通信电子电路第四章正弦波振荡器

云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional第四章正弦波振荡器4.1概述4.2反馈振荡器的工作原理4.3三点式LC振荡器4.4改进型电容三点式LC振荡器4.5LC振荡器的频率稳定度4.6石英晶体振荡器返回主目录云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional分类：•按输出波形分正弦波振荡器非正弦波振荡器•按选频回路元件分RCLC振荡器振荡器•按原理、性质分反馈振荡器负阻振荡器振荡器的定义：振荡器是一种能自动的将直流电源的能量转变为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。4.1概述云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional应用：•（1）在通信方面，正弦波振荡器可以用来产生运载信息的载波和作为接收信号的变频或解调时所需要的本地振荡信号；（2）医用电疗仪中，用高频加热。金属冶炼炉、家用电磁炉；4.1概述（3）通过对正弦波信号进行处理还可以得到非正弦波信号，如方波,三角波,锯齿波等，这些信号在测量设备，数字系统及自动控制系统中的应用也日益广泛；等等.(1)低频部分：信息变换与放大(2)高频部分：高频信号产生、放大、调制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）发送设备超外差式无线电收信设备的组成（2）接收设备本地振荡器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云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional重点：产生振荡的条件，各种类型振荡器的典型电路分析及相位条件的判断，起振条件的分析与计算；难点：振荡的建立过程；相位平衡条件的判断及起振条件的分析与振荡频率计算；第四章正弦波振荡器云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional举例：变压器耦合反馈振荡器反馈网络：与L相耦合的线圈LfVLCLfU主网络反馈网络UiUffUo...主网络：负载为LC谐振回路的谐振放大器。图4-3互感反馈自激振荡器云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional4.2反馈型振荡器的原理分析反馈振荡器的组成框图如图4.3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。图4.3为变压器耦合反馈振荡器。图3.1.2反馈型振荡器组成框图图4.3变压器耦合反馈振荡器(a)原理电路(b)交流通路（互感耦合振荡器动画）VLCLfU主网络反馈网络UiUffUo...Multisim自激振荡演示C11uFR150kR210kQ1BF517R3500C21uFR410L1560uHC3200pFV212VT11sq.m1mV10.01mV465kHz0Deg5117云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional同名端云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional一、振荡的建立过程电路中的初始扰动将产生微弱的电信号如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示反送到放大器的输入端作为新的，，利用放大后，主网络输出放大器)(jK)(jK反馈，产生的，再经过反馈网络)(jF)(jF云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional当iV增加到一定值时，放大器的放大倍数()Aj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。VLCLfU主网络反馈网络UiUffUo...)(jK)(jK)(jF云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional激励电压和偏压建立过程4.2反馈型振荡器的基本原理反馈振荡器是一个由主网络和反馈网络构成的闭合环路。一、平衡条件（必要条件）在X处拆开，并按所标极性定义的环路增益为：ifUUjT../)()/)(/(....ofioUUUU)()(jFjK主网络反馈网络UiUUffUo....)(jF)(jK云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional若在某一频率上，同相又等幅，即oscifUU..与ifUU..)()()(oscTjoscosceTjT若令1)(oscjT平衡条件：noscT2)(相位平衡条件：1)(oscT振幅平衡条件：主网络反馈网络UiUUffUo....4.2.2自激振荡的平衡云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional•振幅起振条件osc初始信号来源于开机时的电冲击、干扰等微弱广谱信号，由于谐振回路的选频作用，只有分量在谐振回路两端产生较大的电压，经正反馈、放大的反复循环，振荡电压振幅就会不断地增长相位起振条件ifUU1)()()(oscoscoscFKT），，，（2102)(nnoscT)())(oscFoscKoscT（4.2.3振荡的建立和起振条件（必要条件）云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional结论：振荡器起振时，()1,osciTV迅速增长，而后图4.4振荡建立过程的波形4.2.3()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。如图4.4所示。云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional4.2.5振荡电路基本组成及其分析方法1、振荡器的电路组成振荡电路有三部分组成选频网络：进行能量交换的储能元件，并决定频率。放大器件：进行能量转换。反馈网络：补充回路能量，抵消其损耗。