高频电子线路正弦波振荡器.ppt

放大器 晶体管混II型等效电路 发射装置 接收装置 发射装置 接收装置 第4章正弦波振荡器 概念 能量角度 一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的振荡信号能量的转换电路 与功放比较 从能量角度 振荡器概述 功率放大器 被动能量转换 需输入信号控制 振荡器 自动能量转换 无需输入信号控制 自激振荡 按工作原理分类 反馈型振荡器 重点介绍 负阻型振荡器 按波形分类 正弦波振荡器 正弦波 重点介绍 非正弦波振荡器 矩形波 三角波 锯齿波等 振荡器晶体振荡器 振荡器 正弦波振荡器构成 谐振放大器 含选频网络 决定振荡频率正反馈网络 产生自激振荡 产生高频正弦波 重点介绍 产生低频正弦波 正弦波振荡器分类 依据选频网络 正弦波振荡器应用 发射机中的载波振荡器 接收机的本地振荡器 不同类型振荡器的频段 4 1反馈振荡器的原理 重点 4 2LC振荡器 重点 4 3频率稳定度4 4LC振荡器的设计考虑4 5石英晶体振荡器 重点 4 6振荡器中的几种现象 自学 4 7RC振荡器 自学 4 8负阻振荡器 自学 本章主要内容 4 1反馈振荡器的原理 4 1 1反馈振荡器的原理分析 调谐放大器 无源线性网络 与Us s 同相正反馈自激振荡 基本思想 正反馈方法来获得等幅的正弦振荡 自激振荡 构成 放大器和反馈网络组成的一个闭合环路 电冲击或热噪声频谱分量很宽 存在很小的电冲击或热噪声 定性分析 时域 上电瞬间 上电后 电冲击或热噪声消失 新输出 上电一段时间后 新输出 幅度建立 频率确定 由放大器的选频网络建立有用频率分量幅度 单调谐放大器 起振 平衡 其中 原理分析 S域和频域 闭环电压放大倍数 放大器增益 反馈系数 环路增益 S域 环路增益为1 形成增幅振荡 形成减幅振荡 频域 时 振荡器平衡条件 等幅振荡 T j 具体形式 谐振回路阻抗ZL 晶体管的正向转移导纳Yf j 晶体管 谐振回路 反馈网络 放大器增益 与F j 反号的反馈系数 单调谐放大器 环路增益 Yf 晶体管正向转移导纳的模 与晶体管参数 输入信号有关 L 振荡回路相移 与输入信号频率有关 f 晶体管相移 与晶体管参数 输入信号有关 F 反号反馈系数的模 一般不随输入信号变化 线性 F 反馈网络相移 一般不随输入信号变化 线性 RL 谐振回路阻抗的模 与输入信号频率有关 单调谐放大器 4 1 2起振条件 1 起振过程分析 刚通电 电路中存在很宽的频谱的电的扰动 幅值很小 1 谐振回路的选频功能 从扰动中选出 osc分量 osc 0 2 放大器工作在线性放大区 T j osc 1 形成增幅振荡 单调谐放大器 T j osc 0 相移为零 通电后 起振状态 振荡器产生确定频率 相位 振幅不断增长的正弦波信号 3 忽略晶体管内部相移 f 0回路谐振 L 0 F 0 2 起振条件 起振的相位条件正反馈条件 起振的振幅条件 起振的相位条件 单调谐放大器 起振的振幅条件 表示一 表示二 4 1 3平衡条件 1 平衡过程分析 1 随输入信号振幅增加 放大器由放大区进入饱和区和截止区 放大器增益 K j osc 下降 2 环路增益T j osc 下降 T j osc 1时 等幅振荡 振荡器达到平衡状态 单调谐放大器 通电一段时间后 3 忽略晶体管内部相移 f 0回路谐振 L 0 F 0 T j osc 0 相移为零 平衡状态 振荡器产生确定频率 相位 振幅的正弦波信号 振幅平衡条件 相位平衡条件 决定振荡幅度 决定振荡频率 在回路谐振频率附近 平衡时的能量转换 电源供给的能量正好抵消环路损耗的能量输出幅度不再变化 相位平衡条件 2 平衡条件 单调谐放大器 振幅平衡条件 表示一 表示二 起振过程 平衡状态 平衡状态 起振过程 输出波形 振幅起振 平衡条件的图解表示 4 1 4稳定条件 1 平衡状态稳定分析 外部 电源电压 温度 湿度的变化 引起管子和回路参数的变化 内部 存在固有噪声 起振时的原始输入电压 进入平衡后与输入电压叠加引起波动 1 振荡电路中存在干扰 单调谐放大器 通过放大和反馈的反复循环 振荡器远离原平衡状态 导致停振或突变到新的平衡状态 原平衡状态不稳定 干扰造成T osc 和 T osc 变化 破坏平衡条件 振荡器有回到平衡状态的趋势 在原平衡点附近建立新的平衡状态 当干扰消失后 能回到原平衡状态 原平衡状态稳定 单调谐放大器 2 平衡状态稳定性分析 振幅 频率 