第3章正弦波振荡器(1)-大连海事大学本科教学质量与教学

第3章正弦波振荡器概述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3.5RC正弦波振荡器概述1.与功放的比较(从能量角度)(1)功率放大器：在输入信号控制下，把直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。(2)正弦波振荡器(SinewaveOscillator)：不需要输入信号控制，自动地将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。2.正弦波振荡器的应用(1)无线发射机中的载波信号源，超外差接收机中的本振信号源，电子测量仪器中的正弦波信号源，数字系统中的时钟信号源。要求：振荡频率和振幅尤其是振荡频率的准确性和稳定性。(2)高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。要求：高效产生足够大的正弦交变功率，对振荡频率的准确性和稳定性不作过高要求。本章只讨论前一类用途的振荡器3.分类(按组成原理)反馈振荡器：利用正反馈原理构成，应用广泛。负阻振荡器：利用负电阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。工作于微波段。二者工作原理是一致的。3.1反馈振荡器的工作原理1.组成由主网络和反馈网络构成的闭合环路。例：变压器耦合反馈振荡器(交流通路)(1)主网络——负载为谐振回路的谐振放大器(2)反馈网络——与L相耦合的线圈Lf。2.工作原理讨论该闭合环路产生等幅持续振荡的条件。(1)刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程；(2)进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。(3)当外界不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。闭合环路成为反馈振荡器(FeedbackOscillator)的三个条件：(1)起振条件——保证接通电源后从无到有地建立起振荡。(2)平衡条件——保证进入平衡状态后能输出等幅持续振荡。(3)稳定条件——保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏。3.1.1平衡和起振条件一、平衡条件将闭合环路在×处拆开，并按所标极性定义它的环路增益为)(j)(j)(jfofioifkAVVVVVVT同相又等幅，即若在某一频率osc上，fV与iVifVV，或1)j(oscT(3-1-1)则当环路闭合后：，角频率为(1)主网络将输出正弦振荡电压oVosc。因而式(3-1-1)即为振荡器的平衡条件。令(2)所需输入电压iV全部由反馈电压fV提供，无需外加输入电压。)(joscoscosce)()j(TTT则平衡条件改写为：(1)振幅平衡条件：环路增益的模1)(oscT(2)相位平衡条件：环路增益的相角π2)(oscTn(n0，1，2，…)(1)在刚接通电源时，电路中的各部分存在着各种电的扰动，这些扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)具有很宽的频谱。(2)谐振回路具有选频功能，只有角频率为osc的分量(osc0)才能在谐振回路两端产生较大的电压。(3)变压器绕向正确，可保证反馈信号fV与输入信号iV同相，经放大和反馈的循环，振荡电压的振幅不断增长。二、起振条件若说明等幅持续振荡能否在接通电源后从无到有地建立起来，还需讨论起振条件。以变压器耦合反馈振荡器来说明。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：(1)振幅起振条件：(2)相位起振条件：ifVV或1)(oscTπ2)(oscTn(n0，1，2，…)这就是反馈振荡器的起振条件。三、讨论1.起振过程作为反馈振荡器，要满足起振条件，又要满足平衡条件。为此：(1)起振时1)(oscT，iV迅速增长；下降，(2)而后)(oscTiV的增长速度变慢；时，(3)到1)(oscTiV停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅ViA上维持等幅振荡。即电源接通后，环路增益的模值)(oscT必须具有随振荡电压振幅iV增大而下降的特性(如图)。而环路增益的相角)(oscT则必须维持在π2n上。2.实现方法环路中必须包含非线性环节，多由主网络放大器的非线性放大特性实现的。例如：变压器耦合反馈振荡器，刚通电时，Vi很小，放大器小信号工作，增益较大，相应的为大于1的水平线。)(oscT的增大而下降。符合对当iV增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随iV增大而减小，相应地)(oscT也就随着iV)(oscT的要求。3.1.2稳定条件一、问题的提出1.振荡电路中存在干扰(1)外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。(2)内部：振荡电路内部存在固有噪声(起振时的原始输入电压,进入平衡后与输入电压叠加引起波动)。均造成)(oscT和)(oscT的变化，破坏已维持的平衡条件。2.干扰对平衡状态的影响——两种(1)通过放大和反馈的反复循环，振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的。(2)通过放大和反馈的反复循环，振荡器能够产生回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。在稳定的平衡状态下，振荡器的振荡振幅和频率虽会受到干扰的影响而稍有变化，但不会导致停振或突变。