高频电子线路正弦波振荡器

1、第第4 4章章 正弦波正弦波振荡电路振荡电路 正弦波振荡器的概念v概念一种能量转换装置无需外加信号，自动地将直流电能转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号v分类正弦波振荡器v反馈式振荡器v负阻振荡器非正弦波振荡器反馈振荡器的工作原理要点 v反馈振荡器振荡的基本原理v振荡的平衡条件和起振条件1 振荡的平衡条件2 振荡的起振条件v振荡的稳定条件1 振幅稳定条件2 相位稳定条件v正弦波振荡电路的组成要点 反馈振荡器振荡的基本原理自激振荡 v自激振荡现象不外接信号将输出信号的一部分正反馈到输入端以代替输入信号输出端仍有一定频率和幅度的信号输出 反馈振荡器振荡的基本原理 放大器A反馈网路FoU

2、fUiUS12LR原理分析v当开关S在1的位置 v开关由1接到2位置放大器和反馈网路构成一个闭环回路 iUoUfUfiUU 放大器A反馈网路FoUfUiUS12LR正弦波振荡器构成框图 放大器A反馈网路FLR选频网路oUiUfU正弦波振荡器构成要点v反馈振荡器结构v利用选频网络筛选出所需的正弦波LC振荡器 晶体振荡器 放大器A反馈网路FLR选频网路oUiUfU振荡的平衡条件和起振条件 v振荡器的工作条件为起振条件v电路开始工作时的条件 平衡条件v输出能够维系电路输入的条件 稳定条件 v振荡器不易受外界干扰从而产生稳定振荡信号输出的条件 振荡的平衡条件 放大器A反馈网路FoUfUiUS12LRo

3、iUAUfoUFUfoiUFUF AU1AF振荡的振幅和相位平衡条件1AFAjAAeFjFF e()1AFjTAFAFe1AF 振幅平衡条件 相位平衡条件 2AFn振荡的起振条件 起振条件可以归结 1TAF CiCiBEutOOQtBEU0CI振荡的稳定条件 v振幅稳定条件v相位稳定条件软激励v90放大特性曲线斜率大于反馈特性曲线斜率，当接通电源瞬间产生的电压就会使电路从O点过度到A点 硬激励v90O点本身也是稳定的，如果接通电源时产生的信号不足够大则无法从O点过渡到B点。 相位稳定条件 0ff 外界干扰不稳定不稳定稳定稳定正弦波振荡电路的组成要点v(1)放大电路由三极管或集成运算放大器组成，

4、具有足够大的电压放大倍数，以能够获得较大的输出电压v(2)反馈回路必须引入正反馈，把输出信号反馈到输入端，作为放大器的输入信号v(3)选频回路用于确定振荡频率，使电路中只有这种频率的信号才能满足自激振荡的条件而产生振荡正弦波振荡器的分析v判断正弦波振荡器能否振荡 (1)是否满足相位平衡条件(2)放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适(3)是否满足幅度平衡条件变压器反馈LC振荡器 v变压器反馈LC振荡器的交流通路如图所示v试分析图示电路是否满足相位平衡条件 iUoUfUfUoUiU( )a( )b(a)图电路分析v共射极电路 v信号由发射极输入，由集电极输出 v输出信号在二次线

5、圈两端形成反馈电压送回到放大器的输入端 v瞬时极性分析输出电压和输入电压反相根据同名端输出电压和反馈电压也反向输入电压与反馈电压同相 iUoUfU( )a(b)图电路分析v共基极电路v信号由发射极输入，集电极输出 v输出信号在二次线圈两端形成反馈电压送回到放大器的输入端v瞬时极性分析输出电压和输入电压同相根据同名端输出电压和反馈电压反向输入电压与反馈电压反相iUoUfUfUoUiU( )b基本组态与电压关系-瞬时极性法 iUoU (a)(b)iUoU(c)iUoU-小结v振荡器原理起振条件平衡条件稳定条件v变压器反馈振荡器瞬时极性法LC振荡器 LC振荡器要点v概念以LC谐振回路作为选频网路的反

6、馈式振荡器v振荡频率由振荡回路的总电感和总电容决定 v基本种类变压器反馈LC振荡器三端振荡器 三端振荡器基本工作原理 iUoUfUI1jX2jX3jXceb2fUj I X1oUj I X 三端振荡器构成法则 v三端振荡器的构成原则“射同基反”“源同栅反” iUoUfUI1jX2jX3jXceb基本的三端振荡器 v电容三点式 v电感三点式 (a)(b)(c)cbe1X3X2Xcbe1C2CLcbeC1L2L电感三点式振荡器 v又称为哈特莱（Hartley）振荡器 iUfU(a)(b)CCV1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LECBR电感三点式振荡器分析 iUfU(a)(b)CCV

