第4章LC振荡器(演示).

第3章高频谐振放大器高频谐振放大器的电路结构：高频谐振放大器的主要特点是放大器的负载为谐振回路，使该电路具有选频作用。高频谐振放大器包括：高频小信号谐振放大器和高频谐振功率放大器。对高频小信号放大器的主要要求：⑴增益高。⑵频率选择性好。⑶工作稳定可靠。⑷噪声低。RL2L3C14VRb1Rb2CbReCe(a)5图3-1高频小信号谐振放大器3.1.1高频小信号谐振放大器的工作原理+Ec正弦波振荡器第4章本章知识点及结构正弦波振荡器工作原理（功能？如何实现功能？）4.1性能指标（有哪些？如何计算或评价）4.3及穿插在4.4、4.6、4.7电路构成（有哪几部分？不同形式电路的优缺点比较？）4.2、4.4、4.8第4章正弦波振荡器4.1反馈振荡器的原理（重点）4.2LC振荡器（重点）4.3频率稳定度4.4LC振荡器的设计考虑4.5石英晶体谐振器（重点）4.6振荡器中的几种现象4.7RC振荡器（重点）4.8负阻震荡器本节知识点：一、从调谐放大电路到自激振荡电路二、维持自激振荡的两个条件（即振荡的平衡条件）三、振荡的起振条件（即通电之初，振荡是如何建立起来的？）四、振荡的稳定条件4.1反馈振荡器的原理图4-1反馈型振荡器原理框图4.1.1反馈振荡器的原理分析由图可见，反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路。放大器通常是以振荡回路作负载，是一调谐放大器；反馈网络一般是由无源器件组成的线性电路。为了能产生自激振荡，必须有正反馈，即反馈到输入端的信号和放大器输入端的信号相位相同。对于图4-1，设放大器的电压放大倍数为K(s)，反馈网络的电压反馈系数为F(s)，闭环电压放大倍数为Ku(s)，则)()()(sousUsUsK)()()(iosUsUsK)()()(oisUsUsF)()()(isisUsUsU(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)由（开环增益）电压反馈系数合成输入电压T(s)称为反馈系统的环路增益。用函数jω=s代入，即可得到稳态下的传输系数和环路增益：T(jω)=K(jω)F(jω))(1)()()(1)()(usTsKsFsKsKsK)()()()()(iisUsUsFsKsT(4-6)(4-5)可写出定义：因此自激振荡的条件就是环路增益为1，即T(jω)=K(jω)F(jω)=1通常又称为振荡器的平衡条件。由式(4-7)可知：，)j()j(1)j(，)j()j(即1)j(iiii形成减幅振荡，即形成增幅振荡，UUTUUT(4-8)(4-7)若使某一频率ω1=ω，则T(jω1)等于1，由式(4-5)可知，Ku(jω)将趋于无穷大！这表明即使没有外加信号，也将自身激发而产生信号输出，即自激振荡。)(1)()()(1)()(usTsKsFsKsKsK4.1.2平衡条件振荡器的平衡条件(4-7)式：T(jω)=K(jω)F(jω)=1也可以表示为|T(jω)|=KF=1(4-9a)式(4-9a)称为振幅平衡条件；式(4-9b)称为相位平衡条件。（平衡条件同时也称为“维持自激振荡的两个条件”）0,1,2,π2FKTnn(4-9b)振幅平衡条件决定了振荡器输出信号的振幅大小。相位平衡条件决定了振荡器输出信号的频率大小。但必须指出，环路只有在某一特定的频率（f）上才能满足相位平衡条件，这一频率也就是回路的谐振频率（f0）。4.1.3振荡器的起振条件振荡器在实际应用时，不应有图4-1所示的外加信号Us(s)。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电信号。图4-1反馈型振荡器原理框图为了使振荡过程中输出幅度不断增加，应使反馈信号大于输入到放大器的信号，即振荡开始时应为增幅振荡，因而式(4-8)应为：T(jω)1上式称为自激振荡的起振条件。式(4-16a)和(4-16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件，其中起振的相位条件即为正反馈条件。1)j(LfFRYT0,1,2,π2FLfTnn(4-16a)(4-16b)(4-8’)可写为：起振时放大器工作在线性区，此时放大器的输出随输入信号的增加而线性增加；随着输入信号振幅的增加，放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区，进入非线性状态，此时的闭环增益将随输入信号的增加而下降，如图(4-2)所示。振荡器工作时由|T(jω)|1到|T(jω)|=1的过渡放大器进行小信号放大时必须工作在晶体管的线性放大区。图4-2振幅条件的图解表示(a)反馈器是线性器件；放大器是非线性器件。(b)在A点，K=1/F,则闭环增益T=KF=1.K当环路增益下降到|T(jω)|=1时，振幅的增长过程将停止，振荡器到达平衡状态，进行等幅振荡。可见，振荡器由增幅振荡过渡到稳幅振荡,是由放大器的非线性特点实现的。振荡电路在加电时，晶体管的电流由零陡然增加，突变电流包含有很宽的频谱分量。电路的起振过程电路的起振过程非常短暂！只要电路满足起振条件，在振荡器加电后，输出端就有幅度稳定的输出信号。如果环路增益特性存在着两个平衡点A和B，其中，A点是稳定的，而B是不稳定点。4.1.4振荡器的稳定条件通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，|T(ωo)|必须在UiA附近具有负斜率变化。|T(ωo)|BAUiUiAUiB10iAiiUUUT稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件(4-17)要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。则振幅稳定条件应为由于反馈网络为线性网络，即反馈系数的大小不随输(4-18)0iAiiUUUK相位的稳定是靠ω增加、降低来实现的，即并联振荡回路的相位特性保证了相位稳定。因此相位稳定条件为：回路的Q值越高，值越大，其相位稳定性越好。