振荡电路课件.ppt

1、第四章 正弦波振荡器,第一节 概述 第二节 反馈型LC振荡原理 第三节 反馈型LC振荡器 第四节 振荡器的频率稳定原理 第五节 高稳定度的LC振荡器 第六节 晶体振荡器,主要内容,第一节 概述,一、振荡电路的功能 在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率,一定波形,一定振幅的交变振荡信号输出。,二、振荡电路的分类,正弦波振荡器,非正弦波振荡器,反馈型,负阻型(100MHz以上),振荡器,RC振荡器,LC振荡器,晶体振荡器,按波形分,按原理分,按元件分,三、主要技术指标 1、振荡频率； 2、频率稳定度； 3、振荡幅度； 4、振荡波形；,第二节 反馈型LC振荡原理

2、,一、组成,反馈型LC振荡器是由调谐放大器和正反馈网络构成.,调谐放大器,正反馈网络,条件,放大器必须是调谐 放大器,具有选频滤波的功能,反馈网络必须是正反馈,二、振荡的建立与起振条件,1、起振条件 A0F1 (n=0，1，2，n),物理意义是振荡为增幅振荡,物理意义是振荡器闭环相位差为零，即为正反馈。,微小的扰动电压经放大 选频 反馈 再放大 再选频 再反馈,如此循环,振荡电压就会增长起来,建立了振荡.,振幅起振条件,起振过程:,相位起振条件,其中，A0为当电源接通时的电压增益。,Pspice仿真振荡器输出波形,三、振荡的平衡与平衡条件,1、振荡的平衡条件,平衡过程：刚起振时A0F1，增幅振

3、荡，随着反馈回来的输入振幅的不断增大，谐振放大器进入非线性状态。 非线性状态电压增益A随着振幅增大而降低,直到AF=1时,达到平衡.,AF=1,(n=0，1，2，),物理意义:等幅振荡,物理意义:正反馈,振荡器刚起振时,工作于甲类, 起振后由甲类逐渐向甲乙类、乙类或丙类过渡。最后工作于什么状态完全由A0F的值来决定。,总结:,振幅平衡条件AF=1,可以确定振荡器的振幅， 相位平衡条件 可以确定振荡器的频率。,振幅起振条件 ： 相位起振条件： （n=0,1,2）,2、平衡条件的另一种表示形式,由于电路中有源器件、寄生参量及阻隔元件的确影响， ，为了使电路工作在相位平衡状态， ，因此振荡器的频率并

4、不等于回路的谐振频率。回路处于微小失谐状态。为简化问题，通常都近似地认为振荡频率就等于回路的谐振频率,稳定平衡:是指因某一外因的变化，振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新的条件下建立新的平衡，当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。平衡的稳定条件也包含振幅稳定条件和相位稳定条件。,四、振荡平衡状态的稳定条件,1、振幅平衡的稳定条件,振幅平衡的稳定条件:,物理意义:A随放大器输出电压的变化为负斜率,B点也满足振幅平衡的条件A=1/F，而此点的 ，不能满足稳定条件。,Q点 为稳定平衡点.,消除这种情况的方法:,调节静态工作点 选择适当的反馈系数,2、相位平衡的稳定条件,相位平衡条件 ，可得,相位

5、平衡的稳定条件:,并联回路的相频特性,物理意义:平衡点并联谐振回路的相频特性为负斜率.,总结:,起振条件,平衡条件,平衡的稳定条件,第三节 反馈型LC振荡器,反馈型LC振荡器是由调谐放大器和正反馈网络构成.,按反馈耦合元件可以分为：,互感耦合振荡器 通过电感线圈L1 与 L2 的互感M实现反馈。,电容反馈式振荡器 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器 称为电容 三点式振荡器又称考毕兹振荡器。,电感反馈式振荡器 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器，称为 电感三点式振荡器，又称哈特莱振荡器。,一、互感耦合振荡电路,通过 与 的互感M实现反馈。,放大器为共基调谐放大。,正反馈由耦合线圈的同名端决定 。,1

6、、电路形式,判断相位平衡条件是否满足，通常可以采用瞬时极性法判断是否是正反馈。,2、判断振荡的方法,+,+,+,+,共基调集型,共射调基型,“共射”电路输入阻抗较低，晶体管与回路采用部分接入,+,+,+,-,共基调射型,+,+,+,-,-,+,3、电路的振荡频率,4、互感耦合振荡电路的特点,优点：互感耦合振荡电路在调整反馈（改变M）时，基本不影响振荡频率,缺点：工作频率不易过高，应用于中短波段,二、电容反馈振荡电路,1、电路形式,晶体管的三个极（c.e.b）分别连接于回路电容的三端，称为电容三点式振荡器，也称为考比 兹振荡器。,c,e,b,2、相位平衡条件（正反馈）,振荡器的等效电路,电压向量

