第4章负阻振荡器

第4章负阻振荡器4.1反馈振荡器的工作原理4.2LC正弦波振荡器4.3LC振荡器的频率稳定度4.4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寄生振荡、间歇振荡和频率占据一、振荡器的定义二、正弦波振荡器的应用引言振荡器——就是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换器。它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。三、振荡器与放大器的区别相同点：均为能量转换器（将直流能量转换为交流能量的形式）。相异点：1.放大器：必须外加激励信号才能进行能量转换。振荡器：不需外加激励信号，靠电路本身进行能量转换2.放大器：将外加激励信号进行不失真的放大。振荡器：靠电路本身激发出要求的信号产生具有一定频率、波形和幅度的交流信号2.振荡器的分类正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器波形产生机理反馈式振荡器负阻式振荡器反馈型LC振荡器反馈型RC振荡器本章主要介绍反馈型RC、LC振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。石英晶体振荡器振荡器频率和振幅稳定度2.频率稳定度:调频广播和电视发射机要求:10-5~10-7左右标准信号源:10-6~10-12要实现与火星通讯:10-11要为金星定位:10-12振荡器主要技术指标：1.振荡频率f及频率范围:3.振荡的幅度和稳定度注意：其中频率的稳定度尤为重要低频放大器高频振荡器高频谐振放大器振幅调制器高频功放换能器消息信号（1）发送设备1、发射机主振级：产生高频等幅振荡信号，以备后面用于作为低频“载波信号”。超外差式无线电收信设备（2）接收设备混频器中频放大器检波器(解调)低频放大器高频谐振放大器1V左右本地振荡器fo几十µv~几mVfsfI=fs-fo第3章正弦波振荡器简单的正弦波电信号如常见的50Hz工频交流电，是通过发电机转子励磁产生交变磁场，将机械旋转变为交流电信号。1903年，查尔斯.斯坦梅茨发明“高频机械交流发电机”以产生无线电信号载波。1905年，[加拿大]雷金纳德.费森登利用“高频机械交流发电机”发明了连续波语音发射机。现代电信号发生器为电子式，即通过电子电路产生。正弦波振荡器就是模拟产生正弦波电信号的电子电路。分类：反馈振荡器：利用正反馈原理，应用最广；负阻振荡器：利用负阻器件负电阻效应，微波。第4章负阻正弦波振荡器正弦波振荡器的应用：发射机中的载波信号；超外差式接收机中的本地（本机）振荡信号；电子测量仪器中的正弦波信号源；数字电路系统中的时钟信号源，等；工业高频感应加热设备的正弦交变能源；医用电疗仪器中的正弦交变能源，等等。正弦波振荡器的电路特点：无输入信号，自输出信号。性能要求振荡频率和振幅准确性和稳定性大功率和高效率4.1反馈振荡器的工作原理反馈放大器：比较器：负反馈：正反馈：自激振荡：正弦波振荡器：无比较器、正反馈环：自动产生、特定频率、等幅输出起振选频平衡振幅条件和相位条件基本放大器（主网络）反馈网络'iXiXoXfX_fi'iXXXi'iXXi'iXXi'iXXf'ii,0XXXfiXX基本放大器（主网络）反馈网络oXfXiX4.1.1平衡和起振条件平衡条件环路增益：若在特定频率上满足：则有振荡平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件：主网络A(jω)反馈网络kf(jω)iUoUfU+++---+-fUofioif)j(UUUUUUT)j()j(fkAfiUUπ2)(oscTn1)(oscT1)()j()(joscoscoscTeTT),2,1,0(nLC++++----LffUfUiUoU●●主网络反馈网络4.1.1平衡和起振条件起振条件振荡平衡条件描述了振荡器等幅输出时的状态，但并没有反映振幅的大小和如何达到要求的振幅。