相位发生变化 振幅 频率 相位不变 1 振幅稳定过程 原平衡态 外界干扰后 2 振幅稳定条件 消除干扰后 新的平衡态 原平衡态 放大器的非线性 放大器的非线性 单调谐放大器 反馈网络为线性网络时 2 振幅稳定条件 单调谐放大器 由平衡态时放大器的非线性实现 正弦信号相位 和频率 的关系 3 相位 频率 稳定条件 振荡器的角频率 增大导致相位 不断超前相位 的不断超前表明角频率 增大 相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事 1 相位 频率 稳定过程 原平衡态 外界干扰后 下降 振荡回路相频特性 外界干扰消失后 升高 下降 达到新的平衡 相位滞后相位 降低 升高 振荡回路相频特性 升高 回到原平衡 0 0 相位超前相位 单调谐放大器 2 相位 频率 稳定条件 Q值越大 值越大 其相位稳定性越好 单调谐放大器 由振荡回路相频特性实现 自激振荡形成过程 起振条件 电的扰动 选出f0 增幅振荡 等幅振荡平衡状态 外界因素影响 新的平衡态 外界因素消除 放大器线性区 谐振回路 放大器饱和 截止区 稳定条件 起振条件 保证接通电源后能逐步建立起振荡平衡条件 保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态稳定条件 保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏 平衡条件 4 1 5振荡线路举例 互感耦合振荡器 晶体管 电抗元件X1 X2 X3 4 2LC振荡器 1 三端式振荡器的组成 交流通路 放大器 LC正弦波振荡器 采用LC谐振回路作为相移网络的振荡器 种类 变压器耦合振荡电路 三端式振荡电路 属反馈型振荡器 4 2 1振荡器的组成原则 选频网络反馈网络 因谐振时 不考虑晶体管相移 f 应有 F 0 振荡频率上回路谐振 回路Q值很高 b c e 能否振荡的原则 射同余异原则 X1 X2应为同性质的电抗元件X3与X1 X2电抗性质相反 2 三端式振荡器组成原则 正反馈相位平衡条件 电感反馈振荡器 哈特莱 Hartley 振荡器 3 三端式振荡器两种基本电路 电容反馈振荡器 考必兹 Colpitts 振荡器 反馈网络是由电容元件完成 反馈网络是由电感元件完成 4 常见振荡器的高频电路 实际电路 4 2 2电容反馈振荡器 交流等效电路 耦合电容 旁路电容 扼流圈 对高频振荡信号 旁路电容 耦合电容 近似为短路高频扼流圈 近似为开路 也可用R代替 但将引入损耗 使回路有载Q值下降 所以R值不能过小 电容反馈振荡器分析 由组成原则保证 平衡时 晶体管非线性特性保证 起振时 线性区 由晶体管小信号Y参数等效电路分析 起振时 线性区 由晶体管小信号Y参数等效电路和相位条件求解 平衡时 非线性区 通过实验确定 振荡器高频等效电路 晶体管Y参数等效电路 由相位平衡条件 约等于回路的谐振频率 T jw 的虚部为零 得 振荡频率 反馈系数 放大器总的负载电导gL为 则由振幅起振条件YfRLF 1 得 将gie折算到放大器输出端 有 振幅起振条件 YfRLF 1 实际电路 4 2 3电感反馈振荡器 交流等效电路 高频等效电路 回路总电感 由相位平衡条件 得振荡器的振荡频率 约等于回路的谐振频率 工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响 反馈系数的大小 由振幅起振条件分析 同样可得起振时的gm应满足 共同缺点 晶体管输入输出电容影响回路的等效电抗元件参数 从而影响振荡频率 两种振荡器频率稳定度不高 特点分析 共同优点 线路简单 容易起振 克拉泼振荡器 4 2 4两种改进型电容反馈振荡器 1 克拉泼振荡器 改进目的 提高频率稳定度 增大工作频带宽度 交流等效电路 改进方法 在L上串联一可变电容 减弱级间电容对回路总电容的影响 提高频率稳定度 回路总电容 优点 3决定振荡频率 极间电容影响小 频率稳定度提高缺点 3改变时 负载电阻RL也随之变化 放大器增益也将变化 太小将影响振荡器的起振 适用于固定频率或波段较窄的场合 晶体管接入系数 等效到ce两端的负载电阻 振荡频率 反馈系数 2 西勒振荡器 克拉泼振荡器 西勒振荡器 改进方法 在L上并联一可变电容C4 用来改变振荡器的工作波段 C3起频率微调 交流等效电路 回路的总电容 振荡频率 优点 C3 C4决定振荡频率 极间电容影响小 