高频电子线路 课件 第6章 高频正弦波振荡器

南京信息工程大学第六章高频正弦波振荡器思考高频振荡器在通讯系统用在哪些环节？本章内容6.6数字式正弦波发生器

6.7本章小节6.5负阻振荡电路6.1概述与导学6.2反馈振荡器基本原理6.4晶体振荡器6.3LC正弦波振荡器6.1概述与导学振荡器的分类振荡器正弦波非正弦波:产生三角波、锯齿波和矩形波等反馈型振荡器负阻型振荡器LC振荡器：三点式及三点式改进型晶体振荡器RC振荡器负阻器件+振荡回路高频正弦波振荡器的用途通信系统：发射机载波频率接收机本地振荡频率测量仪器：信号源数字系统：时钟信号高频能源：高频加热设备医疗仪器6.2反馈振荡器基本原理定义：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型振荡器。一、基本原理和平衡条件放大器的增益：反馈系数：闭环复增益：6.2反馈振荡器基本原理当闭环复增益为1时，反馈放大倍数趋于无穷大。一方面，即使输入信号为0，由于有无穷大的放大倍数，仍然有输出信号，另一方面，反馈信号和基本放大器的净输入信号相等，不需要外来输入信号，输入-放大-反馈流程可以持续下去。也就是说，也就是说在没有外加输入信号的情况下，该电路仍有输出电压，这就是振荡。平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件：6.2反馈振荡器基本原理为了使振荡过程中输出的幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡：二、起振与稳定称为自激振荡的起振条件，也可写成分别称为起振的振幅条件和相位条件。6.2反馈振荡器基本原理为了产生等幅持续振荡，振荡器还必须满足稳定条件，保证所处的平衡状态是稳定的。振幅稳定条件：相位稳定条件：6.2反馈振荡器基本原理三、振荡电路的基本分析方法定性分析：从电路组成考虑，先检查振荡电路是否包含可变增益放大器和相移网络。再从相位条件出发，观察闭合环路是否是正反馈，具有负斜率的相频特性。定量分析：分析起振条件。性能分析：分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。6.2反馈振荡器基本原理四、振荡器的频率稳定度频率稳定度就是为了衡量实际振荡频率与标称振荡频率偏离的程度。通过以下几个方面提高振荡器的频率稳定性为了减少温度变化对振荡频率的影响，最根本的办法是将整个振荡器或振荡回路置于恒温槽内，以保持温度的恒定采用性能良好的电压源供电，并采取退耦措施避免高频信号对电压源稳定性产生不良影响在主振级及其负载之间加一缓冲级减小晶体管和谐振回路之间的耦合，可以减小晶体管输出、输入电容的变化对谐振回路等效电容值的影响，从而使频率稳定度提高提高回路的品质因数Q。6.3LC正弦波振荡器一、三点式LC振荡器三点式(又称三端式)的振荡器,即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路。6.3LC正弦波振荡器三点式振荡器组成原则：满足三点式振荡器的组成原则(a)电容反馈振荡器,也称为考必兹(Colpitts)振荡器(b)电感反馈振荡器，也称为哈特莱（Hartley）振荡器6.3LC正弦波振荡器例1：在振幅条件已满足的前提下，用相位条件去判断如下振荡器是否能振荡？6.3LC正弦波振荡器（a）图中的三极管基极到集电极和发射极分别接有L的部分电感，故接了两个同性电抗元件，不符合“基反”的要求，也就不满足振荡的相位条件，不能振荡；（b）图中的L1和C1串联谐振回路如果呈感性失谐（设为L′），则三极管与L′、C2和C3的关系符合“射同基反”法则，也就是满足了振荡的相位条件，故能起振，振荡频率为其中w0为L1C1串联谐振频率。6.3LC正弦波振荡器例2：图为电容三端式电路中，C1=100pF,C2=300pF,L=50μH，试求电路振荡频率和维持振荡所必须的最小电压增益。6.3LC正弦波振荡器6.3LC正弦波振荡器二、改进型三点式LC振荡器1.克拉泼（Clapp）振荡电路为提高频率稳定度，必须设法减小晶体管极间电容的不稳定性对振荡器频率稳定度的影响，产生了克拉泼（Clapp）振荡电路。6.3LC正弦波振荡器谐振回路的等效电容：克拉泼电路的振荡频率几乎与无关，克拉泼电路的频率稳定度比电容三点式电路要好。电压反馈系数：从减少晶体管极间电容的影响出发，必须满足、远小于仅从振荡频率的稳定度考虑，越小越好，但是，过小会影响振荡器的起振。6.3LC正弦波振荡器二、改进型三点式LC振荡器2.西勒（Seiler）振荡电路在对克拉泼振荡电路的不足之处进行改进的基础，产生了西勒电路。6.3LC正弦波振荡器回路的等效电容：振荡频率改变上式中的即可改变振荡频率，只有保持不变，振幅起振条件就不会受破坏。6.3LC正弦波振荡器二、改进型三点式LC振荡器3.差分对管振荡电路在集成电路中，广泛采用如图所示的差分对管LC振荡电路6.3LC正弦波振荡器二、改进型三点式LC振荡器6.3LC正弦波振荡器二、改进型三点式LC振荡器振荡角频率：电路的总环路增益：起振条件：若忽略，则环路增益为：差分放大器的传输特性是双曲正切函数，随着输入电压的增加，一个管子进入截止，另一个管子进入限幅，也随之减小，利用放大器增益的非线性达到振荡器输出振幅的平衡，属于内稳幅。6.4晶体振荡器一、石英晶振的特性1.物理特性石英晶体的基本特性是它具有压电效应。依靠这种效应，可以将机械能转变为电能；反之，也可以将电能转变为机械能。2.电特性当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个pF到几十pF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L來等效，一般L的值为几十mH到几百mH。6.4晶体振荡器一、石英晶振的特性2.电特性(a)当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联谐振频率用表示，石英晶体对于串联谐振频率fs呈纯阻性，谐振频率为。(b)当频率高于时L、C、R支路呈感性，可与电容C发生并联谐振，其并联频率用表示，谐振频率为6.4晶体振荡器二、石英晶体振荡电路1.并联型石英晶体振荡器(a)原理电路(b)交流通路6.4晶体振荡器二、石英晶体振荡电路1.并联型石英晶体振荡器当晶体的感抗等于C1、C2串联的容抗时，可确定振荡器的工作频率ωg,即要使振荡器的工作频率wg严格等于标称频率值，必须使6.4晶体振荡器二、石英晶体振荡电路2.串联型石英晶体振荡器6.4晶体振荡器二、石英晶体振荡电路2.串联型石英晶体振荡器当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。6.5负阻振荡电路负阻振荡器是利用负阻器件抵消回路中的正阻损耗，产生自激振荡的振荡器。主要工作在100MH以上的超高频段。负阻器件可分为电压控制型和电流控制型两种。6.5负阻振荡电路

