高频电子电路第3章

1、1第三章第三章 正弦波振荡器正弦波振荡器3 31 1 概述概述3 32 2 反馈振荡器原理反馈振荡器原理3. 33. 3 振荡条件的分析振荡条件的分析 3. 43. 4 LC振荡电路振荡电路3.53.5 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性3.63.6 晶体振荡器晶体振荡器 3.73.7 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象3.83.8 RC RC振荡器振荡器返回休息1休息2第三章第三章 正弦波振荡器正弦波振荡器31 概概述述 振振荡荡器器：在在没没有有激激励励信信号号的的情情况况下下，能能自自动动的的将将直直流流电电源源能能量量转转换换为为周周期期性性交交流流信信号号输输出出的的电电子子电电

2、路路。振振荡荡器器的的应应用用十十分分广广泛泛，振振荡荡器器的的种种类类也也很很多多。 反反馈馈振振荡荡器器 按按振振荡荡原原理理分分类类 负负阻阻振振荡荡器器 低低频频振振荡荡器器 按按振振荡荡频频率率分分类类 高高频频振振荡荡器器 正正弦弦波波振振荡荡器器 按按振振荡荡波波形形分分类类 非非正正弦弦波波振振荡荡器器（多多谐谐振振荡荡器器等等） LC 振振荡荡器器 按按选选频频回回路路元元件件性性能能分分类类 RC 振振荡荡器器 晶晶体体振振荡荡器器等等休息1休息232 反馈振荡器原理反馈振荡器原理一一 反反馈馈振振荡荡器器工工作作原原理理分分析析能能产产生生自自激激振振荡荡一一个个基基本本

3、的的条条件件是是必必须须构构成成正正反反馈馈回回路路，即即反反馈馈到到输输入入端端的的信信号号和和放放大大器器输输入入信信号号相相位位相相同同。 suiufuou如如果果设设放放大大器器的的电电压压放放大大倍倍数数为为 A（s） ，反反馈馈网网络络的的反反馈馈系系数数为为 F（s）则则有有： 闭闭环环增增益益：)()()(sususAsof , 开开环环增增益益： )()()(sususAioo 反反馈馈系系数数：)()()(sususFof 又又因因为为：)()()(sususufsi )()(1)()()()()(1)()()(1)()()()()()(sFsAsAsususususAsu

4、sususususususAooofiooifioiiof 其其中中： )()()()()(sususFsAsTifo 称称为为反反馈馈系系统统的的环环路路增增益益。 若若令令 js 代代入入上上式式,则则有有： )()()()( jFjAsFsAoo 则则有有 )( jAf,即即表表明明在在没没有有外外加加信信号号,也也可可以以维维持持振振荡荡输输出出, 故故自自激激振振荡荡的的条条件件为为: 1)()( jFjA 显显然然在在某某一一个个工工作作频频率率 o 时时, 如如果果1)()( ooojFjA ,即即)()(susufi 休息1休息2 放大器放大器 A（s） 反馈网络反馈网络 F（

5、s）二二正弦波正弦波反馈振荡器的电路组成反馈振荡器的电路组成正正 弦弦 波波 反反 馈馈 振振 荡荡 器器 主主 要要 由由 三三 个个 部部 分分 构构 成成 : 电源电源 有源器件有源器件 选频网络选频网络 反馈网络反馈网络1 有有源源器器件件:非非线线性性有有源源器器件件,具具有有一一定定的的功功率率增增益益, 能能维维持持振振荡荡回回路路不不可可避避免免的的功功率率损损耗耗。 2 选选 频频 回回 路路 :决决 定定 振振 荡荡 器器 的的 工工 作作频频 率率 ,并并 能能 保保 证证 振振 荡荡 相相 位位 的的 稳稳定定 。 3 反反 馈馈 网网 络络 :实实 现现 正正 反反