频率稳定度提高改变 4改变振荡频率 不影响接入系数p 负载电阻RL不变 放大器增益不变 不影响起振 适用于较宽波段工作 晶体管接入系数 等效到ce两端的负载电阻 反馈系数 各种LC振荡器比较 4 2 5场效应管振荡器 4 3频率稳定度 1 意义 由于外界条件的变化 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度 振荡器的一个很重要的指标 4 3 1频率稳定度的意义和表征 2 表征 绝对频差 相对频差 实际工作频率 标称频率 常用的是相对频率差 简称频率稳定度 相对频率差越小 频率稳定度越高 3 种类 按经过的时间的长短不同 频稳度可分为 长期频稳度 一天以上乃至几个月内频率相对变化量 因元器件老化而引起 短期频稳度 一天内频率相对变化量 因温度 电源电压等外界因素变化而引起 瞬时频稳度 秒或毫秒时间间隔频率相对变化量 电路内部噪声引起 中波广播电台发射机 2 10 5 日 电视发射台 5 10 7 日 频率稳定度用10的负数次方表示 一般LC振荡器 10 3 10 4 日 克拉泼和西勒振荡器 10 4 10 5 日 提高回路电感和电容的标准性 4 3 3提高频率稳定度的措施 1 提高振荡回路的标准性 措施 1 采用温度系数较小的电感和电容 2 用负温度系数的电容补偿正温度系数的电感的变化 3 将振荡器放在恒温槽中 主要影响因素 温度 温度的改变 导致电感 电容值改变 2 提高回路的品质因数 Q值越大 值越大 其相位稳定性越好 影响因素 极间电容 3 减少晶体管的影响 措施 1 尽可能减少晶体管和回路之间的耦合 2 择fT较高的晶体管 fT越高 晶体管内部相移越小fT越高 高频性能越好 可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导 电路易于起振 电源电压的波动 会使晶体管的工作点发生变化 从而改变晶体管的参数 降低频率稳定度 措施 振荡器电源应采取必要的稳压措施 4 减少电源 负载等的影响 1 电源 负载并联在回路的两端 降低回路的品质因数 从而使振荡器的频率稳定度下降 措施 减小负载对回路的耦合 2 负载电阻 5 其他措施 远离热源 屏蔽磁场 1 短波范围 电感反馈振荡器 电容反馈振荡器 2 波段较宽的信号产生器中 电感反馈振荡器 3 频率稳定度较高 波段不很宽时 克拉泼 西勒振荡器 4 短波 超短波通信设备中 电容反馈振荡器 5 中 短波收音机中 为简化电路常用变压器反馈振荡器 4 4LC振荡器的设计考虑 1 振荡器电路选择 主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择 LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围 中波 超短波 用得较多 1 选择fT较高的晶体管fT 3 10 f1max晶体管内部相移较小 频率稳定度提高电流放大系数 大 容易振荡 2 晶体管的额定功率应有足够的余量 2 晶体管选择 从稳频角度考虑 1 为保证振荡器振幅起振条件 起始工作点应设置在线性放大区 2 从稳频出发 稳定状态应在截止区 而不应在饱和区 否则回路的有载品质因数QL将降低 3 直流馈电线路的选择 通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区 电路应采用自偏压 对小功率晶体管 静态电流1 4mA 从稳频出发 振荡回路中电容C应尽可能大 但C过大 不利于波段工作电感L也应尽可能大 但L大后 体积大 分布电容大在短波范围 C 一般取几十至几百皮法L 一般取0 1至几十微亨 4 振荡回路元件选择 静态工作点确定后 Yf的值就一定 对于小功率晶体管可以近似为 为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振 在静态工作点通常应选择 反馈系数的大小应在下列范围选择 5 反馈回路元件选择 LC振荡器存在的问题 而对于LC振荡器 尽管采用各种稳频措施 但理论分析和实践都表明 其频率稳定度一般只能达到10 5 原因主要是LC回路的Q值不能做的很高 近代科学技术的发展对正弦波振荡器的稳定度要求愈来愈高 例如 作为频率标准的振荡器的频率稳定度要求达到10 8以上 解决办法 石英晶体振荡器的频率稳定度可达到10 10 10 11数量级 所以得到极为广泛的应用 基频上的等效电路 