北方民族大学集成电路设计基础第4章

4.1反馈型振荡器的工作原理4.2LC正弦波振荡器4.3振荡器的频率和幅度稳定度4.4石英晶体振荡器4.5RC正弦波振荡器4.6负阻正弦波振荡器（*）4.7特殊振荡现象第4章正弦波振荡器振荡器是一种不需要外加激励信号，自身能将直流电能转换为交流电能的电路。按产生的波形分为：正弦波振荡器和非正弦振荡器（张弛振荡器）。按工作原理分：反馈式振荡器和负阻振荡器（利用负阻器件）。反馈式振荡器按选频网络分：LC正弦波振荡器，RC正弦波振荡器，晶体振荡器等。LC正弦波振荡器分：变压器耦合反馈振荡器和LC三点式振荡器。本章的重点：1、掌握正弦波振荡器的起振条件、平衡条件、稳定条件和基本组成；2、掌握LC三点式正弦波振荡器的组成、工作原理和特点；3、掌握RC正弦波振荡器的组成、工作原理和特点；4、掌握晶体振荡器的组成、工作原理和特点。4.1反馈型正弦波振荡器的工作原理振荡器的目的就是产生等幅、持续、稳定的自激振荡信号。根据振荡器的目的，我们就要研究三个问题：1、保证接通电源后从无到有地建立起振荡。（起振问题）2、保证起振后，能输出等幅持续的振荡，即进入平衡状态，。（平衡问题）3、保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏。（稳定问题）4.1.1反馈型振荡器的电路组成如图4.1.1所示。选频放大器A反馈网络FOUfUiU4.1.1反馈型振荡器的组成方框图放大器：是一个具有选频特性的放大器，即负载接有谐振回路的放大器。增益为。谐振回路可以是LC或RC网络。反馈网络：是一把选频放大器的输出信号反馈到选频放大器输入端的电路。反馈系数为。)(jA.F)()()(jFjAUUUUUUjTofioif开环增益：反馈式正弦波振荡器的基本原理是：正反馈的原理。即反馈型振荡器是把反馈电压作为输入电压，以维持一定的输出电压的闭环正反馈系统。或简单地说是加有正反馈的选频放大器。4.1.2起振条件和平衡条件一、起振条件起振条件就是指接通电源后，反馈振荡器从无到有地建立起自激振荡所要满足的条件。如图4.1.1所示。在电源接通时，电路中必然存在着各种电的扰动，如电流的变化、管子和器件的固有噪声等，而这些噪声都是广谱的，因此必有一频率分量是与LC谐振回路的谐振频率相等。这一频率分量即被放大输出，并由反馈网络反馈到放大器的输入端，此信号又被进一步地放大，反馈到输入端，如此反复，输出端不断地得到一个增大的自激振荡，且反馈信号的相位与前一输入信号的相位是同相的，即形成正反馈。从而完成了起振的目的。),2,1,0(2)(1)()()(nnFAT起振条件振幅起振条件相位起振条件开环增益可写成：)]()([)()()()()(fajjeFAeTjT二、平衡条件平衡条件是指起振以后，反馈振荡器应输出一个等幅持续的振荡所具备的条件。在起振物理分析中可知，自激振荡是一不断增大的过程，即，这是不希望的，不是我们的目的。我们的目的是：输出稳定的等幅的持续的自激振荡。因此应该是起振后。ifVVifVV即平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件),2,1,0(2)(1)()()(nnFAT1)()()(FATTiUiAUA1O在实际振荡电路中，不可避免地要受到电源电压、温度和湿度，内部的固有噪声等因素变化的影响，而使得管子和回路的一些参数发生变化，结果使和发生变化，从而破坏振荡电路已有的平衡状态。如果影响因素消失，则振荡器能自动恢复到原来的平衡状态，这个振荡器就是稳定的，具有这样的能力，就是稳定条件。)(ωT)(ω三、稳定条件A)(ωT10AUiiUBBUi稳定条件分两种：振幅稳定条件；相位稳定条件。1、振幅稳定条件0)(iAiiUUUT2、频率稳定条件0)(0)(00)(ω4.1.3反馈型振荡器的振荡频率振荡频率取决于相位平衡条件。