7、图,3、起振条件,a、振荡要建立必须满足 。,由于外部反馈作用远大于内部反馈，忽略 的作用，,c,e,b,电路的反馈系数F（忽略各个g的影响）,b、起振条件 得,即:,电压增益,其中:,c、结论 （1）满足起振条件是选取晶体管的 （2）晶体管一旦选定(参数 一定)可以改变F和 来保证起振。F一般选取0.1-0.5。即适当选择C1和C2的值,4、振荡频率的估算,其中：,三、电感反馈振荡电路,它是利用并联谐振回路中的电感分压实现正反馈的。由于晶体管的三个极分别连接于回路电感的三端，称为电感三点式振荡器，也称为哈特莱（Hartley）振荡器。,1、电路形式,2、相位平衡条件（正反馈）,振荡的建立必须

8、满足 。,反馈系数在不考虑 晶体管参数 的影响时可得： 当线圈绕在磁环上时，线圈两部分为紧耦合，则：,由 ，忽略 、 的影响， 可得,3、起振条件,4、振荡频率的估算,其中：,四、电感三点式与电容三点式振荡电路的比较,五、LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则 1、Xce与Xbe的电抗性质相同； 2、Xcb与Xce、Xbe的电抗性质相反； 3、对于振荡频率，满足Xce+Xbe+Xcb=0。,这是用来判断三点式振荡器有没有可能振荡的基本原则,试分析上述四种情况是否可能振荡?振荡频率f0与回路谐振频率有何关系?,例题:,图示为三回路振荡器的等效电路，设有以下四种情况：,第四节 振荡器的频率稳定原理

9、,一、频率稳定度的定义,3、频率稳定度的定义: 在一定时间间隔内，振荡器相对频率偏差的最大值，用 表示。,频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。 频率偏差是指振荡器的实际工作频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。 设f为实际振荡频率，fc为指定标称频率，则,1、绝对频率偏差：,2、相对频率偏差,绝对频率准确度,相对频率准确度,4、三种常用的频率稳定度 长期频率稳定度：一般指一天以上甚至数月的时间间隔内的相对频率 变化的最大值。这种变化通常是由振荡器中元器件老 化而引起 的。 短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分或秒计算的时间间隔内 的频率相对变化。产生这种频率不稳的因素

10、有温度、 电源电压等。 瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化。 引起这类频率不稳定的主要因素是振荡器内部噪 声。,二、振荡器频率稳定度的表示式,1、 振荡频率 的表示式,振荡器的相位平衡条件,2、频率稳定度的表示式,总结：谐振频率 的变化、相角 的变化和有载品质因数 Q的变化都会引起频率稳定度的变化。,3、 、 、 对振荡频率影响的定性描述,变化,变化,Q 变化,1、温度变化会引起L、C和晶体管y参数变化。 2、湿度变化会引起L、Q变化。 3、电源电压变化会引起晶体管参数变化。 4、机械振动会引起L的变化。,三、引起频率不稳的原因,结论：引起振荡器频率不稳定的外部因素是温度、

11、湿度、电源电压波动和机械振动。这些外因变化会引起 、 、 的变化。因此产生频率不稳定。,四、提高频率稳定度的措施,1、减小外因的变化 温度变化可以采用恒温措施； 湿度变化采用将电感线圈密封或固化； 电源电压变化采用稳压电源； 机械振动采用减震措施； 负载变化采用射随器隔离。,2、提高电路参数抗外因变化的能力, 选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行温度补偿。, 减小晶体管极间电容不稳定量 、 对回路总电容 的影响，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路和晶体振荡器。, 选用高Q的元件。 选用 小的电容三点式振荡电路形式。,一、一般电容三点式振荡电路频率稳定性的分析,第五节高稳

12、定度的LC振荡器,当 、 没变化时，回路总电容 对应振荡频率为:,而 、 与晶体管工作状态和外界条件有关。,当 变化Co， 变化Ci时，总电容的增量:,结论：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。,二、克拉泼（Clapp）振荡电路,在电感支路串接小电容C3 满足C3C1，C3C2 回路总电容为：,1、电路特点,2、相位平衡条件（正反馈） 为容抗， 为容抗同性质。 可等效为感抗，与 、 反性质。 满足电容三点式振荡器相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。,3、振荡频率,因为,所以克拉泼（Clapp）振荡器的振荡频率为：,4、稳频原理,总的电容增

13、量为：,其中,p1 、p2可以同时减小， 可很小，故频率稳定度比一般电容三点式要高。,结论：,p1 、p2 的减小受到电路起振条件的限制，频率稳定度不可能很高。,克拉泼电路主要用作固定频率振荡器。,三、西勒（Siler）振荡电路,2、相位平衡条件（正反馈） 为容抗， 为容抗同性质。 可等效为感抗，与 、 反性质。满足电容三点式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。,3、振荡频率,1、电路特点： 西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感 L 两端并联一个电容 。 电路条件仍是C3C1，C3C2， 与 同数量级 回路总电容为：,4、总结 这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点

