正弦波振荡器1.ppt

1、高频电子线路,第四章 正弦波振荡器,2,说 明,本章主要讨论反馈振荡器的基本工作原理 ，LC正弦波振荡器、晶体振荡器、RC振荡器，对负阻振荡器和一些特殊振荡现象作一简要介绍。 要求： ！熟练掌握振荡器的起振条件和平衡条件，！熟练掌握三点式振荡器的组成法则，能计算振荡器的环路增益 掌握晶体的电抗特性及晶体振荡器的基本电路形式 了解三种RC振荡器 了解负阻振荡器的分析方法。,3,4.0 引言,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 从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号规律变化的交变能量的电路 而振荡器是不需要输入信号控

2、制，就能自动地将直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变能量的电路,1、振荡器定义,4,2、振荡器分类,按振荡波形分类 正弦波振荡器、非正弦波振荡器 按工作机理分类 反馈振荡器、负阻振荡器 按选频网络分类 LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器 压控振荡器、压控晶体振荡器 集成振荡器、开关电容振荡器,5,3、振荡器构成,振荡器正常工作，必须有以下四个部分 放大器：至少有一个有放大作用的有源器件 正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡 频率决定元件或回路：振荡器必须有频率决定元件或回路，如电阻、电容、电感、和晶体，以及它们构成的选频回路、相移网络

3、、或延时网络 电源：为振荡器提供能源,实际的放大器都有非线性限幅作用，使得振荡幅度不会无限大。 也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件，以保证获得需要的输出波形,6,4、振荡器应用,通信系统中有广泛的应用 混频器的本振信号 调制的载波信号，解调的本地载波信号 时钟、定时电路，电子测量设备的基准信号 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备 微波炉，电疗设备,7,5、对正弦波振荡器的分析,正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭环系统，它是一个非线性动态网络，因此要对它进行分析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程 方程求解烦冗 采用CAD方法，如用PSPICE进行瞬态分析,为便于定性分析

4、阐明振荡器的振荡特性，本章在进行电路分析时，采用电路参数的准线性分析法 反馈振荡器是一个非线性闭环系统，其特性需用非线性系统的分析方法来加以分析 在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此，可以引用线性系统的分析方法，来确定这一时期振荡器的工作状态 振荡建立后，用准线性方法（如用平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析，获得重要的具有指导意义的结论,8,4.1 反馈振荡器的工作原理,反馈振荡器的工作原理 以互感耦合LC振荡器为例，根据反馈振荡器的工作原理，说明反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本条件 起振条件：首先，要让振荡器自己振起来（自激振荡） 平衡条件：其次，保证振荡器环路中的能量

5、补充恰好抵消能量消耗，达到环路平衡 稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态,9,反馈振荡器的工作原理,带有反馈的放大器,只有当反馈放大器的反馈增益为无穷大时，它才能成为一个振荡器 反馈振荡器到达反馈平衡，满足k(j)F(j)=1,10,正弦波振荡器需要频率决定网络,反馈振荡器中，放大器单元的输入就是反馈网络的输出电压（反馈电压） 正弦波振荡器要求输出角频率为osc的正弦波，即只能在频率osc上满足K(josc)F(josc)=1,为此，在振荡回路中，必须有选频网络或移相网络给予保证 这个选频网络的选频特性越好，振

6、荡器频谱就越纯,11,1.反馈振荡器的平衡条件,（开环）环路增益 平衡条件 振幅平衡条件：开环增益的模为1 相位平衡条件：UF与Ui同相，满足正反馈,（巴克好森准则）,相位平衡条件决定振荡频率,12,13,振荡频率与谐振回路中心频率,反馈振荡器的相位平衡条件，决定了它的振荡频率 反馈振荡器的相频特性由环路中的选频回路决定 选频回路的Q值越大，相频特性的斜率越陡，选频回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率OSC就越接近于选频回路的中心频率0 振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率,14,2.反馈振荡器的起振条件,反馈振荡器的平衡输出，是靠振荡器接通电源瞬间产生的电流突变以及电路内各种微弱

