通信电子线路第3章振荡器.ppt

第三章 振荡器 内容提要 内容提要 振荡器可不需要外来激励信号 而是自身直接将直流电能转换为交流电能 按照所产生波形的特点不同 可分为正弦波振荡和张弛振荡 按照电能转换原理的不同 可分为反馈型振荡电路和负阻型振荡电路 反馈型振荡电路实质上是具有正反馈的放大器 负阻型振荡器利用器件伏安特性曲线的某一段具有负斜率 显现为负的微变电阻 配合外部储能电路构成的 从广义上来说 所有振荡器都可看成负阻型振荡器 反馈型正弦振荡电路的结构框图 第一节 反馈型正弦振荡电路的工作原理 放大器产生自激振荡的条件 正反馈 反馈型振荡器的方框图与电子电路基础中的负反馈放大器框图的两点区别 图中只是为了方便而将A与B分开来画 在实际振荡电路中反馈网络往往成为放大器负载的一部分 只能人为地将二者分割 由于没有外来信号 振荡电路中放大环节输入 输出信号的认定也不是惟一的 因此不能将晶体管振荡电路分为共射 共基 共集三种组态 反馈型正弦振荡电路中的选频网络 第一节 反馈型正弦振荡电路的工作原理 作为正弦波振荡器 为了使振荡输出单一频率 只允许一个频率满足 因此 正弦波振荡器电路中必须有选频网络 此外 当电子器件的动态运用范围扩大时 选频网络可以滤除由于器件工作进入非线性区所产生的谐波 根据构成选频网络的元件不同 可将振荡电路分为LC正弦波振荡器和RC正弦波振荡器 LC振荡器的振荡频率接近于LC谐振回路的谐振频率 LC振荡器不适宜工作于低频 变压器耦合反馈式LC正弦波振荡器 一 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 电路结构说明与反馈的极性判别 第一种振荡建立过程简述 较小的宽频扰动 且静态时有 该电路满足形成自生反偏压的三个条件 将在偏置电阻上形成自生反偏压 可通过设法去除正反馈前 后 测量器件偏压的变化来判别是否起振 变压器耦合反馈式LC正弦波振荡器 二 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 第二种振荡建立过程简述 较大的宽频扰动 且静态时有 第二种振荡建立过程又称为硬激励 在实际应用中应尽量避免 第一种振荡建立过程又称为软激励 可进一步分为两种实际情况 时 振荡器的幅度有随机性 且随着时间或温度变化时电路会停振 时 振荡器的工作范围将随着幅度的增长进入非线性区 并保持幅度稳定 变压器耦合反馈式LC正弦波振荡器 三 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 反馈型正弦波振荡器的起振条件 反馈型正弦波振荡器的平衡条件 振幅平衡条件的物理意义是反馈信号的幅度刚好等于放大器所需输入信号的幅度 注意 同一电路按静止状态下用小信号交流等效电路计算起振条件时的放大倍数与按器件工作进入强非线性区工作对基波等效计算平衡条件的放大倍数会有很大不同 变压器耦合反馈式LC正弦波振荡器 四 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 振荡频率取决于相位平衡条件 可据此进行严格计算 但在手工计算时 这是一个十分困难的问题 在工程估算时 暂不考虑器件输入 输出阻抗的影响 并在振荡频率比器件特征频率低得多的情况下 忽略器件内部相移 从而可将谐振回路的谐振频率近似看作为振荡频率 在实际中 欲达到预定的振荡频率时 可通过实验调整回路元件的值 变压器耦合反馈式LC正弦波振荡器 五 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 是刚好能起振的极限条件 为使振荡可靠 环反馈系数必须留有余量 其大小视所需振幅值和器件工作的导通角而定 因此 按甲类工作状态计算起振的极限条件 即没有多大实用价值 一个推荐的经验数据为在之间选取开路 视器件输入端开路 反馈系数 在实验调整时可根据振幅和波形失真大小改变反馈系数 一般来说 增大值振幅会增大 随之发生的是器件进入强非线性区工作的时间变长 波形失真也增大 要增大振幅 减小 要减小失真 加大 三点式LC正弦波振荡电路 电感三点式 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 反馈电路由电感组成 又称为电感分压式 习惯上称作 哈特莱 Hartely 振荡器 振荡频率等于谐振回路的谐振频率 若以接地点为参考点 则与同相 与反相 根据共射放大电路的输入输出相位关系 可得出反馈为正的结论 三点式LC正弦波振荡电路 电感三点式 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 为正反馈 A B 三点式LC正弦波振荡电路 电容三点式 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 反馈电路由电容组成 