6、馈馈 ,一一 般般 可可 以以通通 过过 互互 感感 (变变 压压 器器 ),电电 感感 及及 电电 容容 等等 获获得得 正正 反反 馈馈 电电 压压 。 互互感感反反馈馈振振荡荡器器:由由互互感感(变变压压器器)构构成成反反馈馈网网络络. 根根据据反反馈馈网网络络 电电感感反反馈馈振振荡荡器器:由由电电感感构构成成反反馈馈网网络络. 电电容容反反馈馈振振荡荡器器:由由电电容容构构成成反反馈馈网网络络. 休息1休息23.3振荡条件的分析振荡条件的分析由由上上述述分分析析已已知知振振荡荡条条件件:1)()( jFjA它它是是维维持持振振荡荡的的基基本本条条件件， 通通常常也也称称为为振振荡荡的

7、的平平衡衡条条件件。 又又由由于于 FAjjFejFAejA )()( 所所以以振振荡荡平平衡衡条条件件的的约约束束方方程程可可以以分分为为两两个个方方程程: )21，0(21，nnAFFA 或或 nFZ2 其其中中:的的相相角角与与基基极极输输入入电电压压为为集集电电极极基基波波电电流流i1c:ui 的的相相角角谐谐振振回回路路基基波波谐谐振振阻阻抗抗为为LC:Z 晶体管晶体管 反馈网络反馈网络 LC选频网络选频网络Y Z F 休息1休息2uiic1uc1uf三三 振荡电路分析实例振荡电路分析实例如如下下图图所所示示的的电电路路为为互互感感耦耦合合正正弦弦波波振振荡荡器器.1 自自激激振振荡

8、荡过过程程: ifoccbiuuuiiiu1 开开启启电电源源VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈网络反馈网络+ui- -ic- -uo+uf- -ib休息1休息2实实 际际 上上 振振 荡荡 器器 在在 开开 始始 建建 立立 振振 荡荡 时时应应 满满 足足 的的 条条 件件 为为 :1 FA 即即有有:ofiouuFuuAFA ,.1而而 ifuu 有有uiuoA1/F1iu 3iu 2iu 4iu 03u 02u 01u 04u 1fu 2fu 3fu 如如右右图图：分分别别为为基基本本放放大大器器 A 和和反反馈馈网网络络 1/F 的的曲曲线线,如如果果设设开

9、开启启电电源源后后产产生生扰扰动动电电压压 :,1则则有有iu 121011fifiuuuuu 232022fifiuuuuu 343033fifiuuuuu 123123,oooiiiuuuuuu 即即有有可见起振初期是一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 丙丙类类状状态态乙乙类类甲甲乙乙类类甲甲类类 当环路增益下降到当环路增益下降到1时，振幅的增长时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡状态，即过程将停止，振荡器达到平衡状态，即进入等幅振荡状态。进入等幅振荡状态。 二二 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件 为了维持振荡器稳定的工作为了维持振荡器稳定的工作, ,只

10、满足平衡只满足平衡条件和起振条件是不够的条件和起振条件是不够的, ,因为平衡条件只能因为平衡条件只能说明振荡可能平衡在某一状态说明振荡可能平衡在某一状态, ,而不能说明振而不能说明振荡的平衡状态是否稳定荡的平衡状态是否稳定. .1 1 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 由由于于放放大大器器的的非非线线性性, ,放放大大倍倍数数是是信信号号振振幅幅的的函函数数, ,即即)(iuAAuu ， 而而反反馈馈系系数数F仅仅取取决决于于反反馈馈网网络络的的元元件件参参数数，一一般般与与信信号号振振幅幅大大小小无无关关，导导致致环环路路增增益益)()()( jFjAjT 随随着着ui振振幅幅的的迅迅速

