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第5章正弦波振荡器第5章正弦波振荡器5.1反馈振荡器的原理5.2LC振荡器5.3频率稳定度5.5LC振荡器的设计考虑5.5石英晶体振荡器5.6振荡器中的几种现象第5章正弦波振荡器5.1反馈振荡器的原理5.1.1反馈振荡器的原理分析反馈型振荡器的原理框图如图5─1所示。由图可见,反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路,放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载,是一调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。第5章正弦波振荡器第5章正弦波振荡器)()()()()()()()()()()(sUsUsUsUsUsFsUsUsKsUsUKieioiioSou)()()()()()(1)()()(1)()(sUsUsFsKsTsTsKsFsKsKsKiiu(5─1)(5─2)(5─3)(5─5)(5─5)(5─6)由得其中第5章正弦波振荡器自激振荡的条件就是环路增益为1,即1)()()(jFjKjT(5─7)通常又称为振荡器的平衡条件。由式(5─5)还可知,)()(,1)(,)()(,1)(sUsUjTsUsUjTiiii形成增幅振荡形成减幅振荡(5─8)第5章正弦波振荡器5.1.2平衡条件振荡器的平衡条件即为2,1,021)(1)()()(nnKFjTjFjKjTFKT也可以表示为(5─9a)(5─9b)式(5─9a)和(5─9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。现以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义。若由式(5─2)可得bicoUUUU,第5章正弦波振荡器LfccbcbcooZjYIUUIUUUUjK)()((5─10)式中,ZL为放大器的负载阻抗LjLccLeRIUZ(5─11)Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳。fjfbcfeYUIjY)((5─12)第5章正弦波振荡器与F(jω)反号的反馈系数F′(jω)cijUUjFFejFF)()((5─13)这样,振荡条件可写为1)()()()()(jFZjYjFZjYjTLfLf(5─15)振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为2,1,021nnFRYFLfLf(5─15a)(5─15b)第5章正弦波振荡器5.1.3起振条件为了使振荡过程中输出幅度不断增加,应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大,即振荡开始时应为增幅振荡,因而由式(5─8)可知1)(jT称为自激振荡的起振条件,也可写为,2,1,021)(nnFRYjTFLfTLf(5─16a)(5─16b)式(5─16a)和(5─16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件,其中起振的相位条件即为正反馈条件。第5章正弦波振荡器0UoUb(a)A反馈特性放大特性0UoUb(b)F1AK图5─2振幅条件的图解表示第5章正弦波振荡器5.1.5稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。振幅稳定条件为0iAiUUiUT(5─17)由于反馈网络为线性网络,即反馈系数大小F不随输入信号改变,故振幅稳定条件又可写为0iAiUUiUK(5─18)第5章正弦波振荡器一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间的关系dtdtd(5─19a)(5─19b)相位稳定条件为01L(5─20)第5章正弦波振荡器5.1.5振荡线路举例——互感耦合振荡器图5─5是一LC振荡器的实际电路,图中反馈网络由L和L1间的互感M担任,因而称为互感耦合式的反馈振荡器,或称为变压器耦合振荡器。第5章正弦波振荡器012－－(f＋F)′L－(f＋F)′L,图5─5互感耦合振荡器第5章正弦波振荡器5.2LC振荡器5.2.1振荡器的组成原则基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器,即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路,如图5─5所示。Ic.VUb.Uc.X2X1＋－＋－X3I.图5─5三端式振荡器的组成第5章正弦波振荡器根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯电阻性,因而有0321XXX(5─21)一般情况下,回路Q值很高,因此回路电流远大于晶体管的基极电流İb、集电极电流İc以及发射极电流İe,故由图5─5有IjXUIjXUc12(5─22a)(5─22b)因此X1、X2应为同性质的电抗元件。第5章正弦波振荡器三端式振荡器有两种基本电路,如图5─6所示。图5─6(a)中X1和X2为容性,X3为感性,满足三端式振荡器的组成原则,反馈网络是由电容元件完成的,称为电容反馈振荡器,也称为考必兹(Colpitts)振荡器LC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2图5─6(a)电容反馈振荡器;(b)电感反馈振荡器第5章正弦波振荡器图5─7是一些常见振荡器的高频电路,读者不妨自行判断它们是由哪种基本线路演变而来的。(d)Cbc(a)(b)(c)(e)(f)图5─7几种常见振荡器的高频电路第5章正弦波振荡器5.2.2电容反馈振荡器图5─8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路,图(b)是其交流等效电路。CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)VLC2C1V(b)第5章正弦波振荡器＋－gieUb.C1C2egieUb.＋－(c)goegL′bUb.gmI.