第四章正弦波振荡器_高频电子线路

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1、高频电子线路高频电子线路 一、掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。一、掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。二、掌握二、掌握LC振荡器、晶体管振荡器的电路组成、工作原理和性能特点。振荡器、晶体管振荡器的电路组成、工作原理和性能特点。三、了解频率稳定度的概念和影响频率稳定度的因素,掌握改善频率稳定度的措施。三、了解频率稳定度的概念和影响频率稳定度的因素,掌握改善频率稳定度的措施。四、了解负阻振荡原理。四、了解负阻振荡原理。第一节第一节 概述概述第二节第二节 反馈型反馈型LC振荡原理振荡原理第三节第三节 反馈型反馈型LC振荡器振荡器第四节第四节 振荡器的频率稳定原理振荡器的频率稳定原理第五节第五

2、节 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器第六节第六节 晶体振荡器晶体振荡器第七节第七节 负阻振荡器负阻振荡器本章教学主要内容本章教学主要内容 本章教学基本要求本章教学基本要求高频电子线路高频电子线路 第一节第一节 概概 述述一、一、 振荡电路的功能振荡电路的功能n功能功能 振荡器与放大器的区别振荡器与放大器的区别 振荡器:不需外加激励信号振荡器:不需外加激励信号相同点:相同点:直流能量直流能量 交流能量交流能量不同点:不同点:放大器:需外加的激励信号放大器:需外加的激励信号图图4-1 正弦波振荡器的功能正弦波振荡器的功能n频谱表示法频谱表示法 在无输入信号情况下,将电源的直流能量转换成具有在无

3、输入信号情况下,将电源的直流能量转换成具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出。一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出。 或或 ( ( ) )s si in n( ( ) )c co os sm mm mu u t tU Ut tu u t tU Ut t输出信号输出信号高频电子线路高频电子线路 二、二、 振荡器的分类振荡器的分类负阻器件负阻器件+振荡回路振荡回路(正反馈原理)(正反馈原理)高频电子线路高频电子线路 三、正弦波振荡器的用途三、正弦波振荡器的用途高频加热设备高频加热设备医疗仪器医疗仪器发射机发射机(载波频率载波频率fc)接收机接收机(本地振荡频率本地振荡频率fL

4、)数字系统:数字系统: 时钟信号时钟信号通信系统:通信系统:测量仪器:测量仪器: 信号源信号源高频能源:高频能源:四、主要技术指标四、主要技术指标振荡频率、振荡波形、振荡幅度、振荡频率、振荡波形、振荡幅度、频率稳定度频率稳定度高频电子线路高频电子线路 五、产生振荡的机理五、产生振荡的机理01idtCRidtdiL022022idtdidtidLCLR1,20其中LCoVS12i0ttoeLV)(tiRoLC谐振回路是谐振回路是LC振荡器的重要组成部分,正弦波振荡器则是振荡器的重要组成部分,正弦波振荡器则是基于二阶基于二阶RLC回路的自由振荡现象。回路的自由振荡现象。o考虑了回路损耗后,当考虑了

5、回路损耗后,当 时时 回路将产生振幅衰减的阻尼振荡回路将产生振幅衰减的阻尼振荡)sin()(00teLVtit R 0高频电子线路高频电子线路 为什么是衰减振荡?为什么是衰减振荡?从能量角度:振幅衰减由于从能量角度:振幅衰减由于回路存在损耗回路存在损耗。维持等幅振荡措施:维持等幅振荡措施:n 适时地补充必要的交变能量,适时地补充必要的交变能量, 以维持回路内部以维持回路内部 的能量平衡。的能量平衡。 (方法:正反馈)反馈振荡器(方法:正反馈)反馈振荡器n 抵消回路存在损耗,用负阻器件抵消回路存在损耗,用负阻器件, ,如隧道如隧道二极管二极管 负阻振荡器负阻振荡器n 本质上反馈型振荡器就是负阻振

6、荡器,可用本质上反馈型振荡器就是负阻振荡器,可用负阻的原理来分析。负阻的原理来分析。高频电子线路高频电子线路 第二节 反馈型LC振荡原理定义:从放大器的输出信号中取定义:从放大器的输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入出一部分反馈到输入端作为输入信号,无需外部提供激励信号,信号,无需外部提供激励信号,能产生等幅正弦波输出称为反馈能产生等幅正弦波输出称为反馈型振荡器。型振荡器。一、一、 反馈型正弦波振荡器的组成反馈型正弦波振荡器的组成 正反馈正反馈 网络网络 放大器放大器 iUoUfU(选频网络)(选频网络)放大器放大器是对反馈信号进行放大;是对反馈信号进行放大;正反馈网络正反馈网络是将输出回

7、路中的能量取出一部分加是将输出回路中的能量取出一部分加 到放大器的输入端;到放大器的输入端;选频网络选频网络 是获得单一确定的振荡频率;是获得单一确定的振荡频率;稳幅环节稳幅环节使振荡的输出稳定。使振荡的输出稳定。内稳幅内稳幅外稳幅外稳幅利用放大器利用放大器件的非线性件的非线性组成组成高频电子线路高频电子线路 o 以互感耦合以互感耦合 LC 振荡电路为例进行讨论振荡电路为例进行讨论 : 正弦波振荡器是基于二阶正弦波振荡器是基于二阶RLC回路的自由振荡回路的自由振荡。反馈振荡器是靠正反馈振荡器是靠正反馈补充必要的交变能量,以维持回路内部的能量平衡。讨论工作原理反馈补充必要的交变能量,以维持回路内

