CH7正弦波振荡器高频.ppt

7 正弦波振荡器,7.1 概述,7.2 LCR回路中的瞬变现象,7.3 LC振荡器的基本工作原理,7.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件,7.5 振荡器的平衡与稳定条件,7.6 反馈型LC振荡器线路,7.7 振荡器的频率稳定问题,7.8 石英晶体振荡器,7.9 负阻振荡器,7.10 几种特殊振荡现象,7.11 集成电路振荡器,7.12 RC振荡器,7.1 概述,1.自激振荡：指没有外加信号的作用下，电路能自动产生交流信号的一种现象。不需外界激励就能自动地将直流电能转换为交流电能的电路，就是自激振荡电路。,2.振荡器的分类,正弦波振荡器,非正弦波振荡器,振荡器,波形,产生机理,反馈式振荡器,负阻式振荡器,反馈型LC振荡器,RC振荡器,石英晶体振荡器,从频率上分,高频振荡器,低频振荡器,微波振荡器,RC桥式,RC移相,变压器反馈式振荡器,三点式,电容三点式,电感三点式,3、振荡器和放大器的异同,4、振荡器的用途,1）信息传输系统的各种发射机中；,2）在超外差式的各种接收机中；,3）电子测试仪器中；,如：高频信号发生器、音频信号发生器、Q表、数字式测量仪表等。,4）工业方面,如：高频加热设备、超声波焊接、感应加热、介质加热。,共性：都是能量转换器，都将晶体管集电板直流电源供给能量转换成 交流能量输出。异性：放大器需外来输入信号激励源 他激振荡器；振荡器所需电压取自输出电压的一部分 自激振荡器。,7.2 LRC回路中的瞬变现象,二、电磁振荡,所谓“谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。,由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。,一、机械振荡,位能与动能之间的相互转换。,运动中不受阻力-等幅振荡运动中受阻力-衰减振荡,可见，i没有出现振荡，说明电容在整个过程中一直在释放存储的能量。,电能磁能,磁能电能,若LC回路无损耗，则电磁之间转换就形成等幅振荡。,但实质LC回路中有损耗，故转换过程中，一部分能量被损耗电阻所消耗，因而产生的是衰减振荡，若无能量补充，振荡会衰减至0，即停止。,三、等幅振荡的措施与条件,1）采用“负电阻”来抵消回路损耗R的“正电阻”。方法：a.引入负电阻，如隧道二极管，负阻振荡器 b.引入正反馈 c.利用有源器件本身的负阻特性。,2）从外界能源取得一定能量，在适当条件下补偿回路损耗。在实际电 路中，将放大器的输出信号，经正反馈电路到输入端进行能量补充，从而产生等幅持续振荡。反馈振荡器,1、措施,2、条件,1）含有两个（或两个以上）储能元件。,2）一个能量来源。,3）一个控制设备（由电子管、晶体管、IC等）和正反馈电路实现。,四、结论,1、LC回路自由振荡是产生等幅振荡的根据 内因2、采用能量补充的方法抵消或补偿回路损耗，维持等幅振荡 外因,7.3 LC振荡器的基本组成,1、K接点“1”，则vs经耦合电容CB加到三极管的基极。（谐振放大器）1）vs正半周时，T导电，ic给C充电 2）vs负半周时，T截止，C通过L放电 3）vs作用下，LC回路获能量产生振荡,注：T 每导通一次，则LC回路可维持等幅振荡，回路的谐频必须调谐在vs的频率上，才能使回路获得能量补充的时间与回路的振荡“合拍”,2、K接点“2”，使vf=vs，通过Cb加到T的基极，使放大器自身输出电压取 代 vs，由于要求vf=vs,且同相，则此反馈为正反馈。（反馈放大器）,由以上分析可知，振荡电路具备几大环节：,1）放大电路：由非线性有源器件组成，具有一定的功率增益，能维持振荡回路不可避免的功率损耗。,2）选频回路：选择满足相位条件的一个频率，常与反馈网络合二为一。,3）反馈网络：实现正反馈，一般可以通过互感（变压器）电感及电容等获得正反馈电压。,4）非线性稳幅环节：从AF 1回到AF=1，实现稳幅振荡。,5）稳定环节：幅度稳定、相位稳定。,放大电路,选频网络,反馈网络,稳幅环节,反馈振荡器的三大条件为：,3）保证得到稳定的稳定条件,反馈振荡电路必须在一个外加信号激励下，电路才能正常振荡，这显然不符合实际要求，那么在没有外加信号的条件下，电路是否能起振？,振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,1）振荡从弱到强建立起来的起振条件：,2）维持等幅持续振荡的平衡条件：,7.4 7.5 振荡电路的条件,（从无到有）,（由弱到强）,起振条件：,2）初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率0的信号经选频网络后被保留。