第4章正弦波振荡器

1、第4章 正弦波振荡器1第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.2 LC 振振 荡荡 器器4.3 频率稳定度频率稳定度4.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象第4章 正弦波振荡器24.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.1.1 反馈振荡器的原理分析反馈振荡器的原理分析 反馈型振荡器的原理框图如图4 -1所示。 由图可见, 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源

2、器件组成的线性网络。)()()()()()(1)()()(1)()(jUjUjFjKjTjTjKjFjKjKjKiiu 自激振荡的条件就是环路增益为1, 即 1)()()(jFjKjT通常又称为振荡器的平衡条件平衡条件。 第4章 正弦波振荡器3 4.1.2平衡条件平衡条件 振荡器的平衡条件即为 2 , 1 , 021)(1)()()(nnKFjTjFjKjTFKT即 现以单调谐谐振放大器为例来看K(j)与F(j)的意义。 若 可得bicoUUUU,振幅平衡条件相位平衡条件第4章 正弦波振荡器4LfccbcbcioZjYIUUIUUUUjK)()( 式中, ZL为放大器的负载阻抗LjLccLeR

3、IUZYf(j)为晶体管的正向转移导纳。 fjfbcfeYUIjY)(第4章 正弦波振荡器5 与F(j)反号的反馈系数F(j)cijUUjFeFjFF)()(这样, 振荡条件可写为 1)()()()()(jFZjYjFZjYjTLfLf振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为 2 , 1 , 021nnFRYFLfLf第4章 正弦波振荡器6 4.1.3 起振条件起振条件 为了使振荡过程中输出幅度不断增加, 应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大, 即振荡开始时应为增幅振荡。1)(jT称为自激振荡的起振条件, 也可写为 , 2 , 1 , 021)(nnFRYjTFLfTLf式分别称为起振的振幅条

4、件和相位条件, 其中起振的相位条件即为正反馈条件。 第4章 正弦波振荡器70UoUb(a)A反馈特性放大特性0UoUb(b)F1AK 图 4 - 2 振幅条件的图解表示 第4章 正弦波振荡器8 4.1.4稳定条件稳定条件 振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。 振幅稳定条件为0iAiUUiUT由于反馈网络为线性网络, 即反馈系数大小F不随输入信号改变, 故振幅稳定条件又可写为 0iAiUUiUK0iAiUUiUT模越大，则稳模越大，则稳定性越好定性越好第4章 正弦波振荡器9一个正弦信号的相位和它的频率之间的关系dtdtd 相位稳定条件为 01L012 (fF )L(fF )L,振荡器

5、稳定工作时回路相频特性振荡器稳定工作时回路相频特性模越大，相模越大，相位稳定性越位稳定性越好。好。第4章 正弦波振荡器10 4.1.5 振荡线路举例振荡线路举例互感耦合振荡器互感耦合振荡器 图4 -4是一LC振荡器的实际电路, 图中反馈网络由L和L1间的互感M担任, 因而称为互感耦合式的反馈振荡器, 或称为变压器耦合振荡器。 调谐回路有不同的接入方法，可分为调集、调基和调射三种电路。画高频交流等效电路方法：直流电源到地高频扼流圈开路旁路电容短路偏置电阻可开路掌握瞬时极性法来判断相位条件是否满足振荡要求，即判断同名端是否正确。第4章 正弦波振荡器114.2 LC 振振 荡荡 器器 4.2.1振荡

6、器的组成原则振荡器的组成原则 基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器, 即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路, 如图4 - 5所示。 Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.图 4 - 5三端式振荡器的组成 第4章 正弦波振荡器12 根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有0321XXX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 İb 、集电极电流İ c以及发射极电流İe, 故由图4 - 5有IjXUIjXUcb12 因此X1、 X2应为同性质的电抗元件。 )(213XXX 即12XXF 即构成原则为：射同基反射同基反 Ic.VU

