通信电子线路第3章_正弦波振荡器

第3章正弦波振荡器第3章正弦波振荡器3.1反馈式振荡的基本原理3.2LC正弦波振荡器3.3RC正弦振荡器3.4振荡器的频率稳定度3.5石英晶体振荡器3.6负阻型LC正弦波振荡器3.7振荡器中的寄生振荡和间歇振荡第3章正弦波振荡器3.1反馈式振荡的基本原理振荡器是一种无需外部输入信号而自行产生输出信号的电路。图3.1示出的是一个反馈式放大器的框图。它由基本放大器A和反馈网络F组成，图中，是放大器输出电压复振幅，是基本放大器输入电压复振幅，是反馈网络输出的反馈电压复振幅，是反馈放大器输入电压复振幅，其中基本放大器增益(3.1―1)oUiUfU'iUAjioAeUUA第3章正弦波振荡器图3.1反馈放大器AF＋··Uo·Ui·Ui·′Uf·FjofFeUUF反馈系数(3.1-2)第3章正弦波振荡器φA为超前的相角,φF为超前的相角。并且有，(3.1―3)oUiUfUoUoifiiUFUUUU''FAAUUAiof1'则,反馈放大器的增益当fAFAFA时即101因为Uo受电源电压限制为有限值,故Ui’趋于零,说明此时反馈放大器无需输入信号便有输出,成为振荡器。第3章正弦波振荡器3.1.1平衡条件根据式(3.1―3)可见，振荡条件是，这是振荡的必要条件。它是一个复数方程，因此可以写成两个方程，一个是振幅方程式，称为振幅平衡条件，可表示为1AF(3.1―4a)另一个是相位方程式，称为相位平衡条件，可表示为2,0,1,2,AFnn(3.1―4b)1FA第3章正弦波振荡器1.振幅平衡条件振幅平衡条件A·F=1中，A=Uo/Ui，即Uo=AUi，根据第2章所学知识可知，Uo与Ui的关系由放大特性曲线决定，如图3.2所示。反馈系数F=Uf/Uo，由于反馈网络常由恒参数线性网络构成，所以，Uo、Uf的关系曲线为一直线，如图3.3所示。这组曲线称为反馈特性曲线。根据A、F表示式，振幅平衡条件又可写成1ffoioiUUUAFUUU即fiUU第3章正弦波振荡器图3.2放大特性曲线Uo0Ui＞90°＜90°θ第3章正弦波振荡器图3.3Uo与Uf的关系曲线UfFUo0第3章正弦波振荡器这就是说，振幅平衡条件是反馈电压的幅值等于放大器输入电压幅值。由此将图3.2、图3.3画在一个坐标上，凡是满足Uf=Ui的点即为满足振幅平衡条件的平衡点，对应这些点的输出电压Uo值，就是振荡器产生的电压幅值，如图3.4所示。第3章正弦波振荡器图3.4振荡器产生的电压幅值UoABC0UicUi＝UfUi,Uf①②θ90θ90第3章正弦波振荡器2.相位平衡条件根据相位平衡条件φA+φF=2nπ，（n为零和整数）说明反馈电压与输入电压同相，即正反馈。当放大器是一个非线性工作的晶体管选频放大器时，输出电压为(3.1―5)是集电极电流的基波分量,ZL是集电极负载阻抗，则(3.1―6)fUiULcoZIU11cIAZYjjLjmiLcioAeeZegUZIUUA1第3章正弦波振荡器其中φA=φY+φZ,φY是晶体管集电极电流基波分量超前输入电压的相角，φZ是负载的相角，即超前的相角。因此相位平衡条件（n取零）又可写为0AFYZF(3.1―7)若令φY+φF=φE，则ZE(3.1―8)1cIiUoU1cI第3章正弦波振荡器相位是频率的函数，在晶体管的特征频率fT远大于振荡器工作频率时，可近似认为φY与频率无关，且数值很小。反馈网络的相移φF通常在窄带范围内也可认为与频率无关，所以φE为一常数。负载的相角φZ与负载的形式有关，若采用LC并联振荡回路，它的相角与频率的关系如图3.5中曲线①所示。第3章正弦波振荡器将φE和LC并联振荡回路相频特性曲线同时画在一个坐标中，两条曲线的相交点即满足相位平衡条件。如图3.5所示，A点即为相位平衡点，对应的角频率ωg即为振荡器的工作频率，所以，相位平衡条件决定了振荡器的工作频率。正弦波振荡器的工作频率是唯一的，所以满足相位平衡条件的平衡点只能有一个。