《高频》教案04 正弦波振荡器.doc

第4章 正弦波振荡器 振荡器是能量转换器，将直流能量转换为交流能量。常作为信号源。主要技术指标：振荡频率和频率稳定度。 4.1 反馈振荡器的原理 凡是致使的反馈称为负反馈；凡是致使的反馈称为正反馈。 图4.1 反馈放大器方框图 图4.2 自激反馈 4.1.1 负反馈 当，代入上式,得，构成负反馈自激振荡。即 振荡平衡条件： 振幅 相位 4.1.2 正反馈 当，同样得，构成正反馈自激振荡。即 （记为，称为环路增益） 振荡平衡条件：振幅 相位 要使振荡器自行起振，环路增益必须，所以起振条件为 4.1.3 振荡器平衡状态的稳定条件 1、振幅的稳定条件 图4.3 晶体管放大特性和反馈特性 放大器网络一般采用晶体管，它为非线性网络。放大系数随着输入信号的增大而减小；反馈网络为线性网络，反馈系数大小F不随输入信号改变。 振幅平衡的稳定条件 2相位的稳定条件 相位平衡的稳定条件 LC并联回路刚好满足此特性： 图4.4 并联LC的相位特性 4.1.4 振荡线路举例互感耦合振荡器 4.2 LC 振 荡 器 4.2.1 振荡器的组成原则 根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有 X1+X2+X3=0 (4-21) 所以电路中三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。 图 4-5 三端式振荡器的组成 一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流远大于晶体管的基极电流、集电极电流以及发射极电流，故由图4-5有 又和反相。故X1、X2应为同性质的电抗元件。 三端式振荡器能否振荡的原则为 (1) X1和2的电抗性质相同; (2) X3与X1、X2的电抗性质相反。 图 4-6 两种基本的三端式振荡器 (a) 电容反馈振荡器；(b) 电感反馈振荡器 4.2.2 电容反馈振荡器 图 4-8 电容反馈振荡器电路 (a) 实际电路；(b) 交流等效电路；(c) 高频等效电路 在分析计算振荡器的振荡频率时可以近似用回路的谐振频率来表示 反馈系数F(j)的大小为 工程上一般采用上式估算反馈系数的大小。反馈系数F的大小一般取0.10.5。 4.2.3 电感反馈振荡器 式中的L为回路的总电感，由图4-9有 L=L1+L2+2M 工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响，反馈系数的大小为 在讨论了电容反馈的振荡器和电感反馈的振荡器后，对它们的特点比较如下: (1) 两种线路都简单，容易起振。电感反馈振荡器只要改变线圈抽头位置就可以改变反馈值F，而电容反馈振荡器需要改变C1、C2的比值。 (2) 由于晶体管存在极间电容，对于电感反馈振荡器，极间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，故电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，其极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，故工作频率可以较高。 (3) 振荡器在稳定振荡时，晶体管工作在非线性状态，在回路上除有基波电压外还存在少量谐波电压(谐波电压大小与回路的Q值有关)。对于电容反馈振荡器，由于反馈是由电容产生的，所以， 高次谐波在电容上产生的反馈压降较小； 而对于电感反馈的振荡器，反馈是由电感产生的，所以， 高次谐波在电感上产生的反馈压降较大，即电感反馈振荡器输出的谐波较电容反馈振荡器的大，因此电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。 (4) 改变电容能够调整振荡器的工作频率。电容反馈振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，影响了振荡器的振幅起振条件，故电容反馈振荡器一般工作在固定频率；电感反馈振荡器改变频率时，并不影响反馈系数，工作频带较电容反馈振荡器的宽。需要指出的是，电感反馈振荡器的工作频带不会很宽，这是因为改变频率，将改变回路的谐振阻抗，可能使振荡器停振。 综上所述，由于电容反馈振荡器具有工作频率高、波形好等优点，在许多场合得到了应用。 4.2.4 两种改进型电容反馈振荡器 1. 克拉泼振荡器 用电感L和可变电容3的串联电路代替原电容反馈振荡器中的电感构成的，且C3C1、C2。只要L和C3串联电路等效为一电感(在振荡频率上)，该电路即满足三端式振荡器的组成原则，而且属于电容反馈式振荡器。 回路的总电容为 回路的总电容C将主要由C3决定，而极间电容与C1、C2并联，所以极间电容对总电容的影响就很小；并且C1、C2只是回路的一部分，晶体管以部分接入的形式与回路连接，减弱了晶体管与回路之间的耦合。接入系数p为 注：晶体管输出端的接入系数。 C1、C2的取值越大，接入系数p越小，耦合越弱。因此，克拉泼振荡器的频率稳定度得到了提高。 但C1、C2不能过大，假设电感两端的电阻为Ro(即回路的谐振电阻)，则由图4-10可知等效到晶体管ce两端的负载电阻RL为 (4-37) 因此，C1过大，负载电阻RL很小，放大器增益就较低，环路增益也就较小，有可能使振荡器停振。 振荡器的振荡频率为 反馈系数的大小为 2. 西勒振荡器 就是与电感L并联一可变电容C4。与克拉泼振荡器一样，图中C3C1、C2，因此晶体管与回路之间耦合较弱，频率稳定度高。与电感L并联的可变电容C4是用来改变振荡器的工作波段，而电容C3是起微调频率的作用。 回路的总电容为 (4-40) 振荡器的振荡频率为 由于改变频率主要是通过调整C4完成的，C4的改变并不影响接入系数p(由图4 - 10和图4-11可知，西勒振荡器的接入系数与克拉泼振荡器的相同)，所以波段内输出幅度较平稳。 4.2.6 压控振荡器 广泛应用于频率调制器、锁相环路，以及无线电发射机和接收机中。 4.4 LC振荡器的设计考虑 见p120 4.5 石英晶体振荡器 石英晶体谐振器具有很高的标准性和极高的品质因数，因此石英晶体振荡器具有较高的频率稳定度。 4.5.1 石英晶体振荡器频率稳定度 (1) 石英晶体谐振器具有很高的标准性。 (2) 石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小 (3) 石英晶体谐振器具有非常高的Q值。 4.5.2 晶体振荡器电路 晶体振荡器归为两大类: 并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。在并联型晶体振荡器中，晶体起等效电感的作用；在串联型晶体振荡器中，振荡器工作在邻近fq处，晶体以低阻抗接入电路，即晶体起选频短路线的作用。 1.并联型晶体振荡器（石英作电感） C-B：皮尔斯. B-E：密勒. 图 4-17 皮尔斯振荡器 图 4-20 密勒振荡器 2.串联型晶体振荡器（选频、短路） 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。 4.7 RC 振 荡 器 介绍为什么要采用RC振荡器。 4.7.1 RC网络 1 超前型移相网络 传输系数为 其模值和相角分别为 式中0=1/(RC)。 2 滞后型移相网络 传输系数为 (4-62) 其模值和相角分别为 式中0=1/(RC)。 3. 串并联型选频网络 传输系数为 4.7.2 RC振荡器 由晶体管以及由集成运放构成的反相放大器, 相移网络也必须提供180相移。 由于RC相移电路的选频特性不理想， 又是采用内稳幅， 因而RC相移振荡器的输出波形失真大， 频率稳定度低， 只能用在性能不高的设备中。 补充：移相式振荡电路 图5.12 移相式振荡电路 图5.13 三节RC电路的相频特性 注：运算放大器的+ -两端等电位。 对于一节RC，输入并在RC，从R两端输出，则，相位090度。 三节，则，可求得相位0270度。 4.7.3 文氏桥振荡器 是正弦波振荡器的一种最常用的电路。桥形RC网络接在输出