图5─8(a)实际电路;(b)交流等效电路;(c)高频等效电路第5章正弦波振荡器图5─8电路的振荡频率为2121211)(1CCCCCCCgggLCLoeie(5─23)(5─25)C为回路的总电容21120111)(1CCCCUUjFKLCcbp由图5─8(c)可知,当不考虑gie的影响时,反馈系数F(jω)的大小为(5─25)(5─26)第5章正弦波振荡器将gie折算到放大器输出端,有FieFLoemLoeieFLieFiecbieKgKggggggKggKgUUg1)()(222(5─27)因此,放大器总的负载电导gL为则由振荡器的振幅起振条件YfRLF′1,可以得到(5─28)(5─29)第5章正弦波振荡器5.2.3电感反馈振荡器图5─9是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2Ucb.＋－＋－Ub.CL2L1V(b)第5章正弦波振荡器＋－gieUb.L1cegieUb.＋－′(c)goegL′Uc.bUb.gmI.CL2M＋－图5─9(a)实际电路;(b)交流等效电路;(c)高频等效电路第5章正弦波振荡器同电容反馈振荡器的分析一样,振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示,即LC121式中的L为回路的总电感,由图5─9有MLLL221(5─30)(5─31)由相位平衡条件分析,振荡器的振荡频率表达式为))((12211MLLgggLCLoeie(5─32)第5章正弦波振荡器工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响,反馈系数的大小为MLMLjGKF12)((5─33)由起振条件分析,同样可得起振时的gm应满足FieFLoemKgKggg1)((5─35)第5章正弦波振荡器5.2.5两种改进型电容反馈振荡器1.克拉泼振荡器图5─10是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路。R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)LRoC1C2C3V图5─10(a)实际电路;(b)交流等效电路第5章正弦波振荡器由图5─10可知,回路的总电容为332111111213CCCCCCCC(5─35)oLRCCRpRCCCCp21302131)((5─36)(5─37)2132111CCKLCLCF(5─38)(5─39)第5章正弦波振荡器2.西勒振荡器图5─11是西勒振荡器的实际电路和交流等效电路。它的主要特点,就是与电感L并联一可变电容C5。R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V图5─11(a)实际电路;(b)交流等效电路第5章正弦波振荡器由图5─11可知,回路的总电容为)(1111114321434321CCLLCCCCCCCC(5─50)(5─51)振荡器的振荡频率为第5章正弦波振荡器5.2.5场效应管振荡器RLCL2EcCGugsRGL1iDVDSGM(a)(b)＋EcL1C1CSRSRGGVSDRDCB第5章正弦波振荡器输出1.3H1M6.8kRL20MHz振荡器C1680pFC275pFVCF47pF＋Ec＋12VL－(c)－Ec图5─12(a)互感耦合场效应管振荡器;(b)电感反馈场效应管振荡器;(c)电容反馈场效应管振荡器第5章正弦波振荡器5.2.6压控振荡器压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量,用S表示,即ufS(5─52)图5─15示出了一压控振荡器的频率-控制电压特性,一般情况下,这一特性是非线性的,非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。第5章正弦波振荡器＋12VL1100pF输出V110k100pFC11.5pFC2V2控制电压100kCj0f0Uf图5─13压控振荡器线路图5─15压控振荡器的频率与控制电压关系第5章正弦波振荡器5.2.7E1658单片集成振荡器(a)V10V11V12V13V14VD2⑦⑩⑧⑤VD1V6V7V8V5V4V3V2V1③输出①V91214第5章正弦波振荡器1234567141312111098(b)0.1F0.1F＋15VC1CL1k输出＋9VRL10.1F图5─15E1658内部原理图及构成的振荡器第5章正弦波振荡器E1658单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和12脚之间的外接振荡电路的L、C值决定,并与两脚之间的输入电容Ci有关,其表达式为)(21iCCLf第5章正弦波振荡器5.3频率稳定度5.3.1频率稳定度的意义和表征振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化,引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度,它是振荡器的一个很重要的指标。001001ffffffff(5─55)(5─53)第5章正弦波振荡器5.3.2振荡器的稳频原理由式(5─9b)有)(FiL设回路Q值较高,根据第2章的讨论可知,振荡回路在ω0附近的幅角φL可以近似表示为00)(2tanLLQ因此相位平衡条件可以表示为第5章正弦波振荡器1000101111002()tan[()]tan()2()()LfFfFLLfFLfFQQQQ(5─55)(5─56)(5─57)考虑到QL值较高,即ω1/ω0≈1,有0010122()tan()2cos()2fFfFLfFLQQQ(5─58)第5章正弦波振荡器图5─16(a)相位平衡条件;(b)ω0的变化;(c)fFLQ、(a)01－(f＋F)′L(b)01－(f＋F)′L′L′1′001L(c)高QL低QL′1－Δ(f＋F)′第5章正弦波振荡器1.回路谐振频率ω0的影响ω0由构成回路的电感L和电容C决定,它不但要考虑回路的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件外,还应考虑并在回路上的其它电抗,如晶体管的极间电容,后级负载电容(或电感)等。设回路电感和电容的总变化量分别为ΔL、ΔC,则由可得01/LC001()2LCLC(5─59)第5章正弦波振荡器5.3.3提高频率稳定度的措施1.提高振荡回路的标准性振荡回路的标准性是指回路元件和电容的标准性。温度是影响的主要因素:温度的改