非线性电子线路ch3-1

1、第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器概概述述3.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度3.4晶体振荡器晶体振荡器3.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据寄生振荡、间歇振荡和频率占据概述概述一、一、与功放比较与功放比较( (从能量角度从能量角度) )1功率放大器功率放大器将将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。变能量。特点：被动地，需特点：被动地，需输入信号控制输入信号控制2正

2、弦波振荡器正弦波振荡器( (Sinewave Oscillator) )将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：特点：自动地自动地，无，无需输入信号控制。需输入信号控制。二、二、正弦波振荡器的应用正弦波振荡器的应用1作信号源作信号源( (本章本章将讨将讨论论) )载波信号载波信号：无线发射机；本振信号无线发射机；本振信号：超外差接收机超外差接收机；正弦波信号源正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号电子测量仪器；时钟信号：数字系统数字系统。 要求：要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。振荡频率和振幅的准确性和稳定性。 2正弦交变能源正弦交变

3、能源( (本章本章不讨论不讨论) )用途：用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。源。要求：要求：功率足够大功率足够大，高效高效。三、三、分类分类( (按组成原理按组成原理) )1反馈振荡器反馈振荡器利用正反馈原理构成，应用广泛。利用正反馈原理构成，应用广泛。2负阻振荡器负阻振荡器利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。工作于微波段。工作于微波段。3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理1组成组成主网络与反馈网络构成主网络与反馈网络构成闭合环路闭合环路。 图图 3- -1- -

4、1反馈振荡器的组成方框及相应电路反馈振荡器的组成方框及相应电路例：变压器耦合反馈例：变压器耦合反馈振荡器振荡器( (交流通路交流通路) )。( (1) )主网络主网络负载为谐振回路的谐振放大器。负载为谐振回路的谐振放大器。图图 3- -1- -1反馈振荡器的组成方框及相应电路反馈振荡器的组成方框及相应电路( (2) )反馈网络反馈网络与与 L 相耦合的线圈相耦合的线圈 Lf 。反馈振荡器工作原理反馈振荡器工作原理2等幅持续振荡的条件等幅持续振荡的条件 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程。的过程。 进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要

5、能维持进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。在相应的平衡值上。 当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。产生突变或停止振荡。闭合环路成为反馈振荡器的闭合环路成为反馈振荡器的三个条件三个条件： 起振条件起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。接通电源后可从无到有建立起振荡。 平衡条件平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。 稳定条件稳定条件平衡状态不因外界不稳定因素的影响平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏。而受到破坏。以下分别讨论这三个条件。以下分别讨论这三个条

6、件。第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件3.1.2稳定条件稳定条件3.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件 1分析分析 刚通电时，电路中存在电的扰动刚通电时，电路中存在电的扰动( (电流突变或管子、电流突变或管子、电路中的固有噪声电路中的固有噪声) )，具有，具有很宽的频谱很宽的频谱。 谐振回路的选频功能，只允许角频率为谐振回路的选频功能，只允许角频率为 osc 的分量的分量( ( osc 0) )在谐振回路两端产生较大的电压。在谐振回

7、路两端产生较大的电压。fViV 变压器绕向正确，可保证反馈信号变压器绕向正确，可保证反馈信号 与输入信号与输入信号 同相，经放大和反馈的循环，同相，经放大和反馈的循环，使使振荡电压的振幅不断增长。振荡电压的振幅不断增长。2起振条件起振条件)(j)(j)(jfofioif kAVVVVVVT ( (1) )振幅起振条件振幅起振条件ifVV ，或或环路增益环路增益1)(osc T( (2) )相位起振条件相位起振条件 T( osc) = A( osc) + f( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) ) 二、二、平衡条件平衡条件1分析分析ifVV 同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一频率若