8、部的能量平衡。讨论工作原理揭示电路产生等幅持续振荡条件。揭示电路产生等幅持续振荡条件。CLBEvCEvMcibiLCbCeC1bR2bReRCCVM二、基本工作原理二、基本工作原理高频电子线路高频电子线路 (2)振荡的产生)振荡的产生-初始阶段初始阶段(小信号)小信号)o LC 振荡电路的振荡是如何建立的?振荡电路的振荡是如何建立的? 频域:电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或电扰动频域:电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或电扰动包含许多频率分量包含许多频率分量 谐振回路选出谐振频率分量谐振回路选出谐振频率分量 正反馈到输入端正反馈到输入端 放大放大 回路选频回路选频 反馈输入端反

9、馈输入端放大,反复循环放大,反复循环 信号足够大,晶体管进入非线性区,振荡达信号足够大,晶体管进入非线性区,振荡达到平衡状态。到平衡状态。0)( )()(sVsAsVio )( )(sVsFsVof)()( )(sVsVsVfsi sFsAsAsVss1)()(V H(s)o1)()(sFsA)()()()()(sFsAsVsVsTif反反馈馈放放大大器器高频电子线路高频电子线路 n反馈振荡器振荡必须满足三大条件:反馈振荡器振荡必须满足三大条件:n起振条件起振条件:振荡电压从无到有逐步增长的条件。振荡电压从无到有逐步增长的条件。n平衡条件:使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值平衡条件:使振荡幅度

10、和频率维持在相应的平衡值上的条件。上的条件。n稳定条件:受外界不稳定因素的影响,振荡器平衡稳定条件:受外界不稳定因素的影响,振荡器平衡状态破坏,能使振荡器恢复平衡状态的条件。状态破坏,能使振荡器恢复平衡状态的条件。(3)LC 振荡器基本工作原理三大条件振荡器基本工作原理三大条件高频电子线路高频电子线路 三、振荡的建立与起振条件三、振荡的建立与起振条件F.fjCUFFeU ACjiUA AeU 放大器的电压增益放大器的电压增益反馈系数反馈系数fiUU 即即这时调谐放大器与反馈网络就构成了自激振荡器。这时调谐放大器与反馈网络就构成了自激振荡器。fCfiCiUUUTUUU 即即环路增益环路增益AF

11、1 调谐放大器调谐放大器反馈网络反馈网络iUfUCU 图图4-2 感耦合反馈振荡线路感耦合反馈振荡线路高频电子线路高频电子线路 i.fUU 起振条件:起振条件:1T.0.FA20nFATn=0,1,210FAT1ifUUT即振幅起振条件振幅起振条件相位起振条件相位起振条件增幅振荡增幅振荡正反馈正反馈fUCU iU调谐放大器调谐放大器反馈网络反馈网络四、四、 振荡的平衡与平衡条件振荡的平衡与平衡条件刚起振时,起始偏压为正偏置刚起振时,起始偏压为正偏置EQeCCb21bb2BEQIRVRRRU稳定时当晶体管进入截止区iBEEeEE0EQEEi,1)(UFAAUIRUIIIiU电路的偏置电压为:电路

12、的偏置电压为:EeCCb21bb2BEIRVRRRUIEUB+UE _+UBE _CU fUiUoU(一)振荡的平衡(一)振荡的平衡振荡建立后,振幅会不会无限增大?振荡建立后,振幅会不会无限增大?高频电子线路高频电子线路 进入平衡状态时,进入平衡状态时, 和和 应满足应满足起振时的起振时的A0,是小信号放大,通角,是小信号放大,通角C = 180,故故A0 = g C R p 。 故故11111 ( )(cos ) ( )c mpCMcpccccpiimimIRIRUAgRUUU振荡建立后,电路工作于什么状态才达到平衡?振荡建立后,电路工作于什么状态才达到平衡? 平衡时,平衡时,AF = 1,

13、工作在大信号非线性状态。放大器的电压增益为,工作在大信号非线性状态。放大器的电压增益为(一)振荡的平衡(一)振荡的平衡 0101 coscccA AAv 12AB+=AFn 1AFAeFe 因而从因而从 AF = A0F v(C) = 1,可以看出起振条件的大小决定了平衡时的工作状态。,可以看出起振条件的大小决定了平衡时的工作状态。结论:平衡时一定进入非线性工作状态,最终状态由结论:平衡时一定进入非线性工作状态,最终状态由 A0F 值决定。值决定。(2) A0F = 2时,时,v(C C) ) = 0.5,C C = 90,平衡于乙类放大状态,平衡于乙类放大状态(1) A0F 2时,时,v(C

14、) 0.5,C 90,平衡于平衡于丙类放大状态丙类放大状态(3) 1A0F 2时,时,0.5v(C) 1,90C 1(增幅振荡)(增幅振荡)输出增大输出增大Q1点达到新的平衡点达到新的平衡F1/F外因消失外因消失AF1(增幅振荡)(增幅振荡)输出增大输出增大Q1点达到新的平衡点达到新的平衡外因消失外因消失FAF 1(减幅振荡)(减幅振荡)输出减小输出减小回到原平衡状态回到原平衡状态Q点点1/F软激励软激励 硬激励硬激励振幅的稳定条件:振幅的稳定条件: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. . 稳定稳定Q

15、BQ1(应避免)(应避免)图图4-3 增益与输出幅度增益与输出幅度tui 0000 即即可可得得:0 频率随相位变化的关系:频率随相位变化的关系:频率与相位的关系:频率与相位的关系:dtd 0 当当fiUU&超超前前4) 相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件 (频率的稳定条件)(频率的稳定条件)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相位位平平衡衡点点的的条条件件。 信号周期信号周期信号频率信号频率0 0 当当ifUU滞后信号频率信号频率0 信号周期信号周期 iU&fU