可根据相位条件推导振荡频率与电路参数的关系。但这种计算是十分复杂的。因此一般都用工程的方法计算振荡频率。即用谐振回路的谐振频率近似为振荡器的振荡频率。对于LC谐振回路而言，其振荡频率为LCf2103.2反馈型LC正弦波振荡器变压器耦合反馈式LC正弦波振荡器RB1RECBCL1VTRB2L2C3+Vcc电路必须要满足正反馈条件，一般用瞬时极性法判定。4.2LC正弦波振荡器主要内容：三点式振荡器的构成及法则，工作特点和电路分析．fVoVoVfViViV电容三点式振荡电路（也叫Colpitts电路）电感三点式振荡电路（也叫Hartley电路）一、基本电路构成4.2.1三点式振荡器的基本组成和工作原理二、电路组成法则（或说判断三点式LC振荡电路起振所需相位条件的一般法则）（1）与发射极相连接的为两个同性质电抗。（2）管子另俩个极（基极和集电极之间）连接的是异性质电抗。VTX3X2X1证明：如图所示，忽略三极管的输入输出阻抗，可知ofUXXXU322回路谐振时，0321XXXiiofUXXβUXXUXXU121212)(即fUoUiU是同性电抗元件，是异性电抗元件。21XX,3X4.2.2电感三点式振荡器RB1RB2RcRECBCcCECL1L2CMLLf)2(21210其振荡频率为：其优缺点：容易起振；便于调节；波形较差；图4.2.34.2.3电容三点式振荡器2121021CCCCLf其振荡频率为：其优缺点：起振一般；不便调节；波形较好；图4.2.4RB1RB2RcRECBCcCEC1LC2举例：判断以下电路能否产生振荡？说明类型。（1）（4）（3）（2）oXoX容性容性感性感性串联电路感性容性并联电路容性感性oo串并联谐振回路的工作特性：例：1、构成电容三点式振荡电路010203若为容性，则若为容性，则若为感性，则11CL22CL33CL0102032、构成电感三点式振荡电路若为感性，则若为感性，则若为容性，则11CL22CL33CL0102034.2.4改进型电容三点式振荡器一、克拉泼振荡电路RB1RCRB2RECBC1C2LC350%+Vcc213CCC,3021LCf特点:1、越小，频率越稳定。原因是减弱晶体管与回路的耦合。2、越小，不易起振。3、频率调节范围不大。3C3C二、西勒振荡电路RB1RCRB2RECBC1C2L+VccC3C450%图4.2.8西勒振荡电路2143CCCC,,)(21430CCLf特点：1、电路比克拉沷电路的幅度稳定。2、调节频率范围较大。4.3振荡器的频率和振幅稳定度主要内容:频率稳定的方法，频率稳定度。4.3.1频率稳定度一个振荡器的频率和幅度的稳定是十分重要的，特别是频率的稳定。那么如何度量振荡器的频率稳定性呢？采用那些方法确保稳定？一、频率稳定度的定义一般频率稳定度是指：在规定的时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。频率稳定性分为：绝对频率稳定度和相对频率稳定度。绝对频率稳定度：相对频率稳定度：0fff0ff长期频率稳定度：通常指一天以上的频率相对变化量。(由元器件老化引起)短期频率稳定度：主要指一天以内的频率相对变化量。(由温度、电源电压等外界因素引起)瞬时频率稳定度：主要指秒级以内（如秒、毫秒等)的频率相对变化量。(由电路内部噪声引起)频率稳定度通常用10的几次方表示，如。通常频率稳定度指短期频率稳定度。一般普通LC振荡器的短期频率稳定度在数量级；中波广播数量级；电视发射机在数量级。当前特高精度的振荡器的频率稳定度可达到数量级。msn/105310~10151410~1051027105二、提高频率稳定度的主要措施1、减小外界因素的变化。恒温；恒压；恒湿；减振；屏蔽；稳压；隔离负载；等等2、提高谐振回路的标准性。谐振回路在外界因素变化时保持其谐振频率不变的能力称为谐振回路的标准性。提高的主要方法如下：（1）供电。采用单独供电方式。