在振荡频率点.ppt

1、高频电子线路,贵州电子信息职业技术学院 电子工程系,3-1 概述,学习项目三 正弦波振荡器,3-2 反馈振荡器的工作原理,3-4 晶体振荡器,3-3 LC 正弦波振荡器,3-5 RC 正弦波振荡器,3-1 概述,一、 振荡器的功能,二、 振荡器分类,三、反馈振荡器的含义与用途,3-1 概述,一、 振荡器的功能,无输入信号情况下，将直流电源的能量转换成按特定频率变化的交流信号的能量,二、 振荡器分类,项目三 正弦波振荡器,1 . 含义：,2 . 用途：,凡是从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正反馈振荡器,电子设备,高频加热设备,医疗仪器

2、,发射机(载波频率fC）,接收机（本地振荡频率fL）,仪器仪表振荡源,数字系统时钟信号,三、反馈振荡器的含义与用途,3-2 反馈振荡器的工作原理,一、构成框图,二、工作原理 : 包括 平衡条件 起振条件,负反馈放大电路自激：电路中由于信号频率达到了通频带的两端产生了足够的附加相移，使放大电路在中频时人为接成的负反馈，在低频或高频时转化成正反馈，当满足一定条件时就产生了自激振荡。,3-2 反馈振荡器的工作原理,一、构成框图,负反馈时放大器的闭环增益,(a) 负反馈放大电路 (b) 正反馈振荡电路,比较(a)和(b)两图,很容易看出负反馈放大电路与正反馈振荡电路的区别。,正反馈时放大器的闭环增益,

3、振荡条件 幅度平衡条件 相位平衡条件,AF = A+ F= 2n,小结,为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。,如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。,反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。,为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成,

4、放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路,二、工作原理 : 包括平衡条件、起振条件,1 . 平衡条件 （是指振荡已经建立，为维持等幅振荡所要满足的条件）,1 时为负反馈放大器,因为,所以，振荡器平衡条件：,即,振幅平衡条件：,相位平衡条件：,AF = A+ F= 2n,当,放大器转换为振荡器,2.起振条件 凡是振荡电路，均没有外加输入信号，那么，电路接通电源后是如何产生自激振荡的呢？这是由于在电路中存在着各种电的扰动（如通电时的瞬变过程、无线电干扰、工业干扰及各种噪声等），使输入端有一个扰动信号。这个不规则的扰动信号可用傅氏级数展开成一个直流和多次谐波的正弦波叠加。如果电路本身具有选频、放大及

5、正反馈能力，电路会自动从扰动信号中选出适当的振荡频率分量，经正反馈，再放大，再正反馈，使 ，即 ，从而使微弱的振荡信号不断增大，自激振荡就逐步建立起来，如下图所示。,起振条件,1/Fu,Au = 1/Fu,O,ui,uo,Au,uo,Au Fu 1,Au Fu 1,Ui1,Uo1,Uf1,Ui2,Uo2,Uf2,Ui3,Uo3,Uf2,Ui4,Uo4,uf,起振,稳幅, ,当振荡建立起来之后，这个振荡电压会不会无限增大呢？由于基本放大电路中三极管本身的非线性或反馈支路自身输出与输入关系的非线性，当振荡幅度增大到一定程度时 ， 或 便会降低，使 自动转变成 ，振荡电路就会稳定在某一振荡幅度。 稳

6、幅环节: (实现大振幅时Au 下降) 1.利用放大器非线性的内稳幅 2.利用其他元器件非线性的外稳幅(选频作用较差的振荡器),4 . 结论,起振条件： , 平衡条件: , 其中,正弦振荡器工作原理包括,平衡时 ，起振时 则AvoAv说明起振时Avo最大，永远大于平衡时Av；,振荡器的静态工作点应设计在软激励状态（即放大 区略偏向截止方向）； 若从起振到稳幅是由晶体管伏安特性的非线性和自给反偏 压电路共同作用的结果，则称为内稳幅；,判断振荡器是否可能振荡首先看电路供电是否正确； 二是看是否满足相位平衡条件。 判断振荡器是否能起振在满足相位平衡的条件下，还 得判断是否满足振幅起振条件,判断,若是外