16、&CU&iU&fU&CU&z Oo2 2 0)( ZFZY 相位平衡的稳定条件:相位平衡的稳定条件: 即要求选频网络的相频特性曲线即要求选频网络的相频特性曲线在工作频率附近应具有负斜率。在工作频率附近应具有负斜率。实际中的实际中的并联并联LC谐振回路正好具有这种相频特性。谐振回路正好具有这种相频特性。0 FZYFA 0 或或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 Z, ZF 高频电子线路高频电子线路 总总 结结1) 正弦振荡器工作条件包括正弦振荡器工作条件包括1.0.FAT起振条件:起振条件

17、: 平衡条件:平衡条件:稳定条件:稳定条件:1. FAT0oooQUUUA0 Z保证振荡器从无到有建立起振荡保证振荡器从无到有建立起振荡保证振荡器进入平衡状态,产生持续的等幅振荡保证振荡器进入平衡状态,产生持续的等幅振荡保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏 振幅稳定条件振幅稳定条件相位稳定条件相位稳定条件高频电子线路高频电子线路 2) 振荡器的静态工作点应设计在振荡器的静态工作点应设计在软激励状态软激励状态4) 判断能否产生正弦振荡的方法判断能否产生正弦振荡的方法 a) 是否可能振荡是否可能振荡首先看电路供电是否正确;二是首先看电路供电是否正

18、确;二是看是否满足相位平衡条件(看是否满足相位平衡条件(正反馈正反馈) b) 是否起振是否起振看是否满足振幅起振条件看是否满足振幅起振条件 c) 是否产生正弦波是否产生正弦波看是否有正弦选频网络看是否有正弦选频网络3) 从振荡到平衡是由晶体管非线性与自给反偏压共同作用从振荡到平衡是由晶体管非线性与自给反偏压共同作用的结果,称为的结果,称为内稳幅;内稳幅;需要外加稳幅电路的称为需要外加稳幅电路的称为外稳幅外稳幅高频电子线路高频电子线路 第三节 反馈型LC振荡器以以LC谐振回路作选频网络谐振回路作选频网络的反馈振荡器称为的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器正弦波振荡器LC振荡器振荡器互感耦合互感耦合电

19、感三点式电感三点式考毕兹电路考毕兹电路电容三点式电容三点式哈特莱电路哈特莱电路 三点式振荡器是指三点式振荡器是指 LC 回路的三个端点与晶体管或场效回路的三个端点与晶体管或场效应管三个电极直接连接的一种振荡器。应管三个电极直接连接的一种振荡器。高频电子线路高频电子线路 一、互感耦合一、互感耦合LC振荡器振荡器 互感耦合振荡器是依靠互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合线圈之间的互感耦合实现正反馈实现正反馈的。的。 耦合线圈同名端的正确位置的放置,合适的耦合量耦合线圈同名端的正确位置的放置,合适的耦合量M M 的的选择,是满足振幅起振的重要条件。选择,是满足振幅起振的重要条件。 根据振荡回路是在

20、集电极电路、基极电路和发射极电路根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来分类,互感耦合振荡器有三种形式:来分类,互感耦合振荡器有三种形式:调基电路、调集电路调基电路、调集电路和调射电路和调射电路。 判断相位平衡条件是否满足的方法:通常采用判断相位平衡条件是否满足的方法:通常采用瞬时极性法。瞬时极性法。高频电子线路高频电子线路 共基调集型共基调集型bce高频旁路高频旁路电容电容 1) 判断是否可能振荡的基本准则:是否是正反馈。判断是否可能振荡的基本准则:是否是正反馈。正反馈系数正反馈系数:1LM FCL101 振荡频率振荡频率:2) 是否能起振:取决于变压器是否有足够的耦合量是否能起振

21、:取决于变压器是否有足够的耦合量M方法:瞬时极性法方法:瞬时极性法高频电子线路高频电子线路 共共e调调b型型bce高频旁高频旁路电容路电容 共共b调调e型型高频旁高频旁路电容路电容ebc 互感耦合振荡器在调整反馈互感耦合振荡器在调整反馈(改变改变M)时,基本上不影响振荡频率,时,基本上不影响振荡频率,频率由频率由L1C决定。但由于分布电容的存在,在频率较高时,难于做出决定。但由于分布电容的存在,在频率较高时,难于做出稳定性高的变压器。因此,它们的工作频率不宜过高,稳定性高的变压器。因此,它们的工作频率不宜过高,一般应用于中、一般应用于中、短波波段。短波波段。 由于这两种电路由于这两种电路BE之

22、间输入阻抗比较低,为了不过多地影响回之间输入阻抗比较低,为了不过多地影响回路的路的Q值,故在晶体管和调谐回路之间采用了部分接入的连接方式。值,故在晶体管和调谐回路之间采用了部分接入的连接方式。二、电容反馈式振荡器二、电容反馈式振荡器( (考毕兹电路,电容三点式考毕兹电路,电容三点式) )1、电路结构、电路结构提提供供直直流流偏偏压压、ebbRRR21交交流流短短路路耦耦合合电电容容:直直流流开开路路、,cCCb交交流流短短路路路路高高频频旁旁路路电电容容:直直流流开开,eC交交流流开开路路高高频频扼扼流流圈圈:直直流流短短路路 ,cL构构成成振振荡荡回回路路、LCC21直流通路直流通路 三点式

