第七章 振荡器5-1(原理)

1、第七章第七章 振荡器振荡器振荡器功能振荡器功能：不需要输入信号控制就能自动的将不需要输入信号控制就能自动的将直流电源的能量直流电源的能量 转变转变为特定频率和振幅的为特定频率和振幅的交变能量交变能量的电路的电路 振荡器的振荡器的指标：指标：频率频率频率的准确度与稳定度频率的准确度与稳定度 振幅振幅振幅的大小与稳定性振幅的大小与稳定性 波形波形及波形的失真及波形的失真 输出功率输出功率能带动一定阻抗的负载能带动一定阻抗的负载 振荡器的振荡器的分类分类按按电路原理电路原理分分按按输出波形输出波形分分正弦波、方波、三角波等正弦波、方波、三角波等反馈型反馈型振荡器振荡器负阻型负阻型振荡器振荡器 本章主

2、要内容本章主要内容反馈型正弦波反馈型正弦波振荡器电路原理及性能振荡器电路原理及性能电压控制频率电压控制频率振荡器原理振荡器原理带反馈的放大电路带反馈的放大电路反馈型反馈型振荡器振荡器基于基于放大放大与与反馈反馈的机理的机理ioVjAV)(oFVjFV)(FsiVVV反馈放大器的增益反馈放大器的增益: : FAAVVAsof17.1 反馈型振荡器的基本原理反馈型振荡器的基本原理1. 基本组成基本组成7.1.1 反馈型振荡器的基本组成与平衡条件反馈型振荡器的基本组成与平衡条件 1FA当当 时时 ofsVAV FAAVVAsof1说明什么？说明什么？ 不需要不需要 输入信号输入信号（ ） 就有输出就

3、有输出0SV 振荡器振荡器iFVV0SV 反馈型振荡器基本组成反馈型振荡器基本组成闭环回路闭环回路放大器放大器反馈支路反馈支路如何保证如何保证单一频率单一频率的的正弦波正弦波？或或选频反馈选频反馈闭环回路中必须有一闭环回路中必须有一选频回路选频回路或或选频放大器选频放大器只能在频率只能在频率 上满足上满足 osc1)()(oscoscjFjA 带带选频放大器选频放大器的的反馈型正弦波振荡器反馈型正弦波振荡器带带选频反馈支路选频反馈支路的的反馈型正弦波振荡器反馈型正弦波振荡器构成振荡器的构成振荡器的三个条件三个条件平衡平衡条件条件起振起振条件条件稳定稳定条件条件2. 平衡条件平衡条件反馈振荡器的

4、反馈振荡器的环路增益环路增益为：为： )()()(jFjAVVjTiF振荡平衡时振荡平衡时,在频率在频率 处有处有:osc()1oscT j平衡条件平衡条件振幅平衡振幅平衡条件：条件：1)()()(oscoscoscjFjAjT环路增益的模为环路增益的模为1 1 相位平衡相位平衡条件：条件： noscoscoscjFjAjT2)()()( (n=0,1,2) 环路增益的环路增益的相移为相移为0 0，即，即 与与 同相同相，满足，满足正反馈正反馈条件条件 FViV 如何保证如何保证正反馈？正反馈？变压器的变压器的同名端同名端必须正确必须正确相位平衡相位平衡条件分析条件分析nVVjFoF)(12N

5、Nn 反馈系数反馈系数为：为： ()()()mT jA jF jg Z jF（振荡器的振荡器的环路增益环路增益 相位平衡相位平衡条件的应用条件的应用 ？可用来求振荡器的可用来求振荡器的振荡频率振荡频率 为求为求相移相移()T j求求)(jT()A j()F j)()(jZgVVjAmio放大器的放大器的增益增益为：为：mg()Z jiVoV注意注意FjZgjFjAjTm)()()(（由环路增益表达式由环路增益表达式)()(Fgjzm即：即：？ 什么频率值什么频率值时能满足此条件时能满足此条件？环路环路总相移应满足总相移应满足：0)()(FjzgjTm放大器跨导相移放大器跨导相移LC谐振回路相移

