第五章正弦波振荡器1

第五章正弦波振荡器5.1概述5.2反馈振荡器的工作原理5.3LC正弦波振荡器5.4振荡器的频率稳定度5.5石英晶体振荡器分类：在无输入信号情况下，将电源的直流能量转换成具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出。振荡器的定义：5.1概述正弦波振荡器在无线发射、接收机中的位置通信系统：发射机(载波频率fC)接收机(本地振荡频率fL)正弦波振荡器构成•振荡器正常工作，必须有以下四个部分–放大器：至少有一个起能量变换（放大）作用的有源器件–正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡–选频网络：振荡器具有单一频率–稳幅：一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。5.2反馈振荡器的工作原理LC0VS12iR考虑了回路损耗后，回路将产生振幅按指数规律衰减的阻尼振荡)sin()(00teLVtit1、并联谐振回路中的自由振荡现象0tt0eLV)(ti)(2回路衰减系数LR一、振荡的产生2、产生无阻尼振荡的方法RLC并联谐振回路中自由振荡衰减（产生阻尼振荡）的原因在于损耗电阻的存在。若回路无损耗,即R→0，则衰减系数→０，回路中电流为（等幅正弦振荡）所以产生无阻尼振荡的方法是：•正反馈的方法：利用正反馈不断地适时给回路补充能量，使之刚好与R上损耗的能量相等，那么就可以获得等幅的正弦振荡了；3.1.100()sin()VittL反馈振荡器的组成框图如右图所示。其主网络一般由放大器件和选频网络组成的放大器,反馈网络一般由无源器件组成。二、反馈振荡器的原理分析反馈振荡器组成框图互感耦合LC振荡器电路结构：LCbCeC1bR2bReRCCVM-+vivf+--+BEv主网络反馈网络CLBEvCEvMcibi原理电路交流通路vo+-+vi+-vf-+vo根据反馈振荡器的组成框图，各信号电压具有如下关系3.1.2回归比（环路增益）主网络电压增益为：正反馈网络反馈系数为●●●.o.f.VVFi..o.vVVA......fofv...iioVVVTAFVVV振荡的建立过程电路中的初始扰动将产生微弱的电信号iV，利用如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示反馈，产生的fV反送到放大器的输入端作为新的iV，3.1.2放大后，主网络输出oV，再经过反馈网络放大器3.1.2当iV增加到一定值时，放大器的放大倍数A降低，从而出现下面的循环过程晶体管将出现饱和截止，使最终将使()oiVV保持恒定不变，从而形成等幅持续振荡。•反馈振荡器振荡必须满足三大条件：起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件。平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。三、反馈振荡的条件振幅起振条件：相位起振条件：Vf、Vi同相反馈型振荡器构成自激振荡的条件是放大器加反馈网络必须构成正反馈系统，而且合上电源瞬间必须满足增幅振荡的条件，这样振荡才能建立起来。.i.fVV1VVFAT.i.f...1VVAFTif)210n(2nT，，，（1）起振条件由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增长的条件（起振条件）是.i.fVV(2)平衡条件1jFjAjTscOscOscO振幅平衡条件(确定振荡幅度)：环路增益的模为1相位平衡条件（确定振荡频率）：VF与Vi同相，满足正反馈scscsc1OOOTAF,...2,1,0nn2scOFscOAscOT.i.fVV1VVT.i.f.注：振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率()Tosc则必须维持在2n上，即保证为正反馈。满足起振条件和平衡条件的环路增益特性3.1.3根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值应该具有随振幅iV增大而下降的特性,如下图所示。由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图所示的形状，所以这一条件很容易得到满足，只要保证起振时环路增益幅值大于１即可。而环路增益的相位结论：振荡器起振时，()1,osciTV迅速增长，而后3.1.3()oscT下降，的增长速度变慢，直到()1oscT时，iViV停止增长，振荡器进入平衡状态。在相应的振幅在iAV上维持等幅振荡。如下图所示。（三）稳定条件平衡状态的稳定是指当平衡条件遭到破坏后，电路能够在原平衡点附近重新建立起新的平衡。1.振幅稳定条件：在平衡点A处，()1oscT由A点知当外界因素的影响，使iiAVV时，由图知，()1oscT造成oV下降，从而fV降低，3.1.3满足起振条件和平衡条件的环路增益特性iV降低而回到iAV点。最终所以，得到振荡器振幅稳定的条件是：()0iiAosciVVTV即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负斜率变化的规律。3.1.3同理，当外界因素的影响，使iiAVV时，由图知，()1oscT造成oV增加，从而fV升高，最终iV增加而回到iAV点。满足起振条件和平衡条件的环路增益特性相位（频率）稳定条件是指当相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重建新的平衡的条件。（1）设在osc处()2Toscn（2）由于外界因素的影响，使()2(Toscn相位偏移）A、当0时，说明fV超前iV一个相角，使每次经过放大和反馈后，fV一次比一次超前iV，振荡周期缩短振荡频率升高。3.1.32、相位（频率）稳定条件B、当0时，说明fViV一个相角，滞后使每次经过放大和反馈后fV一次比一次滞后iV，使振荡周期增长，频率降低。所以振荡频率随的变化关系为：0又知：TAF本身是频率的函数，当变化时，T变化，若使T随的变化具有则可抵消外界因素的影响。