23、振荡器是三点式振荡器是指指 LC 回路的三个端回路的三个端点与晶体管或场效应点与晶体管或场效应管三个电极直接连接管三个电极直接连接的一种振荡器。的一种振荡器。交流等效电路交流等效电路becC1C2L反馈信号取自反馈信号取自C2两端两端高频电子线路高频电子线路 2、相位平衡条件、相位平衡条件+-iU&+-ceU&+-fU&I&iU&fU&ceU&I&fiU U&、 右图是振荡器的等效电路。从右图是振荡器的等效电路。从 b 端输端输入入 ,经反相放大,经反相放大 , 与与 相位相相位相反。在反。在 作用下,容性支路作用下,容性

24、支路 C1 中电流中电流 超超 前前 为为 , 在感性支路在感性支路LC2 上上产生的反馈电压产生的反馈电压 超前电流超前电流 为为 , 与与 同相,满足正反馈。相位同相,满足正反馈。相位图如右下图所示。图如右下图所示。iU iU ceU I fbeUU 090fU ceU ceU I I 090iU 同相,满足相位平衡条件,同相,满足相位平衡条件,可见,可见,可能振荡。可能振荡。高频电子线路高频电子线路 3、起振条件、起振条件) 1(0FA,2211ieoeCCCCCC分析起振条件时可以利用分析起振条件时可以利用高高频小信号放大器的频小信号放大器的分析法。分析法。 2010gp g1212C

25、CpCgyUUAfeic020oeLieggggp g12/pCC(1 1) 电压增益电压增益高频电子线路高频电子线路 (2 2)反馈系数(忽略各个)反馈系数(忽略各个g g的的影响)影响)211211CCCjICjIUUFcfI&102.1feyCA FgC2200111()()feoeLieoeLieCyggggp ggggFgCFF(3)起振条件)起振条件01()feoeLieygggFgF 满足起振条件是选取晶体管的满足起振条件是选取晶体管的 从输出电导和负载电导的影响看,从输出电导和负载电导的影响看,F越大越容易起振,越大越容易起振,从输入电导看,从输入电导看,F不能太大。因

26、而兼顾二者,不能太大。因而兼顾二者,F一般选取一般选取0.1-0.5。高频电子线路高频电子线路 4、振荡频率、振荡频率 LC10 振荡频率一般可以利用振荡频率一般可以利用相位平衡条件相位平衡条件求解。求解。 在忽略在忽略 、 、 等的影响,可得近似式为等的影响,可得近似式为oegiegLg1222CCCCC若忽略晶体管输入电容和输出电容的影响若忽略晶体管输入电容和输出电容的影响2121CCCCC ieoeCCCCCC 2211,高频电子线路高频电子线路 共基接法考毕兹电路的起振条件举例共基接法考毕兹电路的起振条件举例 L 1C 2C eR LR n例:高频电子线路高频电子线路 分析思路分析思路

27、EmEeiRgRrg111FCCCp211高频电子线路高频电子线路 分析思路(续分析思路(续1)pLLGggmaxLgminpRmin0QFCCCp211212001CCggiLosc高频电子线路高频电子线路 例题解例题解n解高频电子线路高频电子线路 例题解(续)例题解(续)由已知频率和电感求回路总电容0021200001. 11CCggiLosc21211CCCp高频电子线路高频电子线路 三、电感反馈式振荡器三、电感反馈式振荡器(哈特莱电路哈特莱电路)1、电路结构、电路结构电感三点式振荡器电感三点式振荡器becCbceeL2L1b反馈信号取自反馈信号取自L2两端两端高频电子线路高频电子线路

28、becL2L1C2、相位平衡条件、相位平衡条件+-iU&+-ceU&+-fU&IiU&fU&ceU&I&3、起振条件、起振条件12LLUUFcf MLMLUUFcf 12CL 10 反馈系数反馈系数:若忽略互感若忽略互感M的影响则有:的影响则有:4、振荡频率、振荡频率MLLL221 21LLL 01()feoeLieygggFgF高频电子线路高频电子线路 n缺点:有两个电容调节频率不方便,(要缺点:有两个电容调节频率不方便,(要 不变)而且振荡器的振幅不稳定。不变)而且振荡器的振幅不稳定。(1)电容反馈型电路的优缺点:)电容反馈型电路的优

29、缺点:n优点:优点:l振荡波形更接近正弦波。(振荡波形更接近正弦波。(由于反馈电压取自由于反馈电压取自于电容两端,对高次谐波电抗小)。于电容两端,对高次谐波电抗小)。l振荡频率可较高(利用结电容作振荡电容)。振荡频率可较高(利用结电容作振荡电容)。21CCF PPPRpRCCCR222212)((2)电感反馈型电路的优缺点:)电感反馈型电路的优缺点:n优点:用一个电容可方便调节频率。优点:用一个电容可方便调节频率。n缺点:由于反馈电路是电感,振荡波形含有缺点:由于反馈电路是电感,振荡波形含有高次谐波多。寄生电容影响振荡频率不高。高次谐波多。寄生电容影响振荡频率不高。四、两种振荡器电路比较四、两

30、种振荡器电路比较oeCieCoeCieC高频电子线路高频电子线路 五、五、 LCLC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则三点式振荡器相位平衡条件的判断准则bce(1) Xbe、 X ce应为同性质的电抗元件;应为同性质的电抗元件;(2) Xcb 与与Xce、 Xbe的电抗性质相反;的电抗性质相反;结论:射同集(基)反结论:射同集(基)反(3) 对于振荡频率,应满足:对于振荡频率,应满足:0cbcebeXXX法则:与发射极相联的两个电抗同性质,基集间的为异性。法则:与发射极相联的两个电抗同性质,基集间的为异性。高频电子线路高频电子线路 例例1 判断下图电路能否振荡,能振荡的属于哪种类型振荡器。判断