另外注意，振荡器的工作频率ωg在考虑了φE这个因素之后，不等于LC回路的谐振频率ω0第3章正弦波振荡器图3.5LC并联振荡回路负载相角与频率的关系－EAg0①Z第3章正弦波振荡器3.1.2稳定条件由于振荡电路中存在各种干扰，如温度变化、电压波动、噪声、外界干扰等，这些干扰会破坏振荡的平衡条件，因此，为使振荡器的平衡状态能够存在，只有使它成为稳定的平衡——具有返回原先平衡状态能力的平衡。鉴于此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。稳定条件同样分成振幅稳定条件和相位稳定条件。第3章正弦波振荡器1.起振过程与起振的幅度条件从图3.6可以看出，当θ≥90°时，放大特性与反馈特性有两个交点O、A。当电源接通瞬间，=0,=0，由于外界电磁感应或者在电路的瞬态电流冲击下,在放大器输入端产生一个微小的Ui1电压，此电压经放大后，输出为Uo1，经过反馈网络，反馈电压为Uf1，如果Uf1与Ui1同相并且大于Ui1，则放大器又产生幅度大于Uo1的第二次输出Uo2,如此不断循环,振荡器就会脱离开原点而振荡起来。可见起振的幅度条件为UfUi即FA1oUiU第3章正弦波振荡器图3.6θ≥90°时的放大特性与反馈特性UoUoAUo3Uo2Uo10(O)UiUf1Uf2Uf3Ui,UfA起振过程第3章正弦波振荡器稳定过程:在Uo到达A点后(Uo=UoA),若振荡器受到干扰后UoUoA,根据两条不同特性的曲线,则UfUi,故Uo要增大或者说减少了Uo小于UoA的程度;反之则Uo要减小或者说减少了Uo大于UoA的程度,可见A点是一个稳定平衡点。观察到在该点有放大特性斜率小于反馈特性斜率的特点，即11ooppiffoppiofiUUUUUUUUUU第3章正弦波振荡器Uf=AFUi，两边对Ui求偏导得10PiPiPiiPPiiFAAFUAUFUUFAAFUU1.当F=常数时，振幅稳定条件为0iAU在平衡点P上AF|P=1,则根据此条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点附近，放大器的增益应随输入电压的增大而减小。第3章正弦波振荡器当输出电压Uo增加时，因F=常数，故反馈电压Uf增加，由于Uf=Ui,Ui增加，A减小，使Uo的增加受到抑制，达到稳幅。要使放大器增益A随Ui变化，放大器需要工作在非线性状态。如果振幅稳定是由放大器的非线性工作实现的，称这种振幅稳定方式叫内稳幅方式。2.当A=常数时，振幅稳定条件为0piFU第3章正弦波振荡器根据这个条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点上，反馈网络的反馈系数应随输入电压的增大而减小。当Ui增加时，因A=常数，故Uo增加，F减小，Uf减小，由于Uf=Ui，Ui减小，使输出的增加受到抑制，达到振幅稳定。如果反馈网络的反馈系数F随输入电压Ui变化，则反馈网络只能是非线性网络或时变网络。称这种振幅稳定方式叫外稳幅方式。第3章正弦波振荡器2.相位稳定条件维持或者说维持与同相的条件。方法：如果能实现ω的变化引起的φΣ变化与外界因素引起的φΣ变化相反，则相位稳定平衡就可实现。以n=0为例，这一过程可用如下流程关系表示：fUiUnFZY2第3章正弦波振荡器由此可得相位稳定条件为()0YFZPPPP(3.1―12)在窄带情况下，均可认为则相位稳定条件为0,0FY0ZP(3.1―13)第3章正弦波振荡器3.1.3起振条件电源刚一接通的瞬间，振荡器起始振荡，起始振荡的条件应为1()2fiAFUUn(3.1―14a)(3.1―14b)式(3.1―14a)为振幅起振条件，式(3.1―14b)为相位起振条件。由于UfUi，所以在极其微小的电磁感应激励下，通过选频网络就可取出振荡信号电压，形成增幅振荡，直至在稳定平衡点工作。第3章正弦波振荡器根据振荡器的振荡条件，可归纳如下：(1)振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。