高频电子电路第6章正弦波振荡器.

1.理解反馈式振荡器的工作原理2.掌握反馈式振荡器的平衡与稳定条件3.掌握LC振荡器三端电路的组成法则5.了解稳频原理与稳频措施6.熟悉石英晶体振荡器的优点与电路类型4.掌握克拉泼电路和西勒电路的组成和优缺点1.振荡器不需外加输入信号，自动地将直流电能转换为交流电能的装置。2.振荡器的用途信号发生器、数字式频率计、无线电发送设备、超外差式接收机等。音频放大高频振荡倍频高频放大调制缓冲传输线话筒声音（直流电源未画）高频放大fsfs本地振荡fo混频fo–fs=fifi低频放大检波中频放大FF高频电路3.振荡器的分类正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器波形产生机理反馈式振荡器负阻式振荡器反馈型LC振荡器反馈型RC振荡器石英晶体振荡器反馈式振荡器反馈型RC振荡器反馈型LC振荡器石英晶体振荡器01idtCRidtdiL,022022idtdidtid为固有角频率。为回路衰减系数其中：LCLR1,20对上式微分可得：图7.2.1LCR自由振荡电路1、开关S先接通”1”,C充电2、C充电后开关S接通”2”解方程可知：回路中的电流变化为非周期的，不可能形成周期振荡。回路中的电流发生周期性的自由振荡现象。)2()2(202202CLRCLR即即时，（1）当teLViCLRtsin)2(202时，即202j其中：（2）当图7.2.4δ2＜ω2时产生振荡电流的情形1）一套振荡回路。包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。构成振荡器必备条件：2）一个能量来源。补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3）一个控制设备。可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件图7.2.4互感耦合调集振荡器-+由上式可得振荡频率为：0)1(1)(122LibbLfbbibribLirhhLCdtdiMhhLhCLChdtidrbfbibobbhhhhh其中：很小时）（当rLCrhhLCibb1)1(100XXFf反馈系数：idXXA00增益：产生振荡时：fidXX因此振荡条件为：01100FAFA或反馈振荡器方框图Xo基本放大电路XidAXf–+Xi反馈网络F＋0反馈放大器的闭环增益为：FAAAf001由上述的振荡条件可知，振荡时：fA物理意义：即使无输入信号也有输出信号。放大器变成振荡器。反馈振荡器方框图起振：1、接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。2、初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率0的信号被保留，成为等幅振荡输出信号。（从无到有）3、一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求：（由弱到强）（增幅振荡）10FA当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。（由增到稳）稳幅的作用：当输出信号幅值增加到一定程度时，使增幅振荡变成稳幅振荡，即从到。10FA10FA设平均放大倍数：bcVVA111max11()()(1cos)ccPCcPcbccPVIRiRgVR)()cos1)((101cccPcARgA)cos1)((110cccPcRgA）（；为小信号线性放大倍数式中：0,24.AA一般取工作强度系数～8/1~2/1F一般取1AF),2,1,0(2nnFA振幅平衡条件：相位平衡条件：10FA1、起振条件2、平衡条件1FA),2,1,0(2nnFZY即正反馈。以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的平衡条件。实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以下分别讨论之。(a)不稳定平衡(b)稳定平衡两种平衡条件举例1、振幅平衡的稳定条件振幅稳定是指振幅平衡条件遭到破坏时，振幅平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡幅度。0omQomomVVVA图7.5.2软自激的振荡特性图7.5.3硬自激的振荡特性振幅平衡的稳定条件：2、相位平衡的稳定条件相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。外部扰动稳定原理：频率ω相位φ频率ωtttd)()(0)(ZFZY相位平衡的稳定条件：图7.5.4并联谐振回路的相频特性12QQ放大电路3、基本组成部分正反馈网络选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈网络合二为一。）稳幅环节稳定环节从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：从回到1AF1AF幅度稳定相位稳定按照反馈耦合元件分为：互感耦合调集振荡器电路1、三种形式振荡器电路调集、调基、调发。（谐振回路连接三极管相应的电极）2、正反馈判别方法：瞬时极性法。(+)(+)(+)(+)图7.6.1互感耦合调基、调发振荡器电路由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高而LC回路电容较小时，将影响稳定性。(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)(-)(-)(+)正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。图7.6.2电感反馈式三端振荡器MLMLF12L1L2CMLMLF1212LL电路的特点:容易起振FA1改变电容不影响F。调整频率方便振荡波形不够好高次谐波反馈较强，波形失真较大。不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于L1与L2两端，F随频率变化而改变。ieCoeCL1L2CoVfV)(HPF高通图7.6.3电容反馈式三端振荡器CpI21CCF如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。