14、，频率稳定度高。 调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可作为变频振荡器 。,1、电路特点： 西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感 L 两端并联一个电容 。 电路条件仍是C3C1，C3C2， 与 同数量级 回路总电容为：,第六节 晶体振荡电路,一、石英晶体介绍,1、压电效应 石英晶体的特点是具有压电效应。 不同型号的晶体具有不同的机械自然谐振频率。当外加电信号频率等于晶体固有的机械谐振频率时，晶体的振动幅度最强，感应的电压也最大，表现出电谐振。,晶体-石英谐振器的简称.利用石英晶体的压电效应制成的一种 谐振元件,2.石英晶体的等效电路,动态电感 : 很大，几十毫亨到几十亨,动态电容 : 很小，一般

15、为 PF量级；,动态电阻 :很小，一般为几欧几百欧,静态电容Co ： 很小 ， 约25PF。,品质因数 ：很高，达 量级,特点：晶体的参数值十分稳定，因此它的等效谐振回路有很高的标准性 具有极高的Q值 CqC0,因此晶体的接入系数很小，外电路对它的影响很小。,3、晶体管等效电路有两个谐振频率,串联谐振频率,并联谐振频率,两个频率之差很小：,二、石英晶体的阻抗特性,1、忽略 时，总阻抗为,2、阻抗频率特性, 当 和 时， ，晶体等效为电容；, 当 时， ， 晶体等效为短路；, 当 时， ， 晶体等效为电感；, 当 时， ， 晶体为并联谐振。,总结： 晶体使用的两种模式：,时， 晶体 短路线,时，

16、 晶体 电感,三、晶体振荡电路,根据晶体在振荡器中的作用原理可分为两类：,并联型晶体振荡器： 晶体作为高品质的电感 工作频率：,串联型晶体振荡器： 晶体作为高选择性的短路元件 工作频率：,并联泛音振荡器,Miller振荡器,Pierce振荡器,1、并联型晶体振荡器晶体在电路中等效为高Q电感,两种基本类型电路,图（a）电容三点式振荡电路 图（b）电感三点式振荡电路,皮尔斯振荡器,密勒 振荡器,并联型晶体振荡器（以皮尔斯振荡器为例）,A、相位平衡条件,由于 容抗， 容抗， 晶体等效为感抗，满足三点式振荡器相位平衡条件 的判断准则。电路为正反馈。,B、振荡频率,令 称为负载电容。由等效电路可得 故,

17、总结：振荡频率与 和负载电容 有关。 振荡频率一定 在 与 之间，晶体等效为电感。 因串、并联频率相差很小，因此振荡器频率稳定度高。,C、稳频原理,由等效电路可知 其中 ，,和 很小，不稳定电容 、 的影响非常小。关键 很小， 的Q很高。,晶体的参量具有高稳定性，晶体回路的标准性很高。,振荡回路与晶体管之间的耦合很弱，晶体管极间电容的不稳定性对它的影响很小。,晶体具有极其灵敏的电抗补偿能力。,总结：由于以上三个因素，晶体振荡器具有很高的频率稳定度,2、串联型晶体振荡器,串联型晶体振荡电路,电路特点: 晶体在电路中等效为短路元件,回路谐振在 上,即振荡频率为:,稳频原理,当 时,晶体在电路中相当

18、于短路元件,满足相位平衡条件,当 时,晶体在电路中相当于电感,馈支路中引入一个附加相移 ，使 ，从而将偏离频率调整联谐振频率上。,当 时,晶体在电路中相当于电容,馈支路中引入一个附加相移 ，使 ，从而将偏离频率调整联谐振频率上。,总结：串联型晶体振荡器的振荡频率及频率稳定度是由晶体的串联谐振频率所决定，而不取决于振荡回路，但振荡回路的谐振频率应与晶体的串联频率相一致。,当 时,晶体在电路中相当于电感,馈支路中引入一个附加相移 ，使 ，从而将偏离频率调整联谐振频率上。,3、泛音晶体振荡器,在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体谐振器,组成泛音晶体振荡器的原则；,确保振荡器的谐振回路准确地调

19、谐在所需的奇次泛音频率上,抑制基音和低次泛音频率,第七节 负阻振荡器,一、负阻的概念 1、负阻器件是指它的增量电阻为负值的器件。,隧道二极管特性,2、上图所示是隧道二极管的伏安特性 若将静态工作点设置在负阻区（AB段）的Q点， 并加上微弱正弦信号电压 管子两端电压为 则流过管子的电流为 （式中的负号表明，由于负阻特性，使交流电流与交流电压呈现反相）,3、器件消耗的平均功率为 表示器件消耗的功率由两部分组成。一是器件在工作点Q点时所消耗的功率 ，是 由直流电源提供的。二是交流功率 ，负号表示器件消耗的是负交流功率，即器件向外输出交流功率。这说明负阻器件的负阻区具有将直流功率的一部分转换为交流功率的作用。,4、负阻器件的类型,1）电压控制型负阻器件（例如隧道二极管），电流 是电压 的单值函数。负阻区电压增大，电流减小。,2）电流控制型负阻器件（例如单结型晶体管），电压 是电流 的单值函数。负阻区电流增大，电压减小。,二、负阻振荡器,1、分类：