31、下图电路能否振荡,能振荡的属于哪种类型振荡器。高频电子线路高频电子线路 分析:分析:,)(3bcbece串联为为感抗为感抗CLXXXa,)(3bcbece串联为为容抗为容抗LCXXXb呈呈容容性性时时可可能能振振荡荡当当CL3呈呈感感性性时时可可能能振振荡荡当当LC3为电感三点式振荡器为电容三点式振荡器高频电子线路高频电子线路 ,)(3bcbece并联为为容抗为容抗LCXXXc呈感性时可能振荡呈感性时可能振荡当当3LCcbC为容抗并联为并联为bc11be22ce,)(XCLXCLXd感感性性时时可可能能振振荡荡呈呈、当当2211CLCL为电感三点式振荡器为电容三点式振荡器高频电子线路高频电子线

32、路 (e)经判断满足相位平衡条件,故经判断满足相位平衡条件,故可能振荡,为共基调射型互感耦可能振荡,为共基调射型互感耦合振荡器。合振荡器。 1 2345 (f)经判断满足相位平衡条件,故经判断满足相位平衡条件,故可能振荡,为共射调基型互感耦可能振荡,为共射调基型互感耦合振荡器。合振荡器。 高频电子线路高频电子线路 例例2min021)2( ,1:,uH50,pF300,pF100AfLCC倍数放大器所需的最小放大为维持振荡,)振荡频率(求考毕兹电路见图,已知MHzCCCCLf2161030010100103001010010502121) 1 (12121212621210解:333. 030

33、0100,1)2(21min CCFFA3333. 01min A高频电子线路高频电子线路 例例3系?与回路谐振频率有何关振荡频率种情况是否都能振荡,试分析上述),()(种情况:设有以下荡器的等效电路,图示是一个三回路的振03322113322112212fCLCLCLCLCLCL 性性见见上上图图串串联联谐谐振振回回路路的的阻阻抗抗特特)(射射同同集集反反则则三三端端式式振振荡荡器器的的组组成成原原知知识识点点:LC2:)1( z90-900 0LC高频电子线路高频电子线路 333222111222,解解:设设 fff为电容三点式振荡器。为电容三点式振荡器。呈感性呈感性呈容性,呈容性,、此时

34、此时时能振荡时能振荡满足满足)(,2332211321321332211CLCLCLfffffffCLCLCLc 为为电电感感三三点点式式振振荡荡器器呈呈容容性性呈呈感感性性、时时能能振振荡荡,此此时时满满足足)(,1332211321321332211CLCLCLfffffffCLCLCLc z90-900 0LC高频电子线路高频电子线路 第四节第四节 振荡器的频率稳定原理振荡器的频率稳定原理一、频率稳定度的定义一、频率稳定度的定义 频率稳定度的定义:频率稳定度的定义:高频电子线路高频电子线路 按照时间间隔长短的不同,频率稳定度分为按照时间间隔长短的不同,频率稳定度分为一天以上乃至几个月内振

35、荡频率相对变化量一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量主要由于器件老化。主要由于器件老化。一天之内振荡频率的相对变化量一天之内振荡频率的相对变化量主要由于温度、电源电压等外界因素变化主要由于温度、电源电压等外界因素变化长期频率稳定度长期频率稳定度短期频率稳定度短期频率稳定度瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度秒或毫秒内振荡频率的相对变化量秒或毫秒内振荡频率的相对变化量由电路内部噪声或突发性干扰引起。由电路内部噪声或突发性干扰引起。高频电子线路高频电子线路 LCLC振荡器振荡器1010-3 -3 10 10-4-4普通信号发生器普通信号发生器1010-3 -3 10 10-4-4中波广播台中波广播台2

36、2 1010-5-5短波通信机短波通信机1010-4 -4 10 10-5-5电视发射台电视发射台5 5 1010-7-7标准信号发生器标准信号发生器1010-7 -7 10 10-9-9原子钟(频率标准)原子钟(频率标准)1010-11 -11 10 10-13-13举例:举例:高频电子线路高频电子线路 Z YFFYZ )()(FY 二、振荡器频率稳定度的表达式二、振荡器频率稳定度的表达式 晶体管晶体管 反馈网络反馈网络 LC选频选频网络网络Y Z F uiic1uc1ufc高频电子线路高频电子线路 并考虑到并考虑到Q较大,较大,YF 较小,较小,tgYF 1条件下得条件下得Z )(FY 晶

37、体管晶体管 反馈网络反馈网络 LC选频选频网络网络Y Z F uiic1uc1ufYFtgQ 20 c02 QarctgZ0c 振荡频率:振荡频率:并联谐振回路的相角:并联谐振回路的相角: YF)211(00YFctgQ 、率率不不稳稳。三三者者的的变变化化都都会会引引起起频频的的函函数数,是是振振荡荡器器的的工工作作频频率率YF tgQ0c二、振荡器频率稳定度的表达式二、振荡器频率稳定度的表达式00CcccyfYFQQ 02200122tancoscYFYFYFQQQ 上式就是频率稳定度的表达式上式就是频率稳定度的表达式高频电子线路高频电子线路 yf Q 0 对振荡频率影响的定性描述对振荡频