7、电路作用达到稳幅，则称为外稳幅,3-2 LC正弦波振荡器,一、 变压器反馈式振荡器,二、 三点式振荡器,三、差动对管振荡器,四、改进型电容三点式振荡器,五、频率稳定,一、变压器反馈式振荡器,变压器反馈式振荡电路,又称互感耦合振荡电路,它是利用变压器耦合获得适量的正反馈来实现自激振荡的。,图Z0802（a）为共射调集型变压器耦合振荡电路, （b）是交流通道。图中当不考虑反馈时,由于L1、C 组 成的并联谐振回路作为三极管的集电极负载,因此,这种 放大电路具有选频特性,常称为选频放大电路。L2 为反 馈网络,它通过电感耦合取得反馈信号,并将信号的一部 分反馈到输入端,显然,该电路具备了振荡电路的组

8、成环节。,1、 相位平衡条件,断开图（a）中的a点。设在放大电路的输入端加信号令其频率为L1C回路的谐振频率 f0 ,这时三极管集电极负载可等效为一纯电阻,若忽略其它电容和分布参数的影响,则U0与Ui反相;在如图所示的变压器同名端的情况下,又引入180o相移，即Uf与U0反相，因此Uf 与Ui同相，电路满足振荡的相位平衡条件。,对 f0 以外的其它频率,L1C 回路处于失谐状态，不再呈纯电阻性，因而U0 与 Ui 不再是反相关系，自然Uf 与Ui 也不再是同相关系，也就是说对 f0 以外的电信号，电路不能满足振荡的相位平衡条件。这样，就保证了振荡电路只能够输出频率为 f0 的单一频率的正弦波。

9、,2、振荡频率,在Q值足够高（回路的损耗很小）和忽略分布参数影响的条件下,振荡电路的振荡频率就是L1C 回路的谐振频率,即,3、起振条件,根据自激振荡的振幅条件,对于图Z0802所示电路，可以 证明其起振条件为：,式中M为绕组L1与L2之间的互感系数,rbe为三极b、e的 等效电阻,r为绕组L1的串联损耗电阻。 选用大的三极管和增大管子的静态电流，电路容易 起振。,4、电路特点,（1）由上式可知,对三极管值要求并不太高,只要变压器同名端接线正确,则不难起振。即只要同名端，就可满足相位条件。采用变压器耦合,容易满足阻抗匹配要求;,（4）由于变压器分布参数的限制,振荡频率不能太高, 一般小于几十M

10、Hz,且输出波形不太好。,（2）C 可以采用可变电容器,因而调节频率方便;,（3） LC选频网络可放在三极管任意极。 调集电路放在C极 调基电路放于B极 调发电路 放在E极,二、三点式振荡器,什么是三点式振荡器？,晶体管有三个电极（B、E、C）,分别与三个电抗性元件相连接,形成三个接点,故称为三点式振荡器,三点式振荡器要实现振荡，必须满足相位平衡条件与振幅平衡条件.为此电路组成结构必须遵循两个原则.,与晶体管发射极相联结的电抗X1、X2性质必须相同。即 be、ce间电抗性质相同,不与晶体管发射极相联结的另一电抗X3的性质必须与其相反。即与 Bc间性质相反,遵循以上两个原则才能满足： 相位条件,

11、适当选择X1与X2的比值就能满足：振幅条件,原则一,原则二,2、1 三点式振荡器的基本电路构成,电容反馈三点振荡器,C1,C2,L,由图可见:与晶体管发射极相连接的电抗性元件C1和C2为容性, 不与发射极相连接段另一电抗性元件X3为感性, 满足三端式振荡器的组成原则。因反馈网络是由电容元件完成的,适当选择C1与C2的比 值,则可满足振幅条件,故称为电容反馈三点振荡器.,三端式振荡器有二种基本电路:,其一为电容三点式振荡器也称为考必兹振荡器,电路组成特点是:,2、1 三点式振荡器的基本电路构成,电感反馈三点振荡器,L1,L2,C,其二为 电感反馈三点振荡器也称为哈特莱振荡器,电路组成 特点是:,

