东华大学高频电子电路通信电子电路课件5-1

1、第5章 正弦波振荡器正弦波振荡器本章内容本章内容1振荡器的作用、分类；振荡器的作用、分类；2 振荡器的构成及工作原理；振荡器的构成及工作原理；3 振荡器的振荡条件；振荡器的振荡条件；4 LC正弦波振荡器正弦波振荡器5 晶体振荡器晶体振荡器6 压控振荡器压控振荡器 本单元学习内容1 振荡器的作用、分类；2 振荡器的构成及工作原理；3 振荡器的振荡条件；一、振荡器在通信系统中的作用 在无线电发送设备中，用振荡器产生载波用振荡器产生载波； 在超外差接收机里产生本振信号产生本振信号； 在各种定时系统中把它作为时间基准信号作为时间基准信号； 在各种通信测量仪器中，用振荡器作为各各种波段的正弦波信号源种波

2、段的正弦波信号源。思考：在无线收发机中，振荡器 功能模块的作用？图1-2调幅发射机原理框图图1-3 典型超外差式接收机框图 二、振荡器与放大器的区别是什么？它与放大电路的区别在于，振荡器不需要外加信号的激励，其输出信号的频率、波形、振幅由电路的参数确定。5-1 概述 定义定义 振荡器是一种振荡器是一种换能器换能器，能自动的将直流电源，能自动的将直流电源的能量转变为特定频率和振幅的正弦交变的能量转变为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。能量的电路。主要技术指标主要技术指标1 振荡频率；2 振荡频率的准确性准确性和频率的稳定稳定 度度；3 振荡幅度的大小及其稳定性； 而其中振荡频率的稳定度振荡频率

3、的稳定度最为重要。振荡器的分类根据产生振荡波形的不同，可分为： 简谐波振荡电路简谐波振荡电路，即正弦波振荡电路（能产生单频正弦波）； 多谐振荡电路多谐振荡电路能产生含有丰实谐波的波形，如：方波、三角波、锯齿波等。按照振荡机理的不同，可分为反馈型反馈型振荡电路和负阻型负阻型振荡电路。本书只研究反馈型振荡器。反馈型振荡电路 利用正反馈将输出信号的一部分反馈回输入端，以补充振荡过程所损失的能量。 振荡器频率在200MHz以下的正弦波振荡器绝大部分采用反馈型振荡器；负阻型振荡电路 利用具有负阻效应的器件在一定条件下对负载呈现负阻，即等效一个源的特性来补充或者说抵消谐振回路中电阻所损耗的能量，从而使回路

4、维持等幅的正弦振荡。 负阻型振荡器绝大数用于振荡频率在几百MHz以上的正弦波振荡器，在微波波段用的较多。根据选频网络所采用的不同形式，正弦波振荡器又可分为：i)RC振荡器振荡器（低频振荡器）ii)互感耦合振荡器：互感耦合振荡器：频率不能工作得很高，一般工作于短波段。例如，调幅广播接收机。RC串并联网络振荡器移相式振荡器iii)三点式振荡器； OSCOSCOSCOSCOSCOSC电感反馈（哈特莱）基本型（考比兹）电容反馈克拉泼西勒iv)石英晶体振荡器；OSCOSCOSCOSCOSC串联型晶体皮尔斯并联型晶体米勒泛音5.2 反馈型振荡器的工作原理反馈型振荡器的工作原理 什么是反馈型振荡器？反馈型振

5、荡电路是指通过反馈回路将放大电路输出信号的一部分回送到输入端作为输入信号，从而产生正弦波振荡。反馈振荡器的组成框图反馈振荡器的组成框图变压器耦合反馈振荡器(a)原理电路 (b)交流通路 其主网络一般由放大器件和选其主网络一般由放大器件和选频网络组成的放大器频网络组成的放大器, 反馈网络反馈网络一般由无源器件组成。一般由无源器件组成。 如果不考虑反馈网络，上述电如果不考虑反馈网络，上述电路就是一个小信号调谐放大器。路就是一个小信号调谐放大器。5.2.1谐振回路的自由振荡并联谐振回路的自由振荡现象（a）RLC并联谐振回路 电阻 表示谐振回路中的损耗。 首先把开关拨向1，直流电源向电容C充电，电容C