38、率影响的定性描述 图图 4-* 、 、 变化对变化对 的影响的影响0 YF Qc 二、振荡器频率稳定度的表达式二、振荡器频率稳定度的表达式高频电子线路高频电子线路 具体分析导致频率不稳定的因素:具体分析导致频率不稳定的因素:(3)负载变化)负载变化 影响回路影响回路Q值值(1)LC回路参数不稳定回路参数不稳定温度温度机械振动机械振动(2)晶体管参数不稳定)晶体管参数不稳定温度温度电源电压电源电压高频电子线路高频电子线路 三、振荡器的稳频措施三、振荡器的稳频措施1. 减小外界因素变化的影响减小外界因素变化的影响温度的影响温度的影响 采用高稳定度直流稳压电源采用高稳定度直流稳压电源 采用金属屏蔽罩

39、采用金属屏蔽罩 采用减震器采用减震器在振荡器和负载之间加缓冲器在振荡器和负载之间加缓冲器电压的影响电压的影响负载的影响负载的影响电磁场的影响电磁场的影响振动的影响振动的影响将振荡回路或整个振荡器置于恒温槽将振荡回路或整个振荡器置于恒温槽高频电子线路高频电子线路 2. 提高谐振回路的标准性提高谐振回路的标准性n 标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化时,谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性时,谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性越高,回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越越高,回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就越

40、小。小。n 提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。 * 等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好相反。如电感量加大,振荡频率将降低。向刚好相反。如电感量加大,振荡频率将降低。CCLL2100三、振荡器的稳频措施三、振荡器的稳频措施高频电子线路高频电子线路 n 采用温度补偿法和温度隔离法采用温度补偿法和温度隔离法 引起电抗元件电感量和电容量变化最明显的环境因引起电抗元件电感量和电容量变化最明显的环境

41、因 素是温度的变化。素是温度的变化。n 温度补偿法:温度补偿法:用具有负温度系数的瓷介电容器,接入由用具有负温度系数的瓷介电容器,接入由 普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。n温度隔离法:温度隔离法:将关键电抗元件置于特制的恒温槽内,使将关键电抗元件置于特制的恒温槽内,使槽内的温度基本上不随外界环境温度的变化。槽内的温度基本上不随外界环境温度的变化。n 利用石英谐振器利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电磁谐振系统,它是高稳频率源的一个重要形式。的电磁谐振系统,它是高稳频率源的一个重要形

42、式。 这种谐振系统构成的振荡器,不但频率稳定性、频率准确这种谐振系统构成的振荡器,不但频率稳定性、频率准确度高,而且体积、耗电均很小,在许多领域已被广泛地采用度高,而且体积、耗电均很小,在许多领域已被广泛地采用.2. 提高谐振回路的标准性提高谐振回路的标准性三、振荡器的稳频措施三、振荡器的稳频措施高频电子线路高频电子线路 3. 削弱电路不稳定因素对谐振特性的影响削弱电路不稳定因素对谐振特性的影响n晶体管的参数稳定:晶体管的参数稳定:晶体管的参数(输入输出阻抗等)受工晶体管的参数(输入输出阻抗等)受工作点的影响较大,因此注意作点的影响较大,因此注意选择工作点稳定电路与良好的稳选择工作点稳定电路与

43、良好的稳压电路。压电路。n选择回路与器件间的接入系数:选择回路与器件间的接入系数:晶体管的输入输出阻抗、各种晶体管的输入输出阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素。分布电容和引线电感都是影响回路标准性的重要因素。 选择回路与器件间的接入系数,尽可能减小不稳定的分布电容选择回路与器件间的接入系数,尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响,对于提高频率稳定性是十分重要的。和引线电感的影响,对于提高频率稳定性是十分重要的。n减小负载对振荡器的影响减小负载对振荡器的影响:o振荡器后面振荡器后面接缓冲级接缓冲级,例如高输入阻抗的跟随器。,例如高输入阻抗的跟随器。o负载与振荡器负载与振

44、荡器输出直接连接时,可输出直接连接时,可采用部分接入采用部分接入,如,如采用变采用变比较大的降压变压器,或分压比很小的电容分压网络,或通比较大的降压变压器,或分压比很小的电容分压网络,或通过小电容与其它负载相联接。过小电容与其它负载相联接。三、振荡器的稳频措施三、振荡器的稳频措施高频电子线路高频电子线路 n 采用改进型的电路采用改进型的电路(克拉泼和西勒电路)(克拉泼和西勒电路) 减小振荡管自身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频减小振荡管自身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响。特别是在三点式振荡电路中,器件三个端口率的影响。特别是在三点式振荡电路中,器件三个端口的等效阻抗的等效阻抗 、

45、 、 直接与回路三个电抗元件直接与回路三个电抗元件相连接,由于器件端口等效阻抗的稳定性很差,且随工相连接,由于器件端口等效阻抗的稳定性很差,且随工作状态改变而改变,其频率稳定度的提高受到严重的影作状态改变而改变,其频率稳定度的提高受到严重的影响。响。ceZbeZcbZn 谐振回路的选择:谐振回路的选择:选择高品质因数的谐振回路(石英选择高品质因数的谐振回路(石英谐振器)。谐振器)。3. 削弱电路不稳定因素对谐振特性的影响削弱电路不稳定因素对谐振特性的影响Q1 1 QQ 据据LC回路的特性回路的特性,Q值值越大越大, 相频特性曲线越相频特性曲线越陡峭陡峭,相位越稳定。相位越稳定。高频电子线路高频