又称为电容分压式 习惯上称作 考皮兹 Copitts 振荡器 振荡频率等于谐振回路的谐振频率 由于流过两个电容的电流基本相同 则与同相 根据共基极放大电路的输出输出相位关系 可得出反馈为正的结论 三点式LC正弦波振荡电路 电容三点式 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 为正反馈 A B 三点式LC正弦波振荡电路 起振条件 第二节 反馈型LC正弦波振荡器 和符号相同 和 符号相反 许多变形的三点式LC振荡电路中 和往往不一定是单一的电抗元件 而是由不同符号的电抗元件组成的 但是 多个不同符号的电抗元件构成的复杂电路 在频率一定时 可以等效为一电感或电容 从而可据此进行起振所需的相位判别 例题3 2 1 综述 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 根据应用场合的不同 对振荡器的振幅稳定性和频率稳定性的要求也不同 振幅稳定性标准往往用振幅变化的百分比来说明 其表达式为 有些情况下振幅稳定性用分贝值来表示 其计算式为 绝对频率稳定度 相对频率稳定度 振幅稳定度仅在短期内有较高要求 频率稳定度在所有时间内均有较高要求 振幅稳定的条件 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 振幅会增大 振幅会衰减 振幅不变 欲使振荡器的振幅在发生某种变化时能自动趋于稳定 电路的环反馈系数应具有下述特性 振幅变化使AB值随之发生变化 AB变化再次造成的振幅变化应与原振幅变化相反 即 提高振幅稳定度的一般考虑 一 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 为了满足振幅稳定条件 器件应工作于非线性区 只要在设计时使器件在静止状态下AB 1 便可自动进入非线性区工作 收到自动稳幅的效果 所设计的AB越大 器件进入非线性区的程度愈甚 稳幅效果越好 伴随而来的缺点是波形失真增大 由于当晶体管进入饱和区工作时集电结处于正向导通状态 呈现低阻抗而产生限幅作用 使得接于集电极的LC谐振回路不能很好地起滤波作用 因此应避免振荡器中的晶体管进入饱和区工作 不宜将晶体管的静态工作点选得过高 电路中能产生自偏压 也有助于避免晶体管进入饱和区 提高振幅稳定度的一般考虑 二 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 在振荡电路中采用自生反偏压可以收到的效果 且自生反偏压将随着信号幅度的增大而增大 需要注意选择自偏电路的时间常数 若时间常数太小 建立不起稳定的偏压 必须使自偏电路的时间常数大于振荡周期的倍 但若自偏电路的时间常数太大 则会出现间歇振荡 提高振幅稳定度的一般考虑 三 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 LC振荡器静止状态的小信号AB值大于1时 可以保证振幅的稳定 当小信号的AB值大于1越多时 稳定情况下器件的导通角越小 但此时波形失真较大 故在实际应用时 可根据对振幅稳定和波形的要求折中地选择AB的值 当要求波形较好时 应适当放宽对幅度稳定的要求 选用较小的AB值 实验指出 当AB的值很大时 正反馈十分强烈 电路起振后增幅极快 自生反偏压也迅速增大 容易满足间歇振荡条件 在这种情况下 适当减小AB值 可以消除或防止间歇振荡 频率稳定的条件 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 当满足相位平衡条件 即时 振荡的频率就稳定下来 电路的相位特性应满足这样的条件 由某一频率变化所引起的相位变化 环路增益相移的变化与角频率的变化符号必须相反 才能使频率趋于稳定 即 上述偏导数的绝对值越大 频率稳定性越好 当时 振荡频率将发生变化 提高频率稳定度的一般考虑 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 仅考虑谐振回路的相移即可 越接近 在附近的的绝对值越大 值越高 在附近的的绝对值越大 结论 谐振回路的相移特性满足频率稳定条件 若由于谐振回路以外的其它因素导致振荡频率不稳定 则可依靠谐振回路的相移达到新的相位平衡点 在新频率下工作 振幅与频率不稳定的原因及稳定方法 一 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 供电 对那些要求有较高特性指标的振荡器 应采用稳压电源 器件 应该选用远比振荡频率高 且小的管子 另外 晶体管还可采用部分接入法和谐振回路连接 元件 可选用温度系数小的元件 或选用正 负两种温度系数的元件以进行相互补偿 振幅与频率不稳定的原因及稳定方法 二 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 