第三章正弦波振荡器1.ppt

1、第三章正弦波振荡器,第一节反馈振荡器的工作原理 一、反馈振荡器的组成、平衡和起振条件,反馈振荡器、负阻振荡器,1.组成：主网络和反馈网络,Vo恒定、f恒定,平衡状态,起振条件、平衡条件、稳定条件,2.平衡条件：在处断开时，其环路增益为,设w=wosc时， Vf与Vi等幅同相,T（jwosc）=1,当环路闭合后，主网络将输出w=wosc的正弦波电压,无需外界加输入电压，就可得到等幅的振荡信号,平衡条件：,说明：闭合环路能够维持等幅振荡，但不能说明起振,振幅平衡条件：,相位平衡条件,3、起振条件,、振幅起振条件,电源接通后，因电流突变或回路噪声具有很宽的频谱，只有f=fosc的信号能通过主网络,若

2、Vi很小时，|T（jwosc）|1，即Vf Vi且同相,起振,若Vi很小时，|T（jwosc）|1，即Vf Vi且同相 无法得到Vo，即停振。,小信号时Vf Vi,T（wosc）1,相位起振条件,满足起振和 平衡 条件时环路增益特性,A,T（wosc）=1 平衡状态,满足起振和 平衡条件时，只能说明电路是 正反馈；不能说明输出的稳定性。,二、稳定条件,振幅稳定条件,停振,达到新的平衡点,回到原平衡点：稳定,停振,若Vi很小时，|T（jwosc）|1，无法起振， 需外加冲击电压才能起振称为硬激励。,相位稳定条件,相位平衡条件：,稳定条件,当温度变化或外界干扰时,Wwosc,Wwosc,不稳定,新

3、的平衡点,新的平衡点,在w=wosc处具有 负斜率特性,不稳定条件,不能达到稳定,变压器耦合振荡电路,正反馈放大器,当Vi足够大时过压（Vcm不变）,T（wosc）=1达到平衡状态,满足振幅平衡条件和起振条件（Vi很小时，工作在欠压状态， T（wosc）1）,满足相位平衡条件：Vo与Vi反相、 Vo与Vf反相Vi与Vf同相,满足振幅稳定条件：在ViA： T（wosc）=1、,相位稳定条件,幅频特性,相频特性,放大器Vo对Vi的相移（不变）和 并联谐振回路的相移（随w变化）,反馈电压的相移Vf对Vo的相移与w无关,谐振回路相移,谐振回路的相移,回路的固有品质因数,谐振角频率,W=wo附近为负斜率

4、，相位稳定,Qe越高相位也越稳定,三、基本组成及其分析方法,1.振荡器必须满足的条件：,起振条件：小信号,T（wosc）1,平衡条件：,T（wosc）=1,稳定条件：,相位稳定条件：,振幅稳定条件：,2。组成：,主网络和反馈网络构成闭合环路,可变增益放大器： 增益随输入电压增大而减小的特性、 具有负斜率变化的幅频特性，且保证 W=WOSC,相移网络：具有负斜率变化的相频特性,相移网络,LC谐振网络 RC相移网络 石英晶体振荡器,可变增益特性实现的方法：,放大器固有的非线性 -内稳法 保持放大器线性工作 而另外插入非线性环 节，共同组成可变增 益放大器。 -外稳法,3。检查振荡电路,含有可变增益

5、放大器,相频特性具有负斜率 变化的相移网络,闭合回路是否正反馈,分析起振条件： 小信号时T（jw）1,第二节LC正弦波振荡器,一、三点式振荡器 1.电路组成法则,采用LC谐振相移的振荡器电路,变压器耦合振荡器 三点式振荡器 差分对管振荡器,三极管的三个端点与谐振回路的三个引出端点相连接构成,分类：,电容三点式：考毕兹电路Colpitts e极与两个电容端点相连,电感三点式：哈脱莱电路Hartley e极与两个电感端点相连,连接规则, e极同性质电抗,bc极异性电抗,用来判断三点式振荡器是否连接正确的依据,这种连接方式一定满足相位平衡条件和实现正反馈,X1与x2同性质电抗 X3与x1、x2异性电

6、抗,忽略T的输入输出阻抗，且 回路品质因数Qe足够高，即 回路损耗很小，当其谐振时,X1+X2+X3=0,若考虑输入输出阻抗时，,才满足相位平衡条件,输入输出阻抗的影响回路的振荡频率ffo,2、三点式振荡电路,电容三点式,RB1RB2RE：分压式偏置电路,CCCB和CE：隔直和旁路电容,RL：集电极输出负载电阻,LC1C2：并联谐振回路,（a）（b）交流接地不同,交流等效电路：,直流偏置等效电路,RB=RB1/RB2,IBQ,VBQ,起振时：VBEQ=VBQ-VEQ,VBQ=VBB-IBQRB,VEQ=IEQRE,保证小信号 工作在放大 区，易起振 T（W）1,自给偏置效应,VBEO=VBQ-

