正弦波振荡器

1,第4章正弦波振荡器,2,扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声,其形成的过程如图所示。,自激振荡现象,常见的自激振荡现象,3,本章知识点及结构,正弦波振荡器,工作原理（功能？如何实现功能？）4.1-4.2,性能指标（有哪些？如何计算或评价）4.5，及穿插在4.3，4.4，4.6，4.7,电路构成（有哪几部分？不同形式电路的优缺点比较？）4.3，4.4，4.6，4.7,4,本节问题：,1、正弦波振荡器在无线收发系统中的位置?,2、振荡器的实质？与放大器实质有何不同？,4、评价振荡器性能的主要技术指标？,4.1概述,3、振荡器的种类？,5,一、正弦波振荡器的应用与位置,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。,6,7,8,3.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。,9,二、振荡器的实质(能量转换器件),在没有外加信号的情况下，自动地将直流电源的能量转换为一定波形的交流振荡能量的装置。自激振荡,放大器的实质(能量转换器件)在外加信号的激励下,将直流电源的能量转换为交流能量。,PK,10,1.“反馈式振荡器”和“负阻式振荡器”两大类从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，我们只讨论反馈式振荡器。2.RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器按选频网络（元件组成）来看3.正弦波振荡器与非正弦波振荡器按振荡器所产生的波形来看本书只介绍LC正弦波反馈式振荡器。主要讨论正弦波振荡器的基本原理。将详细分析各种正弦波振荡器的振荡与稳频原理，并对几种典型振荡电路进行分析。,三、振荡器的种类,11,四、评价振荡器性能的主要技术指标？,（1）振荡频率（2）频率稳定度,不同类型的振荡器所适宜的工作频段,12,Review,1、什么是反馈？2、正反馈PK负反馈？3、负反馈在放大器设计中的作用？稳定放大电路的工作点和放大倍数减少非线性失真抑制噪声、扩展频带调节和控制放大器的输入和输出阻抗,13,14,一、从调谐放大电路到自激振荡电路二、维持自激振荡的两个条件（即振荡的平衡条件）三、振荡的起振条件（即通电之初，振荡是如何建立起来的？）四、振荡的稳定条件,4.2反馈型正弦波自激振荡器原理,15,图为调谐放大器电路，输入信号经互感M1耦合，加到晶体管基极和发射极之间，以ube表示，在谐振回路两端得到已经放大的信号uce，再经过互感M2从线圈次级得到输出信号uo，如果把uo再送回到输入端，若uo的相位和大小同原来的输入信号ui一样，就成为自激振荡器了。,一、从调谐放大到自激振荡,16,正弦波反馈振荡器主要由三个部分构成,17,图4-3互感反馈振荡器,18,二、产生自激振荡的两个条件振荡的平衡条件,19,两个平衡条件,1.反馈必须是正反馈即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。其中总相移，n整数。2.反馈必须足够大如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不会产生振荡了，在图4-3电路中，可以调整M、L的数值以及放大量来实现这一要求。满足振荡的幅度平衡条件为：KF=1自激振荡平衡条件的复数表达式为：,20,在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极LC振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。,三、振荡的建立和起振条件,振荡器的初始激励,21,图4-3互感反馈振荡器,22,由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：,其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。,振荡的起振条件,23,起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放大选频反馈再放大等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。,三、振荡的建立和起振条件,24,振荡的幅度会不会无止境增长下去？