11、速增增长长而而下下降降。 0)(: iAiUuioujT 振振幅幅稳稳定定条条件件实实际际中中, ,由由于于工工作作于于大大信信号号状状态态下下的的非非线线性性有有源源器器件件正正好好具具有有这这种种特特性性, ,自自然然具具有有稳稳定定幅幅度度的的功功能能。 返回休息1休息2 在平衡点在平衡点Ui=UiA附近，当不稳定因素附近，当不稳定因素使使ui的振幅的振幅Ui增大时，环路增益减小，使反增大时，环路增益减小，使反馈电压振幅馈电压振幅Uf减小，从而阻止减小，从而阻止Ui增大；反增大；反之，当不稳定因素使之，当不稳定因素使ui的振幅的振幅Ui减小时，环减小时，环路增益增大，使反馈电压振幅路增益

12、增大，使反馈电压振幅Uf增大，从增大，从而阻止而阻止Ui减小。减小。 UiO|T(o)| A1UiA即即表表明明: :在在平平衡衡点点附附近近, ,放放大大器器增增益益随随信信号号振振幅幅的的变变化化特特性性具具有有负负斜斜率率. . 如果环路增益特性存在着两个平衡点如果环路增益特性存在着两个平衡点A和和B，其中，其中，A点点是稳定的，而是稳定的，而B是不稳定点，如右图所示。是不稳定点，如右图所示。二二 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件返回休息1休息2|T(o)|BAUiUiAUiB1 若某种原因使若某种原因使Ui大于大于UiB，则，则|T(o)|随之增大，势必使随之增大，势必

13、使Ui进一步进一步增大，从而更偏离平衡点增大，从而更偏离平衡点B，最后，最后到达平衡点到达平衡点A； 反之，若某种原因使反之，若某种原因使Ui小于小于UiB，则，则|T(o)|随之减小，从而进随之减小，从而进一步加速一步加速Ui减小，直到停止振荡。减小，直到停止振荡。 通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，|T(o)|必须在必须在UiA附近具有负斜率变化附近具有负斜率变化 2 2 相相位位平平衡衡的的稳稳定定条条件件相相位位稳稳定定条条件件的的意意义义: :指指当当相相位位平平衡衡条条件件遭遭到到破破坏坏时时，电电路路本本身身能能自自动动地地重重新新建建立立起起相

14、相位位平平衡衡点点的的条条件件。 由由于于dtd , ,即即相相位位变变化化时时, ,频频率率也也变变化化, ,故故相相位位稳稳定定条条件件也也就就是是频频率率稳稳定定的的条条件件. . 如如果果设设某某种种原原因因, ,相相位位平平衡衡破破坏坏, ,产产生生一一个个很很小小的的相相位位增增益益量量。 即即设设: :ifuuAF 0T 反反馈馈信信号号fu超超前前原原输输入入信信号号 iu一一个个相相角角信信号号周周期期缩缩短短 信信号号频频率率0 。 tui同理：同理：fu 0 落后落后iu 信号周期信号周期信号频率信号频率0 显显然然可可以以看看出出由由于于外外因因引引起起的的相相位位变变

15、化化与与频频率率之之间间的的关关系系为为: : 0000 即即可可得得：0 提提出出问问题题: :要要保保证证振振荡荡的的相相位位平平衡衡点点的的稳稳定定, ,必必须须当当振振荡荡器器频频率率发发生生变变化化的的同同时时, ,要要求求振振荡荡电电路路内内部部能能够够产产生生一一个个新新的的相相位位变变化化, ,而而这这个个相相位位变变化化与与外外因因引引起起的的相相位位变变化化T 的的符符号号应应相相反反, ,以以消消弱弱或或抵抵消消由由外外因因引引起起的的变变化化, , 即即要要求求: :0)(0)( FAFA或或ZYA 其其中中 Y 为为放放大大器器正正向向传传输输导导纳纳的的相相移移 Z