所以，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。二、振幅稳定条件图示增益特性环路，不仅满足起振和振幅平衡条件，而且还满足振幅稳定条件。1.稳定过程在iA'V，外因使T的增量与内因使T的减量相等，重新平衡情况1：,iAiVV1)(oscT干扰iAiVV1)(oscTiV)(oscT最后在新的平衡值iA'V上重新满足平衡条件1)(oscT环路特性情况2：,iAiVV1)(oscT干扰iAiVV1)(oscTiV)(oscT最后达到新的平衡。2.环路增益存在两个平衡点的情况如右图所示，振荡器存在着两个平衡点A和B，其中A是稳定的，B点是否稳定呢？分析：若使iBiVV，则)(oscT随之增大，导致iV进一步增大，从而更远离平衡点B。最后到达平衡点A。反之，若iBiVV)(oscTiV直到停止振荡。可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，须加大的电冲击，产生大于iBV的起始扰动电压，才能进入平衡点A，产生持续等幅振荡。硬激励：靠外加冲击而产生振荡。软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。3.振幅稳定条件要使平衡点稳定，)(oscT必须在iAV附近具有负斜率变化，即随iV增大而下降的特性：iAiosc)(VVT＜0斜率越陡，则iV的变化而产生的)(oscT变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。三、相位(频率)稳定条件1．)(oscT的偏移对振荡频率的影响(1)相位平衡条件π2)(oscTn(n0，1，2，…)，表明每次放大和反馈的电压与原输入电压同相。)，因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率将高于(2)若某种原因使)(oscT＞0，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(t/osc。(3)反之，若某种原因使)(oscT＜0，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，因而振荡频率将低于osc。2.相位(频率)稳定的讨论如果)(T具有随增加而减小的特性(如右图)，则必将阻止由外界因素引起的频率变化。由于(1)若某种原因使)(oscT＞0，导致振荡频率＞原振荡频率osc，)(T随之减小，iV的超前势必受到阻止，0)(oscT两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原振荡频率附近osc'达到新的平衡，使。0)'(osc(2)若某种原因使，导致振荡频率)(T随之增大，iV滞后势必受阻。＜原振荡频率osc，3.平衡过程：4.相位稳定条件0)(oscT相角)(T在osc附近有负斜率变化，斜率越陡，说明很小的振荡频率变化就可抵消干扰引起的)(T=0，＜0，反复循环，)(oscT0干总)(oscT＞0)(T反复循环)(总达新的平衡。osc'干扰消失后，)(oscT)(oscT0，复原。干扰)(总的变化，干扰引起的频率波动就越小。5.例：说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件的相移(1)放大器输出电压oV对输入电压iV)(A如果随频率的增大而增大，说明加剧振荡频率的变化，无法实现新的相位平衡。)(ToV的相移(2)反馈网络反馈电压fV对)(f)(T由两部分组成：即)(T)(A)(f)(A除放大管相移外，主要是并联谐振回路的相移)(z，它在谐振频率附近随的变化较快，相比之下，)(f随的变化十分缓慢，可认为它与无关。故)(z随变化的特性可代表)(T随变化的特性。并联谐振回路，其相频特性：)(ze00)(2arctgQ0——谐振频率eQ——有载品质因数可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，且eQ，)(z随的变化斜率越大，频率稳定度越高。3.1.3基本组成及其分析方法总之，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振条件、平衡条件和稳定条件，缺一不可。1.闭合环路组成(1)可变增益放大器——提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。(2)相移网络——具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为π2n。2.种类根据可变增益放大器和相移网络的不同可实现多种反馈振荡电路(1)可变增益放大器①按放大管晶体三极管放大器场效应管放大器差分对管放大器集成运算放大器等②按实现可变增益的方法内稳幅(SelfLimiting)：利用放大管固有的非线性外稳幅(ExternalLimiting)：放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。(2)相移网络——具有负斜率变化的相移①LC谐振回路②RC相移和选频网络③石英晶体谐振器3.分析方法反馈振荡器是包含电抗元件的非线性闭环系统，借助计算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用下述近似方法。(1)首先检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。(2)其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出T(j)，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。(3)最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。作业3-1，2，3