Chapter 5 正弦波振荡器.ppt

1、Chapter 5 正弦波振荡器,5.1 概述 5.2 反馈型振荡器基本工作原理 5.3 振荡条件分析 5.4 反馈型LC振荡器线路 5.5 振荡器的频率稳定问题 5.6 石英晶体振荡器,5.1 概述,定义： 振荡信号就是指具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变信号。而振荡器就是能自动的将直流电源的能量转化成这种交流电能的装置。 功放等称为他激式振荡，振荡器称为自激式振荡。,用途： 1、在无线信息传输系统中作为一种载体，即载波。,2、在各类电子测量、控制设备中为系统提供时钟信号。,本章主要内容： 反馈型正弦波振荡器的基本工作原理 ; 电路起振、平衡、稳定的条件； 三端式振荡电路相位平衡的判断准

2、则； 各种振荡电路形式、特点； 频率稳定度，石英晶体振荡器。,5.2 反馈型振荡器基本工作原理,一. 自激振荡建立的物理过程,Question 1：我们最关心的问题，电路是如何产生 振荡的？,实际上反馈式振荡器是由反馈放大器演变而来的，我们假设一个实验来分析反馈型振荡器起振的物理过程。实验步骤如下：,自激振荡建立的物理过程,步骤一. 开关K拨向“1”时，该电路则为调谐放大器，若输入信号为正弦波 ，放大器负载上电压为 。,步骤二. 调整互感M及同名端以及回路参数，可以使 = 。,步骤三. 此时，若将开关K快速拨向“2”点，因为 ，则电路各点都维持状态不变，即负载始终维持着与 相同频率的正弦信号（

3、外加激励此时已经取消）。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。,Question 2：振荡器要求自动起振，那最开始的激励 信号从何而来？,事实上，电源在接通的时候，电路中有瞬变的电流产生，其在集电极LC振荡回路中激起振荡；又由于选频网络是Q值很高的并联谐振回路，带宽极窄，在回路两端产生与谐振频率相同的正弦信号，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。,振荡信号开始比较微弱，但是由于正反馈的作用，信号经过一个反馈放大选频再反馈再放大的多次循环，幅度逐渐的变大，其频率与谐振回路频率相同。,到这里，一个具有一定频率、一定幅度的自激振荡就建立起来了，完成了将直流能量转化成交流能量的过程。,Qu

4、estion 3：振荡信号的幅度是否会无限的增大下去？,答案是否定的，这是由晶体管特性的非线性决定的，输入信号幅度增大，晶体管的增益下降，这样，振幅会自动稳定到一定的幅度。而不会无限增大。,反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成：,1) 振荡回路：包含两个(或两个以上)储能元件。释放和接 收能量在元件间往返进行，其频率决定了 振荡器输出信号的频率。,2) 能量来源：用来补充由振荡回路电阻损耗的能量。此来 源为直流电源。,3) 控制能量补充的设备：使能量在正确的时间适当的补充 到电路中，以维持恒幅恒频的振荡。由有源 器件和正反馈电路来完成。,二. 自激振荡电路的基本构件,5.3 振荡条件分析

5、,一、振荡器的起振条件,要维持一定振幅的振荡，反馈系数F应设计得大一些。一般取 ，这样可以使电路在 的情况下起振。,可见，在 时， ，此时即使没有输入信号 时，放大器仍有输出，电压放大器变为振荡器。,由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：,即,分别称为振幅起振条件和相位起振条件。,相位起振条件的含义是要求环路保持正反馈。振幅起振条件代表在起振的时候是增幅振荡的过程。,所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。,振荡器的平衡条件为,在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。,二、

6、振荡器的平衡条件,三、振荡器平衡状态的稳定条件,稳定平衡的概念：在外因作用下，平衡条件被破坏后，能在平衡点附近建立新的平衡状态；一旦外因消失，又能自动恢复原来的平衡状态。,(a) 不稳定平衡 (b) 稳定平衡,放大器增益A与输出电压幅度Vo之间的关系叫振荡特性，F与Vo之间的关系叫反馈特性。,1) 振幅平衡的稳定条件,形成稳定平衡点的关键在于：在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即,0,工作于非线性状态的晶体管正好具有这一性能，因此具有稳定振幅的功能。,2) 相位平衡的稳定条件,相位平衡稳定条件指：相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点。,外因引起的相位变化与频

