2.1正弦波振荡器.ppt

04 03 2020 1 课题一高频正弦波振荡器 04 03 2020 2 作用 产生一定频率和幅度的信号 利用负阻器件的负阻效应产生振荡 利用正反馈原理构成 振荡器的作用 分类与要求 正弦波振荡器的要求 具有较高的振荡频率和幅度的准确性和稳定度 04 03 2020 3 2 1反馈振荡器的工作原理 主要要求 掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理 掌握反馈振荡器的起振条件和平衡条件 掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法 04 03 2020 4 2 1 1反馈振荡器产生振荡的基本原理 04 03 2020 5 开关在 位置时 开关转2位置时 经放大器放大后输出 经过反馈网络后在反馈网络输出端得到反馈信号 与大小相等相位相同 放大器和反馈网络构成闭合环路 此时在没有外加输入信号的情况下 输出端仍维持一定幅度的电压 产生自激振荡 04 03 2020 6 起振时要满足 起始信号来自电扰动 输出信号大小满足要求时 要能自动稳定输出电压 实现使电路进入稳定状态 输出幅度和频率都稳定的信号 故要有稳幅环节 正弦波还要有选频网络 04 03 2020 7 2 1 2振荡的起振条件和平衡条件 04 03 2020 8 一 振荡的起振条件 n 0 1 2 振幅起振条件 相位起振条件 相位条件是构成振荡电路的关键 振荡闭合环路必须是正反馈 相位起振条件和相位平衡条件是一致的 正反馈 放大环节必须具有非线性放大特性 为获得正弦波 振荡电路中要有选频环节 振荡频率通常就由选频环节确定 04 03 2020 9 二 振荡的平衡条件 两者大小相等 相位相同 04 03 2020 10 振幅平衡条件 相位平衡条件 即正反馈 振幅条件和相位条件必须同时满足 相位平衡条件确定振荡频率 振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值 04 03 2020 11 变压器反馈LC振荡器 例2 1 1分析下图振荡电路的工作原理 放大部分 选频部分 正反馈部分 振荡频率 放大器在小信号时工作于甲类 以保证起振时有较大的环路增益 04 03 2020 12 起始时小信号线性放大 大信号工作 丙类 作业 直到 进入平衡状态 04 03 2020 13 2 2LC正弦波振荡器 掌握三点式振荡器的组成原则 工作原理 典型电路 掌握LC振荡器实用电路的分析方法 了解频率稳定度的概念 了解影响频率稳定度的主要因数及提高频率稳定度的措施 主要要求 04 03 2020 14 2 2 1三点式振荡器的基本工作原理 三个电抗元件X1 X2 X3组成LC谐振回路 回路三个引出端分别与晶体管三个电极相连 谐振回路既是晶体管的集电极负载 又是正反馈选频网络 X1 X2的电抗性质必须相同 X3与X1 X2的电抗性质必须相异 与E相连的为同性质电抗 不与E端相连的为异性质电抗 04 03 2020 15 为什么只有这样 才能构成正反馈 为便于说明 忽略电抗元件的损耗及管子输入 输出阻抗的影响 反馈系数 因此 与E相连的必须为同性质电抗 不与E端相连的为异性质电抗 04 03 2020 16 电感三点式 电容三点式 与E相连是电感 与E相连是电容 04 03 2020 17 试分析下图电路是否可能产生振荡 解 该电路由共基放大电路和LC反馈选频网络构成 在LC回路的谐振频率上构成正反馈 满足相位平衡条件 而共基放大电路具有较大增益 又具有内稳幅作用 因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节 故此电路可能产生振荡 04 03 2020 18 2 2 2电感三点式振荡器 哈脱莱Hartley 原理电路 交流通路 振荡频率 反馈系数 优点 易起振 频率易调 调C 缺点 高次谐波成分较大 输出波形差 04 03 2020 19 2 2 3电容三点式振荡器 考毕兹Colpitts 原理电路 交流通路 振荡频率 反馈系数 优点 高次谐波成分小 输出波形好 04 03 2020 20 增大C1 C2 可增大反馈系数 提高输出幅值 但会使三极管输入阻抗的影响增大 使Q值下降 不利于起振 且波形变差 故C1 C2不宜过大 一般取0 1 0 5 2 2 3电容三点式振荡器 考毕兹Colpitts 原理电路 交流通路 04 03 2020 21 2 2 4改进型电容三点式振荡器 克拉泼Clapp 考毕兹电路中 晶体管极间电容与回路电容并联 