然而，这个频率信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求,3）当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。,（由增到稳）,1）接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。,平衡条件：,稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。,稳定平衡：是指在外因作用下，振荡器在平衡点附近可重建新的平衡状态。一旦外因消失，它即能自动恢复到原来的平衡状态。,不稳定平衡：是指振荡回路不断偏离原平衡状态，导致环路停振或突变到新的平衡点。,4）振荡的稳定。,a）振幅稳定条件,b）相位稳定条件,稳定的平衡,7.6 反馈型LC振荡器线路,7.6.1 互感耦合振荡器,7.6.2 电感反馈式三端振荡器(哈特莱振荡器),7.6.3 电容反馈式三端振荡器(考毕兹振荡器),7.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则,7.6.1 互感耦合振荡器,3.判断是否满足相位条件：瞬时极性法（正反馈）,1）判断组态（变压器与三极管相接，不接极为组态）；,2）假定输入信号的极性为+，逐级分析有关点的极性；,原则：a）极性相反的情况有，共射组态的b与c，变压器的异名端；b）极性相同的情况有，共射组态的b与e，共c共b组态的各极间，电阻、电容、电感、导通的二极管、变压器的同名端都不改变极性。c）对于绕组有一端接地，其中间抽头的相位与不接地的绕组端相位 相同。,1.定义：采用互感耦合电路作为反馈网络，即通过变压器互感耦合将输出信号送回输入回路（形成正反馈），所形成的电路是互感耦合振荡器。,2.分类：根据LC选频网络接于晶体管电极的不同，分为c极调谐型(调集)、e极调谐型(调 发)和b极调谐振型(调基)电路。,正反馈,负反馈,负反馈,正反馈,3）根据反馈回输入端的信号与输入信号比较，判断正负反馈。如果反馈信号与输入信号接同一端，反馈回的极性为，为负反馈，否则为正反馈；如果反馈信号与输入信号不接同一端，反馈回的极性为，为负反馈，否则为正反馈。,1）c极调谐型(调集)电路,3）e极调谐型(调发集)电路,2）b极调谐振型(调基)电路,振荡频率：,优点：在调整反馈（改变M时），不 影响振荡频率。,缺点：工作频率不宜过高，一般用于 中、短波。由于三极管结电容 和其它分布电容的存在，在频 率较高而LC回路电容较小时，将影响稳定性。,+,+,+,+,+,-,+,+,+,+,+,+,+,三点式振荡器：从LC振荡回路引出三个端点分别和晶体管三个电极相连接采用电感分压式反馈网络的电路电感三点式，又称哈托莱振荡器。采用电容分压式反馈网络的电路电容三点式，又称考皮兹振荡器。,7.6 三端式振荡电路,1.三端式振荡电路的判断方法,判断是否满足相位条件：瞬时极性法（正反馈）,+,-,-,+,+,+,+,-,-,+,+,2.三端式振荡电路的振荡频率,1）画等效电路,原则：a.电阻不画，晶体管保留。b.电容（旁路电容、耦合电容、去耦电容）视为短路；振荡电容保留。c.电感（高频扼流圈）视为开路；振荡电感保留。d.直流电源视为零（电压源短路，电流源开路）。,区分旁路电容、耦合电容、去耦电容、振荡电容方法：根据电容所处的位置或电容数值的大小来判别。旁路电容：直流偏置下的放大管将有一个电极交流接地，则该极上接的 电容为旁路电容。耦合电容：在电源或负载的接入端，为避免直流电位受到破坏，则该处 串接的电容可判为耦合电容。另外，从电容标的数值来判断，由于振荡电容相对为小电容，因而那些大电容一般可视为旁路、耦合或去耦电容。,方法：只画晶体管和谐振回路，其余的不画。,3.三端式振荡电路的反馈系数,2）求反馈系数,射同基反或源同栅反：与射极（源极）相接的电抗为同性电抗，而与基极（栅极）极和集电极（漏极）相接的电抗为异性电抗。,Vf,-,+,V0,+,-,Vf,-,+,V0,+,-,4.三端式振荡电路的优缺点,1）容易起振；,变电容而不影响F。,2）调整频率方便；,1）振荡波形不够好；,高次谐波反馈较强，波形失真较大。,2）不适于很高频率工作；,分布电容和极间电容并联于L1与L2两端，F随频率变化而改变。