8、在某一频率 osc 上，上，fV与与iV当当环路闭合环路闭合后：后：osc oV 主网络将输出正弦振荡电压主网络将输出正弦振荡电压 ，角频率为，角频率为 。 所需输入电压所需输入电压 全部由反馈电压全部由反馈电压 提供，无需外提供，无需外加输入电压。加输入电压。 iVfV2平衡条件平衡条件)(joscoscosce )()j ( TTT 由由则：则： 振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模 T( osc) = 1 相位平衡条件：相位平衡条件：环路增益的相角环路增益的相角 T( osc) = 2n (n 0，1，2，) 3讨论讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：反馈振荡器需

9、同时满足起振条件与平衡条件： 起振时起振时，T( osc) 1，Vi 迅速增长；迅速增长； 随随后后，T( osc)下降，下降，Vi 的增长速度变慢；的增长速度变慢； 到到 T( osc) = 1 时，时，Vi 停止增长，振荡器进入平衡状停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。上维持等幅振荡。环路增益环路增益 特性特性如图如图 3- -1- -2 所示所示。图图 3- -1- -2 而环路增益的相角而环路增益的相角 T( osc) 则必须维持在则必须维持在 2n 上。上。 平衡条件平衡条件多利用放大多利用放大器的非线性实现。器的非线性实现。

10、例例变压器耦合反馈振荡器变压器耦合反馈振荡器：刚通刚通电电时，时，Vi 很小，放大器小信号工作，增益较大，很小，放大器小信号工作，增益较大，相应的相应的 T( osc) 为大于为大于 1 的水平线。的水平线。当当 Vi 增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随于放大特性非线性，放大器的增益将随 Vi 增大而减小，相增大而减小，相应地应地 T( osc) 也就随着也就随着 Vi 的增大而下降。的增大而下降。 符合符合起振与平衡条件起振与平衡条件对对 T( osc) 的要求。的要求。3.1.2稳定条件稳定条件一、问题的提

11、出一、问题的提出1振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 外部：外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。回路参数的变化。 内部：内部：存在固有噪声存在固有噪声( (起振时的原始输入电压起振时的原始输入电压, ,进入进入平衡后与输入电压叠加引起波动平衡后与输入电压叠加引起波动) )。 均造成均造成 T( osc) 和和 T( osc) 的变化，破坏平衡条件。的变化，破坏平衡条件。2干扰对平衡状态的影响干扰对平衡状态的影响( (两种两种) )通过放大和反馈的反复循环：通过放大和反馈的反复循环： 振荡器离开原平衡状态，导致振荡器离开原平衡状态，

12、导致停振停振或或突变突变到到新的平新的平衡状态衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。原平衡状态是不稳定的，应避免。 振荡器有回到平衡状态的振荡器有回到平衡状态的趋势趋势。当干扰消失后，能。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。必必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件 图图 3- -1- -2 所示所示环路增益特环路增益特性，还满足振幅稳定条件。性，还满足振幅稳定条件。 1稳定过程稳定过程 ,iAiVV 1)(osc T若若，干扰使：，干扰使：iAiVV 1)

13、(osc T iV)(osc T 环路特性环路特性 最后在新的最后在新的 上重新满足平衡条件上重新满足平衡条件 T( osc) = 1iAV 最后达到新的平衡。最后达到新的平衡。iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 环路特性环路特性2环路增益存在两个平衡点的情况环路增益存在两个平衡点的情况图图 3- -1- -3如如图图 3- -1- -3 所示所示，振荡器存在着两个，振荡器存在着两个平衡点平衡点 A 和和 B，其中其中 A 是稳定的，是稳定的，B 点点是否稳定？是否稳定？分析：分析：若使若使 Vi ViB ，则，则 T( osc) 随之增大，导致随之增大，导致 Vi 进进一步增大

14、，从而更远离一步增大，从而更远离平衡点平衡点 B。最后到达。最后到达平衡点平衡点 A。 iV反之反之，若，若iBiVV )(osc T ，直到停止振荡。直到停止振荡。可见，这种振荡器不满足振幅起可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，振条件，必必须加大的电冲击，产生大须加大的电冲击，产生大于于ViB 的起始扰动电压，的起始扰动电压，才能进入才能进入平衡平衡点点 A，产生持续等幅振荡。，产生持续等幅振荡。硬激励：硬激励：靠外加冲击而产生振荡。靠外加冲击而产生振荡。软激励：软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。接通电源后自动进入稳定平衡状态。3振幅稳定条件振幅稳定条件 可见，可见，要使平衡点稳定，要

