通信电子电路于洪珍第四章 第1～5节

第4章正弦波振荡器4.1概述4.2反馈型正弦波自激振荡器基本原理4.3三点式LC振荡器4.4改进型电容三点式振荡器4.5振荡器的频率稳定问题4.6石英晶体谐振器4.7石英晶体振荡器电路4.8陶瓷振子和陶瓷振子电路4.9单片集成振荡电路E1648返回总目录本章内容本章重点与难点（一）本章重点1.振荡器的种类及应用；2.三点式振荡器；3.改进型电容三点式振荡器，即克拉泼电路和西勒电路；4.振荡器的频率稳定问题；5.压电效应，石英晶体谐振器；石英晶体振荡器电路。（二）本章难点克拉泼电路和西勒电路4.1概述振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。一、正弦波振荡器的应用1.在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。2.在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个“本地振荡”信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。3.在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多包含有振荡器。例如高频信号发生器、音频信号发生器、Q表以及各种数字式测量仪表等。4.在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。1.“反馈式振荡器”和“负阻式振荡器”两大类从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，我们只讨论反馈式振荡器。2.RC振荡器与LC振荡器按选频网络（元件组成）来看3.正弦波振荡器与非正弦波振荡器按振荡器所产生的波形来看本书只介绍LC正弦波振荡器。主要讨论正弦波振荡器的基本原理。将详细分析各种正弦波振荡器的振荡与稳频原理，并对几种典型振荡电路进行分析。二、振荡器的种类4.2反馈型正弦波自激振荡器基本原理一、从调谐放大到自激振荡图为调谐放大器电路，输入信号经互感M1耦合，加到晶体管基极和发射极之间，以ube表示，在谐振回路两端得到已经放大的信号uce，再经过互感M2从线圈次图4-2调谐放大器级得到输出信号uo，如果把uo再送回到输入端，uo的相位和大小同原来的输入信号ui一样，就成为自激振荡器了。二、自激振荡的平衡1.反馈必须是正反馈即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。其中——总相移，n——整数。2.反馈必须足够大如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不会产生振荡了，在图4-3电路中，可以调整M、L的数值以及放大量来实现这一要求。满足振荡的幅度平衡条件为：KF=1自激振荡平衡条件的复数表达式为：360FKn1FK图4-3互感反馈振荡器4.3三点式LC振荡器一、组成原理LC回路引出三个端点，分别同晶体管的三个电极相连的振荡器，称三点式振荡器。分为电容三点式和电感三点式。（1）电容三点式（2）电感三点式射同集（基）反——与射极相连元件电抗性质相同，与集电极、基极相连元件的电抗性质相反。该规律对于三点式电路有普遍意义。图4-9电容三点式振荡器图4-12电感三点式振荡器假定在晶体管的b、e间有一输入信号，当振荡频率等于LC回路谐振频率时，与反相，电流滞后于90度。C2上的反馈电压滞后电流90度，故与同相，满足相位平衡条件。beUceUbeUIceUIfUbeU二、电容三点式振荡器电容反馈三点线路，也叫“考毕兹”振荡电路。图4-9电容三点式振荡器1.电路相位平衡条件的判断满足“射同集（基）反”1）与发射极相连的两电抗Xce和Xbe性质相同；2）Xcb和Xce、Xbe性质相反。注：对于场效应管振荡器，将发射极改为源极即可。从C两端取得，送回放大器输入端。由于它是利用电容将谐振回路的一部分电压反馈到基极上，而且也是将LC谐振回路的三个端点分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路又叫电容反馈三点式振荡器。2.反馈信号从哪取得？图4-11图4-9的等效电路求出放大倍数K和反馈系数F，看它们的乘积是否大于1。图中：RS—晶体管输出电阻；Co—晶体管输出电容；Ri—晶体管输入电阻；Ci—晶体管输入电容；R0—回路谐振电阻i2o1ceebCCCCUUF,CCC,')(1o1)(2i2'CCC''CCF213.起振条件现把各元件都折合到c-e端。如果则回路损耗可以忽略，得通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失真严重，都选得较小，大约在0.01~0.5之间，iRRK1iFRRFKFRnRFR020i11S02RRnFFRR1SiFRR1ci'1'20iCCRRi202S11RFRnRR)('2'1'2CCCn其中01212112π2πfCCLCLCC'2'1'2'1CCCCCio21i2o1))((1CCCCCCCCL4.