安装工艺 谐振回路和晶体管之间的接线要短而牢固 应进行适当的屏蔽 主振部分应尽可能远离发热的元器件 可以采取防振措施以防止机械振动的影响 负载 可在负载和主振级之间加缓冲级 为使缓冲级最大限度地起到缓冲作用 缓冲级从主振级所吸取的功率应尽可能小 放大级应工作于甲类 共射电路是作为缓冲级电路优先考虑的电路形式 可以部分接入方式提高缓冲级对谐振回路的等效引入阻抗 振幅与频率不稳定的原因及稳定方法 三 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 器件和谐振回路的耦合 克拉泼 Clapp 电路 的接入使器件和谐振回路的连接方式为部分接入 可通过改变的容量来调节振荡频率 不适宜作为波段振荡器 西勒 Seiler 电路 可通过改变的容量来调节振荡频率 在振荡频率改变时 幅度较稳定 振幅与频率不稳定的原因及稳定方法 四 第三节 振荡器的振幅和频率的稳定 相位补偿 可在谐振回路和器件输入电极相连接的反馈通道中接入一个适当的电抗元件来对消原反馈电路的相移 自动稳幅电路 框图结构及工作原理说明 综述 第四节 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器用石英晶体作为一个谐振回路元件接入振荡电路中 其之所以有很高的频率稳定度 是因为石英晶体参数的稳定性很高 且等效Q值很高 其数值可达几千以上 两类晶体振荡器电路 石英晶体作为一个高Q电感元件 和回路中的其他元件形成并联谐振 成为并联型晶体振荡器 石英晶体作为一个正反馈通路元件 这种电路中的石英晶体工作于其串联谐振频率 称为串联型晶体振荡器 并联型晶体振荡器电路 第四节 石英晶体振荡器 可由直流供电电路入手得到其交流通路 当石英晶体工作于感性区 且其感抗大于电容所呈现的容抗时 电路便满足自激所需的相位条件 振荡频率等于晶体等效电感与 及串联值的谐振频率 并联型石英晶体振荡器中令石英晶体工作于感性区 这样才能保证振荡由其控制 泛音晶体振荡器电路 第四节 石英晶体振荡器 工作于机械谐波频率的晶体称作泛音晶体 如何保证电路工作于指定的谐波而不工作于基波或其他谐波是泛音晶体振荡器的特殊问题 如果将电路调节得在指定谐波频率的环路增益AB值稍大于1时 就可以保证对较高次的谐波不满足自激所需的振幅条件 可采用下图所示电路来抑制基波振荡 第四节 石英晶体振荡器 画出图 a 的交流通路如图 b 所示 要使输出振荡频率为100M1z 必须使石英晶体上作在5次泛音的感性电抗区 并使得由L和C2组成的谐振回路在振荡频率100Mh时呈容性电抗 而在3次泛音和基波频率呈现感抗 将L和C2组成的谐振回路的谐振频率选得高于3次泛音频率 60MN 且低于5次泛音频率 100MHz 泛音晶体振荡器电路 第四节 石英晶体振荡器 泛音晶体振荡器电路 串联型晶体振荡器电路 第四节 石英晶体振荡器 略去直流供电元件后可得交流等效电路 石英晶体和电路的反馈信号源 反馈信号的负载构成串联电路 此即串联型晶体振荡电路的得名原因 石英晶体工作于其感性区 在振荡频率处几乎相当于短路 在实际应用中可能会不接C4 而在石英晶体两端并联一个电感 小结 1 振荡器的分类 按产生的波形分 正弦波振荡器和张弛振荡器 按组成选频电路的元件分 LC振荡器和RC振荡器 按产生原理分 反馈型和负阻型 2 自激振荡原理 自激振荡原理的阐述可以有多种方式 常见有以下三种方式 从放大器加有正反馈时 放大器的输入信号与反馈信号的关系人手 从负微变电阻和振荡电路的正电阻关系入手 从求微分方程的解入手 小结 小结 一般来说 对一个振荡 可以从起振 平衡 稳定三个方面探求其成立的条件 1 起振条件 振幅条件AB 1 相位条件 AB 2n 2 平衙条件 AB 1 AB 2n 3 稳定条件 3 起振条件 振荡幅度和振荡频率的计算 并非对所有振荡电路的上述三个指标都必须进行精确的汁算 可以根据实际需要和可行性 采取不同的对策 振荡器的振荡频率 都可在忽略器件极间电容影响的情况下 进行工程估算 对正弦波振荡器 一般由选频电路参数确定 小结 关于起振条件 对LC正弦波振荡器 因为最终电路工作在强非线性区 其小信号情况的计算公式不仅烦琐 而且计算结果没有多少实用价值 振荡幅度的计算对正弦波振荡是十分棘手的问题 由振幅稳定得知 这是一个非线性问题 一般通过实验调整确定 小结 4 振荡电路的若干问题 1 直流供电和交流通路之间的矛盾 通常利用电感 电容这两类电抗元件对交 直流电呈现阻抗不同将二者分流 和放大电路中处理这个问题的方法相同 小结 2 判别反馈式LC正弦波振荡电路能否满足起振所需相位条件 对变压器反馈式电路可将其当做一个反馈放大器 考察变压器的同名端 看反馈是正还是负 而不管谐振电路接在哪两个电极之间 对三点式电路 则根据每两个电极之间电抗符号的关系 Xce与Xbe同号 Xcb与Xce Xbe反号 当电极之间有两个或两个以上电抗