7、b.Uc.X2X1X3I.第4章 正弦波振荡器13 三端式振荡器有两种基本电路, 如图4 - 6所示。 图4 - 6 (a)中X1和X2为容性, X3为感性, 满足三端式振荡器的组成原则, 反馈网络是由电容元件完成的, 称为电容反馈振荡器, 也称为考必兹(Colpitts)振荡器。图4 - 6 (a)为电感反馈振荡器,也称为哈特雷(Hartley)振荡器。LC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2 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 第4章 正弦波振荡器14 图 4 -7是一些常见振荡器的高频电路, 读者不妨 自行判断它们是由

8、哪种基本线路演变而来的。 (d)Cbc(a)(b)(c)(e)(f)图 4 -7 几种常见振荡器的高频电路 第4章 正弦波振荡器154.2.2电容反馈振荡器电容反馈振荡器 图 4 - 8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路, 图(b) 是其交流等效电路。 CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)VLC2C1V(b)振荡频率：高振荡频率：高Q时时LCff2102121CCCCC321第4章 正弦波振荡器16gieUb.C1C2egieUb.(c)goegLbUb.gmI.起振条件：起振条件：当不考虑gie的影响（ ）时, 反馈系数F(j)的大小为20Cgie放大器增益为：LoembcgggUU

9、jKK)(起振条件：121CCgggKFLoem123211211)(CCCCUUjFFcb=www第4章 正弦波振荡器17 特点：特点： 易起振，调C1、 C2或 IEQ； 振荡频率在100MHz以上； C2 对高次谐波阻抗小，反馈电压中谐波成分小，振荡输出波形好； 增加电容值，可使稳定度增大。 调C1、 C2时会改变反馈系数大小，影响起振条件，频率范围小；gieUb.C1C2egieUb.(c)goegLbUb.gmI.123第4章 正弦波振荡器184.2.3 电感反馈振荡器电感反馈振荡器 图4 - 9是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。 CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2

10、Ucb.Ub.CL2L1V(b)振荡频率：高振荡频率：高Q时时CLff210MLLL221213第4章 正弦波振荡器19gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M起振条件：起振条件：MLMLjFF12)(放大器增益为：LoembcgggUUjKK)(起振条件：起振条件：112MLMLgggKFLoem反馈系数为：（工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响）123第4章 正弦波振荡器20 特点:： 易起振； 调C时不会改变反馈系数大小，调整频率方便； 振荡频率小于100MHz； L2 对高次谐波阻抗大 ，反馈电压中谐波成分大，振荡输出波形不好； 分布电容与电感

11、并联，稳定度不好。gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M123第4章 正弦波振荡器214.2.4 两种改进型电容反馈振荡器两种改进型电容反馈振荡器1. 克拉泼振荡器克拉泼振荡器 图4 - 10是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路 。R2R1ReCbEcRc(a )LC1C2C3(b )L RoC1C2C3V 图 4 10 克拉泼振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路332111111213CCCCCCCC213011CCFLCLCR2R1ReCbEcRc(a )LC1C2C3(b )L RoC1C2C3VoLRCCRpRCCp2130213

12、)(特点：nC3将C1、C2与L隔离，f0仅取决于C3；n频率覆盖系数为1.21.3，但频率不可很高；nC3影响起振。第4章 正弦波振荡器222. 西勒振荡器西勒振荡器 图4 -11是西勒振荡器的实际电路和交流等效电路。 它的主要特点, 就是与电感L并联一可变电容C4。 R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V 图 4 -11 西勒振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路OLRCCRCCLLCCCCCCCC213430434321)()(111111特点：特点：n幅度平坦，高频时易起振；幅度平坦，高频时易起振；C4不影响起振，频率覆盖系数为不影响起