串并联的振荡回路 C0 pF FLq 10 3H 102HCq 10 4pF 10 1pFrq 几十欧到几百欧 阻抗的一般表示式 4 5石英晶体振荡器 石英晶体谐振器知识回顾 石英晶体振荡器 以石英晶体谐振器作为滤波元件构成的正弦波振荡器 串联谐振频率 并联谐振频率 电抗特性曲线 忽略rq 工作于fq f0之间为高Q电感工作于fq附近相当于短路 品质因数 很大 接入系数 很小 石英晶体谐振器优良的特性 1 并联谐振阻抗高 2 与有源器件的接入系数p很小 10 3 10 4 3 有非常高的Q值104 106 4 有很高的标准性 fq和f0非常稳定 4 5 1石英晶体振荡器频率稳定度 电感 电容反馈振荡器频率稳定度10 3改进型电容反馈振荡器频率稳定度10 4采用各种稳频措施后 LC振荡器频率稳定度10 5石英晶体振荡器有很高的频率稳定度10 5稳频措施后 石英晶体振荡器频率稳定度可达到10 10 10 11 4 5 2晶体振荡器电路 1 并联型晶体振荡器 1 皮尔斯 Pierce 振荡器 晶体呈感性 晶体呈现大的电感特性 满足三端式振荡器的组成原则 且与电容反馈振荡器对应 振荡频率 CL和晶体等效电路构成的回路的谐振频率 晶体 负载电容CL 晶体管 等效接入系数 振荡频率 在振荡频率上 晶体谐振器接负载电容后的并联谐振频率 晶体 负载电容 在振荡频率上 反馈系数 晶体 负载电容CL 石英晶体谐振器两端并接某一规定负载电容 L时 晶体谐振器的谐振频率 负载电容CL CL值载于生产厂家的产品说明书中 高频晶体 通常为30pF低频晶体 100pF fN fq fo 用于并联型晶体振荡器的晶振标称频率 N 晶体的物理 化学性能虽然稳定 但是温度的变化仍会改变它的参数 振荡频率不免有较慢的变化 一般不能正好等于石英谐振器产品给出的标称频率 有一个很小的差别 需要用负载电容进行校正 可变电容C3的作用 晶体 负载电容 C3为微调电容 且C3 C1 C2 通过调整C3来调整CL 将实际振荡频率调整到晶体的标称频率上 并联型晶体振荡器的实用线路 晶体 2 密勒振荡器 皮尔斯振荡器的频率稳定度比密勒振荡器高 应用较多 缺点 晶体与晶体管的低输入阻抗并联降低了回路的有载品质因数QL 频率稳定度较低 问题 若晶体的标称频率为fN 则LC1回路谐振频率f0应满足什么条件 在振荡频率上 若晶体谐振器 LC1回路呈感性 则电路满足三端式振荡器的组成原则 与电感反馈振荡器对应 晶体 f0应满足 f0 fN 场效应管并联型晶体振荡器 满足 源同余异 的原则 类似于电容反馈振荡器 在串联型晶体振荡器中 晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间 通常接在反馈电路中 2 串联型晶体振荡器 实际线路 等效电路 近似为短路线 当回路的谐振频率等于晶体串联谐振频率时 晶体的阻抗最小 近似为一短路线 满足相位条件和振幅条件 正常工作 振荡频率 石英谐振器的频率越高 则要求晶片越薄 则机械强度差 用在电路中易于振碎 一般晶体频率不超过30MHz 3 泛音晶体振荡器 泛音 指石英晶片振动的机械谐波 泛音晶体 为了提高晶振电路的工作频率可使电路振荡频率工作在晶体的谐波 一般在三 五 七次谐波 频率上 这是一种特制的晶体 叫做泛音晶体 与电气谐波的主要区别 电气谐波与基频是整数倍的关系 且谐波和基波同时并存 泛音是在基频奇数倍附近 且两者不能同时并存 可利用几十MHz基频产生上百MHz的稳定振荡 泛音晶体皮尔斯振荡器实例 LC1回路作用 用以破坏基频和低次泛音的相位条件 使电路工作在设定的泛音频率上 晶体 设 3次泛音f3 5次泛音f5 回路谐振频率f0应满足 f3 f0 f5 回路在小等于f3时应呈感性 不满足组成原则 不能振荡 回路在f5上应呈容性 满足组成原则 能振荡 在7次及其以上泛音频率 LC1回路虽呈现容性 但接入系数减小 晶体管输出端等效电阻减小 放大器增益降低 振荡器停振 设 电路工作在5次泛音上 LC1固有谐振频率范围 1 石英晶体谐振器实际使用时 必须外加负载电容 并经微调后才能获得标称频率 2 石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内 过高的激励导致内部温度升高 使频率漂移增大 3 使用注意事项 使用石英晶体谐振器时应注意以下几点 3 若晶体在电路中作为容抗 晶片失效时 谐振器的支架电容还存在 线路仍可能满