高频

第三章正弦波振荡器3.1反馈振荡器的工作原理3.2LC正弦波振荡器3.3LC振荡器的频率稳定度3.4晶体振荡器一．教学内容及要求要求学生了解反馈振荡器的工作原理，起振条件、平衡条件，稳定条件。掌握三点式振荡器的电路组成原则，振荡频率计算，起振条件的确定方法，交流等效电路的画法。了解提高LC振荡器频率稳定度的基本措施。了解晶体振荡器的组成及工作原理。二．重点、难点1．重点讨论反馈振荡器的工作原理，起振条件，平衡条件和稳定条件。2．以LC正弦波振荡器为主，分析电路的组成，简化起振条件。难点在于如何准确画出交流等效电路，并据此确定起振条件。3．LC振荡器的频率稳定度分析，重点讨论克拉泼振荡电路。4．晶体振荡电路的组成及工作原理。五.教学方法首先回顾反馈的概念，由此引出反馈振荡器的工作原理，然后分别讨论振荡器的平衡条件，起振条件及稳定条件。重点介绍三点式振荡器的组成法则，分析方法，振荡频率的稳定度以及改进型电路—克拉泼振荡电路。最后简单介绍晶体振荡器的电路组成及振荡原理。摘要：正弦波振荡器按组成分为两类1．利用正反馈原理构成的反馈振荡器，它是目前应用最广的一类振荡器。2．负阻振荡器，它是将负阻器件直接接到谐振回路中，利用负阻器件负阻效应抵消回路中的损耗。从而产生出等幅的自由振荡。这类电路主要工作在微波频段。本章重点是讨论LC三点式反馈振荡电路。第3章正弦波振荡器在组成上,反馈振荡器是一个由主网络和反馈网络组成的闭合环路,如图3-1-1(a)所示.例如：变压器耦合反馈振荡器的交流通路如图3-1-l(b)所示。由图可见,反馈振荡器中的主网络是负载为谐振回路的谐振放大器,反馈网络是与L相耦合的线圈Lf。3—1反馈振荡器的工作原理讨论反馈振荡器的工作原理就是揭示主网络和反馈网络所组成的闭合环路产生等幅持续振荡的条件：即①保证接通电源后从无到有地建立起振荡的起振条件；②保证进入平衡状态、输出等幅持续振荡的平衡条件；③保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏的稳定条件。3—1反馈振荡器的工作原理)()(/)(jkjAVVVVVVjTfofioif一.平衡条件将图3-1-1(a)在X处拆开，其环路增益为设在某一频率上，既同相又等幅。则当环路闭合后为角频率的正弦振荡。所需输入电压全部由反馈电压提供，无须外加输入电压。式（3-1-1）为平衡条件，又称为巴克好森准则。3．1．1平衡条件和起振条件oscifVV1)(jT(3-1-1)oVosc电压增益反馈系数令则)()()(oscTjoscosceTjT1)(oscT()20,123Toscnn，，，振幅平衡条件相位平衡条件例如,在图3-1-l(b)所示变压器耦合反馈振荡电路中,由于共发放大器的反相放大作用(Vo与Vi反相),因此,要保证Vf与Vi同相,满足相位平衡条件,就必须要求Vf与Vo反相。为此,变压器的初次级绕组必须有正确的绕向,如图中所标注的同名端。实际上,满足平衡条件只是说明闭合环路能够维持等幅持续振荡,而没有说明该等幅持续振荡能否在接通电源后从无到有地建立起来,因而还要进一步讨论它的起振条件。二．起振条件1．起振条件现以图3-1-1(b)所示电路为例来讨论振荡器的起振过程。在刚接通电源时,电路中的各部分必定存在着各种电的扰动,这些扰动是接通电源瞬间引起的电流突变或是管子和回路中的固有噪声,它们都具有很宽的频谱,由于谐振回路的选频作用,其中只有角频率为Wosc的分量(Wosc近似等于回路的谐振角频率Wo,)才能在谐振回路两端产生较大的电压,由于变压器绕向正确,因而通过反馈线圈加到放大器输入端的电压与放大器原输入电压同相,若它具有更大的振幅,则经放大和反馈的反复循环,振荡电压振幅就会不断地增长。可见,振荡器接通电源后能够从小到大地建立起振荡的条件是或振幅起振条件相位起振条件1)(oscTifVV()20,123Toscnn，，，总之,作为反馈振荡器,既要满足起振条件,又要满足平衡条件。为此,电源接通后,环路增益的模值T(wosc)必须具有随振荡电压振幅Vi增大而下降的特性,如图3-1-2所示。2．满足起振和平衡条件时的环路增益特性1)起振时，而后Vi增长变慢进入平衡状态。2)环路增益的相角严格地讲，由于管子特性的非线性，是有变化的，但很小，可以忽略。，，ioscVT1)()(oscT停止，ioscVT1)(iAiVV()20,123Toscnn，，，osc3．1．2稳定条件什么是稳定的平衡状态？振荡电路不可避免地受到电源电压、温度、湿度等外界因素变化的影响。这些变化引起管子和回路参数的变化。