16、 为为选选频频网网络络负负载载阻阻抗抗的的相相移移又又因因为为一一般般Y 和和F 对对频频率率变变化化的的灵灵敏敏性性远远小小于于Z , ,即即有有 Y C3 所以有所以有: :3CC 振振荡荡频频率率：311LCLC 而而电电压压反反馈馈系系数数: :21CCuuFcebe 另外另外,由于由于 C1,C2只是整个振荡回路的一部分只是整个振荡回路的一部分,晶体管是以部晶体管是以部 分接入方式与回路联接分接入方式与回路联接,减弱了晶体管与回路之间的藕合。减弱了晶体管与回路之间的藕合。 如如果果设设回回路路 L 两两端端的的等等效效负负载载为为RL,则则折折合合到到集集电电极极回回路路做做为为集集

17、电电极极负负载载电电阻阻 RL: LLLRpRCCR221)( 可可见见接接入入系系数数为为131CCCCp 很很小小, , 且且 voL1ARpC 有有可可能能不不满满足足振振荡荡条条件件( (不不利利于于起起振振) ) CLAPP 电电路路的的一一个个主主要要缺缺点点是是波波段段范范 围围不不宽宽,波波段段覆覆盖盖倍倍数数小小,一一般般约约为为1.21.3, 另另外外波波段段内内输输出出幅幅度度不不均均匀匀,不不易易起起振振. 返回RL仿真休息1休息2ECRLLC2C3C1Rb1Rb2CbReRcABLC1C2C3C4ABC4LC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB四四, ,两种改进型的

18、电容反馈振荡器两种改进型的电容反馈振荡器2 2. .S Se ei il lo or r O Os sc ci il ll la at to or r 与与 Clapp 电路不同点仅在于电路不同点仅在于 回路电感回路电感 L 两端并联一个可变电两端并联一个可变电 容容 C4 ,而而 C3 为固定值电容为固定值电容 ,且且 有有 C3Cq , ,故故晶晶体体管管与与晶晶体体振振荡荡回回路路之之间间 的的藕藕合合很很松松, , 减减少少了了电电路路不不稳稳定定因因素素对对晶晶体体振振荡荡回回路路的的影影 响响, ,提提高高了了振振荡荡回回路路的的稳稳定定性性. . 3 3电路的谐振频率的估算电路的

19、谐振频率的估算: :C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JT二二, ,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)（2 2） Millor OscillatorMillor Oscillator晶晶体体接接在在基基极极与与发发射射极极之之间间 该该电电路路实实质质上上是是个个双双回回路路 振振荡荡电电路路,L1,C1是是集集电电极极回回路路 元元件件,由由于于基基极极与与发发射射极极之之间间接接 入入感感性性元元件件的的晶晶体体,根根据据相相位位平平 衡衡条条件

20、件的的判判断断准准则则,集集电电极极回回路路 必必须须等等效效为为感感性性.可可变变电电容容 C1 作作为为集集电电极极回回路路的的调调谐谐电电容容,可可 调调高高回回路路的的固固有有谐谐振振频频率率1f,使使 01ff ,另另外外 C1的的改改变变也也可可改改变变 振振荡荡幅幅度度的的大大小小,又又由由于于晶晶体体被被 晶晶体体管管的的低低输输入入阻阻抗抗所所并并联联,降降 低低了了有有载载 QL值值,所所以以稳稳定定度度较较低低, 故故不不如如 Pierce 电电路路. 休息1休息2C1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc二二, ,晶体振荡器电路晶体振荡器电

21、路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)2 2 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器( (S SE ER RI IE ES S C CR RY YS ST TA AL L O OS SC CI IL LL LA AT TO OR RS S) )电电路路的的交交流流等等效效电电路路如如图图所所示示若若将将晶晶体体短短路路,就就是是一一 个个普普通通的的电电容容反反 馈馈振振荡荡电电 路路,由由于于晶晶体体在在串串联联谐谐振振时时, 阻阻抗抗很很小小,仅仅为为 rq ,相相当当于于 短短路路,所所以以振振荡荡器器