6、上的电压被充至电源电压 。假设在 时刻，将开关拨向2， eoR0t 该电路产生的振荡 sintsVietL000220121eeRR CLC式中称为回路的衰减系数， 代表回路的损耗，称为回路的固有无阻尼振荡角频率。0( )0,0eaR当时，为阻尼振荡问题问题：0eR 大，振荡衰减的快还是慢？0( )0ebR 当 （即）时，为无阻尼振荡，即等幅振荡如果回路无损耗，即 则衰减系数 有 产生等幅振荡0eR 0)sinsVi ttL（( )00eocR当（即）时，为增幅振荡 负阻意味着等效为一个源的特性为谐振回路提供能量。00eR 在实际的LC谐振回路中，由于电感和电容都不可能是理想无耗的，代表回路损

7、耗的 一定大于零，因此RLC并联谐振回路中自由振荡自由振荡是衰减的阻尼振荡衰减的阻尼振荡。0eR为了得到幅度、频率都不随时间变化的稳定等幅振荡，可采取两种方法：1）正反馈的方法：利用正反馈不断地适时给回路补充能量，使之刚好与电路损耗的能量相等，就可以获得等幅的正弦振荡；2）负阻法：在电路中引入一个具有负阻特性的器件，使之等效电阻刚好与电路的损耗电阻大小相等，相互抵消，以获得一个等幅的正弦振荡。5.2.2反馈型振荡器的组成及工作原理 要产生所需的等幅振荡，必须适时适时、适量适量的补充能量。适量：如果补充的能量超过超过了消耗的能量，输出信号的振幅会增加；如果补充的能量低于低于消耗的能量，输出信号的

8、振幅就会衰减；输出信号稳定的振幅，意味着补充的能量与消耗的能量相等，形成一个动态的平衡。适时：能量的补充必需适时地进行，既不能提前，也不能滞后，因为提前或滞后都会使振荡频率发生变化。总结 振荡器中必须有一种能够自动调节补充能量大小和控制补充时间迟早的机构 前一项任务由放大器来完成； 后一项任务由选频网络和正反馈网路实现。反馈型振荡器由以下两部分构成其一，负载为谐振回路的高频调谐放大器；其一，负载为谐振回路的高频调谐放大器；它不仅要对外输出功率，而且还要通过反馈网络提供自身的输入功率，其能量来源由直流电源提供，其输出信号的频率主要由选频网络决定。其二，其二，正反馈网络正反馈网络通常由无源器件构成

9、的线性网络，不断适时的给回路补充能量，使之与回路的能量损耗相等，从而获得等幅正弦振荡。反馈型振荡器原理框图增益A的放大器放大器和反馈系数F的反馈网络反馈网络构成一个闭合环路。下图给出一个变压器耦合反馈型振荡器交流通路。非常重要的概念：环路增益环路增益 将闭合环路在“X”处断开，定义环路增益 ()()()T jA jF j放大器产生自激振荡的条件放大器产生自激振荡的条件()() ()1T jA jF j反馈放大器的增益无穷大增益无穷大。增益无穷大的物理意义增益无穷大的物理意义：当输入信号为零时，放大器具有有限输出 ，也就是说放大器无需外加信号，就可以产生输出信号，并自行维持振荡，该式又称为巴克豪

10、森准则巴克豪森准则。ou正反馈是产生自激振荡的必要条件必要条件 必要条件意味着：正反馈不一定能保证产生自激振荡，但若能产生自激振荡必然是正反馈。（这部分内容的理解参看课本p94)5.2.3反馈型振荡器的振荡条件反馈型振荡器的振荡条件一个反馈振荡器要产生稳定的振荡必须满足三个条件三个条件： 起振条件起振条件,保证接通电源后能逐步建立起振荡； 平衡条件平衡条件，保证起振之后能够进入维持等幅持续振荡的平衡状态； 稳定条件，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。1 起振过程与起振条件起振过程与起振条件 起振过程起振过程是指接通电源后，振荡从无到有的建立过程。 起振条件起振条件又称自激

11、条件自激条件。它表示振荡电路在接通电源时，输出信号从无到有建立起来应满足的条件。问题：振荡器最初的激励从何而来？ 第一，第一，来源于放大管基极电压 ，电压 在开机后由零升至定值，就相当于接入一个阶跃信号，此阶跃信号含有多种频率分量； 第二，第二，电路各部分存在许多形式的扰动，如管子的内部噪声、输入回路电阻的热噪声等，这些噪声和干扰所含有的频率成分十分丰富。这些微小的扰动电压或电流经过振荡器放大管的放大，加至负载回路及反馈网络，由负载回路及反馈网络，由于负载谐振回路的选频作用，只有与谐振回路的固有谐于负载谐振回路的选频作用，只有与谐振回路的固有谐振频率振频率 相同的那个频率成分才能在负载回路两端