（2）选用高质量的元器件。高质量的振荡管，如选用截止频率高的管子，选结电容小的管子。选用稳定性高的电容、电感等。并且振荡回路电容量的大小要合适。太大，Q值不高；太小，受晶体管的输入、输出电容和分布电容的影响大。（3）安装工艺。接线要短，安装要牢固，必要时要加防振和屏蔽。（4）减小器件与谐振回路的耦合。也就是提高回路的标准性，如克拉沷电路和西勒电路（这属于改进型的电容三点式电路）。4.3.2振幅稳定度1、振幅稳定度的定义2、振荡器稳幅的方法：内稳幅；外稳幅；3、提高振幅稳定的措施主要在供电，器件，放大器静态工作点；环路增益；减小负载影响等方面进行。另可再增加稳幅电路。环路增益的大小要合适。环路增益大容易起振，稳幅效果好，但波形失真大；环路增益小不容易起振，稳幅效果不好，但波形失真小。4.4石英晶体振荡器石英晶体振荡器是用石英晶体作为谐振回路的元件的振荡电路。由于石英晶体参数的稳定性很高，等效Q值很高，因此石英晶体振荡器的频率稳定性很高。本节的重点：晶体在正弦波振荡器的使用方法；晶体振荡器的基本电路。4.4.1石英谐振器的特性图4.4.2石英谐振器的符号及等效电路；石英谐振器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。这种压电效应具有与谐振回路相似的谐振特性，它具有固定的振动频率。它的谐振电抗特性曲线如图4.4.3所示。C0CqLqRqabab图4.4.2pfsfXof图4.4.3qqs0q0qqpsp2121CLfCCCCLfff串联谐振频率并联谐振频率石英晶体振荡器按工作方式不同分为：并联型晶体振荡器。石英晶体作为高Q的电感元件。串联型晶体振荡器。石英晶体作为高选择性的短路元件。石英晶体振荡器按晶体的谐振频率不同分为：基频晶体振荡器。石英晶体工作在基频上。泛音晶体振荡器。石英晶体工作在泛音谐波上，一般都是奇次谐波。4.4.2石英晶体振荡器一、并联型晶体振荡器RB1RB2RcRECEC2C3C1RBC1C2RCC3图4.4.4泛音晶体振荡器C2CLC1L1oX容性感性二、串联型晶体振荡器C2C1LC2C1L图4.4.6注意：谐振回路要求调谐在石英晶体的串联谐振频率上。V54.5RC正弦波振荡器4.5.1RC正弦波振荡器的特点1、用RC网络作为振荡器的选频移相网络。2、通常工作于低频范围，如几十KHz。3、由于RC的选频特性不好，波形失真大，频稳度低，因此，一般用在要求不高的设备中。4、采用外稳幅的方法来实现稳幅，这样可使放大电路工作于线性状态。3.5.2常用几种RC选频移相网络本节重点：理解RC振荡器的构成及使用特点。RCRCR2C2R1C1高通滤波器低通滤波器带通滤波器022一般：R1=R2=R,C1=C2=CRf2Rf1R1R2C1C2123U1CCCRRR2121Rf2Rf1R1R2C1123U1C2一般取4.5.2RC桥式振荡器（文氏电桥振荡器）Rf2为负温度系数的热敏电阻。或Rf1为正温度系数的热敏电阻。RCf2104.6负阻正弦波振荡器（*）4.7特殊振荡现象在实际振荡电路中，由于各种原因，还可能产生一些特殊的振荡现象。如寄生振荡间歇振荡频率占据等4.7.1寄生振荡寄生振荡是在某些特定频率上，电路中某些集总参数（包括直流供电电路元件）和分布参数（管子的极间电容、分布电容、引线电感等）构成的闭合环路满足振荡条件而自行产生的一种不希望的振荡。1、低频寄生振荡：主要是由电路中的高频扼流圈、隔直流电容、旁路电容等构成低频寄生振荡的闭合环路而造成的。解决的方法：一是合理选取择扼流圈的电感量或旁路电容的电容量。二是扼流圈中串小电阻或并大电阻以增加闭合回路中的损耗。2、超高频寄生振荡：主要是由电路中的分布参数、管子的极间电容、隔直流电容、旁路电容等构成超高频寄生振荡的闭合环路而造成的。解决的方法：一是减小分布参数，如引线要短，元件排列和布线要合理等。二是在管子的基极或集