7、1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LECBR等效电路 iUfU(a)(b)iUfUoUCCV1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LEC2LLR1LCBRceb(c)2L1LCL电路的振荡频率01212(2)fLLM C01212()fLL C电容三点式振荡器 v又称为考毕兹（Colpitts）振荡器 (a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRBC等效电路 iUoUfU(a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRER1BR1C2CLLR1C2CLC(c)BC电容三点式振荡器分析 (a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRBC012fLC121

8、2C CCCC例 v画出图示各电路的交流通路，并根据相位平衡条件，判断电路能否产生振荡，如果能求出振荡频率。 CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)等效电路 CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)例 CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)012121115.421000 200021.3210002000fMH

9、zLCC CLCC例 1L1C2C2L3L3Cf01f02f03f(a)(b)3f1f2f4f 1L1C2C2L3L3Cf01f02f03f(a)(b)3f1f2f4f改进电容三点式振荡器 v克拉泼振荡电路 (a)(b)CCVCR1BR2BRBCER1C2CLLR3CcbC3C1C2CCRLERceCbeCLRcbe3C1C2CL(c)等效电路 (a)(b)CCVCR1BR2BRBCER1C2CLLR3CcbC3C1C2CCRLERceCbeCLRcbe3C1C2CL(c)克拉泼振荡器分析123333122313121C C CCCCCC CC CC CCC031122fLCLC克拉泼电路特点

10、席勒振荡器电路 CCVCR1BR2BRBCER1C2C3C4CLLR(a)(b)ER1C2C3C4CLLR1C2C3C4CL(c)0434112()2fL CCLC例 v有一LC振荡电路如图所示，试分析该电路，画出电路的交流通路，并求出振荡频率。 ouEEV1BR2BR1CL22uH1C2C3CERCR2CL4C6C5C7CL8C9C0.033uF0.033uF1k3000.033uF4.7k3k20pF8.2pF2.2pF5pF0.5uH10pF10pF(a)(b) ouEEV1BR2BR1CL22uH1C2C3CERCR2CL4C6C5C7CL8C9C0.033uF0.033uF1k300

11、0.033uF4.7k3k20pF8.2pF2.2pF5pF0.5uH10pF10pFER5C4C6C7CL8C9C(a)(b)5C4C6C7CL8C9C(c)7456891111511.611111111118.2202.21010CCpFCCCCC6121166220.5 1011.6 10fMHzLC小结v三端振荡器构成原则基本电路v电容三点式v电感三点式v改进振荡器克拉泼振荡器席勒振荡器集成集成LC正弦波振正弦波振荡器荡器 E1648单片集成振荡电路 V10V11V12V13V14VD2VD1V6V7V8V5V4V3V2V1V9输出147812851314131211109812345

12、67E1648LC0.1 F+5V+5V1 k0.1 FUo1E1648（MC1648）特性 v其最高频率可以达到225MHzv振荡频率12()gifL CC E1648应用-压控振荡器 E1648(MC1648)11412108753电压控制VCO输出1D2D100k1uF100nF100uH5V100nF1nF100nF1.5kL三端振荡器设计三端振荡器设计三端振荡器设计原则v振荡器电路类型的选择LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围 短波收音机中，为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。v晶体管的选择 v直流馈电线路的选择v振荡回路元件选择 v反馈回路元件选择 例-大自由度克

13、拉泼振荡器设计 3C1C2CL3CCL1r2r 3CL1r1C2CmBEg uAAi12rr 3CL1r1C2CmBEg uAAi12AmBEAAig uiuj Cj C1ABEiuj C2121211mAAguij Cj CC C112mgrj C C21231112fLCCC振荡器的频率和幅度稳定度 稳定度指标v振荡器输出的信号即要满足一定的频率和幅度要求 v使用频率稳定度和幅度稳定度这两个重要的性能指标来衡量一个振荡器电路 v频率稳定度对一个振荡器而言尤为重要 频率稳定度频率稳定度 v频率绝对偏差v频率稳定度 0fff 000fffff影响频率稳定的因素 v主要影响因素振荡回路参数回路品

