高频正弦波振荡器

高频电子线路论文高频正弦波振荡器摘要：正弦波振荡器是指不需要输入信号控制就能自动地将直流电转换为特定频率和振幅的正弦交变电压（电流）的电路。它由四部分组成：放大电路，选频网络，反馈网络和稳幅电路。常用的正弦波振荡器有电容反馈振荡器和电感反馈振荡器两种。后者输出功率小，频率较低；而前者可以输出大功率，频率也较高。关键词高频振荡器正弦电容式晶体式一、振荡器定义振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。例如，无线电发明初期所用的火花发射机、电弧发生器等，都是振荡器。但是用电子管、晶体管等器件与L、C、R等元件组成的振荡器则完全取代了以往所有产生振荡的方法，因为它有如下优点：(1)它将直流电能转变为交流电能，而本身静止不动，不需作机械转动或移动。如果用高频交流发电机，则其旋转速度必须很高，最高频率也只能达50kHz，但却需要很坚实的机械构造。(2)它产生的是“等幅振荡”，而火花发射机等产生的是“阻尼振荡”。(3)使用方便，灵活性很大，它的功率可自毫瓦级至几百千瓦，工作频率则可自极低频率(例如每分钟几个周波)至微波波段。一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率能通过，使振荡器产生单一频率的输出。二、振荡器的起振条件振荡的最初来源是振荡器在接通电源时不可避免地存在的电冲击及各种热噪声等，其包含有很宽的频谱分量，在他们通过负载回路时，由谐振回路性质即只有频率等于回路谐振频率的分量才可以产生较大的输出，其他频率分量则不会产生压降，因此负载回路上只有频率为回路谐振频率的成分产生压降，该压降通过反馈网络产生出较大的正反馈电压，反馈电压又加到放大器的输入端，进行放大、反馈，不断地循环下去，谐振负载上将得到频率等于回路谐振频率的输出信号。在振荡开始时由于激励信号较弱，输出电压振幅较小，经过不断放大、反馈循环，输出幅度不断增大，否则输出信号幅值过小，无任何意义。为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大，即振荡开始时应为增幅振荡，可得：1)j(T，称为自激振荡的起振条件。三、振荡器分类3.1电容三点式振荡器电容三点式振荡器（也叫考毕兹振荡器），自激振荡器的一种。图中的L、C1、C2组成谐振回路，作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈信号从电容器C2两端取得，送回放大器的基极b上，而且是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电容三点式振荡器。由串联电容与电感回路及正反馈放大器组成。因振荡回路两串联电容的三个端点与振荡管三个管脚分别相接而得名。电容三点式：反馈电压中高次谐波分量很小，因而输出波形好，接近正弦波。反馈系数因与回路电容有关，如果用该变回路的方法来调整振荡频率，必将改变反馈系数，从而影响起振。电容三点式振荡器适合产生几十兆赫以上的信号，常用来作射频振荡器。图3.1是LC振荡回路的等效电路图，从图上可以看到，电路的振荡频率由L、C1、C2决定，基极有一个大电容(1000~2000pF)，起交流接地的作用。由于电感和电容的数值都比较小，所以有些情况下三极管的极间电容、电感线圈的匝间电容都不能忽略。它们对总电容的贡献量大约几个皮法。设三极管的极间电容以及电感线圈的匝间电容以及其它分布电容的总等效电容为0C，则02121CCCCCCCA周期ALCT2在LC谐振回路Q值足够高的条件下，电路的振荡频率为LCF2103.2电感三点式振荡器电感振荡电路部分振荡器有基本放大器、选频网络和正反馈网络三个部分组成。图中L1、L2、C组成谐振回路作为晶体管放大器的负载阻抗。反馈信号从电感L2两端取得，送回放大器的基极b上，而且也是将LC回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，故将这种电路成为电感三点式振荡器。电感三点式：便于用改变电容的方法来调整振荡频率，而不会影响反馈系数，但是反馈电压中高次谐波分量比较多，输出波形差。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,即其频率为：该电路具有如下特点：(1)易起振；(2)调节频率方便；(3)输出波形较差。CMLLfo)221(1213.3并联型晶体振荡器当ffs时，L-C-R支路呈感性，与Co产生并联谐振。图示出了一种典型的晶体振荡器电路，当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性，该电路满足三端式振荡器的组成原则,而且该电路与电容反馈的振荡器对应,通常称为皮尔斯(Pierce)振荡器。由于晶体的品质因数Qq很高,故其并联谐振电阻Ro也很高,虽然接入系数p较小,但等效到晶体管CE两端的阻抗RL仍较高,所以放大器的增益较高,电路很容易满足振幅起振条件。皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决定,即由晶体电抗Xe与外部电容相等的条件决定,设外部电容为CL，则:011CWXe。且有3211111CCCC3.4串联型晶体振荡器在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。串联型晶体振荡器只能适应高次泛音工作，这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。图3.6显示出了一串联型振荡器的实际路线和等效电路。可以看出，如果将石英晶体短路，该电路即为电容反馈的振荡器。电路的实际工作原理为：当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似一短路线，电路满足相位条件和振幅条件，故能正常工作；当回路的谐振频率距串联谐振频率较远时，晶体阻抗增大，是反馈减弱，从而使电路不能满足振幅条件，电路不能正常工作。故当回路的谐振频率等于晶体的串联谐振频率时，串联石英晶体振荡器能够正常工作。VCC5VR217.5kΩR31kΩQ12N2222AC1100PFC2100PFX1HC-49/U_7MHzR45.1kΩL112µH四、普通三点式振荡器和晶体振荡器性能比较电容三点式振荡电路的特点是：频率稳定度较高，输出波形好，频率可以高达100兆赫以上，但频率调节范围较小。电感三点式振荡电路的特点是：频率范围宽、容易起振，但输出含有较多高次调波，波形较差。石英晶体振荡器能获得很高的频率稳定度是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性,具体表现为:(1)石英晶体谐振器具有很高的标准性。(2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小,一般为103到104。(3)石英晶体谐振器具有非常高的Q值。缺点：石英晶体谐振器的主要缺点时它的单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，因而不能直接用于波段振荡器。参考文献百度百科李宏-《系统工程与电子技术》，2001年第11期韩康琦-《电子测量与仪器学报》卢剑寒-《集成电路通讯》