LC振荡回路与负阻器件有两种链接形式(a)电压控制型(b)电流控制型当正电导与负电导相等时，就能产生正弦波振荡，其谐振频率为起振条件：6.6数字式正弦波发生器直接数字频率合成（DDS）是一种把一系列数字形式的信号通过数/模转换器转换成模拟量形式的信号合成技术。DDS有两种基本合成方式：一种是根据正弦函数关系式，按照一定的时间间隔利用计算机进行数字递推关系计算，求解瞬时正弦函数幅值并实时的送入数/模变换器，从而合成出所要求的频率的正弦波信号。优点：电路简单、成本低的特点，并且合成信号的频率分辨率很高另一种就是利用硬件电路取代计算机软件运算过程，即利用高速存储器做查询表，通过高速数/模转换器产生已经用数字形式存入的正弦波，这是目前使用最广泛的一种直接数字频率合成方法。6.6数字式正弦波发生器DDS技术的原理图相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成相位累加器6.7本章小结本章介绍了反馈振荡原理和几种正弦波振荡器常用电路类型。需要重点掌握以下内容：（1）反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的具有选频能力的正反馈系统。反馈振荡器必须满足起振条件、平衡条件和稳定条件，每个条件中应分别讨论其振幅和相位两个方面的要求。（2）三点式振荡电路是LC正弦波振荡器的主要形式，可分为电容三点式和电感三点式两种基本类型。频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。主要介绍三点式振荡器的组成原则，两种电路类型的交流等效电路、优缺点和应用场合，还介绍了三点式振荡器的两种实用改进型电路：克拉泼电路