,由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。,25,26,四、振荡器平衡状态的稳定条件,27,所谓平衡状态的稳定条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。,振荡器的平衡条件为,在平衡状态下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。,28,放大器增益K与晶体管输入电压幅度Vbe之间的关系叫振荡特性，F与Vbe之间的关系叫反馈特性。,软激励起振特性,分析：1）振幅稳定条件,振荡器平衡状态的稳定条件,29,在实际设计中，如果设计不当，振荡特性可能不是单调下降的，而如下图所示。其静态工作点太低，ICQ太小，因而K0太小，以至不满足。,这种振荡器电路一般不能自行起振，而必须给以一个较大幅度的初始激励，使动态点越过不稳定平衡点B才能起振，这叫硬激励起振，设计电路要力加避免。,硬激励起振特性,30,分析：2）相位稳定条件,31,小结：振荡器平衡状态的稳定条件,形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即,0,2)相位稳定条件,1)振幅稳定条件,相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定的振荡。,相位稳定条件应为,0,32,一、电容反馈三点式振荡器（考毕兹振荡器）,二、电感反馈三点式振荡器（哈特莱振荡器）,三、三点式LC振荡器相位平衡条件的判断准则（重点）,4.3三点式LC振荡器（重点）,33,一、电容反馈三点式振荡器（考毕兹振荡器）,二、电感反馈三点式振荡器（哈特莱振荡器）,1、电路结构,2、验证相位平衡条件,1、电路结构,2、验证相位平衡条件,三、总结出：三点式LC振荡器相位平衡条件的判断准则,分析思路：,34,2、相位平衡条件,3、起振条件,4、振荡频率,一、电容反馈三点式振荡器（考毕兹振荡器）,1、电路结构（对应电路名称的来历）,35,假定在晶体管的b、e间有一输入信号，当振荡频率等于LC回路谐振频率时，与反相，电流滞后于90度。C2上的反馈电压滞后电流90度，故与同相，满足相位平衡条件。,36,3、起振条件,关键问题：求出放大倍数K和反馈系数F，看它们的乘积是否大于1？,37,图中：RS晶体管输出电阻；Co晶体管输出电容；Ri晶体管输入电阻；Ci晶体管输入电容；R0回路谐振电阻,38,现把各元件都折合到c-e端。,Ce间总的电阻：,放大器的放大倍数：,39,现把各元件都折合到c-e端。起振条件：如果则回路损耗可以忽略，得通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失真严重，F都选得较小，大约在0.010.5之间，,40,其中,4.振荡器的振荡频率f0,41,2、相位平衡条件,1、电路结构（对应电路名称的来历）,二、电感反馈三点式振荡器（哈特莱振荡器）,3、起振条件,4、振荡频率,42,三、LC振荡器相位平衡条件的判断准则,X1+X2+X3=0,|X1+X2|=|X3|,1、晶体管发射极所接的两个电抗元件性质相同,而不与发射极相接的回路元件,其电抗性质与前者相反.2、谐振频率满足:|X1+X2|=|X3|,43,44,4.4改进型电容三端式振荡器电路,一、串联改进型电容三点式振荡器克拉泼振荡器,二、并联改进型电容三点式振荡器西勒振荡器,一、串联改进型电容三点式振荡器克拉泼振荡器,若选C3C1,C3C2，则,反馈系数：,1、如果C1、C2过大，则振荡幅度就太低。,2、当减小C3来提高振荡频率f0时，振荡幅度显著下降；当C3减小到一定程度时，可能停振。因此，限制了f0的提高。,3、用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率增加而下降，在频段范围内幅度不平稳，频率覆盖系数不大，约为1.2-1.3。,46,二、并联改进型电容三点式振荡器西勒振荡器,1.振荡频率：,若选C3C1,C3C2，则,47,2.折合到晶体管输出端的谐振电阻,求出分压比n,48,改变C时，n、L、Q都是常数，则仅随一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，使在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大，可达1.61.8。另外，西勒电路频率定性好，振荡频率可以较高。