第三章正弦波振荡器.ppt

1、1/43,第三章 正弦波振荡器,第一节 反馈振荡器的工作原理 第二节 LC正弦波振荡器 第三节 LC正弦波振荡器的频率稳定度 第四节 晶体振荡器 第五节 RC正弦波振荡器 第六节 负阻正弦波振荡器 第七节 寄生振荡、间歇振荡和频率占据,2/43,（1）定义： 振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置。 （2）分类： 按振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。 按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还可分为反馈振荡器和负阻振荡器 按选频网络分类：分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡 器以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器（VCXO） 等。

2、随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开 关电容振荡器等。,3/43,3.1 反馈振荡器的工作原理 组成：主 网 络负载为谐振回路的谐振放大器 反馈网络保证能形成正反馈 (LC、RC、晶体、负阻),4/43,3.1.1 平衡和起振条件 一、平衡条件 在（a）图所示的闭会回路中，将它在处断开，环路的增益为： 若在某一频率上（设为osc）， （同相又等幅），即T(josc)1 则主网络必将输出角频率为osc的正弦振荡电压Vo，而它所需的输入电压Vi 则全部由反馈电压Vf提供，无须外加输入电压。 令 上式可写成两部分 T(osc)1 幅度平衡条件 T（osc）2n （n0,1,2,） 相位平衡

3、条件,5/43,二、起振条件 事实上，满足平衡条件只是说明闭合回路能够维持等幅持续振荡，而没有说明电路在电源接通后振荡的建立过程。 起振的条件是 T(osc)1或 Vf Vi 幅度起振条件 T（osc）2n （n0,1,2,） 相位起振条件 总之，作为反馈振荡器，既要满足起振条件，又要满足平衡条件；为此电路中必须要有非线性元件，使电源接通后，环路增益的模值T（osc）必须具有随振荡电压幅值Vi增大而下降的特性。这样，起振时，T(osc)1，Vi迅速增大，而后T(osc)下降，Vi的增长速度变慢，直到T(osc)1时，停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅ViA上维持等幅振荡。,6/43

4、,3.1.2 稳定条件 振荡电路中不可避免地要受到电源电压、环境温度、湿度等因数变化的影响，这将引起振荡电压幅度及其相移的起伏波动，从而破坏已维持的平衡条件。因此，振荡器还必须满足稳定条件，才能保证所处的平衡状态是稳定的。 一、振幅稳定条件 要使平衡点稳定，T(osc)必须在ViA附近具有负斜率变化，即随Vi增大而下降的特性； 即,这个斜率越陡，表明因外界引起振荡幅度的波动（即振幅稳定度）也就越小。,7/43,8/43,二、相位（频率）稳定条件 要使振荡器的相位平衡条件稳定，T()必须在osc附近具有负斜率变化，即随增大而下降的特性； 即 这个斜率越陡，表明因外界引起振荡频率的波动（即频率稳定

5、度）也就越小。,9/43,小结：要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件；因此，在由主网络和反馈网络组成的闭合环路中，必须包括可变增益放大器和移相网络。 可变移相放大器有足够的增益，且其值具有随输入电压增大而减小的特性； 移相网络具有负斜率变化的相频特性，且保证环路在振荡频率上的相移为0（2n）。,10/43,3.2 LC正弦波振荡器 主要介绍三点式振荡器和差分对管振荡器 一、电路的组成法则 与发射极相连的为两个同性电抗，另一个（接在集电极与基极间）为异性电抗。,3.2.1三点式振荡电路,11/43,证明：如图c所示（理想） 由于回路谐振：X1X2X30 由于Vo