7、噪声通过振荡环路内的选频回路的频率选择，循环送入放大器放大、反馈回路反馈而形成的 为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建立过程中，反馈电压UF和原输入电压Ui(噪声)必须同相，并且|Ui|Ui| 反馈振荡器的起振条件 振幅条件 相位条件,15,起振过程中的信号分析,起振初始，放大器工作于小信号状态 线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增益A 为了获得较高的增益A，要适当设置晶体管工作点 振荡建立过程中，环路增益T恒大于1，放大器的输入Ui不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态 如果外界不加任何措施，放大器将从线性进入非线性工作（出现饱和与/或截止） ，此时放大器增

8、益A的估算一般采用大信号平均参数（如平均跨导） 准线性方法 大信号非线性工作，晶体管集电极有丰富的谐波分量，输出信号有波形失真,16,稳幅措施,反馈振荡器起振条件为T=KF1，保证了输出信号幅度的不断增长，但随后必须限制其增长，使其达到平衡，即满足平衡条件T=KF=1 振荡环路中必须有一个非线性器件，其参数随信号的增大而变化，达到限幅的目的 晶体管本身的非线性，使得放大器的放大倍数A随输入信号的增大而减小（上图） 也可采用外加措施帮助振荡器由T1自动调节到T=1，从而改善输出信号波形，减小失真 特别是不要让晶体管工作于饱和区，因为饱和区的晶体管输出阻抗很低，并联在选频环路上，将使回路的Q值降低

9、，影响频率的稳定度,相位平衡条件决定振荡频率 振幅平衡条件决定振荡幅度,17,用差分对管代替单管 采用自动电平控制电路 引入负反馈 晶体管振荡器的自偏置效应,稳幅措施：,18,负反馈,刚起振时，正反馈占优，使得振荡幅度增大 起振过程中，随着幅度的增加，负反馈随之增加，从而放大器的增益降低，最终达到平衡状态 负反馈可以是直流负反馈，也可以是交流负反馈,最典型的直流负反馈是晶体管振荡器的自偏置效应,19,反馈振荡器的稳定条件,自然界中处于平衡状态的物体都有稳定平衡和不稳定平衡之分 振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，那么将会破坏其原来的平衡状态 干扰消失后，振荡器若能自动恢复到原来的平衡状态

10、，则称之为是稳定的 否则，称之为是不稳定的,20,振幅稳定条件,振荡器平衡时，环路增益为1， 反馈电压UF等于放大器输入电压Ui,假设外界扰动，使得振荡器的输入幅度增大，经环路一周后，反馈电压应减小，才能使外界干扰影响消除,21,振幅稳定条件的讨论,如果反馈F不随输入变化而变化，则 随着振荡幅度加大，放大器增益（以及环路增益）将自动降低；反之，放大器增益增大，以保证T=KF=1 有自偏置效应的振荡器，振幅稳定性更好 并非所有的平衡点都是稳定的,22,相位稳定条件,正弦振荡的角频率是相位随时间的变化率，相位的变化必然引起频率的变化 相位超前，意味频率上升；反之， 相位稳定条件即是频率稳定条件 在

11、频率OSC处，经过一个循环，反馈电压与输入电压相位差2（2n） 假设外界扰动，使得振荡器的频率上升了，经过环路后，反馈电压的相位应该滞后，才能使外界干扰消除,23,相位稳定条件的讨论,振荡器相位稳定（即频率稳定），环路中应含有一负斜率变化的相频特性,LC并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性，因而以LC并联谐振回路作为振荡器的选频回路，一定是相位稳定的（频率稳定的）,选频回路的Q值越高，振荡器的频率稳定度就越好 这是设计振荡器的一个基本指导思想,24,反馈振荡器振荡的三大条件,起振条件 平衡条件 稳定条件,分析的角度从：正反馈（或负阻）适时补充能量；选频回路（移相网络）使得 特定频率才能得以放大和

12、正反馈；非线性器件使得幅度受限，最终到达平衡； 负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性,回答了：振荡是如何产生的？又是如何平衡的？平衡是否是稳定的？,25,分析反馈振荡器的要点,如何保证一个振荡电路是合理的 包含一个合适偏置的可变增益放大器 闭合回路是正反馈 有选频回路（或移相网络） 环路增益T的相频特性为负斜率 如何计算振荡频率 按照小信号放大器等效电路分析方法，计算环路增益T(j)，确认满足起振条件T1 按照相位平衡条件计算振荡频率,工程计算，以选频回路的中心频率0作为振荡器的振荡频率OSC,26,4.2 LC振荡器的电路分析,以LC谐振（振荡）回路作为选频网络

