第3章正弦波振荡器-1ppt课件

1、第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器概述概述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、与功放比较一、与功放比较( (从能量角度从能量角度) )1功率放大器将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。特点：被动地，需输入信号控制2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

2、量。特点：自动地，无需输入信号控制。二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用1作信号源(本章将讨论)载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。 要求：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能源(本章不讨论本章不讨论)用处：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能用处：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。源。要求：功率足够大，高效。要求：功率足够大，高效。三、分类三、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

3、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 1组成组成主网络与反馈网络构成闭合环路。主网络与反馈网络构成闭合环路。 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例：变压器耦合反馈振荡器例：变压器耦合反馈振荡器(交流通路交流通路)。(1)(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)(2)反馈网络反馈网络与与 L L 相耦合的线圈相

4、耦合的线圈 Lf Lf 。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, ,即处于稳定状态。即处于稳定状态。闭合环路成为反馈振荡器的三个条件：闭合环路成为反馈振荡器的三个条件： 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

5、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件。第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器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、

6、电流突变或管子、电路中的固有噪声电路中的固有噪声)，具有很宽的频谱。，具有很宽的频谱。 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 的分的分量量(osc 0)在谐振回路两端产生较大的电压。在谐振回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，使振荡电压的振幅不断增长。同相，经放大和反馈的循环，使振荡电压的振幅不断增长。2起振条件起振条件)(j)(j)(jfofioif kAVVVVVVT ifVV ，或环路增益，或环路增益1)(oscT(2)(2)相位起振条件相位起

7、振条件 T(osc) = A(osc) + f(osc) = 2n(n = 0，1，2，) 二、平衡条件二、平衡条件1分析分析ifVV 同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一频率若在某一频率 osc 上，fV与与iV当环路闭合后：当环路闭合后：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。 iVfV(1)(1)振幅起振条件振幅起振条件2平衡条件平衡条件)(joscoscosce )()j ( TTT 由由那么：那么： 振幅平衡条件：环路增益的模振幅平

8、衡条件：环路增益的模 T(osc) = 1 相位平衡条件：环路增益的相角相位平衡条件：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； 随后，随后，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，振荡器进入平衡停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅状态，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 特性如图特性如图 3-

9、1-2 所示。所示。图图 3-1-23-1-2 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。 平衡条件多利用放大平衡条件多利用放大器的非线性实现。器的非线性实现。 例例:变压器耦合反馈振荡器：变压器耦合反馈振荡器：刚通电时，刚通电时，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

10、，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。 符合起振与平衡条件对符合起振与平衡条件对 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：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和外部：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：存在固有噪声内部：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,进进入平衡后与输入电压叠加引起波动入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

11、的变化，破坏平衡条件。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，导致停振或突变到新的平振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。 振荡器有回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，振荡器有回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。定的。二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件 图图 3-

12、1-2 所示环路增益特性，所示环路增益特性，还满足振幅稳定条件。还满足振幅稳定条件。 1稳定过程稳定过程 ,iAiVV 1)(osc T假设假设，干扰使：，干扰使：iAiVV 1)(osc TiV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 3-1-33-1-3如图 3-1-3 所示，振荡器存在着两个平衡点 A 和 B，其中 A 是稳定的，B 点是否稳定？分析：若使分析：若使 Vi Vi

13、B ，那么，那么 T(osc) 随之增大，导致随之增大，导致 Vi 进一步增大，从而更远离平衡点进一步增大，从而更远离平衡点 B。最后到达平衡点。最后到达平衡点 A。 iV反之，假设反之，假设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可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产起振条件，必须加大的电冲击，产生大于生大于ViB 的起始扰动电压，才能的起始扰动电压，才能进入平衡点进入平衡点 A，产生持续等幅振荡。，产生持续等幅振荡。硬激励：靠外加冲击而产生振荡。硬激励：靠外加冲击而产生振荡。软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。软激励：接通

14、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，要使平衡点稳定，可见，要使平衡点稳定，T(osc) 必须在必须在 ViA 附近具附近具有随有随 Vi 增大而下降增大而下降(负斜率变化负斜率变化)的特性，即的特性，即0)(iAiosc VVT 斜率越陡，那么斜率越陡，那么 Vi 的变化而产生的的变化而产生的 T(osc) 变化越变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。大，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1T(osc) 的偏移对振荡频率的影响的偏移对振荡频率的影响 由相位平衡条件由相位平衡条件T(osc) = 2n(n = 0，1，2，)，表明每次放大，表明每次放大和反馈后的电压与原输入电压同相。和反馈后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，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。由反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。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，因而，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率而，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率 osc。 反之，若某种原因使反之，若某种原因使 T