6、与Vi反相（共射） Vf是Vo在X3、X2支路中X2上的电压 即 为了满足相位平衡条件，Vf就必须与Vo反相，因而X2必须与X1为同性质电抗，再由X1X2X30 ，可知X3应为异性电抗。,12/43,二、三点式振荡电路 电容三点式振荡电路(反馈信号是电容上的电压) 电感三点式振荡电路(反馈信号是电感上的电压) 电容三点式振荡电路 两图的区别是交流接地电极方式不同，所以反馈方式也不同；（a）反馈电压加到三极管的基极，（b）反馈电压加到三极管的发射极,13/43,14/43,就交流通路而言，不论三极管哪一个极交流接地，它们都是由可变增益器件（三极管）和移相网络（并联谐振回路）组成，且满足三点式振荡

7、电路的组成法则。,15/43,电路中，作为可变增益器件的三极管必须由偏置电路设置合适的静态工作点，以保证起振时工作在放大区，提供足够的增益，满足起振条件；起振后，振荡振幅增长，直到三极管呈现非线性特性时，放大器的增益将随振荡幅度增大而减小，同时，偏置电路产生的自给偏置效应又进一步加速放大器增益的下降。,VBBVCCRB2/(RB1+RB2) RB = RB1RB2 VBEQ=VBQVEQ VBQ=VBBIBQRB VEQ=IEQRE,(a),16/43,(b) 当vi增大到三极管非线性区时，vi的一部分进入截止区，三极管的集电极电流和基极电流已不再是正弦波而是失真的脉冲波（不对称性图c），它们

8、的平均值IC0、IB0将大于静态值ICQ、IBQ，且随vi的增大而增大，结果是VB0减小，相应的VBE0减小，从而达到稳幅的效果。 同理可分析电感三点式振荡电路（反馈信号是电感上的电压）。,17/43,三、电容三点式振荡电路的起振条件 由放大器增益分析和相位T（osc）2n、幅度T(osc)1或 Vf Vi 的起振条件可推导出： 相位起振条件为 振幅起振条件为,18/43,下面对上述起振条件作简要的讨论 1、振荡角频率osc 由相位条件可推出 其中 （总电容）、 (固有谐振频率) 上式表明，电容三点式振荡器的振荡频率osc不仅与o有关，而且还与gi 、gL即回路固有谐振电阻Re0、外接电阻RL

9、和Ri有关，且osco 。电路中一般满足 因此，工程计算时，可近似为,19/43,2、幅度起振条件的简化 令osco ， 则幅度起振条件可简化为 设 (称为电容分压比) 上式又可改写为 或 式中，分母为回路谐振时集电极上的总电导，gm除以总电导就是回路谐振时放大器的电压增益Av(o)，而n则是反馈网络的反馈系数kfv，因而又可表达为Av(o)kfv 1,它就是所描述的放大电路的自激振荡条件。,20/43,四、用工程估算法求起振条件（小结） 1、将闭合回路断开。画出推导T(j)的开环等效电路； 2、求出谐振回路的固有谐振频率o ，并令osco ； 3、将接在谐振回路各部分的电导（电阻）折算到集电

10、极上，分别求出放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可得到振幅起振条件。,21/43,直流分析：T1、T2的基极和T2的集电极同电位VBB，要限制LC振荡电压，防止T2饱和导通。 交流分析：谐振电压加在T1的基极上，形成正反馈。 稳幅过程：T的截止，恒流源I0对T2的负反馈控制。,3.2.2差分对管振荡电路（索尼振荡器）,22/43,3.3 LC振荡器的频率稳定度 频率稳定度：在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化量，简称频稳度。是振荡器的重要指标之一。 长期频稳度：一天以上（元器件的老化） 瞬时频稳度：秒级（电路内部的噪声）,短期频稳度：一天以内（温度、电源电

11、压的变化）,23/43,3.3.1 提高频率稳定度的基本措施 一、频率温稳定度的定性分析 T（osc） 相移 A（） 主网络相移 主要是Z（）并联回路的相移 f（） 反馈网络相移 相位平衡条件 T（osc）0 变为 T（osc）Z（osc）f（osc）0 式中,24/43,二、提高稳定度的措施 1、减小外界因素的变化（温度、湿度、大气压力、电源电压、磁场、机械振动、负载） 2、提高振荡回路的标准性（L、C、温度补偿、缩短引线）,25/43,3.3.2 克拉泼振荡电路 与电容三点式相比（图3-2-3b），多串联了电容C3，要求C3较小，这样回路的总电容主要取决于C3，而回路中不稳定的电容主要是三