2、分析方法由上述分析知反馈电路能否正常工作应考虑以下几点：（1）可变增益放大器应有正确的直流偏置，电路开始应工作在甲类状态。补充云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional（3）在osc处2Tn，即环路应是正反馈。（4）选频网络应具有负斜率的相频特性。（2）刚起振时，而(无源器件组成的反馈网络)，所以应使（如采用共发射极，共基极组态的电路），且负载不能太小。补充1)(jK1)(jF)()(jFjKifUUjT../)(云南大学信息学院ConcentrationmakesprofessionalMultisimLC正弦振荡演示R14.7kR25.1kR42.0kR51.0kC21uFC31uFVCC12VL133uHC6300pFC51uFR610k3Q1BJT_NPN_VIRTUAL5C4300pF6C110nFVCC2V11mV1.6MHz0Deg1XMM107云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional)(2121210CCCCCLCf云南大学信息学院ConcentrationmakesprofessionalCCCfLo213111121LCfo21云南大学信息学院ConcentrationmakesprofessionalCbR1R2CeReL1CEc(a)VL2Ucb.＋－＋－Ub.CL2L1V(b)4.3.2电感反馈振荡器下图是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。电感三点式振荡电路云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional电容三点式（考毕兹）电感三点式（哈特莱）反馈电压取自电容电感反馈元件对高次谐波呈现的阻抗特性低阻抗，输出波中高频谐波少高阻抗，输出波中高频谐波大输出波形好差振荡频率可减小内部电容的不稳定因素，适于频率较高的场合受电容不稳定因素影响，不适于工作频率较高的场合优点电路简单，容易起振。电容三点式与电感三点式的区别云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional三点式振荡电路云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional是在ΧbeΧbc支路分配在Xbe上的电压,有fUcUccebebcbecbefUXXXXjUjXU)(因为这是一个正反馈反相放大器,与同相,与反相,所以iUfUcUiU0cebeXX即Χbe与Χce必须是同性质电抗,因而Xbc必须是异性质电抗。云南大学信息学院ConcentrationmakesprofessionalLC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2图(a)电容反馈振荡器;(b)电感反馈振荡器云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional主网络反馈网络＋－oU＋－fU＋－iU＋－fU云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional当满足平衡条件时，电路从增幅状态进入平衡稳幅状态。满足起振和平衡条件时的环路增益特性如下图所示：从起振条件过渡到平衡条件是由主网络放大器的非线性放大特性自动完成。iuiAu)(oscTA10云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional4.2.1反馈振荡的条件一、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fiVV即起振条件为：1fosciVTjV或(1)fAk或表示为()12oscTTn或1(2fAkAkn振幅起振条件）（相位起振条件）（n=0,1,2,…）4.2.4云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional二、平衡条件持续振荡。所以，维持等幅振荡的平衡条件为()1()2oscToscTn振幅平衡条件相位平衡条件或表示为12fAkAkn振幅平衡条件相位平衡条件4.2.4当fiVV时（非线性阶段），电路维持等幅云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional()Tosc则必须维持在2n上，即保证为正反馈。图a满足起振条件和平衡条件的环路增益特性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,如图a所示。由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图a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。而环路增益的相位云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional在实际电路中，为了帮助振荡器在起振过程中，将1fTAk1fTAk状态自动调节为平衡时的状态，从而减弱管子的非线性工作程度，以改善输出信号波形，减少失真，通常采用图1所示的电路形式，这是一带有直流负反馈电阻ER的振荡电路。图1(a)振荡器的偏置效应云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional、电阻的作用是：电路在刚起振时，让正反馈占主导；而在起振过程中，随着幅度的增大，使负反馈量随之增加，从而降低放大器增益，达到平衡，图中偏置电阻、、使晶体管的静态工作点为，工作点处的偏置电压是1BR2BRERQBEQBBBQBEQEVVIRIR21221//BBBBBBCCBBRRRRRRVV，图1振荡器的偏置效应（b）偏置电路其中云南大学信息学院Concentrationmakesprofessional起振时晶体管处于甲类状态，增益较高，起振后，随着不断增大，晶体管进入非线性区，导致电流正负半周不对称（见图1（c）），的平均分量增大，使，在发射极电阻上的压降增大。同理，的平均分量也相应增大。结果是在起振过程中晶体管的直流工作点变为iV()ECiiEi0EI0EEQII0EEIRERBi0BI00BEBBBBEEVVIRIR图1(c振荡器的自偏置效应云南大学信息学院Concentrationmakesprof