第六章正弦振荡电路.ppt

第六章正弦波振荡器 如何从无到有的产生正弦波 一 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 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 从工作原理来看 根据反馈回路的形式 变压器反馈式 三端型LC RC 晶体 反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现自激振荡的 大多数振荡器以这种原理工作 负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振回路中的损耗电阻 从而使回路能维持等幅的正弦振荡 工作频率可高达几千兆赫 在微波波段使用较多 从构成来看 根据有源器件的不同 晶体管 场效应管 集成电路 压控等等 二 振荡器的种类 6 4反馈的观点看振荡 反馈振荡器是由放大器 选频网络和反馈网络所组成的一个闭环环路 其中反馈网络由无源器件组成 构成反馈式正弦波振荡电路的要素 放大电路的正反馈 从而产生自激振荡 选频网络或者相移网络 以控制振荡频率和波形 放大电路的非线性 以控制振荡幅度 与放大器不一样 反馈振荡器没有外加激励信号 其最初的激励是在接通电源时 电路中存在各种电扰动和热噪声等 这些小扰动的幅度很小 具有很宽的频谱 为了使放大器的输出为一个固定频率的正弦波 则闭环环路必须含有选频网络 通过选频网络从很宽的频谱资源中选出需要的工作频率 而将其余的频率分量抑制掉 因此反馈振荡器还必须有选频网络 一个反馈振荡器要正常的工作 必须满足三个条件 起振条件 平衡条件以及稳定条件 6 5振荡器的起振 平衡与稳定条件 定义环路的增益为 1 起振过程 为了使振荡器的输出振荡电压在接通直流电源后由小增大 则要求反馈电压幅度必须大于输入信号幅度 反馈电压相位必须与放大器输入相位相同 也就是要求是正反馈 即 振幅起振条件 相位起振条件 在起振的开始阶段 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 即可用小信号电路等效模型分析起振条件 2 平衡过程 振荡幅度的增长过程不会一直无止境地进行下去 当反馈信号正好等于输出电压所需的输入电压时 振荡幅度不再增大 电路进入平衡状态 则振荡的平衡条件为 振幅平衡条件 相位平衡条件 巴克豪森准则 BarkhousenCriterien 相位平衡条件是先决的 最本质的条件 3 稳幅过程 内稳幅 靠放大电路中晶体管所固有的非线性特性达到稳定值 小信号 大信号 输出电压从起振到稳定的全过程 稳定平衡状态 干扰因素消失后振荡能自动回到原来的平衡状态 两种可能的平衡状态 不稳定平衡状态 干扰因素消失后越来越偏离原来的平衡状态 6 5 2振荡平衡状态的稳定条件 振幅稳定条件的定义 左图中的B点即为稳定平衡状态 振幅稳定条件 硬激励和软激励的区别 相位稳定条件的定义 环路相位变化对角频率的影响 相位稳定条件 例题 1 反馈型正弦波振荡器起振的振幅条件是 相位条件是 2 反馈型正弦波振荡器的振幅平衡条件是 相位条件是 4 反馈型正弦波振荡器的电路构成 必须有 3 反馈型正弦波振荡器的振幅稳定条件是 相位稳定条件是 小功率振荡器可直接工作在甲 乙 类大功率振荡器多采用丙类振荡电路直接负偏置的丙类电路无法直接起振 采用自偏电路可实现甲类起振 丙类工作 6 6反馈型LC振荡电路 定义 利用LC元件组成选频网络的反馈性振荡电路 6 6 1互感耦合振荡器 采用互感耦合线圈作为反馈网络 依据谐振回路接在晶体管的电极位置可命名为调基 调集 调射电路 6 6 n三端型LC振荡电路 三端型振荡电路 将三个电抗元件分别接在晶体管的三个电极间 产生振荡的基本条件 正反馈 相位平衡 谐振网络 回路谐振时 ic