7、率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，表示为 。,相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率 。,所以，要保证振荡的相位平衡点的稳定,必须振荡电路内部能够产生一个新的相位变化,且与外因引起的相位变化的符号相反,以消弱或抵消由外因引起的变化。,即相位稳定条件为,或,即要求选频网络的相频特性曲线在工作频率附近具有负的斜率，而并联谐振回路正好具有负的相频特性。故谐振回路不但决定了振荡频率，还是稳定频率的机构。,并联谐振回路的相频特性,Q值越大，曲线越陡峭，振荡器稳定性越好。,5.4 反馈型LC振荡器线路,本节介绍以单个晶体管作为放大器，以LC分立元件

8、作为选频网络的反馈型振荡器，可以用来产生几十K到几百M的正弦信号。,按照反馈网络的不同，可以分为：,一、互感耦合振荡器,二、三端式振荡器,一、互感耦合振荡器,调集电路,互感耦合振荡器在调整反馈(改变M)时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段（300K30MHz）。,其振荡频率为：,二、LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则),三端式振荡器的原理电路,三个电抗元件构成了决定振 荡频率的并联振荡回路，同时也构成了正反馈所需的反馈网络。,这三个元件必须具有的性质和关系：,1、要构成振荡回路

9、，所以必须满足 。,2、为了满足正反馈，或者说满足相位平衡条件，要求 反馈电压与基极输入电压是同相的。必须满足 和 为同名电抗。,注：为了便于记忆，可以将此原则具体化，即凡是与晶体管发射极相联的电抗必须是同性质的电抗，而不与发射极相联的另一电抗的性质必须与其相反。,综上所述，三端式振荡器构成的法则归纳为：“ce，be同抗件，cb反抗件”。此法则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。,电感反馈振荡器,电容反馈振荡器,于是可以得到两种基本电路形式：,三、三端式LC振荡器,三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为10

10、3104量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一些。,三端式LC振荡器有多种形式，主要有：,电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)；,电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)；,串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)；,并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。,电感三端式振荡电路,1、电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路),1）线路特点,A、反馈电压靠电感L2上压降获得； B、集电极是串联馈电，基极并联馈电； C、Cb隔直电容，Ce旁路电容。,电感反馈三端电路的振荡频率为：,2）反馈系数及振荡频率,电感反馈三端电路的反馈系数为：,若是理想耦合，则,注：F

11、不可太大，也不可太小，通常1/21/8。,哈特莱电路的优点：,1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；,电路的缺点：,1、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。分布参数影响反馈系数，频率越高，影响越严重，可能无法起振。,2、调整电容C的大小来改变频率时，反馈系数不会受到影响。,3）优缺点分析,2、电容反馈三端振荡器(考毕兹电路),电容三端式振荡电路,1）线路特点,A、反馈电压靠电容C2上压降获得； B、集电极和基极都是并联馈电；

12、 C、Cb隔直电容，Ce旁路电容，Cc隔直电容。,电容反馈三端电路的振荡频率为：,2）反馈系数及振荡频率,电容反馈三端电路的反馈系数为：,注：F不可太大，也不可太小，通常1/21/8。,考毕兹电路的优点：,1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。,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）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：,反馈系数F=C1/C2，调节C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变，还可能导致振荡器无法起振。,3）

13、优缺点分析,3、串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路),（a）克拉泼电路的实用用电路,（b）高频等效电路,克拉泼振荡器的改进之处：是在电感L上串接一个电容C3，且C3 C1 ，C3 C2。,因为取C3远远小于C1或C2，所以三电容串联后的等效电容,振荡频率为：,1、克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关。因而调节频率时，不会影响反馈系数。,克拉泼电路的优点：,2、由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合，对振荡频率的影响减小。因此提高了频率稳定度。,用途：这就决定了克拉泼振荡器主要作固定频率或波段覆盖系数较小的振荡器使用。,在改变C3来调节频率时，负载接入系数发生变化，与

14、集电极耦合的负载大小为 在波段范围内变化很大，使输出的振幅变化也很大。,克拉泼电路的缺陷：,波段覆盖系数：可以在一定波段工作的振荡器最高工作频率和最低工作频率的比值。一般克拉泼振荡器的波段覆盖系数为1.21.3。,4、并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路),(a)实际电路,(b)高频等效电路,西勒振荡器的改进之处：是在电感L两端并联一个可变电容C4来改变频率。,调整频率时（调节C4），负载接入系数不变。所以频带内，输出振幅稳定。其特点：,(1) 波段覆盖率宽，其波段覆盖系数为1.61.8。,工作波段内,输出波形随频率变化平缓（输出稳定）。,其回路等效电容,振荡频率,西勒电路在实际中用得较多。如