22、的的振振荡荡频频 率率应应接接近近晶晶体体的的串串联联谐谐振振频频 率率,即即为为 q 如如果果由由L,C1,C2,C3组组成成的的回回路路谐谐振振频频率率距距q较较远远,由由于于晶晶体体阻阻抗抗增增大大,从从而而使使正正反反馈馈减减弱弱,增增益益下下降降，破破坏坏振振荡荡条条件件,使使其其不不能能振振荡荡. 休息1休息20 0 0 0 Z 二二, ,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)2 2 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器( (S SE ER RI IE ES S C C

23、R RY YS ST TA AL L O OS SC CI IL LL LA AT TO OR RS S) )串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器的的稳稳频频原原理理: :由由于于在在一一般般的的 LC 振振荡荡器器中中,LC 振振荡荡回回路路的的阻阻抗抗相相移移Z 在在0 附附近近变变化化显显著著,而而A 与与F 则则基基本本上上不不随随频频率率变变化化,因因而而由由相相位位平平衡衡条条件件所所决决定定的的振振荡荡工工作作频频率率基基本本上上决决定定 o，即即:0 而而在在串串联联晶晶体体振振荡荡器器中中就就完完全全不不同同, ,由由于于晶晶体体串串接接在在反反馈馈电电路路中中, ,且且在在q

24、附附近近相相位位变变化化很很快快, ,从从而而使使反反馈馈系系数数的的相相角角F 随随频频率率变变化化显显著著, ,这这样样振振荡荡器器的的工工作作频频率率就就主主要要决决定定于于q , ,故故起起到到稳稳频频作作用用. .即即: : q AF Z F q返回继续休息1休息2q p电容性电容性电容性电容性电感性电感性 fXqORb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbEC3.7 3.7 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象一一 , ,间间 歇歇 振振 荡荡间间歇歇振振荡荡是是指指振振荡荡器器工工作作时时, ,时时而而起起振振, ,时时而而停停振振的的一一种种振振荡荡现现象象. .一一般般 L

25、LC C 振振荡荡器器在在建建立立振振荡荡的的过过程程中中, ,有有两两个个互互相相联联系系的的暂暂态态过过程程: : 高高频频振振荡荡的的建建立立过过程程 偏偏压压的的建建立立过过程程如如右右图图所所示示电电容容三三点点式式振振荡荡电电路路的的偏偏置置电电压压 EeCbbbEBBEIRERRRUUU 212显显然然 Re上上的的直直流流电电压压 UE 是是由由发发射射极极电电流流 IE自自己己建建立立的的,且且随随 IE 的的变变化化而而变变化化,故故称称为为自自给给偏偏压压. IE1 在在振振荡荡起起振振之之前前,起起始始偏偏压压UBEO为为正正偏偏置置 即即: : EOeCBEIRERR

26、RU 2120 其中其中 IEO为发射极静态电流为发射极静态电流. . 休息1休息2UB+UBE _+UE _Rb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbEC 2 2 当起振后当起振后由由于于, ,1 FAuo, , 从从而而使使: : 稳稳定定时时当当晶晶体体管管进进入入截截止止区区buouoBEEeEeEOEebuFAAUIRUiIIiu ,1)(ubieUE如如果果 Re C e值值比比较较大大（即即 Re Ce充充电电比比较较缓缓慢慢）,当当振振荡荡平平衡衡以以后后 UBE值值仍仍然然会会稍稍有有下下降降,从从而而有有： 振振荡荡又又重重新新开开始始到到使使上上升升当当放放电电停停振振

27、100FAUUUCuuFAAuoBEBEEEbbuouobeUbu防防止止间间歇歇振振荡荡的的方方法法: 可可以以把把 Ce,Re的的值值适适当当选选小小些些,使使偏偏压压的的变变化化能能跟跟得得上上bu的的变变化化. 休息1休息2+UBE _Rb1Rb2CbRcReCeC1C2C3R2EC 振振荡荡器器为为了了将将信信号号传传输输到到下下一一级级负负载载上上, ,往往往往采采用用互互感感或或其其它它藕藕合合形形式式. .一一旦旦藕藕合合系系数数过过大大, ,而而负负载载又又是是一一个个调调谐谐回回路路, ,则则调调节节次次级级回回路路时时, ,振振荡荡频频率率也也会会随随之之变变化化, ,甚