因此，在短波、超短波通信机，电视接收机等高频设备中得到广泛的应用。,由上式可知，n和C无关，当调节C来改变振荡频率时，n不变。把R折合到c-e端，,49,4.5振荡器的频率稳定问题,一、振荡器的频率稳定度,二、造成频率不稳定的因素,三、稳频措施,1.绝对频率稳定度,2.相对频率稳定度,一、振荡器的频率稳定度,51,二、造成频率不稳定的因素,1.客观原因：外界温度变化，使LC参数、晶体管参数不稳定；电源不稳定，引起振荡器工作点变化、晶体管参数变化。2.主观原因：电路结构本身的不稳定（如：哈特莱振荡器的频率稳定性不如考毕兹振荡器）,52,1.振荡器置于恒温箱内；或屏蔽振荡器；或使之远离干扰源。2.采用良好的稳压电源供电3.提高振荡回路的品质因数4.减小负载（或下一级电路）对振荡器的影响方法：振荡器后加缓冲级5.采用稳定性好的振荡电路,三、稳频措施,53,缓冲级,1.作用：隔离（或减弱）其后一级电路对其前一级电路的影响。,2.构成电路：一般为射级跟随器（即共集电极放大器）。因为该电路输入电阻高，可减小放大器从前级所取的信号电流；而，它的输出电阻低，可减小负载变动对前级的影响。,54,4.6石英晶体谐振器,一、石英晶体谐振器的等效电路,二、石英晶体的阻抗特性,三、石英谐振器频稳度高的原因,55,一、石英晶体谐振器的等效电路,石英晶体的压电效应：当机械力作用于晶体片时，片的两面将产生电荷。反之，晶体片两面加不同极性的电压时，晶体的几何尺寸被压缩或伸张。则：当高频交流电压加于晶体片两端时，晶体片将随交变信号的变化而产生机械振动。当f外加=f固有，则产生谐振现象,56,2.石英晶体的在电路中的表示符号,3.等效电路：,特点：等效电感Lq非常大；等效电容Cq和等效电阻rq非常小,非常高,57,1.串谐频率2.并谐频率3.两者的关系,二、石英晶体的阻抗特性,两者相差很小,58,4.电抗特性（rq=0),59,1.它的频率温度系数小，用恒温设备后，更可保证频率稳定。2.石英谐振器的Q值非常高，在谐振频率fp或fs附近，相位特性变化率很高（相频特性的斜率很大），这有利于稳频。3.石英谐振器的，使振荡频率基本上由Cq和Lq决定，外电路对振荡频率的影响很小。,四、石英谐振器频率稳定度高的原因,60,4.7石英晶体振荡器电路,一、并联晶振电路,二、串联晶振电路,三、泛音晶振电路,晶体工作在并联谐振频率fp与串联谐振频率fs之间，在fp附近，晶体等效为电感。,晶体工作在串联谐振频率fs，晶体等效为短路。,晶体工作在谐波频率上.,61,一、并联晶振电路,c-b型电路（皮尔斯电路）,晶体工作在并联谐振频率fp与串联谐振频率fs之间，在fp附近，晶体等效为电感。,1.振荡频率,讨论：调节C可使f0产生微小的变动。*若C很大，取C，得：*若C很小，取C0，得：,2.频率微调问题,64,可见，无论如何调节C，f0总是在fp与fs之间。一般，C取得较小，使f0工作在稍低于fp的数值。通过外加电容C，使晶体达到标称频率fN。,fsfNfpfN:标称频率,65,图4-28串联型晶体振荡器的一种方框图,二、串联型晶振电路,66,晶体工作在串联谐振频率附近，阻抗呈短路，构成正反馈产生振荡。串联型晶体振荡器的一种框图如图4-28所示。因为是两级共发放大器,所以输出电压与输入电压同相。输出经石英谐振器和负载电容反馈到输入端，这个反馈是正反馈。由于石英谐振器的选频作用，只有在石英谐振器和负载电容所决定的串联谐振频率上，串联阻抗最小，正反馈最强。因此，在这个频率上产生振荡。,67,图4-29串联型晶体振荡器的实例（一）,68,图4-30串联晶振实例（二）,69,所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是，电气谐波与基频是整数倍的关系，且谐波和基波同时并存；而泛音是在基频奇数倍附近，且两者不能同时并存。石英谐振器的频率越高，则要求晶片越薄，则机械强度越差，用在电路中易于振碎。一般晶体频率不超过30MHz。,三、泛音晶振电路(自学),70,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（一般在三次到七次谐波）频率上，这是一种特制的晶体，叫做泛音晶体（例如JA12型）。这样就可利用几十兆赫基频的晶片产生上百兆赫的稳定振荡。,71,图431并联型泛音晶体振荡器,并联型泛音晶体振荡器如图所示。,72,它与皮尔斯振荡器不同之处是用谐振回路代替了电容，而根据三点式振荡器的组成原则，该谐振回路应该呈容性阻抗。假如要求晶体工作在5次泛音，则调谐好的回路对3次泛音呈现感性阻抗，不满足三点式