13、振，频率覆盖系数为1.61.8，频率更高。，频率更高。第4章 正弦波振荡器234.2.6 压控振荡器压控振荡器 压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。 压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量, 用S表示, 即0Cj21/31/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468ufS变容管的Cju曲线 变容二极管结电容Cj与在其两端所加反偏电压u之间存在着如下关系:0(1)jCCuu第4章 正弦波振荡器24 12 VL1100 pF输出V110 k100 pFC11.5 pFC2V2控制电压100kCj0f0Uf 图 4 - 13 压控振荡器线路 图 4 - 14 压

14、控振荡器的频率与控制电压关系 图4 -14示出了一压控振荡器的频率-控制电压特性, 一般情况下, 这一特性是非线性的, 非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。静态负偏压,加交流控制电压;抑制高频振荡信号对直流偏压及控制电压的影响第4章 正弦波振荡器254.3 频率稳定度频率稳定度 4.3.1 频率稳定度的意义和表征频率稳定度的意义和表征 振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化, 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度, 它是振荡器的一个很重要的指标。 001001ffffffff第4章 正弦波振荡器26 4.3.2 振荡器的稳频原理振荡器的稳频原理 1. 回路谐振频率0的影响 0由构

15、成回路的电感L和电容C决定,回路元件L和C的稳定度将影响振荡器的频率稳定度。2. 、QL对频率的影响 绝对值越小，频率稳定度越高；QL越大，频率稳定度越高。所以负载对回路加载要轻，回路效率要低。FfFf第4章 正弦波振荡器274.3.3 提高频率稳定度的措施1. 提高振荡回路的标准性采用温度系数小的电感、电容；用负温度系数的电容补偿正温度系数的电感的变化；把振荡器放到恒温槽内。2. 减少晶体管的影响极间电容将影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外,应选择fT较高的晶体管。 3. 提高回路的品质因数回路的Q值越大,相位越稳定，频率也越稳定。 4. 减少电源、负载等的

16、影响振荡器电源应采取必要的稳压措施。应减小负载对回路的耦合，加射随器输出。第4章 正弦波振荡器284.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑 1振荡器电路选择 2晶体管选择 3直流馈电线路的选择 4振荡回路元件选择 5反馈回路元件选择 第4章 正弦波振荡器294.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 4.5.1 石英晶体振荡器频率稳定度 石英晶体谐振器具有优良的特性,具体表现为： (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,一般为10-310-4。 (3) 石英晶体谐振器具有非常高的Q值。 4.5.2 晶体振荡器电路根据晶体在电路中的作用,可以将晶体振

17、荡器归为两大类:并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。 第4章 正弦波振荡器30 图417 皮尔斯振荡器 CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC01并联型晶体振荡器 图4-17示出了一种典型的晶体振荡器电路,当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性,该电路满足三端式振荡器的组成原则,而且该电路与电容反馈的振荡器对应,通常称为皮尔斯(Pierce)振荡器。第4章 正弦波振荡器31图419 并联型晶体振荡器的实用线路 20012 VC1V68 k 3/15 pF20 pF15 k 33 k 7503DG6C300 pF4700

18、pF301 kC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)750510320反馈系数F的大小为 。由于晶体的品质因数Q很高,故其并联谐振电阻Ro也很高,虽然接入系数p较小,但等效到晶体管CE两端的阻抗RL仍较高,所以放大器的增益较高,电路很容易满足振幅起振条件。 12CFC12CFC第4章 正弦波振荡器32图420 密勒振荡器 EcVC2LCeC1图4-21 泛音晶体皮尔斯振荡器 VLC13/15 pF430 pF220 pF20 pF5.6 H第4章 正弦波振荡器33 2串联型晶体振荡器 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。图4-23示出了一串联型晶体振荡器的实际线路和等效电路。 图4-23一种串联型晶体振荡器(a)实际线路;(b)等效电路 EcVLC2C1(a)C1C2LVJT(b)第4章 正弦波振荡器343使用注意事项 使用石英晶体谐振器时应注意以下几点: (1)石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前,在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使用时也必须外加负载电容,并经微调后才能获得标称频率。 (2)石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。 (3)在并联型晶体振荡器中,石英晶体起等效电感的作用。 (4)晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频