电子线路-非线性部分(第四版)谢嘉奎-第3章正弦波振荡器

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3.6负阻正弦波振荡器3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据概述一、与功放比较(从能量角度)1．功率放大器将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。特点：被动地，需输入信号控制2．正弦波振荡器(SinewaveOscillator)将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：自动地，无需输入信号控制。二、正弦波振荡器的应用1．作信号源(本章将讨论)载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。2．正弦交变能源(本章不讨论)用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。要求：功率足够大，高效。三、分类(按组成原理)1．反馈振荡器利用正反馈原理构成，应用广泛。2．负阻振荡器利用负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。3.1反馈振荡器的工作原理1．组成主网络与反馈网络构成闭合环路。图3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路例：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。图3-1-1反馈振荡器的组成方框及相应电路(2)反馈网络与L相耦合的线圈Lf。反馈振荡器工作原理2．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当外界条件不稳时，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的三个条件：①起振条件——接通电源后可从无到有建立起振荡。②平衡条件——进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。③稳定条件——平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏。以下分别讨论这三个条件。第3章正弦波振荡器3.1反馈振荡器的工作原理3.1.1平衡和起振条件3.1.2稳定条件3.1.3基本组成及其分析方法3.1.1平衡和起振条件一、起振条件1．分析①刚通电时，电路中存在电的扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)，具有很宽的频谱。②谐振回路的选频功能，只允许角频率为osc的分量(osc0)在谐振回路两端产生较大的电压。fViV③变压器绕向正确，可保证反馈信号与输入信号同相，经放大和反馈的循环，使振荡电压的振幅不断增长。2．起振条件)(j)(j)(jfofioifkAVVVVVVT(1)振幅起振条件ifVV，或环路增益1)(oscT(2)相位起振条件T(osc)=A(osc)+f(osc)=2n(n0，1，2，···)二、平衡条件1．分析ifVV同相又等幅，即若在某一频率osc上，fV与iV当环路闭合后：oscoV①主网络将输出正弦振荡电压，角频率为。②所需输入电压全部由反馈电压提供，无需外加输入电压。iVfV2．平衡条件)(joscoscosce)()j(TTT由则：①振幅平衡条件：环路增益的模T(osc)=1②相位平衡条件：环路增益的相角T(osc)=2n(n0，1，2，···)3．讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：①起振时，T(osc)1，Vi迅速增长；②随后，T(osc)下降，Vi的增长速度变慢；③到T(osc)=1时，Vi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。环路增益特性如图3-1-2所示。图3-1-2④而环路增益的相角T(osc)则必须维持在2n上。平衡条件多利用放大器的非线性实现。例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T(osc)为大于1的水平线。当Vi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Vi增大而减小，相应地T(osc)也就随着Vi的增大而下降。符合起振与平衡条件对T(osc)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：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T(osc)和T(osc)的变化，破坏平衡条件。2．干扰对平衡状态的影响(两种)通过放大和反馈的反复循环：①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，应避免。②振荡器有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。必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。二、振幅稳定条件图3-1-2所示环路增益特性，还满足振幅稳定条件。1．稳定过程,iAiVV1)(oscT若，干扰使：iAiVV1)(oscTiV)(oscT环路特性最后在新的上重新满足平衡条件T(osc)=1iAV最后达到新的平衡。iAiVV1)(oscTiV)(oscT环路特性2．环路增益存在两个平衡点的情况图3-1-3如图3-1-3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？分析：若使ViViB，则T(osc)随之增大，导致Vi进一步增大，从而更远离平衡点B。最后到达平衡点A。