15、使平衡点稳定，T( osc) 必须在必须在 ViA 附近具有附近具有随随 Vi 增大而下降增大而下降( (负斜率变化负斜率变化) )的的特性特性，即，即0)(iAiosc VVT 斜率越陡，则斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的的变化而产生的 T( osc) 变化越大，变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。三、相位三、相位( (频率频率) )稳定条件稳定条件1 T( osc) 的偏移对振荡频率的影响的偏移对振荡频率的影响 由由相位平衡条件相位平衡条件 T( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) )，表明每次放大和反，表明每次放大和反馈馈后后

16、的电压与原输入电压同相。的电压与原输入电压同相。 若某种原因使若某种原因使 T( osc) 0，则通过每次放大和反馈，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将后的电压相位都将超前超前于原输入电压相位。由于原输入电压相位。由 = / t ( (正弦电压角频率是瞬时相位对时间的导数正弦电压角频率是瞬时相位对时间的导数) ) ，因此，这种，因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率相位的不断超前表明振荡器的角频率 osc。 反之反之，若某种原因使，若某种原因使 T( osc) 0，则由于每次放大，则由于每次放大和反馈后的电压相位都要和反馈后的电压相位都要滞后滞后于原输入电压相位，因而振于原输入电压相位，

17、因而振荡频率荡频率 0( (即即 osc) )，由特性，由特性， T( ) 0， Vi 的超前势的超前势必受到阻止必受到阻止。 若某种原因使若某种原因使 T( osc) 0 ( (即即 0， Vi 滞后滞后必受阻必受阻。两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原振荡两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原振荡频率附近频率附近osc 达到新的平衡，使达到新的平衡，使 。0)(osc 0)(oscT 3相位稳定条件相位稳定条件斜率越陡，斜率越陡，则稳定性越灵敏。则稳定性越灵敏。图图 3- -1- -4 4举举例例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。 T

18、( ) 由由两部分组成：两部分组成： ( (1) )放大器输出电压放大器输出电压 对输入电压对输入电压 的相移的相移 A( )iVoV( (2) )反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 对对 的相移的相移 f( )oVfV即即 T( ) = A( ) + f( ) T( ) = A( ) + f( ) A( )放大管放大管( (可略可略) )并联谐振回路相移并联谐振回路相移 Z( ) f( )，随随 的变化十分缓慢，可认为它与的变化十分缓慢，可认为它与 无关。无关。故故 Z( ) 随随 变化的特性可代表变化的特性可代表 T( ) 随随 变化的特性。变化的特性。( (a) )并联谐振回路并联谐振回路

19、图图 3- -1- -5谐振回路的相频特性曲线谐振回路的相频特性曲线并联谐振回路，其相频特性并联谐振回路，其相频特性e00z)(2arctan)(Q 0 谐振频率谐振频率 Qe 有载品质因数有载品质因数 可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，的谐振回路来满足相位稳定条件的，且且 Qe 越高越高， Z( ) 随随 的变化斜率越大，频率稳定度越高。的变化斜率越大，频率稳定度越高。3.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法 要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、

20、起振、平衡、稳定稳定三项条件。三项条件。 1组成组成 可变增益放大器可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。 相移网络相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n 。或：四个环节或：四个环节 稳定环节稳定环节正反馈环节正反馈环节选频环节选频环节放大环节放大环节2种类种类 根据可变增益放大器和相移网络的不同：根据可变增益放大器和相移网络的不同：( (1) )可变增益放大器可变增益放大器 按放大管按放大管晶体管放大器晶体管放大器场效应管放大器场效应管放大器差分对管放大器差分对管放大器集成运算放大器等集成运算放大器等 按实现可变增益的方法按实现可变增益的方法内稳幅内稳幅(