激发振荡的因素：宽频谱脉动信号接通电源瞬间的电扰动；环路内电子器件的固有噪声；建立振荡的条件：反馈环路选频放大振幅起振条件：相位平衡条件：主网络A(jω)反馈网络kf(jω)iUoUfU+++---+-fUπ2)(oscTn1)(oscT),2,1,0(n1A)(oscTOViViA非线性特性：T(ωosc)1→T(ωosc)=1小信号起振大信号平衡4.1.2稳定条件振荡频率和振幅抵御外界环境变化和电路参数变化等因素影响，自动保持不变的条件。振幅稳定条件A点：ViViA→T(ωosc)1→Vf↘→Vi↘→Vi≈ViAViViA→T(ωosc)1→Vf↗→Vi↗→Vi≈ViAB点：ViViB→T(ωosc)1→Vf↗→Vi↗→T(ωosc)1→Vi↗↗→Vi≈ViAViViB→T(ωosc)1→Vf↘→Vi↘→T(ωosc)1→Vi↘↘→Vi≈0停振振幅稳定条件：1A)(oscTOViViABViB0)(iAioscVVT环路增益的幅值与振荡振幅的大小成单调反比变化。不起振O)(Tω相位(频率)稳定条件正弦波相位与频率的关系假定不考虑周期性，则φT(ωosc)=0→Uf与Ui同相，ω=ωosc；△φ(ωosc)0→Vf相位超前Vi，ωωosc→φT(ω)0→ω↘≈ωosc；△φ(ωosc)0→Vf相位滞后Vi，ωωosc→φT(ω)0→ω↗≈ωosc；相位(频率)稳定条件：4.1.2稳定条件t)(ωosc0)(oscT环路增益的相位与振荡频率的大小成单调反比变化。4.1.3电路基本组成及分析方法产生稳定振荡的条件自起振条件、自平衡条件以及自稳定条件，“三自一包”。电路基本结构环路增益随振幅增大而减小：采用负斜率可变增益放大器（非线性特性）。环路相移随频率增大而减小：采用负斜率相频特性网络（LC谐振回路、RC电路等）。1)(oscTπ2)(oscTn1)(oscT0)(iAioscUUT0)(oscT),2,1,0(n包振荡。4.1.3电路基本组成及分析方法负斜率可变增益放大器（非线性特性）。1、放大器件(三极管)的非线性；2、负载的非线性；负斜率相频特性网络(LC谐振回路、RC电路、石英晶体等)。vCE/ViC/mA0LC)(jZe)()j(ZZO)(Zωωoω)(0-45°-90°RC电路LC++++----LffUfUiUoU4.1.3电路基本组成及分析方法分析方法1、根据相位平衡条件，判断是否可能产生振荡；分析放大元件和选频网络，是否存在正反馈环路。2、根据振幅起振条件，判断能否自动产生振荡；小信号等效模型下，分析计算环路增益是否大于1。3、根据稳定条件，判断是否能够自动稳定振荡；分析放大电路和选频网络，是否存在负斜率可变增益放大环节以及负斜率相位特性。4、放大器与选频网络的匹配；放大环节的输出与负载的匹配；环路输入输出的选择；●●㈠㈩㈩㈩4.2LC正弦波振荡器基本组成可变增益放大电路；LC谐振回路选频网络。主要类型1、变压器耦合振荡电路2、三点式振荡电路电容三点式，电感三点式；3、差分对管振荡电路LC++++----LffUfUiUoU●●CLLC++++----fUfUiUoU自耦变压器L1CL2电感分压C1C2L电容分压4.2.1三点式振荡电路一、基本组成及组成法则三极管三个电极分别接三个节点电容三点式(考毕兹)，电感三点式(哈特莱）；组成法则“基异射同”基极接相异性质电抗节点；射极接相同性质电抗节点。