7、VEQ,大信号时， 工作在过压 T（w）=1,RE提高振荡器 的振幅稳定性,电感三点式振荡器电路,3.电容三点式振荡器起振条件,交流等效电路,计算T（jw）,LC1C2并联 谐振电阻Reo,ReowLQo， Qo Reo/（wL）,Z1,环路增益,起振时满足的条件,相位起振条件,振幅起振条件,振幅起振条件,当giwC2/即gi忽略不计,集电极对地的总导纳,是gi经电容分压器折算到 集电极的导纳,满足振幅起振条件,nkf ，但n取值过大时n2gi Av（wo），n须取适当值,ICQgmAv（wo），但ICQ取值 过大时， gm=gia gi Qe 影响 振荡频率的稳定度。一般ICQ（15mA）

8、fT（大于5倍fo）、RL1k、 n取适中,4.工程估算起振条件,将闭合环路断开，画出推算开 环增益等效电路 求出谐振回路的固有角频率W0 Wosc=Wo 将接在谐振回路各部分的电导 折算到集电极上，分别求出放 大器的增益和反馈系数，便可 得到振幅起振条件。,二、差分对管振荡电路,1.工作原理,静态工作点,Vb2Q=Vc2Q = Vb1Q=VBB 振幅VCm200mV、 防止T2管进入饱和区,正反馈；,电源接通瞬间Vc=0、IC1=IC2=Io/2,Vc充电VC2 Vb1 IC1 IC2 ,由于IC2 iL VL 当IC1=0、IC2=Io时 由于iL=Io不变 VL 、iL C放电VC2 ,

9、VC2 Vb1 IC1 IC2 ,当IC1= Io 、IC2= 0、 iL=0，C充电Vc,2.工程估算方法、分析起振条件,交流等效电路,从处断开,分析起振条件,振荡角频率,起振条件,E1648集成振荡器,CB,CB高频滤波电容,加外接正电压，使Io增大，振荡器输出幅度也增大， 通过T2、T3的差动放大电路，将它变成方波电压。,第三节LC振荡器的频率稳定度Frequency Stability,一、频率稳定度的定义,在规定的时间、温度、湿度、电压等变化范围内振荡频率的相对变化量。,长期频率稳定度：1天几个月由于元件的老化而产生的相对变化量。,短期频率稳定度：1天内因温度、电源等外界因数变化引起

10、的振荡频率的 相对变化量。,瞬时频率稳定度：电路内部噪声引起振荡频率的的相对变化量。,通常所讲的频率稳定度一般是指短期频率稳定度。,fosc为振荡频率的标称值，,为第i个时间间隔内实测的绝对频差,绝对频差的平均值也称为绝对频率准确度。,中波发射机10-5 电视发射机10-7 信号发生器10-410-5 高精度信号发生器10-710-9,二、提高频率稳定度的基本措施,1.频率稳定度的定性分析,相位平衡条件,并联谐振网络产生的,反馈网络产生的,W0、Qe、f变化会引起振荡频率的变化,若外界因数如,A,B,Wosc/,Wo/,若外因使负载、管子参数变化：设QeQe/,Wosc/,Wosc,外因使f变

11、化,提高频率稳定度应减小反馈 网络产生的相位、增大回路 有载品质因数（选择高Q网 络）、减小Wo、Qe、 f变化量。,2.提高频率稳定度的基本措施,减少外界因数的变化：,温度（放在恒温槽内）、湿度和大气压（密封工艺）、周围磁场（屏蔽罩） 机械振动（减振装置）、负载变化（与不稳定负载之间插入跟随器）,提高振荡回路的标准性,在外界因数变化时保持固有谐振频率Wo不变的能力，标准性越高，外界 因数引起的Wo也越小。,减少L、C的相对变化量：采用高稳 定的集总电感和电容。,减少元件和引线分布电容、分布电感 及管子的极间电容等寄生参量：采用减 少不稳定的寄生参量在L、C中的比重或 用温度补偿等。,由于电感

12、和部分寄生参量的温度系数 为正值，选用温度系数为负值的陶瓷 电容器来补偿。,通过增大回路的总电容，减少管子与回路之间的耦合均能有效地减少管子 极间的电容在总电容中的比重，也可有效地减小管子输入和输出电阻以及 它们的变化量对振荡回路Qe的影响。但C过大，L过小Qo不高，相应Qe也 不高，不利于频率的稳定度的提高。,三、克拉泼振荡器电路（Clapp）,差别：增加c3 且C3C1、C2 回路总电容C总C3 稳定度10-410-5,将gl/折到cb极间的 数值gL/,C3越小频率稳定度越高，但C3过小，由于增益下降，不利于起振条件 因此减小C3来提高回路的标准性是以牺牲环路增益为代价的，若过小 振荡器