12、极管的极间电容，而它们又直接，并接在较大的C1、C2上，不影响C3的值，结果是减小了这些不稳定电容对振荡频率的影响。,26/43,3.4 晶体振荡器 3.3.1 石英谐振器的电特性 石英谐振器是一种利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件（压电效应）。振动频率的温度系数与切型有关。 忽略rq，晶体两端的阻抗为纯电抗，为 式中,石英晶体的振动具有多谐性，可产生基频振动和泛频振动。,27/43,根据上式可画出下面电抗曲线图 由图可见，在sp的频率范围内Xcr为正值，呈感性；在其它频率段内，Xcr为负值，呈容性；在s上，Xcr0（电抗为0），具有串联谐振特性，相应的s成为串联谐振频率；在p上，Xcr

13、 （电纳为0），具有并联谐振特性，相应的p并联谐振频率。,28/43,改写p的表达式 由于Cq/C0的值很小，所以p与s的间隔也很小；因此，在实际振荡电路中，往往在晶体的两端并接有大电容CL，以改变相应的并联谐振频率。,29/43,3.3.2 晶体振荡电路举例,30/43,3.5 RC正弦波振荡电路 采用RC电路作为移相网络的振荡器。（利用了RC对相位的导前或滞后以及放大器的相移使总相移满足自激振荡条件）,频率：,条件：,31/43,频 率：,条件：,有起振条件AF1 A3 由 可得出Rt 2R1,32/43,3.6 负阻正弦波振荡器 负阻振荡器是指负阻器件与LC谐振回路共同构成的一种正弦波振

14、荡器。（可以达到很高的频率）,负阻控制振荡电压，达到起振和稳幅的效果。,33/43,3.6.1 负阻器件 1小信号模型 增量电阻为负值的器件。如隧道二极管 设 vDVQvVQVmsint 则 iDIQiIQImsint 其中增量电流 i（gn）v（gn）VmsintImsint 式中 ImgnVm gn是隧道二极管在静态工作点上的增量电导，其值为负（gn是正值） 因此加到器件上的平均功率为,式中的第一项表示直流电源供给器件的平均功率，第二项表示器件给出的交流功率，总和是器件消耗功率；因此它具有将直流功率转换为交流功率的作用。,34/43,当器件在小信号工作时，gn为定值；在大信号状态下，基波电

15、流分量的增长将随电压的增大而逐步趋缓，结果使gn(av)减小。（傅里叶级数）,2大信号模型,35/43,3.6.2 负阻振荡器原理及其电路 如图3.6.3，根据振荡原理，开始时gn ge0，即ge为负值，则振荡电压幅度按指数规律增长；随着振荡电压的增长，gn(av)相应减小，直到gn(av) = ge0，即ge0时，并联谐振回路便在相应的平衡振幅上持续正弦振荡。,36/43,串联型 并联型 起振条件： rrL RRe 平衡条件：-r+rL+joL+1/joC=0 -1/R+1/Re+joC+1/joL=0,谐振频率： r=rL R=Re 时：,37/43,3.7 寄生振荡、间歇振荡和频率占据 3.7.1 寄生振荡 寄生振荡是由于电路中的某些集总参数（直流供电电路元件）和分布参数（管子极间电容、分布电容、引线电感）构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。 低频寄生振荡由高频扼流圈、隔直电容和旁路电容产生。 消除方法：合理选取电感、电容、对扼流圈串接小电阻或并接大电阻 超高频寄生振荡由分布参数（引线电感）、管子极间电容产生。 消除方法：采用粗和短的引线、在管子的基极和集电极上串接小电阻以破坏起振条件、隔直或旁路的大电