12、由图可见:与晶体管发射极相连接的电抗性元件L1和L2为感性, 不与发射极相连接的另一电抗性元件C为容性, 满足三端式振荡器的组成原则。因反馈网络是由电感元件完成的,适当选择L1与L2的比 值,则可满足振幅条件,故称为电感反馈三点振荡器.,2.2 电感三点式振荡器,如图是电感三点式振荡电路,又称哈特莱振荡电路。图中L1、L2、C组成谐振回路,L2兼作反馈网络,通过耦合电容Cb将L2上反馈电压送到三极管的基极。,由电感三点式振荡器交流通路看出,谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连,而且与发射极相接的是L1、L2,与基极相接的是L2、C 即满足射同基反的原则。因此电路必然满足相位平衡条件。,1、

13、 相位平衡条件,当回路的Q值较高时,该电路的振荡频率基本上等于LC回路的 谐振频率,即,2、振荡频率,式中L = L1L22M为回路总电感。,3、起振条件,该电路的特点与变压器反馈式振荡电路极为相似。须指出：它的输出波形较差,这是由于反馈电压取自电感的两端,而电感对高次谐波的阻抗较大,不能将它短路,从而使Uf中含有较多的谐波分量,因此,输出波形中也就含有较多的高次谐波。,该振荡器的起振条件看书上59页,4、电路特点,哈特莱电路的优点： 1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振； 2、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。 3、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。 电路的缺点： 1

14、、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大； 2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，L太小且分布参数的影响太大。,2.3 电容三点式振荡器,电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路,如上图所示,其结构与电感三点式振荡电路相似,只是将电感、电容互换了位置。为了形成集电极回路的直流通路,增设了电阻RC。该电路的交流通路如右图所示。可以看出,它符合三点式振荡电路射同基反的构成原则,满足自激振荡的相位平衡条件。,1、 相位平衡条件,在LC谐振回路Q值足够高的条件下,电路的振荡频率为,2、振荡频率,其中,考毕兹电路的优

15、点： 1）电容反馈三端电路的振荡波形好。 2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。 3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作 频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。 电路的缺点： 调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。,三、差动对管振荡器,在集成电路振荡器里,广泛采用如上图所示的差分对管振荡电路，其中 T2 管集电极外接的 LC 回路调谐在振荡频率上（b）图为其交流等效

16、电路。(b) 图中Ree 为恒流源I0的交流等效电阻。可见，这是一个共集共基反馈电路。T2管的集电极接LC并联回路，它谐振在振荡频率上，并将其上的输出电压直接加到T1管的基级上，形成正反馈。在振荡频率点，并联LC回路阻抗最大，正反馈电压VF(V0)最强，且满足相位稳定条件。综上所述，此振荡器电路能正常工作。, E1648 单片集成振荡器,现以常用电路 E1648 为例介绍集成电路振荡器的组成。单片集成振荡器 E1648 是 ECL 中规模集成电路 ，它为双列直插式，振荡频率可达200MHZ，大致由偏置电路、差动对管振荡器和放大电路三部分组成。,振荡频率,其中,是10、12 脚之间的输入电容。,

17、E1648 有1脚与3脚两个输出端。由于1脚和3脚分别是片内T1 管的集电极和发射极,所以1脚输出电压的幅度可大于3脚的输出。当然 ,L2C2回路应调谐在振荡频 率fOSC 上。,如果10脚与12脚外接包括变容二极管在内的 LC 元件,可以构成压控振荡器。显然,利用 E1648 也可以构成晶体振荡器。,四、改进型电容三点式振荡器,电容三点式振荡器缺点：调节频率会改变反馈系数，管子的输入电容Ci和输出电容C0对振荡频率的影响限制了振荡频率的提高。,1、串联改进型电容三点式振荡器,下图是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路。特点是用一电容C3与原电路中的电感L相串联后代替L，功用主要是以增加回路总