负斜率变化的特性，即0oscT()T特性满足相位稳定条件的3.1.3在振荡器的平衡条件的分析中，已知由两部()T分组成：放大器输出电压oV对输入电压iV的相移()mAzg(mg放大管产生的相移，z并联谐振回路的相移）反馈网络的反馈电压fV对oV的相移()F，即()()()()mTFAzFg其中mg和()F几乎不随频率而变，所以有mgTZFz因此，()z随的变化特性可代表()T随或者说，只要选频网络具有负斜率变化的相频特性，即的变化特性。()0oscz振荡电路就可满足相位稳定条件。3.1.3由第三章的分析知：LC并联回路阻抗的相频特性具有负斜率变化的规律。总结正弦波振荡器工作条件包括1...FAT起振条件：平衡条件：稳定条件：1...FAT0iiAivvTv0TZ保证振荡器从无到有建立起振荡保证振荡器进入平衡状态，产生持续的等幅振荡保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏振幅稳定条件相位稳定条件以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器统称LC振荡器5.3LC正弦波振荡器LC振荡器可用来产生几十千赫到几百兆赫的正弦波信号。LC正弦波振荡器有两种实现电路:互感耦合振荡器LC三点式振荡器5.3.1互感耦合LC振荡器互感耦合振荡器利用互感耦合实现反馈振荡。根据LC谐振回路与三极管不同电极的连接方式分为集电极调谐型（用的最多）、发射极调谐型和基极调谐型。发射极调谐R1R2ReCeCbCLUCCM集电极调谐MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基极调谐Cb补充：画高频（交流）等效电路的原则：1、高频扼流圈开路，滤波电容短路2、电源交流接地3、旁路电容、耦合电容一般情况下短路4、大电阻开路VCC=0eR1R2RCCV0CoCbCeCovTLCCLa图（1）滤波电容短路旁路电容短路旁路电容短路耦合电容短路0CeC1R2ReRCCVbC321CLb图eR321CLVCC=0滤波电容短路旁路电容短路耦合电容短路（2）0CeC1R2ReRCCVbCLCc图CL耦合电容短路滤波电容短路旁路电容短路（3）高频等效电路发射极调谐R1R2ReCeCbCLUCCM集电极调谐MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基极调谐Cb集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型电路其高频等效电路如图所示。共射调集型共基调射型共射调基型振荡起振和平衡的相位条件判断互感耦合振荡器是否可能振荡，通常是以能否满足相位平衡条件，即是否构成正反馈为判断准则。判断方法采用“瞬时极性法”。采用瞬时极性法判断振荡电路是否满足相位条件的基本步骤：首先判断放大器的组态；在电路中某一适当位置（往往是放大器的输入端）把电路断开；在断开处的一侧（往往是放大器输入端）对地引入一个外加电压；该外加信号经过放大器反馈网络之后回送到输入端时的，其瞬时极性与输入信号相同，则电路满足相位条件，有可能起振。举例：下图所示互感耦合振荡电路，用瞬时极性法分析判断电路有否可能振荡？可能振荡互感耦合振荡器总结•优点：容易起振，输出电压较大，结构简单，调节频率方便，在调整反馈时基本不影响振荡频率，一般在广播收音机中用作本地振荡。•缺点：在高频时输出波形不好，频率稳定性也差，通常工作频率不宜过高，一般在几十千赫至几十兆赫范围内，很少用在短波以上的更高频段。5.3.2LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则LC三点式振荡器指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的振荡器，其电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合。其工作频率可达到几百兆赫。相位平衡条件的判断准则在三点式电路中，ＬＣ回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质，另外一个电抗元件必须为异性质。同时满足0cebebcXXX三点式振荡器的原理图“射同余异”假定LC回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为ceXbeXcbX同时不考虑晶体管的电抗效应，则当回路谐振0（）时，回路呈纯阻性，有0bcbeceXXX即cebebcXXX由于fV是cV在beXbcX支路分配在beX上的电压，即()becbefcbebccejXVXVVjXXX因为这是一个由反相放大器组成的正反馈电路，iV与fV同相，cV与iV反相，所以必有0beceXX成立。即ceXbeX必须是同性质电抗，因而cbX必须是异性质的电抗。3.2.2证明：与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路,称为电容三点式电路,也称为考毕兹电路。与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路,称为电感三点式电路,也称为哈特莱电路。1L2LC1C2CL5.3.3电容三点式振荡器电路：即考毕茨（Colpitts）振荡器（1）分析电路的相位平衡条件：条件。反性质，满足相位平衡、为感抗，与两端，即、交流接于电感为容抗，性质相同。而、即两端，、交流接于两端，回路电容、交流接于回路电容bececbbece21XXXbcLXXbeCecCTC1C2L（2）分析电路的起振条件OCCC1'1iCCC2'2'RVRVi2oi2f'2'1'2CCCn'2'1ofCCVVFkkkRnRCCCR22'2'1'2')(.feiyv.feiyv.feiyv22111OkiFgRRnRR根据(振幅)起振条件，AF1feoiyVAVg21111()feOkiyFFRnRR得出：'2'1ofCCVVF讨论电路参数对起振条件的影响：当回路损耗可忽略，，得出：Ok2RRn11mOigFRFR当一定时，的选取应考虑：OiRRF越大，晶体管的输入电阻反映到回路两端的电阻越小，减小，Q下降，放大倍数下降，不容易起振。FiRR要使回路易于起振，应选用gm大，Ro高的晶体管，此外回路Q值高也有利于起振。21111()feOkiyFFRnRR21111()mOkig