正弦波振荡器资料PPT学习教案

1、会计学1正弦波振荡器资料正弦波振荡器资料3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.3 3.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路3.4 3.4 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性3.5 3.5 晶体振荡器晶体振荡器 3.6 3.6 集成电路振荡器集成电路振荡器 3.7 3.7 压控振荡器压控振荡器3.9 3.9 负阻振荡器负阻振荡器3.10 3.10 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象3.8 3.8 RC振荡器振荡器第1页/共30页第2页/共30页第3页/共30页第4页/共30页调制功放 音频放大 高频振荡 倍频 高频 放大 话筒 声音 第5页/共3

2、0页第6页/共30页 高频小信号 放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检 波 中频放大 F F 第7页/共30页31 概概述述 振振荡荡器器：在在没没有有激激励励信信号号的的情情况况下下，能能自自动动的的将将直直流流电电源源能能量量转转换换为为周周期期性性交交流流信信号号输输出出的的电电子子电电路路。 反反馈馈振振荡荡器器 按按振振荡荡原原理理分分类类 负负阻阻振振荡荡器器 低低频频振振荡荡器器 按按振振荡荡频频率率分分类类 高高频频振振荡荡器器 正正弦弦波波振振荡荡器器 按按振振荡荡波波形形分分类类 非非正正弦弦波波振振荡荡器器（多多谐谐振振荡荡器器等等）

3、 LC 振振荡荡器器 按按选选频频回回路路元元件件性性能能分分类类 RC 振振荡荡器器 晶晶体体振振荡荡器器等等 Hz kHz MHz GHz THz 振荡器RC 振荡器LC 晶体振荡器 负阻振荡器微波半导体 第8页/共30页n 实际的放大器都有非线性限幅作用，使得振荡幅度不会无限大。实际的放大器都有非线性限幅作用，使得振荡幅度不会无限大。n 也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件，以保证获得需要的输出波形也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件，以保证获得需要的输出波形 第9页/共30页第10页/共30页一一 反反馈馈振振荡荡器器工工作作原原理理分分析析能能产产生生自自激激振振荡荡一一个个

4、基基本本的的条条件件是是必必须须构构成成正正反反馈馈回回路路，即即反反馈馈到到输输入入端端的的信信号号和和放放大大器器输输入入信信号号相相位位相相同同。 suiufuou如如果果设设放放大大器器的的电电压压放放大大倍倍数数为为 A（s） ，反反馈馈网网络络的的反反馈馈系系数数为为 F（s）则则有有： 闭闭环环增增益益：)()()(sususAsof , 开开环环增增益益： )()()(sususAioo 反反馈馈系系数数：)()()(sususFof 又又因因为为：)()()(sususufsi )()(1)()()()()(1)()()(1)()()()()()(sFsAsAsusususu

5、sAsusususususususAooofiooifiofiof 放大器放大器 A（s） 反 馈 网反 馈 网络络 F（s）3.2 反馈型自激振反馈型自激振荡器的工作原理荡器的工作原理第11页/共30页其其中中： )()()()()(sususFsAsTifo 称称为为反反馈馈系系统统的的环环路路增增益益。 若若令令 js 代代入入上上式式,则则有有： )()()()( jFjAsFsAoo 则则有有 )( jAf,即即表表明明在在没没有有外外加加信信号号,也也可可以以维维持持振振荡荡输输出出, 故故自自激激振振荡荡的的条条件件为为: 1)()( jFjA 显显然然在在某某一一个个工工作作频

6、频率率 o 时时, 如如果果1)()( ooojFjA ,即即)()(susufi suiufuou 放大器放大器 A（s） 反 馈 网反 馈 网络络 F（s）第12页/共30页正正 弦弦 波波 反反 馈馈 振振 荡荡 器器 主主 要要 由由 三三 个个 部部 分分 构构 成成 : 电源电源 有 源 器有 源 器件件 选 频 网选 频 网络络 反馈网络反馈网络1 有源器件有源器件:非线性有源器件非线性有源器件,具有一具有一定的功率增益定的功率增益, 能维持振荡回路不能维持振荡回路不可避免的功率损耗可避免的功率损耗。 2 选选 频频 回回 路路 :决决 定定 振振 荡荡 器器 的的 工工 作作频

7、频 率率 ,并并 能能 保保 证证 振振 荡荡 相相 位位 的的 稳稳定定 。 3 反反 馈馈 网网 络络 :实实 现现 正正 反反 馈馈 ,一一 般般 可可 以以通通 过过 互互 感感 (变变 压压 器器 ),电电 感感 及及 电电 容容 等等 获获得得 正正 反反 馈馈 电电 压压 。 第13页/共30页由由上上述述分分析析已已知知振振荡荡条条件件:1)()( jFjA它它是是维维持持振振荡荡的的基基本本条条件件， 通通常常也也称称为为振振荡荡的的平平衡衡条条件件。 又又由由于于 FAjjFejFAejA )()( 所所以以振振荡荡平平衡衡条条件件的的约约束束方方程程可可以以分分为为两两个