18、电容和减小管子与回路间的耦合来提高振荡回路的标准性。使振荡频率的稳定度得以提高。,由上式可见,振荡频率基本上与C1、C2 、C0 、Ci无关,因此,可选C1、C2的值远大于极间电容,这就减小了极间电容变化对振荡频率的影响,提高了振荡频率的稳定性。,由图可知,这种电路是在电容三点式振荡电路的电感支路上串进了一个小电容C 而构成的（C3对交流短路,属共基组态）C1、C2、C及L组成谐振回路.,因为C远远小于C1或C2，所以三电容串联后的等效电容,振荡频率,克拉泼振荡器的反馈系数,调节C3改变振荡频率时,不影响反馈系数即克拉泼振荡器的振荡频率与反馈系数可分别独立调节。,电路的振荡频率主要由C来决定，

19、基本不受其它的电容（C1、C2）的影响。这对提高振荡频率的稳定性是有利的。但也有缺点： 1、如C1、C2 过大，振荡幅度就太低； 2、若减小C ，以提高振荡频率，但可能停振，因此也就限制了振荡频率的提高。 3、频率覆盖系数不高。一般在1.21.3。,LC回路谐振电阻R0反射到三极管集、射极的等效负载电阻为：,其中,由上式可知：若C调至较小时,将使等效负载电阻变小,导致电路增益下降,因此,这一电路的振荡频率只能在小范围内调节,否则将出现输出幅度明显下降的现象。,2、并联改进型电容三点式振荡器,如下图是并联型三点式振荡电路,又称西勒振荡电路,它是在串联型电容三点式振荡电路的电感L旁并接了一个电容C

20、而构成的。而C3为远小于 C1C2的固定电容。,回路总电容及振荡频率分别为,西勒振荡器的反馈系数FU和接入系数p与克拉泼振荡器相同，因此它也具有频率稳定度高和振荡频率、反馈系数可分别独立调节的优点。,由于LC 回路的谐振电阻R0反射到三极管集、射极间的 等效负载电阻,而C3 C,当C变小时, 变化程度不如式克拉泼电路中那样显著,从而削弱了振荡幅度受频率改变的影响。因此,席勒振荡电路的频率调节范围较克拉泼电路要宽。,西勒振荡器的优点： 1、振荡幅度比较稳定； 2、振荡频率可以比较高，如可达千兆赫；频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8； 所以在一些短波、超短波通信机，电视接收机中用的比较多。,五、

21、频率稳定,1、振荡频率变化的原因,温度、湿度、电源电压、负载、周围磁场的变化以及机械振动、元器件的老化等，这些外界因素的变化都会使振荡频率发生变化，而温度是其中最重要的因素。,LC振荡器的振荡频率f0主要取决于振荡回路参数L和C,同时还与其品质因数Qe、管子的参数和其他寄生参数有关，因为它们之中任何一个的变化，都会引起LC并联回路相频特性或 的变化，从而导致振荡频率f0的改变。,引起频率变化的外界原因有：,主要稳频措施,1. 提高谐振回路的标准性,回路的标准性是指在外界因素如温度、湿度、大气压力等变化时，谐振回路保持其谐振频率固定不变的能力。标准性越高，回路自然谐振频率随环境条件变化的可能性就

22、越小。,提高回路标准性的主要措施是选用高品质因数、高稳定性和低温度系数、低吸水性的电容器与电感器。,等号右边的负号表示频率变化的方向与电抗变化的方向刚好相反。如电感量加大，振荡频率将降低。,主要稳频措施,温度补偿法和温度隔离法：引起电抗元件电感量和电容量 变化最明显的环境因素是温度的变化。,温度补偿法：用具有负温度系数的瓷介电容器，接入由普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路。,温度隔离法：将电抗元件置于特制的恒温槽内，使槽内的 温度基本上不随外界环境温度的变化。,利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电磁谐振系统，它是高稳频率源的一个重要形式。 由于这种谐振系统构成的振荡