6、谐振回路相移反馈网络相移反馈网络相移LC回路回路相频特性相频特性00)(2Qarctgjz mgF 和和 都都很小很小，而且几乎而且几乎不随不随 而变化而变化交点交点交点交点 相位平衡相位平衡()0T j相位平衡点相位平衡点的频率值的频率值osc即即振荡频率振荡频率问题：问题：为什么为什么 ？0osc什么时候什么时候0osc0FF本电路本电路反馈系数反馈系数 是是变压器的变压器的匝数比匝数比 n ，ZT0osc()()mgz jT jF 环路增益环路增益的相频特性的相频特性选频回路选频回路的相频特性的相频特性主要取决于主要取决于回路回路Q越大越大，相频特性的斜率越陡，相频特性的斜率越陡，选频、

7、滤波选频、滤波特性越好特性越好当管子和反馈网络引入的相移可以忽略时，当管子和反馈网络引入的相移可以忽略时，振荡频率等于振荡频率等于选频回路选频回路的的中心频率中心频率结论：结论： 相位平衡条件相位平衡条件 决定了决定了振荡频率振荡频率当管子的当管子的特征频率特征频率选得合适时：选得合适时： 0mg7.1.2 7.1.2 起振条件起振条件振荡如何振荡如何产生？产生？为了保证输出信号从无到有为了保证输出信号从无到有幅度幅度不断增长不断增长 ，起振时要求：，起振时要求：iFVVFViV反馈电压反馈电压 输入电压输入电压同相，且同相，且（1）振幅条件振幅条件1)()()(jFjAVVjTiF环路增益环

8、路增益T = AF大于大于1 1增益增益越大越易起振越大越易起振 （2）相位条件相位条件0)()()(jFjAjT环路增益的环路增益的相位为相位为0 0满足满足正反馈正反馈条件条件 振荡器的振荡器的起振过程起振过程分析？振荡如何分析？振荡如何从无从无平衡平衡？ 起振时放大器的起振时放大器的工作条件和状态工作条件和状态放大器放大器 小信号、线性工作状态，高增益小信号、线性工作状态，高增益A，必须设置必须设置合适的工作点合适的工作点可用晶体管可用晶体管交流交流小信号小信号等效电路等效电路计算增益计算增益 起振过程中放大器起振过程中放大器工作状态工作状态的的变化变化 为保证正弦波振荡，要求选频回路必

9、须为保证正弦波振荡，要求选频回路必须高高Q环路增益环路增益T 1iV 放大器放大器小信号小信号 大信号大信号线性线性 非线性非线性不能用小信号等效电路不能用小信号等效电路出现谐波，输出波形失真出现谐波，输出波形失真FiVV 从起振的从起振的AF 1 ？ 平衡时的平衡时的 AF = 1晶体管晶体管反馈变压器反馈变压器选频回路选频回路非线性器件非线性器件是是晶体管晶体管环路中环路中一定有一定有一个一个非线性器件非线性器件参数随参数随信号大小信号大小变化而变化而变化变化大信号大信号非线性非线性增益压缩增益压缩A 下降下降T=AF1 下降下降AF =1 平衡平衡注意：注意：区分区分起振起振和和平衡平衡

10、时放大器的时放大器的不同状态不同状态 晶体管晶体管大信号工作给振荡器大信号工作给振荡器带来的问题带来的问题及及解决方法解决方法大信号工作大信号工作饱和饱和截至截至减少减少晶体管的晶体管的非线性非线性采取措施采取措施保证保证AF1 AF=1的过渡的过渡非线性非线性 出现谐波出现谐波 需选频滤波需选频滤波晶体管输出阻抗影响选频晶体管输出阻抗影响选频回路回路Q值值措施措施1. 用用差分放大器差分放大器代替单管放大器代替单管放大器伏安特性伏安特性双曲正切函数双曲正切函数iV ，电流，电流 常数常数放大器增益下降放大器增益下降但但晶体管没有饱和晶体管没有饱和措施措施2. 闭环增益自动控制闭环增益自动控制