13、的反馈振荡器统称LC振荡器 LC振荡器，可采用晶体管、场效应管、差分对管和线性集成电路作为放大器件 提醒注意： 以晶体管为例，由于其交流地不同，可分为共基和共发两种组态。振荡平衡时，振荡频率近似为回路谐振频率，而谐振阻抗为纯阻，因而共发电路输出电压与输入电压反相，而共基同相。 共基电路，从集电极引回到发射极的反馈本身就是正反馈；而共发电路，直接从集电极引回到基极的反馈是负反馈，为了满足正反馈，反馈电压的极性要改变。,27,晶体管输入电阻对回路Q值的影响,LC谐振回路两端一般接在集电极输出端，无论是共基还是共发放大器，晶体管的输入阻抗都很低，如果直接从集电极输出端（LC回路两端）取电压反馈回输入

14、端，小的晶体管输入电阻并联在LC谐振回路两端，会大大降低回路的谐振阻抗和Q值 降低Q值的直接后果是降低了放大器的增益，可能使得环路增益小于1而无法起振；Q值降低的第二个后果是降低了振荡器的频率稳定度 为此，必须提高放大器输入端对LC并联谐振回路的接入阻抗，在反馈支路上进行阻抗变换 阻抗变换的方法一般分两种，一是采用变压器互感耦合，二是采用部分接入 对应的LC反馈放大器分为互感耦合振荡器和三点式振荡器两种,阻抗变换,阻抗变换,28,互感耦合LC振荡器,为了保证正反馈，互感耦合线圈的同名端必须正确 共基同极性 共发反极性,29,互感耦合LC振荡器,为了保证正反馈，互感耦合线圈的同名端必须正确 共基

15、同极性 共发反极性,例1： 画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能够产生振荡，请注明互感线圈同名端的位置,30,旁路电容短路,共发放大器是反向放大器，因此从输出端（UCE）取 反馈到输入端（UBE）时，要反极性,31,耦合电容短路,共基放大器是同向放大器，因此从输出端（UCB）取 反馈到输入端（UEB）时，本身就是正反馈,32,大电阻开路,33,三点式振荡器,三点式振荡器采用LC回路部分接入的形式，降低晶体管的输入阻抗对回路的影响,与发射极相联的两个电抗元件必须是同性质的，另一个是异性,电容三点式:(Colpitts)考毕兹振荡器 电感三点式:(Hartley)哈特莱振荡器,电容,电容,

16、电感,电感,34,例2：,哪些情况该振荡器可以振荡？何种类型？振荡频率与回路固有谐振频率有何关系？,35,36,考毕兹电路和哈特莱电路,考毕兹电路 优点：由于输出端和反馈电路是电容，对高次谐波电抗小，振荡波形更接近正弦波；振荡频率比较高 缺点：用两个电容调节频率不方便 需要保证反馈系数不变，否则放大器负载也同时变化，输出振幅不稳定 哈特莱电路 优点：用一个电容可方便调节频率 缺点：由于反馈电路是电感，振荡波形含有高次谐波多；振荡频率不高,37,改进型电容三点式振荡器,电容三点式振荡电路（考毕兹）的振荡波形比电感三点式（哈特莱）的波形更接近于正弦波，而且振荡频率也可较高。有什么问题？ 反馈系数F只有一段范围内较合适。F过小，反馈不足，回路能量的补充不足以弥补回路的损耗，使振荡最终不能建立；F过大，输入电路与回路耦合过紧，Q值降低，增益减小，环路负载过重，振荡也难以发生。 晶体管的输出输入电容影响振荡频率 晶体管的输入电阻和输出电阻影响回 路的Q值-影响振荡频率及其稳定性,注意到：反馈系数F与振荡频率OSC都和C1与C2有关,解决办法 将频率决定元件与反馈决定元件分开 使振荡器不受晶体管电容影响,38,克拉泼(Clapp)电路,把决定反馈系数的主要元件和决定频率的主要元件分开 降低晶体管电容