13、会不满足起振条件而停振。,第四节晶体振荡器（Crystal Oscillator）,一、石英晶体振荡器的电特性,10-5数量级以上（LC10-310-5）,利用石英晶体（二氧化硅）的压电效应而制成的（在一块石英片的两面 涂上银层作电极）；且该晶体具有固有的谐振频率fo（与切片的形状、尺寸 和切形有关），f0的温度系数10-6以上，某些切片温度系数在很宽的范围内趋 向于零，其它切型只能在某一特定温度附近小范围内趋向于零（称为拐点温 度）。,1、石英片压电效应,石英片在外加压力作用下会产生机械形变并在两极产生符号相反、数值 相等的电荷，电荷数值与形变大小成正比；反之，当两极加电压时会产生机 械形变

14、，形变的大小与极间电场强度成正比。这种机电的相互转换效应称为 压电效应。,当外加交流电压频率等于晶片的固有振荡频率时，其两极上的交流电荷量 最大，通过石英片的交变电流也最大，相当于串联谐振特性。,2.石英片的振动具有多谐特性,基波振动：基频（Fundamental Frequency）晶体,奇次谐波振动：泛音（Overtones）晶体,3.等效电路,Lq1、Cq1、rq1等效基频谐振特性,Lq3、Cq3、rq3等效三次泛音谐振特性,Lq3、Cq3、rq3等效五次泛音谐振特性,Co：静态电容（介质、两个电极而形 成的电容）和支架、 引线等分布电容之和。,基频晶体等效参数 Lq几十mH Cq10-

15、2PF Qq105 CoCq,Co对Cq影响很小， 相当于克拉泼电路利 用C1，2 C3减少晶 体管的参数对谐振回 路的影响，因此具有 高稳定度。,4.晶体的阻抗特性,若忽略rq，则晶体两端呈现的阻抗为纯电抗Xcr,串联谐振角频率 Series Resonant Angular Frequency,并联谐振角频率 Antiresonant Angular Frequency,当W=Ws，Xcr=0串联谐振特性,当W=Wp，Xcr=并联谐振特性,当WswWp，Xcr0：呈现电感,当WWp或WWs，Xcr0：呈现电容,Cq/Co很小，Ws与Wp间隔也很小。在实际振荡电路中晶体两端 往往并接晶体负载

16、电容CL（基频3050PF）,CLfN越接近fS,标称频率：在晶体外 壳上的振荡频率是接 上CL后的fN值,二、晶体振荡电路,1、并联型晶体振荡电路（Parallel-Mode Crystal Oscillators）,皮尔斯晶体振荡电路,f=fS,晶体做电感,电路结构符合三点式 电路的组成法则,具有为调电容的晶 体振荡器。,具有温度补偿的晶体振荡器。,若Vt温度特性和晶体的温度特性相匹配 频稳度可提高12个数量级。,要想得到更 高的频稳度 可将晶体放 在恒温槽内， 控制槽在拐 点温度，使 温度系数为0，其频稳度可达10-10,泛音频晶体振荡器,假设晶体的五次泛音晶体，标称频率fS=5MHz,

17、要使该电路振荡频率设计成fOSC=5MHz，必须抑制掉基波 1MHz和三次泛音3MHz。,根据电容三点式振荡器连接法则，当fOSC=5MHz时，LC1 必须等效成电容。,LC1固有的震荡频率fo fOSC=5MHz；在基波1MHz和三次泛音3MHz上LC1必须等效成电感，才不会振荡。,3MHz fo 5MHz，取fo=3.5 MHz,fOSC=5MHz fo， LC1等效成电容，能振荡 fOSC fo =3.5 MHz， LC1必须等效成电感， 不能振荡,当fOSC=7 MHz时， LC1等效电容过大， 致使电容分压比n过大,不满足起振条件，因此该电路只能 工作在五次泛音上。,将fo2=6.5

18、MHz， fOSC=5MHz时， L2C2、LC1均等效成电容，能起振,1MHz、3MHz：L2C2等效成电容 LC1等效成电感 7 MHz、9MHz： L2C2等效成电感 LC1等效成电容 均不能起振。,2、串联型晶体振荡电路（Series-Model Crystal Oscillators）,集成晶体振荡电路XK76,只有fOSC=fS的频率信号才能构成正反馈,具有频率微调的串联型晶体振荡电路,当f=fS，晶体短路，电路符合三点 式的组成法则,但由LC1C2C3构成的回路必须调谐在 晶体谐振频率fS附近，否则不能振荡。,第五节RC正弦波振荡器,一、相移网络,相当于串联谐振,二、由导前相移电