ib ie远远小于谐振电流 则回路总阻抗 三个电抗元件不能同时为电感或电容 需由两种不同性质元件构成 能否起振 什么情况下起振 相位平衡 电压关系 综上 从相位平衡条件判断三端式振荡器能否振荡的原则是 与发射极相连的为同性质电抗元件 不与发射极相连的为异性质电抗元件 射同它异 电容三端式振荡器也称考毕兹 Colpitts 振荡器 电感三端式振荡器 也称哈特莱 Hartley 振荡器 例 图示电路 两个LC并联回路的谐振频率分别是和 请问电路是否能够发生振荡 若能 求振荡频率f0与f1 f2的关系 解 要使电路能够正常振荡 需满足三端式电路的组成原则 由于连接基极与集电极的为电容 故电路只能组成电感三端式振荡器 即L1C1 L2C2回路应呈感性 由于LC并联回路谐振频率大于工作频率时 回路呈感性 即应满足 例 试用相位条件的判断准则 判明图示的LC振荡器交流等效电路 哪个可以振荡 哪个不可以振荡 或在什么条件下才能振荡 例 试判断该电路是否能振荡 若可以振荡 说明其振荡条件 若不能 改正之 一 三端式电容振荡电路 考毕兹电路 1 分析其谐振特性 求解谐振频率 2 分析其反馈特性 判断是否能发生正反馈 满足 射同它反 可以起振 3 求解反馈系数 定义反馈系数F 事实上 在起振过程 由于放大器工作在甲类 可以将三极管使用小信号模型做出等效 h参数 y参数 此时可分析振荡器产生和维持振荡的其他参数 部分接入方式化简电路 计算增益A 则AF 1 二 三端式电感振荡电路 哈特莱电路 类似于电容三端式振荡器的分析方法 有 振荡频率为 反馈系数为 若M 0 和三端式电容振荡器类似 电感振荡器也可用小信号等效进行晶体管参数的分析 部分接入方式化简电路 求解放大器增益A AF 1 三端电感振荡电路优点 容易通过调节电容改变振荡频率 调节时不影响反馈系数 三端电感振荡电路缺点 输出端和反馈端均为电感 对高次谐波阻抗大 振荡波形不太好电感上的分布电容和晶体管的极间电容影响环路增益 电路的振荡频率不能过高 三端电容振荡电路优点 输入和反馈端是电容 对高次谐波电抗小 振荡波形好只要减小电容就能提高振荡频率 若不外加电容 仅利用晶体管的极间电容作回路电容 则振荡频率可高达几百兆赫 甚至上千兆赫 三端电容振荡电路缺点 改变频率不方便 调节C1C2时影响反馈系数 适用于作为固定频率的振荡器三极管结电容影响振荡频率 三 改进型电容三端式振荡器 由于晶体管的输入 输出电容与电容三端式振荡器和电感三端式振荡器的回路并联 影响回路的等效电抗元件参数 而晶体管的输入 输出电容受环境温度 电源电压等因素的影响较大 所以上述两种振荡器的频率稳定度不高 一般在10 3数量级 为了提高频率稳定度 需要对电路作改进以减少晶体管输入 输出电容对回路的影响 可以采用削弱晶体管与回路之间耦合的方法 在电容三端式振荡器的基础上 得到两种改进型电容反馈式振荡器 克拉泼 Clapp 振荡器和西勒 Siler 振荡器 减小三极管极间电容的影响 1 克拉泼振荡器 各电容值取值规定如下 C3 C1 C3 C2 这样可使电路的振荡频率近似只与C3 L有关 a 实用电路 b 交流等效电路 由图 b 可得谐振回路的总电容为 则振荡频率为 由此可见 C1 C2对振荡频率的影响显著减少 那么与之并联的晶体管的输入 输出电容的影响也就减小了 2 西勒振荡器 a 实用电路 b 交流等效电路 西勒振荡器是在克拉泼振荡器的基础上 在电感L两端并联了一个小电容C4 且满足C1 C2远大于C3 C1 C2远大于C4 由图 b 可得谐振回路的总电容为 振荡器的振荡频率为 西勒振荡器与克拉泼振荡器一样 晶体管与回路的耦合较弱 频率稳定度高 由于C4与电感L是并联的 通过调整C4只改变频率 不会改变晶体管与回路的接入系数 所以波段内输出幅度较平稳 因此 西勒振荡器可用作波段振荡器 例 如图所示的电路 分析该电路的工作原理 