作在稍高于fs呈感性的频段内 等效为三点式电路的回路电感 构成的振荡电路为并联型晶体振荡电路 晶体工作在fs上 等效为串联谐振电路 对应振荡电路为串联型晶体振荡电路 一 并联型晶体振荡电路皮尔斯振荡电路类似电容三点式C1和C2的串联电容直接并联在晶体两端 是晶体的负载电容 如果其值等于晶体规定值 那么振荡电路的振荡频率就是晶体标称频率 二 串联型晶体振荡电路XK76集成晶体振荡器的内部电路 T2 T1接成同向放大器 晶体为反馈单元 构成正反馈 当晶体串联谐振等效为短路元件时 正反馈最强 满足振幅起振条件 而偏离时 晶体呈阻抗 其值迅速增大 反馈明显减弱 振荡器不满足起振条件 所以灵敏度很高 2 5RC正弦波振荡器 采用RC电路作为移相网络的振荡器为RC正弦波振荡器 移相网络包括 RC导前移相电路RC滞后移相电路RC串并联选频电路 由图可见 前两种电路具有单调变化的幅频特性 A 1时 0 A 0时 90 而当 0 1 RC时 A 0 1 2 0 45 第三种电路类似LC谐振电路 0 1 RC时 A 0 1 3 0 0 当 偏离 0 A 0 趋近于零 0 向正负方向增大 并趋近 90 以前两电路为相移网络的振荡器为RC相移振荡器 以第三种电路为相移网络的振荡器为文氏电桥振荡器 如图为采用导前相移电路构成的RC相移振荡器电路 集成运放接成反相放大器 RC导前相移振荡电路必须提供1800相移 因为一级RC电路实际能提供的最大相移小于900 因此需要至少三节RC电路才能提供1800相移 将图 a 电路中X处断开 断开点右端加Vi 左端接集成反相放大器的输入电阻 Rid R 得到所示电路 由上式求得振荡角频率和振幅起振条件为 右图为外振幅得文氏电桥振荡电路 集成运放接同相放大器 提供零相移 只有当 osc o 1 RC RC串并联电路提供零相移 相位平衡 振荡器的环路增益为选择适当Rt和R1值 使T 0 1 就可满足振幅起振条件 2 6负阻正弦波振荡器 负阻放大器是利用负阻器件与LC谐振回路构成的正弦波振荡器 工作在超高频段 负阻器件是指它的增量电阻为负值的器件 以隧道二极管为例 伏安特性如右图 若将静态工作点设置在负阻区 并加上微弱正弦电压v Vmsin t 即管子两端电压为vD VQ v VQ Vmsin t则在忽略失真下 管子电流为iD IQ i IQ Imsin t其中 IQ为静态工作点电流 i为增量电流 其值为i gn v gn Vmsin t Imsin t 式中 Im gnVm gn是隧道二极管在静态工作点的增量电导 其值为负 式中 VQIQ表示直流电源供给的直流功率 表示交流功率 由于Vm0 负阻总是消耗功率 而且能把一部分直流功率转换为交流功率 2 6 2负阻振荡原理及其电路 负阻器件并接到并联谐振回路上的交流电路如图 齐次微分方程为 当gm 2 0c 1时 求得当ge 2 0c 1时 一旦收到冲击 就产生余弦振荡 直到gn av ge0 负阻振荡器就是利用以上原理 振幅起振条件为gn geo 平衡条件为在这种振荡电路中 负阻器件必须