iV反之，若iBiVV)(oscT，直到停止振荡。可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产生大于ViB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．振幅稳定条件可见，要使平衡点稳定，T(osc)必须在ViA附近具有随Vi增大而下降(负斜率变化)的特性，即0)(iAioscVVT斜率越陡，则Vi的变化而产生的T(osc)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．T(osc)的偏移对振荡频率的影响①由相位平衡条件T(osc)=2n(n0，1，2，···)，表明每次放大和反馈后的电压与原输入电压同相。②若某种原因使T(osc)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=/t(正弦电压角频率是瞬时相位对时间的导数)，因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率osc。③反之，若某种原因使T(osc)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osc。2．相位(频率)稳定的讨论若T()的特性如图3-1-4所示(在osc附近有负斜率变化)①若某种原因使T(osc)0(即osc)，由特性，T()0，Vi的超前势必受到阻止。②若某种原因使T(osc)0(即osc)，由特性，T()0，Vi滞后必受阻。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0)(oscT3．相位稳定条件斜率越陡，则稳定性越灵敏。图3-1-44．举例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。T()由两部分组成：(1)放大器输出电压对输入电压的相移A()iVoV(2)反馈网络反馈电压对的相移f()oVfV即T()=A()+f()T()=A()+f()①A()放大管(可略)并联谐振回路相移Z()②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。(a)并联谐振回路图3-1-5谐振回路的相频特性曲线并联谐振回路，其相频特性e00z)(2arctan)(Q0——谐振频率Qe——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Qe越高，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要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、稳定三项条件。1．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2n。或：四个环节稳定环节正反馈环节选频环节放大环节2．种类根据可变增益放大器和相移网络的不同：(1)可变增益放大器①按放大管晶体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为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：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。第3章正弦波振荡器3.2LC正弦波振荡器3.2.1三点式振荡电路3.2.2差分对管振荡电路3.2.3举例3.2LC正弦波振荡器LC正弦波振荡器：采用LC谐振回路作为相移网络的振荡器。种类：变压器耦合振荡电路三点式振荡电路和差分对管振荡电路。3.2.1三点式振荡电路一、电路组成法则图3-2-1三点式振荡的原理电路1．电路两种基本类型三点式振荡器的原理电路(交流通路)。2．组成法则交流通路中，晶体管的三个极与谐振回路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个同性质电抗，接在集-基间的为异性电抗。可证，此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。三点式振荡电路组成法则二、三点式振荡器电路(1)电路图3-2-2电容三点式振器电路RB1、RB2和RE：分压式偏置电阻；CC、CB、CE：旁路和隔直流电容；RC：集电极直流负载电阻；RL：输出负载电阻；L、C1、C2：并联谐振回路。图3-2-2电容三点式振器电路(2)组成可变增益器件：晶体管T；相移网络：并谐；发射极：为两同性质容性电抗；集-基：感性电抗。(3)讨论——起振与平衡T为可变增益器件，偏置电路设置合适Q点同时，随vi的增大产生自给偏置效应，加速放大器增益的下降。图3-2-4其直流偏置电路如图3-2-4所示。刚起振时，发射结直流偏置为静态偏置电压，VBE0=VBEQ=VBBIBQRBIEQRE。自给偏置效应反馈vivi一部分进入截止区iC为失真的脉冲波，其平均值IC0ICQVBE0增益平衡所以，振荡振幅增大时，加在发射结上的偏置电压将自静态值向截止方向移动，导致环路增益进一步下降，从而提高了振荡振幅的稳定性。2．电感三点式振荡器电路(1)电路与元件作用(2)组成法则判断交流通路图3-2-6三、电容三点式振荡电路的起振条件(相位与振幅)1．等效电路[以图3-2-2(b)为例]推导环路增益T(j)时，应将闭合环路断开。(1)改画电路图3-2-3对应图3-2-2电路的交流通路断点左面加环路的输入电压Vi(j)断点右边(与C2并联)接入自断点向左看进去的阻抗ZiRe0：L、C1、C2并联谐振回路的固有谐振电阻。00220eLQrLLrLRQ0：固有品质因数。(2)用混合型等效电路表示设foscfT(管子的特性频率)，忽略rbb、ree和Cbc，得简化的等效电路：(a)(b)图3-2-3对应图3-2-2电路的交流通路由图3-2-3可见，在×处呈现的输入阻抗。其中Zi=RE//re//(1/jCbe)，re=26mV/IEQ令eeEi