8、个方方程程: )21，0(21，nnAFFA 或或 nFZ2 其其中中:的的相相角角与与基基极极输输入入电电压压为为集集电电极极基基波波电电流流i1c:ui 的的相相角角谐谐振振回回路路基基波波谐谐振振阻阻抗抗为为LC:Z 晶体管晶体管 反馈网络反馈网络 LC选 频 网选 频 网络络Y Z F uiic1uc1uf第14页/共30页如如下下图图所所示示的的电电路路为为互互感感耦耦合合正正弦弦波波振振荡荡器器.1 自自激激振振荡荡过过程程: ifoccbiuuuiiiu1 开开启启电电源源VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈网络反馈网络+ui- -ic- -uo+uf-

9、-ib实实 际际 上上 振振 荡荡 器器 在在 开开 始始 建建 立立 振振 荡荡 时时应应 满满 足足 的的 条条 件件 为为 :1 FA 即即有有:ofiouuFuuAFA ,.1而而 ifuu 有有uiuoA1/F1iu 3iu 2iu 4iu 03u 02u 01u 04u 1fu 2fu 3fu 如如右右图图：分分别别为为基基本本放放大大器器 A 和和反反馈馈网网络络 1/F 的的曲曲线线,如如果果设设开开启启电电源源后后产产生生扰扰动动电电压压 :,1则则有有iu 121011fifiuuuuu 232022fifiuuuuu 343033fifiuuuuu 123123,oooi

10、iiuuuuuu 即即有有可见起振初期是一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 丙丙类类状状态态乙乙类类甲甲乙乙类类甲甲类类第15页/共30页 当环路增益下降到当环路增益下降到1时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡状态，即进入等幅振荡状态。时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡状态，即进入等幅振荡状态。 为了维持振荡器稳定的工作为了维持振荡器稳定的工作, ,只满足平衡只满足平衡条件和起振条件是不够的条件和起振条件是不够的, ,因为平衡条件只能因为平衡条件只能说明振荡可能平衡在某一状态说明振荡可能平衡在某一状态, ,而不能说明振而不能说明振荡的平衡状态是否稳定荡的平衡状态是否稳

11、定. .1 1 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 由由于于放放大大器器的的非非线线性性, ,放放大大倍倍数数是是信信号号振振幅幅的的函函数数, ,即即)(iuAAuu ， 而而反反馈馈系系数数F仅仅取取决决于于反反馈馈网网络络的的元元件件参参数数，一一般般与与信信号号振振幅幅大大小小无无关关，导导致致环环路路增增益益)()()( jFjAjT 随随着着ui振振幅幅的的迅迅速速增增长长而而下下降降。 0)(: iAiUuioujT 振振幅幅稳稳定定条条件件UiO|T(o)| A1UiA第16页/共30页实实际际中中, ,由由于于工工作作于于大大信信号号状状态态下下的的非非线线性性有有源源器器

12、件件正正好好具具有有这这种种特特性性, ,自自然然具具有有稳稳定定幅幅度度的的功功能能。 在平衡点在平衡点Ui=UiA附近，当不稳定因素使附近，当不稳定因素使ui的振幅的振幅Ui增大时，环路增益减小，使反馈电压振幅增大时，环路增益减小，使反馈电压振幅Uf减小，从而阻止减小，从而阻止Ui增大；反之，当不稳定因素使增大；反之，当不稳定因素使ui的振幅的振幅Ui减小时，环路增益增大，使反馈电压振幅减小时，环路增益增大，使反馈电压振幅Uf增大，从而阻止增大，从而阻止Ui减小。减小。 即即表表明明: :在在平平衡衡点点附附近近, ,放放大大器器增增益益随随信信号号振振幅幅的的变变化化特特性性具具有有负负

13、斜斜率率. . 第17页/共30页 如果环路增益特性存在着两个平衡点如果环路增益特性存在着两个平衡点A和和B，其中，其中，A点是稳定的，而点是稳定的，而B是不稳定点，如右图所示。是不稳定点，如右图所示。|T(o)|BAUiUiAUiB1 若某种原因使若某种原因使Ui大于大于UiB，则，则|T(o)|随之增大，势必使随之增大，势必使Ui进一步增大，从而更偏离平衡点进一步增大，从而更偏离平衡点B，最后到达平衡点，最后到达平衡点A； 反之，若某种原因使反之，若某种原因使Ui小于小于UiB，则，则|T(o)|随之减小，从而进一步加速随之减小，从而进一步加速Ui减小，直到停止振荡。减小，直到停止振荡。