15、：电视机的高频头，集成高频谐振电路。,5.5 振荡器的频率稳定问题,频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。为了表征它，提出了频率稳定度这一指标。,一、频率稳定的含义和表征,在这之前，先给出频率准确度的定义：振荡器的实际工作频率f与标称频率f0间的偏差。通常分为绝对频率准确度和相对频率准确度。,绝对准确度：,相对准确度：,长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。主要用来评价天文台和高精度的计量，计时设备的稳定指标。 取决于有源器件和电路元件的老化特性；,振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各种因

16、素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。即相对频率准确度的最大值，则：,也可以用相对频率准确度的平均值或均方根值来进行定义。,短期频率稳定度：一般指一天以内的相对频率变化的最大值。一般多用于评价测量仪器和通信设备中主振器的频率稳定度，通常也叫频率漂移。 主要与温度变化，电源电压变化和电路参数的不稳定性有关；,瞬间频率稳定度：指秒或毫秒内随机的频率变化，通常称为振荡器的相位抖动或相位噪声。,针对不同的应用，对频率稳定度的要求是不一样的： 广播电台发射机为105数量级，电视发射机为107数量级，移动通信为107数量级（0.1PPM），频标108-109数量级，原子频标1011-1013数量

17、级，宇宙通信跟踪系统为1010数量级。,二、影响频率稳定度的因素,1. 振荡回路参数对频率的影响,其相对频率变化量为,因为振荡频率 ，而影响L，C变化的因素有温度，湿度，气压；元件的机械变形等。,其频率变化量为,2. 回路品质因素Q值对频率的影响,Q值越高，相频曲线越陡峭，则相同的相角变化引起频率偏移越小。,3. 有源器件的参数对频率的影响,若有源器件的工作状态(电源电压或周围温度等)有所改变，其参数h与hi将发生变化，从而引起振荡频率的改变。,三、振荡器稳定频率的方法,1. 减小外因变化，根除“病因”,减小温度的变化：可将振荡器放在恒温槽内；另使振荡器远离热源；采用温度补偿办法。,减小电源的

18、变化：采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。,3) 减小湿度和大气压力的影响：通常将振荡器密封起来。,4) 减小磁场感应对频率的影响：对振荡器进行屏蔽。,5) 消除机械振动：使用减震器；,2. 提高回路的标准性,所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。,要提高回路标准性即要减小L和C，因此可采取优质材料的电感和电容。,3. 减小负载的影响,后级的负载会影响振荡器的振荡频率和回路Q值，为了降低这种影响，通常振荡器后级接缓冲级（隔离级），如射级跟随器。,4. 采用高稳定度的振荡电路,比如前面讲到的克拉泼电路，西勒电路。减弱了晶体管和振荡回路的耦合，使等效到

19、回路中的有源器件参数较小，从而提高了频率稳定度。,5.6 石英晶体振荡器,一、引言,从振荡器的频率稳定度分析可知，振荡器的频率稳定度主要取决于振荡回路的标准性和品质因数。,LC振荡器由于受到LC回路的标准性和品质因数的限制，即使使用稳频措施，它的频率稳定度也有限。,为了获得频率稳定度更高的振荡信号，需要采用石英晶体振荡器。可达到 的数量级，使用稳频措施，可以达到更高的稳定度。缺点在于不能直接用于波段振荡器（单频性）。,二、石英晶体谐振器,石英晶体具有正反压电效应。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动频率。可以作为谐振器。,1. 概述,石英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数（

20、温度变化1所引起的固有频率相对变化量）在106以下。,石英晶振的振动具有多谐性，有基频振动和奇次谐波泛音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。,晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越薄。机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。故所需频率高时，可工作与泛音频率。,2. 石英晶体的阻抗频率特性,符号 基频等效电路 完整等效电路 石英晶体谐振器,如上图：,安装电容C0 约110pF 动态电感Lq 约10310-2H 动态电容Cq 约104101pF 动态电阻rq 约几十几百,由以上参数可以看到,（1）因为 而Lq较大，Cq与rq很小,石英晶振的Q值和特性阻抗都非常高。Q值可达几万到几百万。,（2）石英晶振的接入系数很小，故外电路影响很小。,（3） 石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和 一个并联谐振回路。,串联谐振频率,并联谐振频率,电抗曲线,三、晶体振荡器电路,并联型晶体振荡器：振荡器工作在晶体谐振器的并联谐振频率附近，晶体作为等效电感使用。,分类：,串联