Li/UK01L(4-20)小结正弦波反馈振荡器主要由三个部分构成电源有源器件选频网络反馈网络根据反馈网络互感反馈振荡器：由互感构成反馈网络电感反馈振荡器：由电感构成反馈网络电容反馈振荡器：由电容构成反馈网络4.1.5振荡线路举例——互感耦合振荡器图4-4互感耦合振荡器RL2L3C14VRb1Rb2CbReCe(a)5图3-1高频小信号谐振放大器高频谐振放大器正弦波振荡器二、电容反馈三点式振荡器（考毕兹振荡器）三、电感反馈三点式振荡器（哈特莱振荡器）一、三点式LC振荡器相位平衡条件的判断准则（重点）4.2LC振荡器本节知识点：LC振荡器根据其反馈网络的不同可以分为，互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。本节重点介绍不同型式的反馈性LC振荡器，以三点式振荡器作为重点。4.2.1振荡器的组成原则三端式振荡器电路的一般形式基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器，即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路，如图所示。三端式LC振荡器是一种反馈式LC振荡器。为得到正反馈，反馈电路必须使晶体管交流电压的瞬时极性满足一定的相位关系：Vbe为负时，Vce应为正，即Vbe与Vce反相。即Veb与Vce同相。只有电抗Xce与Xeb性质相同才有保证其同相。当回路元件的电阻很小，可以忽略其影响，同时也忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗的影响，则电路要维持振荡必须满足否则无法满足回路谐振条件。0bececbXXX三端式振荡电路满足相位平衡条件的准则如下：1、Xce与Xeb的电抗性质相同，而与Xcb的电抗性质相反。即ce、be同抗件，cb反抗件。2、对于振荡频率应满足以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。bececbXXX为便于记忆，可以将此原则具体化:与晶体管发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，而不与发射极相连的另一电抗与它们的性质相反，简单可记为“射同余异”。考虑到场效应管与晶体管电极对应关系，只要将上述原则中的发射极改为源极即可适用于场效应管振荡器，即“源同余异”。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10-3~10-4量级，采取一些稳频措施后，还可以再高一些。三端式LC振荡器有许多种，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）图4-6两种基本的三端式振荡器(a)电容反馈振荡器；(b)电感反馈振荡器三端式振荡器有两种基本电路，如图所示。4.2.2电容反馈振荡器利用C2将谐振回路的的一部分电压反馈到基极。LC谐振回路的三个端点分别与晶体管的三个电极相连，所以以称为电容反馈三端式振荡器，或考毕兹振荡器。利用矢量分析法可以证明该电路满足相位平衡条件。只要适当选取C1和C2的比值，并使放大器有足够的放大量，电路就能够振荡。对电路定量分析可得振荡器的工作频率为由于，所以其中，120121122CCfLCC'121212oeiehCCLCChCC1201211122CCfLCCLC1212CCCCC若考虑振荡回路损耗和负载的影响，但不考虑晶体管内反馈，这种电路的起振条件为：或写为相当于放大器的电压放大倍数A为反馈系数的倒数1/F2''1ieiefepfephhChCRhR'211fepiefehRChCh'fepiehRh21CC考毕兹电路的优点：1、振荡波形好；2、电路的频率稳定度高，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，其工作频率可以做到几十MHz到几百MHz的甚高频段范围。电路的缺点：调节C1和C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变，从而影响到起振条件和工作状态。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1、C2为固定电容，则在调整频率时，基本不会影响反馈系数。4.2.3电感反馈振荡器谐振回路作为集电极负载，利用电感L2将谐振电压反馈到基极，故称电感反馈振荡器，或称“Hartley”振荡器。LC谐振回路引出三个端点，分别与晶体管的三个电极相连接，所以又叫做电感三端式振荡器。这种电路能否起振，关键问题是看它能否构成正反馈，即能够满足相位平衡条件。由放大器的倒相作用，回路上的输出电压Vo与Vi相差180o。回路谐振时，Vo在CL2支路内所产生的电路I超前于Vo90o，I在L2两端产生的电压降也超前于I90o，所以Vf与Vi同相。只要适当选择L1和L2的比值，使其满足AF1,电路就能够产生振荡。下面分析这种电路的起振条件和工作频率由ｈ参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件：电感反馈三端电路的振荡频率：1'''2ieieiefeppfephhhLMhFRRLMhR0'21212111122(2)()oeiefLChCLLMLLMh哈特莱电路的优点：1、L1和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即可；3、C的改变基本不影响电路的反馈系数。电路的缺点：1、振荡波形不好，因为反馈电压在电感上获得，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。4.2.4高稳定度的LC振荡器电路问题的提出综上所述，基本电路的工作频率严格来讲都与晶体管参数和负载谐振阻抗有关，这些参数的变化是振荡器频率不稳定的重要因素之一，怎样才能减小它们对振荡频率的影响呢？'pR计入不稳定电容的三端振荡器等效电路：减小在回路中不稳定参数的有效方法，是减弱有源器件与LC振荡回路之间的耦合，使折算到回路内的有源器件参数下降。实际是减小回路接入系数p，以减小与有源器件相耦合的等效谐振阻抗。下面介绍两种改进的电容三端振荡电路。1、克拉波振荡器右图表示一实际的克拉泼(Clapp)电路。其中