14、通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，|T(o)|必须在必须在UiA附近具有负斜率变化附近具有负斜率变化 第18页/共30页2 2 相相位位平平衡衡的的稳稳定定条条件件相相位位稳稳定定条条件件的的意意义义: :指指当当相相位位平平衡衡条条件件遭遭到到破破坏坏时时，电电路路本本身身能能自自动动地地重重新新建建立立起起相相位位平平衡衡点点的的条条件件。 由由于于dtd , ,即即相相位位变变化化时时, ,频频率率也也变变化化, ,故故相相位位稳稳定定条条件件也也就就是是频频率率稳稳定定的的条条件件. . 如如果果设设某某种种原原因因, ,相相位位平平衡衡破破坏坏, ,

15、产产生生一一个个很很小小的的相相位位增增益益量量。 即即设设: :ifuuAF 0T 反反馈馈信信号号fu超超前前原原输输入入信信号号 iu一一个个相相角角信信号号周周期期缩缩短短 信信号号频频率率0 。 tui同理：同理：fu 0 落后落后iu 信号周期信号周期信号频率信号频率0 显显然然可可以以看看出出由由于于外外因因引引起起的的相相位位变变化化与与频频率率之之间间的的关关系系为为: : 0000 即即可可得得：0 第19页/共30页提提出出问问题题: :要要保保证证振振荡荡的的相相位位平平衡衡点点的的稳稳定定, ,必必须须当当振振荡荡器器频频率率发发生生变变化化的的同同时时, ,要要求求

16、振振荡荡电电路路内内部部能能够够产产生生一一个个新新的的相相位位变变化化, ,而而这这个个相相位位变变化化与与外外因因引引起起的的相相位位变变化化T 的的符符号号应应相相反反, ,以以消消弱弱或或抵抵消消由由外外因因引引起起的的变变化化, , 即即要要求求: :0)(0)( FAFA或或ZYA 其其中中 Y 为为放放大大器器正正向向传传输输导导纳纳的的相相移移 Z 为为选选频频网网络络负负载载阻阻抗抗的的相相移移又又因因为为一一般般Y 和和F 对对频频率率变变化化的的灵灵敏敏性性远远小小于于Z , ,即即有有 Y Z， ZF 0)( ZFZY有有 相相位位平平衡衡条条件件. . 即即 要要 求

17、求 选选 频频 网网 络络 的的 相相 频频 特特 性性 曲曲 线线z 在在 工工 作作 频频 率率 附附 近近 应应 具具 有有 负负 斜斜 率率 ,才才 能能 满满 足足 频频 率率 稳稳 定定 条条 件件 ,实实 际际 中中 的的并并 联联 LC 谐谐 振振 回回 路路 正正 好好 具具 有有 这这 种种 相相频频 特特 性性 ,故故 可可 自自 然然 满满 足足 . 周周期期落落后后当当ifuu00z Oo2 2 第20页/共30页22 1jFjAjT0jFjAjT 1OSCOSCOSCjFjAjTnOSCOSCOSCjFjAjT20平衡iiVViVT0OSCTn分析的角度从：正反馈（

18、或负阻）适时补充能量；选频回路（移相网络）使得分析的角度从：正反馈（或负阻）适时补充能量；选频回路（移相网络）使得 特定频率才能得以放大和正反馈；非线性器件使得幅度受限，最终到达平衡；特定频率才能得以放大和正反馈；非线性器件使得幅度受限，最终到达平衡； 负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性n回答了：振荡是如何产生的？又是如何平衡的？平衡是否是稳定的？回答了：振荡是如何产生的？又是如何平衡的？平衡是否是稳定的？第21页/共30页23 nOSCOSCOSCjFjAjT2 0Im OSCjT n工程计算，

19、以选频回路的中心频率工程计算，以选频回路的中心频率 0作为振荡器的振荡频率作为振荡器的振荡频率 OSC第22页/共30页n根据反馈电路不同根据反馈电路不同，LCLC反馈振荡器分为反馈振荡器分为互感互感耦合振荡器和三点式振荡器耦合振荡器和三点式振荡器两种两种为了判断是否符合正反馈条件，不同组态电路的判为了判断是否符合正反馈条件，不同组态电路的判断法则：断法则：n提醒注意提醒注意：以晶体管为例，由于其交流地不同，可以晶体管为例，由于其交流地不同，可分为共基和共发两种组态。分为共基和共发两种组态。n共发电路共发电路输出电压与输入电压输出电压与输入电压反相，而共基同相。反相，而共基同相。n共基电路，从集电极引回到发射极的反