12、产生电相同的那个频率成分才能在负载回路两端产生电压。压。由于正反馈的存在，这一微弱信号经过放大，反馈，再放大，再反馈，往复循环 在信号较小的起振阶段，每次返回至输入端信号的幅度总要比前一次的大，振荡幅度不断增加，完成起振过程。振荡器的起振条件振荡器的起振条件即：即：令令振幅起振条件振幅起振条件：确保 ，即反馈信号幅度大于前一次的信号输入；相位起振条件相位起振条件：确保环路始终保持正反馈。正反馈。1fiiuAF uuAF()1oscT jAF,AFjjAA eFF e上式中基本放大器的增益； 反馈系数()()()oscTjoscoscT jTe()1oscTAF()=21,2,.ToscAFnn

13、fiuu 式中 表示环路增益 的相角； 为基本放大器输出电压与输入电压的相位差； 为反馈网络的相移。TTAF2 平衡过程与平衡条件平衡过程与平衡条件 随着振幅的增大， 放大器逐渐由放大区放大区进入饱和区或截止区饱和区或截止区，工作于非线性的甲乙类状态，其增益 逐渐减小。 当 减小到使环路增益 ，即每次循环中反馈电压等于上一次的输入信号电压 时，振幅的增长过程将停止振幅的增长过程将停止，振荡器进入等幅振荡进入等幅振荡的平衡状态。 这时，每个振荡周期中，直流电源补充给LC振荡回路的能量正好等于回路损耗的能量。AA()1oscT jAF反馈振荡器的平衡条件为反馈振荡器的平衡条件为()1(=oscfi

14、T jAFuu即）振幅平衡条件振幅平衡条件：决定振荡器输出信号的幅值输出信号的幅值；相位平衡条相位平衡条件件：决定振荡器输出信号的频率输出信号的频率。振荡器的相位平衡条件相位平衡条件表述的是正反馈正反馈，也就是说仅在特定频率点 上才满足严格的正反馈，在其它频率点上无法满足正反馈条件，所以相位平衡条件决定了反馈振荡器的振荡频率。()1oscTAF()=20,1,2,ToscAFnnosc问题：如何保证振荡器振幅平衡条件振荡器振幅平衡条件？ 振荡器的振幅平衡条件是由放大器中晶体管的放大器中晶体管的非线性来保证的。非线性来保证的。在起振时， ，反馈网络提供的正反馈总是大于前一次反馈，随着输入信号幅度

15、的增加，管子在输入信号的正半周进入饱和区正半周进入饱和区，在输入信号的负半周进入截止区负半周进入截止区，也就是当输入信号 增加到一定程度后， 会出现切顶现象，虽然 不是正弦波形，但由于谐振回路的选频特性，可选出其基波分量，其输出的 电压仍为正弦波形。波形图如下。()1oscT jbeucici请思考 满足起振条件起振条件和平衡条件平衡条件的环路增益应具备什么样的特性？一般放大器的增益特性曲线均具有上述的形状，只要保证起振时环路增益幅值大于，环路增益的相位 维持在 上即可起振。 ()Tosc2n起振时 ，输入信号 迅速增长，而后 减小， 的增长速度变慢，直到 ， 停止增长，振荡器进入平衡状态，维

16、持等幅振荡。()1oscTiu()oscTiu()1oscTiu 在振荡建立过程中，环路增益 大于1，放大器的输入信号 不断增大。放大器从小信号工作状态逐渐转变为大信号工作状态，若外界不采取任何附加措施，仅靠晶仅靠晶体管自行从线性放大过渡到非线性放大，体管自行从线性放大过渡到非线性放大，必将必将发生饱和、截止发生饱和、截止现象现象。 重要提醒：重要提醒：必须避免振荡器的晶体管工作在饱和区！必须避免振荡器的晶体管工作在饱和区！请思考为什么？请思考为什么？()oscTiu 因为在饱和区饱和区晶体管的输出阻输出阻抗极低抗极低，并联在谐振回路二端，将会大大降低选频回路Q值，严重影响振荡器选频网络的滤波、选频功能。这将对振荡器的频率稳定度产生灾难性的破坏。 请思考，如何在振荡器电路设计中避免晶体管进入饱和区？管子在增幅过程中是进入截止区还是饱和区由晶体管的初始静态工作初始静态工作点决定。点决定。 静态工作点设置在 饱和失真； 设置在 截止失真。 通常振荡器的静态工作点设置在靠设置在靠近截止区，