46、电子线路 第五节第五节 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器一一 、一般电容三点式振荡电路的稳定性分析、一般电容三点式振荡电路的稳定性分析 LCCCCCCCCCCieoeieoe1)()()(02121 工作状态和外界条件的工作状态和外界条件的变化都会改变变化都会改变C Cieie和和C Coeoe的值,的值,从而改变振荡频率从而改变振荡频率f f0 0,导致,导致f f0 0不稳定。不稳定。图图4-10一般电容三点式等效电路一般电容三点式等效电路高频电子线路高频电子线路 一一 、一般电容三点式振荡电路的稳定性分析、一般电容三点式振荡电路的稳定性分析设设 、 没变化时,回路总电容没变化时,回路

47、总电容 对应振荡频率对应振荡频率为为 其中其中 , 。C CCCC 12221LC oeCCC 1122ieCCC oeCieC 晶体管输入电容晶体管输入电容 、输出电容、输出电容 与回路电容与回路电容 、 相并联。相并联。而而 、 与晶体管工作状态和外界条件有关。与晶体管工作状态和外界条件有关。oeC2C1CieCieCoeC当当 变化变化Co, 变化变化Ci 时,总电容的增量时,总电容的增量 其中其中 , 。21112CCpCCC 12212CCpCC C 2212=oiCpCpC oeCieC要提高频率稳定度一定要尽可能减小要提高频率稳定度一定要尽可能减小 C的变化。也就是在的变化。也就

48、是在Co和和Ci一定时,一定时,p1 和和 p2 要同时尽可能减小。一般电容三点式振荡电路要同时尽可能减小。一般电容三点式振荡电路 p1、p2 不可能同时减小,故频率稳定度不可能做得较高。不可能同时减小,故频率稳定度不可能做得较高。0330,1 可改变可改变调节调节CLC 二二 、串联改进型电容三点式振荡器(克拉泼振荡器、串联改进型电容三点式振荡器(克拉泼振荡器CLAPPCLAPP)3C C3 C1 , C3 C2 3211111CCCC 302121LCLCf 振荡频率:振荡频率:oeCieCoeCCC 11故故比比较较稳稳定定无无关关与与,0oeieCCfieCCC 22优点:频率可调优点

49、:频率可调231CFCC 改变不影响改变不影响F可以选用较大的可以选用较大的C1和和C2高频电子线路高频电子线路 0g,113111CCCCCCP 接接入入系系数数:020gPgec 的的电电导导:、折折合合到到 ,03 C克拉泼振荡器的缺点克拉泼振荡器的缺点:限限制制。故故振振荡荡器器的的上上限限频频率率受受减减小小可可能能导导致致停停振振 ,3C0g ceURgPC003但但 波段范围不宽,波段内输出幅度不平稳,波段覆盖系数波段范围不宽,波段内输出幅度不平稳,波段覆盖系数一般约为一般约为1.2-1.3, 实际中常用于固定频率振荡器实际中常用于固定频率振荡器。 .CLAPP电路的电路的主要缺

50、点是:频率不能太高,主要缺点是:频率不能太高,高频电子线路高频电子线路 同同一一数数量量级级与与是是可可调调电电容容34,CC43211111CCCCC 三三 、并联改进型电容三点式振荡器(西勒振荡器、并联改进型电容三点式振荡器(西勒振荡器SeilerSeiler)oeCieCC3 C1 , C3 C24C43CC )(11430CCLLC振荡频率:振荡频率:故故比比较较稳稳定定无无关关与与,0oeieCC bce高频电子线路高频电子线路 改进改进:克拉波电路中是改变:克拉波电路中是改变C3来调节频率,而来调节频率,而C3的改变的改变会会影影响接入系数响接入系数P, 从而可能导致停振。但西勒电

51、路中,改变从而可能导致停振。但西勒电路中,改变C4来调节频率,而来调节频率,而C4的改变的改变不会不会影响接入系数影响接入系数P。,113111CCCCCCP 接接入入系系数数:相对克拉泼振荡器的改进之处相对克拉泼振荡器的改进之处:0g0g020gPgec的电导:、折合到不变不变但ceUgCC0404, 故西勒电路的优点:振荡频率可以很高,且故西勒电路的优点:振荡频率可以很高,且在波段内振幅比在波段内振幅比较稳定,较稳定,调谐范围比较宽,实际中常用于波段振荡器调谐范围比较宽,实际中常用于波段振荡器。高频电子线路高频电子线路 例:例:LCCMHzFpFCpFCpFC、试求:振荡器的频率范围为,反

52、馈系数示。已知一振荡器等效电路如图42531;32 . 14 . 0,25012,20,600pFFCCCCCCF15004 . 0600/1/1122112 解:解:-+ceU&-+fU&分析:本题是一个西勒电路。分析:本题是一个西勒电路。高频电子线路高频电子线路 uHLpFCpFCpFCCCLLCfCCLLCf2 .62,3 .1320,12010)20(212110310)20(2121102 . 14min5max512min54min6max012max54max6min03132345012CC CCCCCCfLC, Q=n n回回路路的的容容高频电子线路高频电子线

53、路 第六节晶体振荡电路 以石英谐振器作选频网络以石英谐振器作选频网络的反馈振荡器称为石英的反馈振荡器称为石英晶体振荡器。晶体振荡器。o 晶体振荡器一般的频率稳定度晶体振荡器一般的频率稳定度o 对晶体加恒温控制,可提高到对晶体加恒温控制,可提高到 数量级数量级o 前晶体振荡器频率稳定度的极限是前晶体振荡器频率稳定度的极限是o LC回路的一般不超过回路的一般不超过510 461010781010 12131010o 晶体振荡器可以产生频率稳定度和准确度很高的晶体振荡器可以产生频率稳定度和准确度很高的正弦波的原因:石英晶体具有极高的正弦波的原因:石英晶体具有极高的Q值,其物值,其物理性能和化学性能十