证明1：(共射)忽略三极管对三个电抗的影响，由振荡平衡条件电路谐振时,++--+ViVfVoL1CL2++---+ViVfVo-C1C2LX1X3X2++---+ViVfVoiu322o322f)j(jjjVAXXXVXXXV1)j(u322AXXX0321XXXuIu)j(AA01uI12322AXXXXXX1与X2为同性质电抗X3与X1和X2为异性质电抗“栅异源同”“－异＋同”4.2.1三点式振荡电路证明2：(共基)忽略三极管对三个电抗的影响，由振荡平衡条件得电路谐振,组成法则“基异射同”振荡频率就是LC回路谐振频率；实际电路三极管的极间阻抗对外接电抗产生影响，将引起附加的相移，振荡频率会稍偏离回路固有谐振频率。X3X1X2++---+ViVfVoiu211o211f)j(jjjVAXXXVXXXV1)j(u211AXXX0321XXXuIu)j(AA01uI31211AXXXXXX1与X2为同性质电抗X3与X1和X2为异性质电抗C1C2L++---+ViVfVo4.2.1三点式振荡电路RE+Vo-C1C2LRLTC1C2RBRCRLL+Vo-TCBCCCEC2RB1RB2+Vo-RLRCRELC1VCCTRB1RB2REVCCCBLCCC1C2RL+Vo-T电容三点式共射组态共基组态二、电路及分析方法电路组成能否放大？直流通路：静态偏置交流通路：反馈环路振荡条件能否振荡？相位平衡条件：“基异射同”振幅起振条件：环路增益稳定条件能否稳定振荡？负斜率可变增益+Vi-+Vf-+Vi-+Vf-4.2.1三点式振荡电路L1L2VCCRB1RB2RCRECCCBCL1L2VCCRB1RB2RCRERLCCCBCECL1L2RCRB+Vo-CRCRLCL1L2RE+Vo-电感三点式共射组态共基组态+Vi-+Vi-+Vf-+Vf-三、三点式振荡电路的稳定条件相位(频率)稳定条件：由LC谐振回路性能保证；振幅稳定条件：1、内稳幅：三极管的非线性特性；2、外稳幅：自给偏置电路。VBEQ=VBQ－VEQ=VBQ－IEQRE4.2.1三点式振荡电路RB1RB2REVCCCBLCCC1C2RL+Vo-T+VBQ-+VEQ-+VBEQ-ωtOvBEiCOωtiC1)(oscT三极管非线性负半周幅值正半周幅值IC0ICQVBEQVBE0vi增大直流分量C0CIi减小)(EC0BQBE0RIVV减小)(oscT1)(oscT谐振电路作用：iC脉动电流vo、vi正弦电压三、三点式振荡电路的稳定条件环路增益特性：自给偏压外稳幅电路可加速达到平衡状态，负斜率陡峭。输出幅度可调。4.2.1三点式振荡电路RB1RB2REVCCCBLCCC1C2RL+Vo-T+VBQ-+VEQ-+VBEQ-OOvBEωtωtiCiCIC0ICQVBEQVBE0viVBEQ1VBEQ2VBEQ3)(oscTiVO1ViA内稳幅外稳幅VBEQ1VBEQ2VBEQ3RERLRe0ZiC1C2LTRE+Vo-C1C2LRLT四、电容三点式振荡电路的起振条件电路等效1、断开反馈环路开环输入Vi、输出Vf2、输出考虑输入负载Zi3、L、C1、C2并联回路固有谐振电阻Re0Q0回路固有品质因数小信号等效模型电路三点式结构：4.2.1三点式振荡电路0e0LQRVi(jω)+Vf(jω)-REreCb’eZigmVi(jω)cbVi(jω)Vf(jω)+Vo-cbeeRe0RLLC1C2Cb’ereREZiZi+Vo-Z1Z2Z3212213im212of)()j()j()j(ZZZZZZVgZZZVV+Vi-+Vf-环路增益式中其中起振条件即则4.2.1三点式振荡电路Vi(jω)REreCb’eZigmVi(jω)cbeRe0RLLC1C2Cb’ereREZi+Vo-Z1Z2Z3+Vf(jω)-22m)(BAgTABarctan)(T)/(/12i1'2'Li'LLCgCCgggALLCCggCCB111'2'Li1'2'2Cii/1gR'L'L/1gR32132mif