,优点：,缺点：,优点：,缺点：,变电容影响F，变电感不便。,1）调整频率不太方便。,2）输出波形较好。,高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。,1）频率稳定度较好。,分布电容和极间电容并联于C1与C2两端，被较大C1与C2 吸收。,2）适用于较高的工作频率。,甚至可只利用器件的输入电容和输出电容。,若要提高电容反馈式振荡电路的振荡频率，则势必要减小C1与C2的容量和L的电感量。实际上当C1与C2 减小到一定的程度时，晶体管的极间电容和电路中的杂散电容将影响振荡频率。这些电容等效为放大电路的输入电容Ci和输出电容C0，它们分别与C1和C2并联。如图所示。,-克拉泼振荡器电路,由于晶体管的极间电容受温度的影响，杂散电容又难于确定，因此电路的振荡频率不稳定。为了稳定频率，可以在电感支路串联一个小电容C3，而且C3C1，C3C2，此时振荡频率几乎与C1、C2无关，当然也就几乎与极间电容和杂散电容无关了。这电路称克拉泼电路。,可见，通过调节C3来改变振荡频率w0时，并未影响F。说明调节频率方便。,Vf,-,+,V0,+,-,5.其他形式的三端式振荡电路,共基极克拉泼电路,+,+,+,Vf,-,+,V0,+,-,-西勒振荡电路,Vf,-,+,V0,+,-,其他形式的三端式振荡电路,7.7 振荡器的频率稳定问题,1.频率不稳定的危害,1）信号源的振荡频率不稳定，给测量工作带来误差；,2）作为时间标准和频率标准的振荡器频率不稳定，会使这些标准的准确度降低；,3）在无线电广播，电视及各种通讯系统中，如果振荡频率不稳定，将造成广播、通讯的相互干扰，影响广播、通讯的可靠性。,2.频率稳定的标准,1）中波广播发射机要求的稳定度为10-5；,2）电视发射机要求为10-7；,3）频率标准的振荡器要求为10-810-9；,4）火星通讯的频率稳定度要求为10-11；,5）金星定位（距地球5600万公里）的频率稳定度要求为10-12。,1）准确度：振荡器实际工作频率f与标称频率 f 0之间的偏差，称为振荡频率准确度。,a）绝对频率准确度,2）频率稳定度：是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化。,3.频率稳定的性能指标,b）相对频率准确度,根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。,长期稳定度：一般指几天或几个月 短期稳定度：指一天内，以小时、分、秒计 瞬时稳定度：一般以秒或毫秒计,影响振荡频率的有如下三种因素：）振荡回路参数与;）回路电阻；）有源器件的参数。,4.影响振荡频率的因素,以集电极振荡器的振荡频率为例：,5.稳定频率的方法,）稳定与,）回路电阻,a）选取标准性高，不易发生机械变形的元件;,b）维持振荡的环境温度恒定;,c）温度补偿法。,）稳定hb和hib,a）在振荡器和下级电路之间加缓冲器（射极跟随器）起隔离作用；,b）本级采用低阻抗输出（射极输出）。,由上面的分析可知，影响频率稳定度的一个重要因素就是Q，Q值越高，选频特性就越好，其振荡频率的稳定度就越高，而,但是，由于电感不可避免的有电阻，电容有漏电，这就使一般的LC谐振回路总会有损耗，它们的Q值难做得很高（LC型滤波器的品质因数一般在100200范围内），频率的稳定度也就难以做得很高，大约只能做到10-410-5，要进一步提高振荡器的稳定性，用LC振荡器就难以实现，而需要采用品质因数更高的选频网络，如石英晶振，品质因数可达几万甚至几百万，因而可以构成工作频率稳定度极高，采用中精度的晶体，频率稳定度可达10-6数量级，若加单层恒温控制，则可提高到10-710-8数量级，采用高温精度晶体，可采用双层恒温控制，可达10-910-11数量级。,一般LC振荡器的频率稳定度f/f0只能达到10-3 10-5。若要求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。,7.8 石英晶体振荡器,7.8.1 并联谐振型晶体振荡器,7.8.2 串联谐振型晶体振荡器,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体的优点,钟、手表、计算机、微处理器、彩电、遥控器、各种振荡电路、频率发生器等。,石英晶体的用途,石英晶体的缺点,单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，因而不能直接用于波段振荡器。