同时，其内部存在固有噪声，尽管它是起振的原始输入，进入平衡态后它叠加在振荡电压上，引起振幅、相移的波动→及变化→破坏平衡条件。)(oscT)(oscT若经放大、反馈的反复循环→越来越离开原来的平衡态→停振或突变到新的平衡态→表明原平衡态不稳定。反之，若经放大、反馈循环后→产生回到原来平衡态的趋势→在原平衡附近建立新的平衡态，干扰消失后→恢复到原平衡态→原平衡态是稳定的。在稳定平衡态下，振幅与频率会受到影响而稍有变化，但不会导致停振或突变。可见,为了产生等幅持续振荡,振荡器还必须满足稳定条件,保证所处平衡状态是稳定的。事实上,在具有图3-1-2所示环路增益特性的环路中,不仅满足了振幅起振和振幅平衡条件,而且还满足了振幅稳定条件。例如,若某种原因使ViViA,则由于T(Wosc)随之减小,因而通过每次放大和反馈后,Vi将逐渐减小,最后在新的平衡值ViA’上重新满足平衡条件。反之,若某种原因使ViViA,则由于T(Wosc)随之增大,因而通过每次放大和反馈后,Vi将逐渐增大,最后在新的平衡值上重新满足平衡条件。一．振幅稳定条件分析A点：1）若经反馈放大重新满足平衡条件。2）若经反馈放大新点平衡。)(osciAiTVViAiVV)(osciAiTVViV分析B点：1）若经反馈放大2）若经反馈放大停振。经分析B点为不稳定平衡点，B→A，或者B→停振。()iiBoscVVTiVA()iiBoscVVTiV振幅稳定条件（3-1-4）()0iAoscViTV二．相位（频率）稳定条件如前所述,一振荡器满足相位平衡条件,表明每次放大和反馈后的电压与原输入电压同相。现若某种原因(例如,温度等外界环境因素变化)使,则通过每次放大和反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。由于正弦电压的角频率是瞬时相位对时间的导数值,因此,这种相位的不断超前表明振荡器的振荡角频率将高于。反之,若某种原因使,则由于每次放大和反馈后的电压相位都要滞后于原输入电压相位,因而振荡角频率必将低于。如果具有随w增加而减小的特性,如图3-1-4所示,则必将阻止上述频率的变化。()0Tosc()0Toscosc()0Toscosc()T相位（频率）稳定条件分析：1）若2）若注：曲线斜率越大→小的大的外界因素引起振荡频率的变化越小。)(0)(ToscoscT)(0)(ToscoscT~T)(T相位（频率）稳定条件（3-1-5）0)(oscoscT三．变压器耦合振荡电路的相位稳定条件)()()(fAT)(fosc()()AZ在附近近似为常数。()()()TAZ三．变压器耦合振荡电路的相位稳定条件一．组成3．1．3基本组成及分析方法2n综上所述,要产生稳定的正弦振荡,振荡器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,在由主网络和反馈网络组成的闭合环路中,必须包含可变增益放大器和相移网络。前者应提供足够的增益,且其值具有随输入电压增大而减小的特性;而后者应具有负斜率变化的相频特性,且为环路提供合适的相移,保证环路在振荡频率上的相移为零(或)。各种反馈振荡电路的区别就在于可变增益放大器和相移网络的实现电路不同。常用的可变增益放大器有晶体三极管放大器,场效应管放大器、差分对管放大器和集成运放等。它们的可变增益特性有两种实现方法:一种是利用放大管固有的非线性,这种方法称为内稳幅,已在前面讨论过;另一种是保持放大器线性工作,而另外插入非线性环节,共同组成可变增益放大器,这种方法称为外稳幅。而常用的相移网络有LC谐振回路、RC相移和选频网络、石英晶体谐振器等,它们都可具有负斜率变化的相频特性。目前应用最广的是下列三种振荡电路:采用LC谐振回路的LC振荡器、采用石英晶体谐振器的晶体振荡器、采用RC移相网络或RC选频网络的RC振荡器。可见,任何反馈振荡器都是含有电抗元件的非线性闭环系统,借助计算机,可对它进行近似数值分析。但是,在工程上,目前还广泛采用下列的近似分析方法。二．分析方法1．检查震荡电路是否包含上述两个组成部分(可变增益放大器和具有负斜率变化的相频特性)，闭合环路是否正反馈。2.分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可以用小信号等效电路分析,导出并由此求出起振条件及由此决定电路参数和相应的振荡频率。3.若实际振荡电路合理。又满足起振条件，则振荡器就能进入稳定的平衡状态。进入平衡状态后，振荡电压幅值一般经实验确定。4.分析振荡器频率稳定度，并提出改进措施。)(jT习题：判断如图所示交流通路，是否可能产生振荡？