28、甚至至产产生生频频率率跳跳变变. .这这一一现现象象通通常常称称为为频频率率拖拖曳曳现现象象. . 右右图图为为具具有有藕藕合合谐谐振振回回路路作作为为负负载载的的电电容容三三端端式式振振荡荡器器 如如 果果 设设 振振 荡荡 回回 路路 的的 自自 然然 谐谐 振振 频频 为为 : :0 01 1, , 负负载载回回路路的的谐谐振振频频率率为为: : 0 02 2 而而 振振 荡荡 器器 的的 工工 作作 频频 率率 为为 : : 两两回回路路的的藕藕合合系系数数为为：21LLMk 由由于于振振荡荡回回路路与与负负载载回回路路存存在在藕藕合合, ,因因此此调调节节负负载载回回路路将将对对振振

29、荡荡工工作作频频率率产产生生影影响响, ,其其影影响响程程度度与与回回路路的的藕藕合合程程度度有有关关. . 二二, ,频率拖曳现象频率拖曳现象休息1休息23.7 3.7 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象讨讨 论论 ：（1 1） 当当k很很小小时时 如如果果调调节节 C2 2 , ,使使 0 02 2由由小小到到大大变变化化, ,如如图图所所示示, ,工工作作频频率率 的的变变化化为为： 0101 0101 0202当当 0 02 2 0 01 1或或 0 02 2 0 01 1时时, , = =0 01 1 当当 0 02 2接接近近 0 01 1 但但 0 02 2 0 01 1 0

30、02 2 0 01 1时时, , 0 01 1或或 0 02 2 0 01 1时时, , = =0 01 1 0 02 2接接近近 0 01 1 0 02 2 0 01 1 0 02 2 0 01 1 KC时时 abdc01010101020202020101或或 02020101时时, , = =0101 当当 02由由小小到到大大接接近近 01时时, 沿沿 ab 曲曲线线上上升升,到到达达 b 点点 后后脱脱离离 02对对 的的影影响响跳跳变变 到到 c 点点,使使 =01 当当 02由由大大于于 c 点点对对应应的的频频率率而而减减少少时时,以以沿沿 cd 曲曲线线下下降降,到到达达 d

31、 点点后后又又摆摆脱脱 02的的影影响响而而跳跳变变到到 a 点点,使使 =01 三三, ,振振荡荡器器的的占占据据现现象象 频频率率占占据据( (或或牵牵引引) )现现象象是是指指外外加加电电动动势势与与振振荡荡器器自自然然振振荡荡频频率率接接近近到到一一定定程程度度时时, ,可可以以使使振振荡荡随随外外电电动动势势频频率率的的改改变变而而改改变变, ,这这时时振振荡荡器器频频率率完完全全受受外外电电动动势势控控制制, ,不不再再取取决决于于回回路路参参数数当当 0 0或或 0 0时时， 0 0 当当 S S很很接接近近 0 0时时, ,有有 = =S S 3.8 RC振荡器振荡器较较低低的的振振荡荡频频率率一一般般都都采采用用 RC 振振荡荡器器 RC 振荡器的主要优点振荡器的主要优点: : 结结 构构 简简 单单 经经 济济 方方 便便 RC 振振荡荡器器和和 LC 振振荡荡器器工工作作原原理理相相同同,结结构构上上也也是是由由放放大大器器和和正正反反馈馈网网络络两两部部分分,区区别别仅仅在在于于用用 RC选选择择网网络络来来代代替替 LC 回回路路. RC 振振荡荡器器也也必必须须满满足足振振幅幅和和相相位位条条件件. . 即即: : AF=1 .)2, 1 ,0( ,2