会使振荡频率偏移 且极间电容随晶体管工作状态而变 会使振荡频率不稳定 改进 在谐振回路电感支路中串接一个电容 04 03 2020 22 原理电路 交流通路 C3 C1 C3 C2 极间电容影响很小 且调节反馈系数时基本不影响频率 04 03 2020 23 实际振荡频率必定略高于f0 因为要使L C3支路呈感性 接入C3使三极管输出端 C E 与回路的耦合减弱 三极管等效负载阻抗减小 放大器放大倍数下降 振荡器输出幅度减小 C3越小 放大倍数越小 如C3过小则振荡器不满足振幅起振条件而停振 原理电路 交流通路 C3 C1 C3 C2 04 03 2020 24 2 3石英晶体振荡器 主要要求 了解石英谐振器的结构和特性 掌握典型石英晶体振荡器的组成 工作原理和性能特点 04 03 2020 25 频率稳定 1 频率稳定度 指在规定时间内 规定的温度 湿度 电源电压等变化范围内 振荡频率的相对变化量 频率的绝对偏差 又称绝对频率准确度为 频率稳定度表示为 f指实际频率 f0指标称频率 测量时 f要取多次测量结果的最大值 04 03 2020 26 按照所规定时间的不同 频率稳定度分为 一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量 主要取决于器件老化 一天之内振荡频率的相对变化量 主要取决于温度 电源电压等外界因素变化 秒或毫秒内振荡频率的相对变化量 由电路内部噪声或突发性干扰引起 04 03 2020 27 中波广播电台发射机的频率稳定度为 电视发射机的频率稳定度为 普通信号发生器的频率稳定度为 标准信号发生器的频率稳定度为 通常 频率稳定度一般指短期频率稳定度 根据用途不同 对振荡器的要求不同 04 03 2020 28 2 3 1石英谐振器及其特性 石英是一种各向异性的结晶体 其化学成分是SiO2 从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片 在晶片的两面涂上银层作为电极 电极上焊出两根引线固定在管脚上 就构成了石英晶体谐振器 晶体的特性与其切割的方位角有关 04 03 2020 29 电极间加电场 电极间加机械力 晶体机械变形 晶体产生电场 压电效应 交变电压 机械振动 交变电流 当交变电压频率 固有频率时 共振 振幅最大 产生的交变电流最大 类似串联谐振 压电谐振 04 03 2020 30 C0是晶片的静态电容 相当于平板电容 即由晶片作介质 镀银电极和支架引线作极板构成 几 十几皮法 Lq Cq rq为晶片振动时的等效动态电感 电容和摩擦损耗 Lq很大 几十 几百mH Cq很小 百分之几pF rq为几 几百欧 石英谐振器Q值很高 且性能很稳定 因此有很高的回路标准性 基频等效电路 含泛音频率的等效电路 04 03 2020 31 fs串联谐振频率 fp并联谐振频率 串联谐振频率 并联谐振频率 通常 所以 石英谐振器只在之间的很窄频率范围内呈感性 且感抗曲线很陡 故当工作于该区域时 具有很强的稳频作用 一般不用电容区 04 03 2020 32 石英谐振器的使用注意事项 2 要有合适的激励电平 过大会影响频率稳定度 振坏晶片 过小会使噪声影响大 输出减小 甚至停振 1 要接一定的负载电容CL 微调 以达标称频率 高频晶体通常CL为30pF或标为 04 03 2020 33 2 3 2石英晶体振荡器 fs f fp 晶体呈感性 晶体作为高Q电感元件与其它元件并联构成振荡所需的并联谐振回路 f fs 晶体工作在串联谐振状态 在振荡器中用作高选择性短路元件 04 03 2020 34 一 并联型晶体振荡器 皮尔斯 Pirece 晶体振荡器 交流通路 C1 C3串联组成CL 调节C3可微调振荡频率 晶体在电路中起电感作用 与电容C1 C3构成并联谐振回路 构成改进型电容三点式LC振荡器 04 03 2020 35 泛音晶体振荡器 L1C1回路电抗曲线 L1C1回路调谐在三次 30MHz 和五次 50MHz 泛音之间 故该回路对五次泛音频率呈容性 使电路构成电容三点式振荡器 而对基频和三次泛音 回路呈感性 使电路不满足振荡的相位条件 不能产生振荡 对七次及以上泛音 电路虽构成电容三点式 但L1C1回路的等效电容太大 不能满足振幅起振条件 也不能产生振荡 04 03 2020 36 二 串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡器 为减小L C1 C2回路对频率稳定性的影响 应将该回路调谐在晶体的串联谐振频率上 作业 04 03 2020 37 本课题小结 