画出交流等效电路 并求振荡频率 解 该电路采用负电源供电 以及Lc2构成直流电源滤波 Rb1 Rb2 Re为晶体管的直流偏置电路 Lc1为高频扼流圈 其一方面阻止交流信号到地 另一方面给晶体管提供直流通路 Cb为基极的高频旁路电容 使该晶体管的基极交流接地 该电路的交流等效电路如图所示 其构成了电容三端式振荡器 该电路的回路总电容为 该电路的振荡频率为 例 振荡器的振荡频率应低于L1和C1支路的串联谐振频率 此时 该支路呈容性 整个回路满足电容三端的相位条件 振荡器的振荡频率 总结 1 反馈式正弦波振荡电路的各种 条件 起振过程 起振条件 平衡过程 平衡条件 稳幅过程 稳定条件 LC正弦波振荡电路的各种要点 自偏电路 甲类起振丙类工作三端式LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用射同它反 近似振荡频率 总结 2 三端式LC正弦波振荡电路三端式电感 电容电路三端式电容电路的两种改进型电路能否起振 何时起振 分析谐振 谐振频率 6 7正弦波振荡器的频率稳定问题 频率稳定度 频率稳定度绝对频率稳定度 f fH f0或f0 fL相对频率稳定度 f f0常用振荡器的频率稳定度LC振荡器 10 2 10 4RC振荡器 10 2 10 3石英晶体振荡器 10 5 10 6 若采取恒温措施 可达10 7 10 9 6 7正弦波振荡器的频率稳定问题 造成频率不稳定的因素 LC值变化对频率稳定度的影响 L和C主要受温度的影响 温度对电感和电容值的影响程度往往用温度系数来衡量 温度系数是指温度变化1oC时电感量或电容量的相对变化量 电感的温度系数一般为正 根据介质材料不同 电容的温度系数可正可负 回路电阻r影响振荡频率有源器件的参数 6 7正弦波振荡器的频率稳定问题 提高频率稳定度的措施 减少温度的影响 恒温 选择温度系数小的元件稳定电源电压 选择稳定性好的电源 单独供电减少负载的影响采取屏蔽措施提高振荡电路标准性 减少结电容 分布参数等晶体管与回路间采取松耦合 克拉泼 西勒电路提高回路品质因数 6 8石英晶体振荡电路 石英晶体 正压电效应 施加压力或拉力 晶体表面产生电荷反压电效应 给晶体加电 晶体产生内部应力 石英晶体的谐振 基音及奇次泛音 石英谐振器的Q值一般为104 106 LC最高300左右 等效电路和阻抗特性 石英谐振器的符号 等效电路及基音等效电路 石英晶体振荡器电路 由石英谐振器 石英晶体振子 构成的振荡电路通常叫 晶振电路 并联型晶体振荡电路 工作在晶体并联谐振频率附近 晶体等效为电感 串联型晶体振荡电路 工作在晶体串联谐振频率附近 晶体近于短路 1 皮尔斯 BC型 电路电路由晶体与外接电容器或线圈构成并联谐振回路 按三端线路的连接原则组成振荡器 晶体等效为 理论上可以构成三种类型基本电路 但在实际应用中常用的是图所示的电路 称 皮尔斯 电路 BC型 这种电路不需外接线圈 而且频率稳定度较高 图4 25并联晶体振荡器原理电路图 6 8 1并联型晶体振荡电路 并联型晶体振荡电路 2 密勒 BE型 电路 密勒电路中 石英晶体接在输入阻抗较低的BE极间 频率稳定性较差 所以多采用场效应管晶体振荡电路 6 8 2串联型晶体振荡电路 串联型晶体振荡电路即是把石英谐振器作为短路线应用 6 8 3泛音晶体振荡电路 使用泛音振荡器的原因 解决基频频率高与晶体厚度薄的矛盾 例 如图所示的晶体振荡器 1 画出交流等效电路 说明晶体在电路中的作用 2 若将标称频率为5MHz的晶体换成标称频率为3MHz的晶体 该电路能否正常工作 为什么 解 该电路的交流等效电路如图所示 是属于并联型晶体振荡器 晶体相当于电感的作用 由330pF电容与4 7 H电感构成的并联回路 其谐振频率为 则当晶体的标称频率为5MHz时 330pF电容与4 7 H电感构成的并联回路呈现容性 其满足三端式振荡电路