54、分稳定,对周围环境条件理性能和化学性能十分稳定,对周围环境条件(如温度、湿度、大气压力)的变化不敏感。(如温度、湿度、大气压力)的变化不敏感。 晶体振荡器是最常见的具有高稳高准频率的正弦波晶体振荡器是最常见的具有高稳高准频率的正弦波振荡电路。振荡电路。高频电子线路高频电子线路 一、一、 石英晶体及其特性石英晶体及其特性 从一块晶体上按一从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄定的方位角切割成的薄片称为晶片片称为晶片化学成分:化学成分:SiO21. 石英晶体的结构和基本特性石英晶体的结构和基本特性基本特性:基本特性:压电效应压电效应极板间加电场极板间加电场晶体产生机械变形晶体产生机械变形反压电效应:

55、反压电效应: 正压电效应:正压电效应:极板间加机械力极板间加机械力晶体产生电场晶体产生电场交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压当交变电压频率当交变电压频率 = 固有频率时,振幅最大。固有频率时,振幅最大。压电谐振压电谐振当晶体几何尺寸和结构一定时,它本身有一固定的当晶体几何尺寸和结构一定时,它本身有一固定的机械振动频率。机械振动频率。高频电子线路高频电子线路 o 晶体振动具有多谐性,除了基频振动外,晶体振动具有多谐性,除了基频振动外,还有奇次谐还有奇次谐波的泛音波的泛音振动。振动。n基频晶体:利用基频振动实现对频率控制的晶体称为基频基频晶体:利用基频振动实现对频率控制的晶体称为基频

56、(音)晶体(音)晶体n泛音晶体泛音晶体: 除基频外,一般工作在三次和五次泛音振动上。除基频外,一般工作在三次和五次泛音振动上。o 石英晶体的固有振荡频率和晶片厚度有关系,而振石英晶体的固有振荡频率和晶片厚度有关系,而振荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关。荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关。振振荡频率越高,晶片就越薄。太薄,易损坏。荡频率越高,晶片就越薄。太薄,易损坏。o 一般基频晶体工作在一般基频晶体工作在20MHz20MHz以下,泛音晶体振荡以下,泛音晶体振荡器的工作频率可达器的工作频率可达200MHz200MHz。n传统切割工艺晶体谐振频率很难达到传统切割工艺晶体谐振频率很难达

57、到30MHz; 30MHz; 化学蚀刻化学蚀刻方法得到薄晶片,使谐振频率达到方法得到薄晶片,使谐振频率达到350MHZ350MHZ。石英晶体的固有振荡频率石英晶体的固有振荡频率-基频晶体与泛音晶体基频晶体与泛音晶体高频电子线路高频电子线路 晶体晶体1qL1qL1qC1qC1qr1qr0C0C qnLqnCqnr其中: 等效电感,大体反映石英片的质量;等效电感,大体反映石英片的质量;qL几十几十几百亨几百亨等效电容,反映其材料的刚性;等效电容,反映其材料的刚性; qCPF431010等效电阻,石英片机械形变时材料的能耗;几百欧;等效电阻,石英片机械形变时材料的能耗;几百欧;qr称为石英谐振器的并

58、联电容,它相当于以石英片为称为石英谐振器的并联电容,它相当于以石英片为介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和支介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和支架电容、引线电容的总和。几架电容、引线电容的总和。几几十几十 。 0CpF2. 石英晶体的等效电路石英晶体的等效电路高频电子线路高频电子线路 JT符号符号等效电路等效电路qqCLf 21q 串联谐振频率串联谐振频率:并联谐振频率:并联谐振频率: 21 q0q0qPCCCCLf 0q1CCfq 通常通常0CCq 所以所以稍大一些稍大一些比比 qpff10 xCCq)1.(1)1( xnxxnqqqpfCCff02 )21(0CCffqqp

59、3. 石英晶体的谐振频率石英晶体的谐振频率qqqrLQ00CCCCCpqqq接入系数接入系数:高频电子线路高频电子线路 二、二、 石英谐振器的阻抗特性石英谐振器的阻抗特性fXfPfq容性容性感性忽略忽略 时,总阻抗为时,总阻抗为qr呈感性呈感性呈容性呈容性串联谐振,等效短路串联谐振,等效短路X=0时,时,当当qff 时时,或或当当pqffff 时,当pqfff时,时,当当pff x并联谐振,等效开路并联谐振,等效开路22221111111qqqeepooqqojLCZjjXj CCjLCC X0n阻抗特性阻抗特性高频电子线路高频电子线路 石英谐振器的基本特性石英谐振器的基本特性n很高的等效品质

60、因数很高的等效品质因数 Q :651010 n很小的接入系数很小的接入系数 P:当外界电抗元件与之相连接时,对石:当外界电抗元件与之相连接时,对石英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。 310n具有两个谐振频率具有两个谐振频率 和和 .qfpfn 两个谐振频率十分接近:两个谐振频率十分接近:qqppffff21举例:举例: 2.5MHz石英谐振器的接入系数石英谐振器的接入系数 p=4.210-5故串并联谐振频率绝对频差为:故串并联谐振频率绝对频差为:)(5 .522112Hzpffffqn晶体的两种工作方式晶体的两种工作方式(1)高高 Q 短路线短路线 ( 振荡在振荡在 上)上)qf(2)等效电感)等效电感 L:振荡在:振荡在 两个谐振频率两个谐振频率 和和 之间。之间。 qfpf高频电子线路高频电子线路 n石英晶体的使用注意事项石

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