正弦波振荡器用于产生一定频率和幅度的正弦波信号 按组成选频网络元件的不同 可分为LC 晶体和RC振荡器三类 按组成原理不同 可分为反馈和负阻振荡器 不过反馈振荡器本质上也是负阻振荡器 反馈式正弦波振荡器是利用选频网络 通过正反馈产生自激振荡的 它的振荡相位平衡条件为 振幅平衡条件为 利用相位条件可确定振荡频率 利用振幅平衡条件可确定振荡幅度 振荡的起振条件为 04 03 2020 38 LC振荡器有变压器反馈式 电感三点式及电容三点式等电路 其振荡频率近似等于LC谐振回路的谐振频率 LC振荡器起振时电路处于小信号工作状态 而振荡处于平衡状态时 电路处于大信号工作状态 它是利用放大器件工作于非线性区来实现稳幅的 称之为内稳幅 石英晶体振荡器是采用石英晶体谐振器构成的振荡器 其振荡频率的准确性和稳定性很高 石英晶体振荡器有并联型和串联型 并联型晶体振荡器中 石英晶体的作用相当于一个高Q电感 串联型晶体振荡器中 石英晶体的作用相当于一个高选择性的短路元件 为了提高晶体振荡器的振荡频率 可采用返音晶体振荡器 LC振荡器中频率稳定度与LC谐振回路参数的稳定性密切相关 也与电路其他元器件参数的稳定性有关 提高频率稳定度的基本措施是 尽量减小外界因素的变化 努力提高谐振回路的标准性 04 03 2020 39 2 4RC正弦波振荡器 主要要求 了解RC正弦波振荡电路的组成和工作原理 04 03 2020 40 2 4 1RC桥式振荡器 输入信号频率低 选频网络可以看作RC高通电路 频率越低 输出电压越小 输入信号频率高 选频网络可以看作RC低通电路 频率越高 输出电压越小 一 RC串并联选频网络 04 03 2020 41 RC串并联网络的电压传输系数 其中 令 幅频特性 相频特性 04 03 2020 42 在 0时 F达最大值 等于1 3 即输出电压是输入电压的1 3 在 0时 相位角 f 0o 即输出电压与输入电压同相位 RC串并联网络具有选频作用 04 03 2020 43 二 RC桥式振荡器 用瞬时极性法判断可知 电路满足相位条件 若 则满足振幅起振条件 利用内稳幅满足振幅平衡条件 04 03 2020 44 采用非线性元件作放大电路的负反馈元件 以实现外稳幅 例如R2采用负温度系数的热敏元件 起振时 使 由于热敏电阻的作用 04 03 2020 45 集成运放桥式振荡器实用电路 R3与所并联的V1 V2组成非线性电阻 它们与R1 RP一起构成负反馈电路 当振荡幅度较小时 流过二极管的电流较小 二极管的等效电阻较大 负反馈较弱 放大器增益较高 利于起振 当振荡幅度增大时 流过二极管的电流增加 其等效电阻逐渐减小 负反馈加强 放大器的增益自动减小 达到自动稳幅的目的 电位器RP用来调节放大器的闭环增益 调节RP使 R2 R3 略大于2R1 则起振后振荡幅度较小 但输出波形较好 调节RP使R2 R3 2R1时 振荡幅度增加 但输出波形失真度增大 04 03 2020 46 思考讨论题 右图的RC桥式振荡器中 已知R1 10k 若发生下列情况 试说明输出电压的变化 1 R1与R2位置互换 解 图中的R2是负温度系数的热敏电阻 R1是固定电阻 为了满足起振条件 R2的冷态电阻取值必须大于2R1 即大于20k 现两者位置互换后 即R1变为负温度系数的热敏性 且冷态电阻大于20k 而R2变为固定电阻10k 这样起振时放大器的放大倍数小于3 振荡器不能振荡 故输出电压为零 04 03 2020 47 思考讨论题 右图的RC桥式振荡器中 已知R1 10k 若发生下列情况 试说明输出电压的变化 2 R2改为43k 固定电阻 解 当R2改用43k 固定电阻后 放大器的放大倍数A 1 R2 R1 1 43 10 5 3 3 因此振荡振幅不断增大 最终使放大器进入非线性限幅区 输出电压变成一方波信号 04 03 2020 48 思考讨论题 右图的RC桥式振荡器中 已知R1 10k 若发生下列情况 试说明输出电压的变化 3 R2改为15k 固定电阻 解 当R2改用15k 固定电阻 此时放大器的放大倍数A 1 R2 R1 1 15 10 2 5 3 振荡器不能振荡 所以输出电压为零 04 03 2020 49 2 4 2RC移相振荡器 反相放大器已有180O相移 需几节RC电路才能满足相位平衡条件 一节RC环节 移相 90 二节RC环节 移相 180 三节RC环节 移相 270 04 03 2020 50 满足相位平衡条件 优点 结构简单 经济方便 缺点 输出频率和幅度均不够稳定 输出波形差 调频不便 当Rf R大于29时 满足振幅起振条件 作业 04 03 2020 51 主要要求 了解负阻