C1C2LC1C2L电路的特点:ieCoeCoVfV改变电容影响F，变电感不便。调整频率不太方便输出波形较好高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于C1与C2两端，被较大C1与C2吸收。适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容和输出电容。)(LPF低通规律：晶体管的集电极—发射极（ce）之间和基极—发射极（be）之间回路元件的电抗性质相同;它们与集电极—基极(cb)之间回路元件的电抗性质相反。它具有普遍意义吗？L1L2CC1C2L为简便起见，假定谐振回路三个元件都是纯电抗，即：振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率，即0cbcebeXXX结论:三端式振荡器组成原则：Xbe与Xce同性质，Xcb和Xbe、Xce性质相反。成立cbcebeXXXce1jXZbe2jXZcb3jXZ举例:振荡器的振荡频率应低于L1和C1支路的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。振荡器的振荡频率2121210)(1CCCCLL一、频率稳定问题主要指标:准确度与稳定度。绝对准确度:0fff,相对准确度:000fffff定义:频率稳定度=ΔtfΔf0一定时间间隔内，频率准确度的变化。1、准确度振荡器实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差。2、稳定度根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。长期稳定度:一般指几天或几个月（天文台，计时设备）短期稳定度:指一天内,以小时,分,秒计（测量仪器，通信设备）瞬时稳定度:一般以秒或毫秒计（相位抖动，相位噪声）3、影响振荡频率的有如下三种因素（P2837.4.7）１）振荡回路参数Ｌ与Ｃ;２）回路电阻ｒ；4、稳定频率的措施1）减小温度的影响;2）稳定电源电压；34）5图7.7.1克拉泼电路的交流等效电路二、克拉泼电路3211111CCCC因为C1,C2C3所以有:3CC21CCF131ceCCCCp特点：311LCLC1.提高频率稳定度；2.C1、C2不能过大，否则振荡幅度太低；3.频率调节不方便。图7.7.1西勒电路的交流等效电路)(1143CCLLC三、西勒电路LC1C2C3C4AB131ceCCCCp因为C1,C2C3所以有:特点：1.提高频率稳定度;4.C3的大小要适当，否则影响电路性能。3.频率调节方便；2.振荡频率可以较高；名称电容三端式电感三端式克拉泼电路西勒电路振荡频率波形好差好好反馈系数接入系数频率稳定度差差好好频率调节不方便可以方便，但幅度不稳定方便，幅度稳定最高振荡频率几百至几千兆赫，但频率稳定度下降几十兆赫百兆赫，但幅度下降百兆赫至千兆赫21211CCCCLCMLL)2(12131LC)(143CCL21CC21CC21CCMLML12212CCC211LLL13CC13CCcepLC1C2C3C4ABL1L2CC1C2L一般LC振荡器的频率稳定度Δf/f0只能达到10-3～10-5。若要求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。１）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；２）晶体的Ｑ值可高达数百万数量级；３）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。1.石英晶体滤波器的特点因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频率稳定度大大提高。2.石英晶体滤波器的应用OX容性容性感性sfpf作电感用工作于串联谐振状态振荡电路可分为两类：(1)并联谐振型晶体振荡器；(2)串联谐振型晶体振荡器。C0(a)(b)CqLqrqC0Cq1Lq1rq1Cq3Lq3rq3Cq5Lq5rq5CqkLqkrqk(c)石英晶体谐振器(a)符号(b)基频等效电路(c)完整等效电路除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次（2n-1）谐波的泛音振动。基频振动模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。奇次谐波的泛音振动将晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。图7.8.1并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式图7.8.2并联谐振型晶体ｃ－ｂ型振荡器电路图7.8.3并联谐振型晶体b－e型振荡器电路图7.8.4串联谐振型正弦波晶体振荡器电路所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。图7.8.5泛音晶体振荡器交流等效电路若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称频率为5MHz，则L1C1谐振回路应调谐在3～5次泛音频率之间，如3.5MHz。在5MHz,LC谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。对于基频和3次泛音频率来说，回路呈感性，振荡器不满足相位平衡条件，不能产生振荡。而对于7次及其以上的泛音频率，回路呈容性，但其电容量过大，负载阻抗过小，以致电压增益下降太多，不能起振。负阻振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振回路相接，以产生等幅振荡。图7.9.1正、负电阻的概念若Ｒ上的电位升方向与电流方向相同，呈负电阻，故此负电阻相当于发电机作用，它不但不消耗功率，反而向外界输出功率。注意，以上针对交流电阻。具有负阻的器件有两大类：电压控制型负阻和电流控制型负阻。图7.9.2负阻特性曲线的类型负阻振荡电路也有两种基本类型，即串联型负阻振荡