(2)相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。(3)在F为常数的条件下，振荡幅度的稳定是由放大器件的非线性保证的，所以许多振荡器是非线性电路。第3章正弦波振荡器(4)振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。(5)振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。(6)利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。第3章正弦波振荡器另外，根据振荡条件，振荡器应包括放大器、选频网络，反馈网络。放大器采用的有源器件，可以是晶体三极管、场效应管、差分放大器、运算放大器等。选频网络可以是LC并联谐振回路，也可以是RC选频网络，还可以是晶体滤波器等。反馈网络可以是RC移相网络，也可以是电容分压网络、电感分压网络、变压器耦合反馈网络或电阻分压网络等。由此可见，振荡器电路形式不胜枚举，本章将对LC振荡器、晶体振荡器、RC振荡器的电路组成、工作原理分别予以介绍。第3章正弦波振荡器3.2LC正弦波振荡器3.2.1LC正弦波振荡器电路构成的原则凡采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC正弦波振荡器。LC振荡电路的形式很多，按反馈网络的形式来分，有变压器耦合反馈式及电感或电容反馈式振荡电路两种。第3章正弦波振荡器1.变压器耦合振荡器变压器耦合反馈振荡器采用LC谐振回路作为选频网络，并利用变压器耦合电路作为反馈网络。按照同样的分析方法可知，图3.7(b)、3.7(c)所示的振荡器电路中，变压器初、次级绕组应对地具有相同的同名端，才能满足相位平衡条件。可见，变压器耦合振荡器的相位平衡条件是依靠变压器的初、次级绕组具有合适的同名端来保证的。第3章正弦波振荡器图3.7变压器耦合振荡器＋－Tr＋－Uf·Uo·＋－Ui·(a)(b)＋－Tr＋－Uf·Uo·＋－Ui·＋－Tr＋－Uf·Uo·＋－Ui·(c)共射接法共基接法第3章正弦波振荡器2.三点式振荡器晶体管有三个电极c,b,e，由三个电抗元件x1、x2、x3构成的选频网络也有三个引出端，把它们对应连接起来构成反馈式正弦振荡器电路，如图3.8(a)所示。这种振荡器称为三点式振荡器。x1、x2、x3三个电抗元件应如何选取才能满足相位平衡条件呢?在晶体管特征频率fT远大于振荡器工作频率fg和窄带工作频率的条件下，可认为φE≈0，根据相位平衡条件φE=-φZ，则φZ≈0。因此由x1、x2、x3构成的回路可认为是谐振工作状态。谐振工作的条件是回路的电抗之和等于零，即x1+x2+x3=0(纯电阻)。晶体三极管三个电极之间交流电压间的关系如图3.8(a)所示。第3章正弦波振荡器图3.8三点式振荡器组成x3x2x1cbeLC2cbeC1L2CcbeL1(a)(b)(c)I2I1UfUce忽略Ib,且x2+x3=-x1所以I1=-I2;Uf=Ube,Ube与Uce反相;I1I2I1I2UfUceI1I2UceI2I1Uf第3章正弦波振荡器根据上述电压电流的矢量关系,可得到两种三点式震荡电路,如图3.8(b)(c)所示,分别叫做电容三点式(使用两个电容和一个电感)和电感三点式(使用两个电感和一个电容),它们必然满足起振的相位条件,由于射极接的是相同性质的电抗元件,而基极接的是相反性质的电抗元件,故概括为一句话“射同基反”,据此原则可判断三点式振荡电路是否满足相位起振条件。*多回路三点式震荡电路的起振相位条件判断根据“射同基反”的原则和所要求的振荡工作频率对各回路的电抗性质提出要求，或是容性失谐或是感性失谐。第3章正弦波振荡器图3.9多回路三点式振荡器组成(a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(