振荡器的振荡频率f0一、串联改进型电容反馈三点线路（克拉泼电路）二、并联改进型电容反馈三点线路（西勒电路）4.4改进型电容三点式电路LC振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的LC元件的值有关，而且还与晶体管的输入电容以及输出电容有关。当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响。例如，对于电容三点式电路，晶体管的电容Co、Ci分别同回路电容C1、C2并联，振荡频率可以近似写成：(4-22)io21i2o10))((1CCCCCCCCLCCC'1o1(),CCC'2i2(),如何减小Co、Ci的影响，以提高频率稳定度呢？表面看来，加大回路电容C1与C2的电容量，可以减弱由于Co、Ci的变化对振荡频率的影响。但是这只适用于频率不太高，C1和C2较大的情况。当频率较高时，过分地增加C1和C2，必然减小L的值（维持振荡频率不变），这就导致回路的Q值下降，振荡幅度下降，甚至会使振荡器停振。这就有待于改进。一、串联改进型电容反馈三点线路（克拉泼电路）把基本型的电容反馈三点线路集电极-基极支路的电感改用L-C串联回路代替，这正是它的名称的由来——串联改进型电容反馈三点线路，又叫“克拉泼”电路。1.电路特点选，时，振荡频率可近似写成这就使Co和Ci几乎与值无关，它们的变动对振荡频率的稳定性就没有什么影响了，提高了频率稳定度。LC10i2o11111CCCCCCCC1CC2CCLC100（4-23）2.振荡频率图4-16谐振电阻R折合到晶体管输出端3.电容C1、C2的选取成立的条件是C1和C2都要选得比较大。但是不是C1、C2愈大愈好呢？为了说明这个问题，我们从分析回路谐振电阻入手。LC10折合到晶体管端的电阻式中n——接入系数，也叫分压比。因为则RnR2',)(22122CCCCCCCCCnRCCCCCCCCCR222122)](['CC2RCCCRnR212)('谐振电阻可表示为又因CC112011LCCCn213021240021'LCQCLLQRnRLQωR0克拉泼振荡器虽然可以提高频率稳定度，但存在以下缺点：1）C1、C2如过大，则振荡幅度就太低。2）当减小C来提高f0时，振荡幅度显著下降；当C减到一定程度时，可能停振。3）用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率增加而下降，在波段范围内幅度不平稳，因此，频率覆盖系数（在频率可调的振荡器中，高端频率和低端频率之比称为频率覆盖系数）不大，约为1.2~1.3。4.优缺点二、并联改进型电容反馈三点线路（西勒电路）除了采用两个容量较大的C1、C2外，主要是把基本型的电容反馈线路集电极-基极支路改用LC并联回路再与C3串联，所以叫并联改进型，也叫“西勒”电路。1.电路特点012πLC3i2o11111CCCCCCC2.谐振频率3.折合到晶体管输出端的谐振电阻RnR2'求出分压比n])())((1[1])(1[1)(23231'23'231'23'23'1'23'23iioCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCn改变C时，n、L、Q都是常数，则仅随一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，使在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。另外，西勒电路频率定性好，振荡频率可以较高。因此，在短波、超短波通信机，电视接收机等高频设备中得到广泛的应用。R0由上式可知，n和C无关，当调节C来改变振荡频率时，n不变。把R折合到c-e端，LnQRnR02'振荡器的频率稳定是一个十分重要的问题。例如:通信系统的频率不稳，就会漏失信号而联系不上；测量仪器的频率不稳，就会引起较大的测量误差；在载波电话中，载波频率不稳，将会引起话音失真。4.5振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定度指标是用频率稳定度来衡量的。频率稳定度有两种表示方法：1.绝对频率稳定度。它是指在一定条件下实际振荡频率与标准频率的偏差2.相对频率稳定度。它是指在一定条件下，绝对频率稳定度与标准频率之间的比值常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度。注：“一定条件”可以指一定的时间范围或一定的温度或电压变化范围。0fff000fffff一、振荡器的频率稳定度例如，在一定时间范围内的频率稳定度可以分为以下几种情况：短期稳定度——一小时内的相对频率稳定度。一般用来评价测量仪器和通信设备中主振器的频率稳定指标；中期稳定度——一天内的相对频率稳定度；长期稳定度——数月或一年内的相对频率稳定度。频率稳定度用10的负几次方表示，次方绝对值越大，稳定度越高。中波广播电台发射机的中期稳定度是2×10-5/日；电视发射台是5×10-7/日；一般LC振荡器是10-3~10-4/日；克拉泼和西勒振荡器是10-4~10-5/日。图4-19相频特性曲线二、稳频措施减小温度的影响稳定电源电压减少负载的影响晶体管与回路之间的连接采用松耦合。提高回路的品质因数使振荡频率接近于回路的谐振频率屏蔽、远离热源。