23、器，不但频率稳定性、频率准确度高，而且体积、耗电均很小，因此，在许多领域已被广泛地采用。,主要稳频措施,2. 削弱不稳定因素对谐振特性的影响,晶体管的参数稳定：晶体管的参数（输入输出阻抗等）受 工作点的影响较大，因此注意选择工作点稳定电路与良好的 稳压电路。,选择回路与器件间的接入系数：晶体管的输入输出阻抗、 外接负载阻抗、各种分布电容和引线电感都是影响回路标准 性的重要因素。因此选择回路与器件间的接入系数，选择合 适的回路与负载间的耦合系数，尽可能减小不稳定的分布电 容和引线电感的影响，对于提高频率稳定性是十分重要的。,外接负载阻抗：为了阻止负载对振荡器的影响，振荡器一 般都是通过具有高输入

24、阻抗的跟随器（发射极输出器）。如 必须直接连接时，也应采用变比较大的降压变压器，或分压 比很小的电容分压网络再与其它负载相联接。,主要稳频措施,改进型的电路：减小振荡管自身的输入、输出阻抗对回路性能即振荡频率的影响，是提高振荡频率稳定性的一个非常重要的课题。特别是在三点式振荡电路中，器件三个端口的等效阻抗 、 、 直接与回路三个电抗元件相连接，由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而改变，可以想象由它构成的振荡器其频率稳定度的提高也必然会受到严重的影响。为了改善普通三点振荡电路的频率稳定性而提出的两种改进型的电路。,谐振回路的选择：选择高品质因数的谐振回路（石英谐振 器）。,五、石

25、英晶体振荡器,晶体振荡器,压电和反压电效应：石英是一种具有晶体结构、外形呈角椎 形六棱体的矿物质。当按某种方式将其切割成一定厚度的薄 片时，可以发现它具有一种特殊的物理现象。,石英晶体的物理性能和化学性能十分稳定，对周围环境条件 （如温度、湿度、大气压力）的变化不敏感。,晶体振荡器突出的优点是可以产生频率稳定度和准确度很高 的正弦波振荡。,晶体振荡器则可以比较容易地实现10-410-6。 对晶体施加恒温控制，还可提高到10-710-8数量级。 目前晶体振荡器频率稳定度的极限是10-1210-13。,利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音晶体，其余 称为泛音晶体。采用AT切割石英片的基频频率一

26、般都限制 在20MHz以下。因为此时石英片的厚度仅有0041mm，频 率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。,石英谐振器的基本特性,1. 石英谐振器的等效电路,晶体,其中： 大体反映石英片的质量；,几十几百亨；,反映其材料的刚性； ；,等效石英片产生机械形变时材料的能耗；几百欧；,称为石英谐振器的并联电容，它相当于以石英片为 介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和支 架电容、引线电容的总和。几几十 。,石英谐振器的基本特性,2. 石英谐振器的谐振频率,0,如令 为不考虑晶体内部损耗（即 = 0）时石英谐振器的串联谐振频率；Q为石英谐振器的等效品质因数；p为接入系数，其数值分别为：,石英谐振器的基本特性,3. 石英谐振器的基本特性,很高的等效品质因数 Q ：石英谐振器最大的特点是具有很大 的等效电感量和很小的损耗电阻。或者说石英谐振是具有很高 的等效品质因数。（ ）,很小的接入系数 P：当外界电抗元件与之相连接时，对石英 谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。（ ）,具有两个谐振频率 和 ：,两个谐振频率十分接近：,举例： 2.5MHz石英谐振器的接入系数 p=4.210-5,故串并联谐振频率绝对频差为：,石英谐振器的两种工作方式：高 Q 短路线 ( ) ;等效 L 。,等效 L