19、路构成的RC相移振荡电路,3个RC：2700 当导相移网络提供1800相移时，环路就能 满足相位平衡条件。,2、振幅起振条件和振荡角频率,从处断开，环路增益,满足起振条件,由于RC网络选频特性不理想，因而波形 失真大，频稳度低，只能在性能不高的 设备中使用。,三、串联、并联RC振荡器（放大器接成同相放大器）,同相放大器：,900-900,若选00相移，则,00,串并网络的相移,00,当W=Wo=1/（RC）,从处断开,才能满足起振条件。,起振时：Rt的温度小Rt的阻值大T（Wo）1 振幅Rt的功耗 温度 Rt的阻值 T（Wo） T（Wo） =1稳定平衡外稳法,该电路也称为文氏电桥,当W=Wo=

20、1/（RC）时稳定平衡状态。,第六节负阻正弦波振荡器（Negative-Resistance）,一、负阻器件（增量电阻为负的器件）,由负阻器件和LC谐振回路构成，频率大于100MHZ的超高频段,1、伏安特性（隧道二极管）,在负斜率变化的负阻区Q（VQ，IQ）点 加上微弱电压V=VmSinwt时,VD=VQ+VmSinWt,斜率-gn=iD/VD,iD=IQ-ImSinwt,增量电流i=（-gn）V= -gnVmSinwt,Im= gnVm，i=-ImSinwt,-gn为隧道二极管在静态工作点上的增量电导（负值）,2、加在器件上的平均功率P,VQIQ：直流电源提供给器件的平均功率,表示负阻器件给

21、出的交流功率,负阻器件本身 总是消耗功率的。,3、输入信号与平均电导gn（av）关系,小信号工作，用gn参数（定值）,大信号工作，ID（VD）非线性 用平均负增量电导-gn（av）,Vm为外加正弦波电压的振幅 Im为基波电流的振幅,与Vm大小有关,二、负阻振荡器原理及其电路,-gn（av）：负阻器件平均负增量电导,Geo：LC谐振回路固有谐振电导,当,小信号时，,振幅按指数规律增长,大信号时,等幅信号,起振条件：,平衡条件：,振幅稳定条件：,相位稳定条件：取决于LC并联谐振具有负斜率变化的相频特性。,三、电流控制型负阻器（负阻器件串联在谐振回路中）,1、电流控制型负阻器件特性（单结晶体管V-I

22、特性）,平均负阻,LC谐振回路固有谐振电阻,起振条件：,平衡条件：,振幅稳定条件：,串联谐振回路具有负斜率 变化的相频特性。,2、电压控制型负阻振荡器的实用电路,C1高频旁路电容：避免直流供电电路 对回路Qe的影响。,静态工作点Q：,直流负载线,VDDO,VDDO/R,选取适当的R，使直流负载线与伏安特 性曲线交于Q点，并使Q点处于负阻区。,当R过大时，直流负载线与伏安特性 曲线有三个交点，就会引起静态工作 点不稳定。,IQQ/,Q/,IQQ/,Q/,它们都处于正阻区停振,四、用负阻观点讨论LC反馈振荡器,谐振回路要维持振幅恒定不变，必须给回路补充能量，以补偿回路的固有 损耗。,在电路中补充能

23、量的机构：,负阻振荡器：负阻器件,反馈振荡器：带有正反馈的放大器件,这两种器件都能将直流能量变换为谐振回路所需补充的能量，因此从能量 观点看，正反馈放大器可以等效成负阻器件。,例如：电容三点式振荡器的等效电路,起振条件,电容三点式振荡器可等效成电压控制负阻振荡器,用负阻观点可以研究 反馈振荡器的特性， 而且是等价的。,第七节寄生振荡和频率占据,一、寄生振荡（Parasitic Oscillation）,1、原因：,电路中某些集总参数（直流供电电路元件）和分布参数（如极 间电容、引线电感）够成的闭合环路满足振荡条件，而自行产生 的一种不希望振荡。 抑制措施：破坏闭合环路。,2、分类：,低频寄生振荡：其闭合环路由高频扼流圈、隔直流或旁路 电容构成。,抑制措施：选择合适的Lc、Cc、CB、CE；同时在Lc上串上 小电阻，或并大电阻提高其损耗。,超高频寄生振荡：分布参数（引线电感）与极间电容构成闭和 环路，满足振荡条件。,抑制措施：引线：粗、短；元件：贴片；C，B：串上 小的无感电阻；隔直流或旁路大电容并接几百PF 的磁片电容，保证在超高频段仍看作短路元件。,在电路安装时，元件的排列和布线必须合理，采用集中接地和大面积接地 避免出现放大器