11、特点：特点：外电路检测幅度，控制增益，使晶体管不达饱和外电路检测幅度，控制增益，使晶体管不达饱和 带选频放大器和变压器反馈的振荡器带选频放大器和变压器反馈的振荡器交流通路交流通路带偏置的完整电路带偏置的完整电路直流直流偏置电阻偏置电阻 、 、 1bR2bRER交流旁路交流旁路电容电容EC隔直流隔直流电容电容BC措施措施3. 采用采用偏置偏置电路的电路的负负反馈反馈221bbbccbRRRVE1212bbbbbR RRRR起振过程中，由于管子的非线性起振过程中，由于管子的非线性平均分量平均分量 和和 均增大均增大eIbI工作点工作点左移左移管子趋于管子趋于截至截至增益增益A下降下降AF=1平衡平

12、衡称为称为自偏置效应自偏置效应结果：结果： 利用管子趋于利用管子趋于截至截至而不是而不是饱和饱和使增益下降使增益下降 使选频回路使选频回路Q不受影响不受影响选频特性好选频特性好带自偏置效应的振荡器的带自偏置效应的振荡器的特点特点 起振过程有起振过程有直流直流负负反馈反馈 振荡器的振荡器的环路增益环路增益 随随 的的 变化曲线变化曲线比等偏置电路比等偏置电路更陡更陡 TiV7.1.37.1.3 振荡器的振荡器的稳定条件稳定条件 振荡器的平衡振荡器的平衡稳定？稳定？不稳定？不稳定？1. 振幅振幅稳定条件稳定条件稳定稳定经过外界扰动，系统能经过外界扰动，系统能自动恢复自动恢复（靠近）到原平衡位置（靠

13、近）到原平衡位置0平衡点iVT为使振幅稳定，振荡器的为使振幅稳定，振荡器的振荡特性曲线振荡特性曲线 在在 平衡点处必须是平衡点处必须是负斜率负斜率的，且曲线的，且曲线越陡越陡，稳定性，稳定性越好越好。iTV结论：结论：振荡曲线振荡曲线iTV起始起始点点 自动起振自动起振1T 平衡平衡点点 且且 稳定稳定 1T 0平衡点iVT曲线曲线A曲线曲线B曲线曲线A曲线曲线B起始起始点点 不能起振不能起振1T 软激励软激励硬激励硬激励平衡点平衡点N ： 平衡点平衡点M ： 0iTV平衡点1T 但但 不稳定不稳定1T 0平衡点iVT且且 稳定稳定振幅稳定条件分析振幅稳定条件分析2.2. 相位相位稳定条件稳定

14、条件 讨论相位稳定前应讨论相位稳定前应明确：明确： 正弦振荡正弦振荡 频率和相位的关系频率和相位的关系tVtvmcos)(dtd相位超前，频率必然上升相位超前，频率必然上升相位迟后，必然是频率下降相位迟后，必然是频率下降振荡器的振荡器的相位稳定相位稳定条件也就是振荡器的条件也就是振荡器的频率稳定频率稳定条件条件 结论：结论：为使为使相位稳定相位稳定，振荡器的环路增益的，振荡器的环路增益的相位频率特性相位频率特性 在平衡点处必须是在平衡点处必须是负斜率负斜率的。的。T0平衡点T相位稳定条件：相位稳定条件：dtd相位超前，频率必然上升相位超前，频率必然上升相位迟后，必然是频率下降相位迟后，必然是频

15、率下降相位稳定条件分析相位稳定条件分析环路增益环路增益的相位：的相位：ZFgTmz因为因为 和和 几乎几乎不随频率而变不随频率而变 mgF并联谐振回路并联谐振回路的相频特性的相频特性 002ezQarctgZ曲线曲线 是是负斜率负斜率的，的，所以，振荡器是所以，振荡器是相位稳定相位稳定的的mgTFz000002(2)eTzeQarctg Q 相位相位稳定性稳定性频率频率稳定性的稳定性的优劣优劣相频曲线相频曲线 越陡越陡，即，即 越大，稳定性越大，稳定性越好越好TT结论：结论：选频回路的选频回路的 Q 值值越高越高，振荡器的，振荡器的频率稳定性越好频率稳定性越好 外界扰动外界扰动使电路参数变化使电路参数变化分析反馈型振荡器时