14、质因素Q 012fLC001()2fLCfLC 品质因素对频率稳定度的影响 Z1Q2Q12QQ21提高频率稳定度的一般方法 v减小外界变化 减小温度的变化 减小电源的变化 减小湿度和大气压力的影响 减小磁场感应对频率的影响 减小负载的影响 v改善电路性能 提高回路的标准性 减小相位及其变化量 幅度稳定度幅度稳定度 oooUUUUU石英晶体振荡器 石英晶体振荡器要点v石英振荡器特性等效电路和电抗特性v晶体振荡器电路的分类并联型石英晶体振荡器 串联型石英晶体振荡器石英谐振器的结构和电路符号石英谐振器的结构和电路符号 晶片电极支架石英晶体的等效电路与电抗特性 O感性容性容性sfpffX0C1qC1q

15、L1qr2qL2qC2qr0CCLR石英晶体电抗特性分析20200011()111()()LCCLCZCLCCLCC O感性容性容性sfpffX0C1qC1qL1qr2qL2qC2qr0CCLRs12fLCp00011122CfCCCLCLCC晶体振荡器的种类简介v普通晶体振荡器v电压控制晶体振荡器v温度补偿晶体振荡器v恒温控制晶体振荡器v电压控制温补晶体振荡器v电压控制恒温晶体振荡器 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 v并联型石英晶体振荡器v串联型石英晶体振荡器 并联型石英晶体振荡器v并联型石英晶体振荡器是把石英晶体当做电感元件使用 晶体CCVCL1BR2BRBCER1C2CCCLRLR1C

16、2C0C1qC1qL1qrER等效电路 晶体CCVCL1BR2BRBCER1C2CCCLRLR1C2C0C1qC1qL1qrER并联型石英晶体振荡器分析v由三点式电路“射同基反”的构成原则晶体应呈现感性 v石英谐振器和电容C1、C2组成选频网络v工作频率 psfff串联型石英晶体振荡器 v串联型石英晶体振荡器是把石英谐振器做一根短路线用 CCV1BR2BRER1C2CLBC1C2CL等效电路 CCV1BR2BRER1C2CLBC1C2CL串联型石英晶体振荡器分析v荡器的工作频率等于晶体的串联谐振频率fs晶体谐振器的阻抗近似为零 v频率偏离晶体的串联谐振频率fs晶体的阻抗骤然增加，近乎开路 只能

17、形成的f=fs的振荡 例 20k2.2k0.03uF5103.9uH0.03uF300pF1600pF22/5pF56pFTCCVouL1C2C3C交流通路 20k2.2k0.03uF5103.9uH0.03uF300pF1600pF22/5pF56pFT510CCVouL1C2C3CL1C2C3C 20k2.2k0.03uF5103.9uH0.03uF300pF1600pF22/5pF56pFT510CCVouL1C2C3CL1C2C3C01231231()2fCC CLCCCmin4.92fMHzmax5.04fMHz小结v石英晶体振荡器v基本种类并联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器高

18、性能振荡器及其应用简介 现代振荡器的发展 v高性能v多功能v小型封装v低功耗v低价格 压控振荡器 VCOv压控振荡器（VCO）是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器 v主要指标 频率调谐范围输出功率频率稳定度频率合成技术 v直接模拟频率合成技术v锁相频率合成技术v直接数字式频率合成技术v混合式频率合成技术 锁相式整数频率合成器的原理 参考振荡器参考分频器鉴相器LPFVCO可变分频器Rfof1/R1/ Nrfvf DDS原理 相位累加器正弦查询表DACLPF频率控制器时钟频率ofN位本章总结v正弦波振荡基本原理利用自激振荡，从电路结构上构成正反馈v正弦波振荡器组成包括了基本放大器、反馈网路和选

19、频网路。根据选频网路的不同可以分为LC振荡器、晶体振荡器等v振荡器的构成条件分为起振条件、平衡条件和稳定条件vLC振荡器分为变压器反馈、电感三点式和电容三点式等电路，其振荡频率近似等于LC谐振回路的谐振频率，相位稳定条件由LC回路提供v三点式振荡器的构成法则是“射同基反”。v频率稳定度和振幅稳定度是振荡器的两个重要的性能指标v石英晶体振荡器是采用石英晶体构成的振荡器，其振荡频率的准确性和稳定性很高。v石英晶体振荡器分为并联型和串联型两类。并联型晶体振荡器中，石英晶体的作用相当于电感串联型晶体振荡器中，石英晶体的重要相当于具有选频能力的短路线振荡器的Matlab仿真反馈振荡原理的仿真 vB = tf(5 0,1 20 1);vA = 4.18;vout=;vu,t = gensig(sin,2*pi,2*pi,0.1);vu = 0.0