,）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；）晶体的值可高达数百万数量级；）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。,1、石英晶体,结构：单晶体结构。,3.6.2 石英晶体,外型：规则的几何形状,六棱柱,两端是六棱锥。,化学成分：SiO2(二氧化硅),2、石英晶片,压电石英是一种各向异性的结晶体。振荡器中所用的石英片或石英棒都是按一定的方位从石英晶体中切割出来的。垂直于X轴而沿Y轴切割的，称X切型。垂直于Y轴，而沿X轴切割的，称为Y切型。除此外还有AT、BT、CT、DT、ET、GT等切型。AT切型常用。,双面镀银并封装,当机械力作用于晶体时，晶体两面将产生电荷正电效应：机械 能电能，反之，当晶体两面加不同极性电压时，晶体尺寸将压缩或伸 张负电效应：电能机械能。,当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比。当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,3、石英晶片的基本特征-压电效应,当交变电压加于晶体两端时，首先晶片将随交变信号变化产生机械振动，然后机械振动又反过来在晶片表面产生交变电荷。当晶片的几何尺寸和结构一定时，它本身具有一固有机械振动频率，如外加交变电压的频率与晶片固有振频相等时，晶片机械振幅最大共振，电极上产生的交变电流也最大，通过石英片的交变电流也最大，产生谐振现象，压电振荡。,4、石英晶体的符号和等效电路,当石英晶体不振动时，可等效为一个平板电容C0，称为静态电容；其值决定于晶片的几何尺寸和电极面积，一般约为几几十pF。,当晶片产生振动时，机械振动的惯性等效为电感Lq，其值为几mH几十H。,晶片的弹性等效为电容Cq，为0.010.1pF，因此Cq C0。,晶片的摩擦损耗等效为电阻rq，约为100，理想情况下rq=0。,1）Lq非常大，Cq和rq非常小，由，可知 Q 极高，其值高达105107数量级，故频率稳定度很高。,特点：,2）CoCq，故接入系数 很小，一般为0.0020.003，因而当石英谐振器接入电路时，电路的其它元件对谐振器的f和Q值影响很小，故频率稳定度高。,电感性,5、石英晶体的电抗特性Xe,由于Cq C0，所以f s f p。,当等效电路中的Lq、Cq、rq支路产生串联谐振时，该支路呈纯阻性，由于R C0的容抗，故可近似认为整体也呈纯阻性。,1）当f f s时，石英晶体呈容性。,4）当f f p时，C0容抗最大，起主导作用，石英晶体又呈容性。,2）当f=f s时，石英晶体呈阻性。,3）当f s f f p时，石英晶体呈感性。,6、石英晶体的应用,因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为串联谐振型晶体振荡器。,由于晶体在静态时是呈电容性的，所以如果振荡器的电路是设计在晶体呈现电容性时产生振荡，那么就无法判断晶体是否在工作。故石英晶体要么工作在感性区或工作在串联谐振频率上，决不能工作在容性区。,当石英晶体工作在感性区时（并联谐振回路），电路谐振时的谐振频率一般不能正好等于石英谐振器产品指标给出的标称频率（指石英晶振两端并接某一规定负载电容CL时石英晶振的频率），有一个很小的差别。需要负载电容校正。负载电容CL的值载于生产厂家的说明书中，通常为30PF(高频晶体）或100PF（低频晶体）或标（指无需外接负载电容，常用于串联型晶体振荡。,7.8.1 并联谐振型晶体振荡器,这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只要把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。,一、皮尔斯电路（并联谐振型晶体型振荡器电路）,一般w0wN（标称频率），会有一个很小的差别，需要用负载电容进行校正。在使用时，常加入微调电容进行微调。,二、密勒电路（并联谐振型晶体be型振荡器电路）,7.8.2 串联谐振型晶体振荡器,石英晶体在电路中相当于短路，振荡频率为wq,共基极电路一,共基极电路二,7.12 RC振荡器,7.12.1 RC相移振荡器,7.12.2 文氏电桥振荡器,7.12.1 RC相移振荡器,判断RC相移式振荡器是否满足相位条件的方法：判断放大电路为反相放大器，同时要有三节或三节以上RC相移网络，则电路满足相位条件。,一节RC相移网络,两节RC相移网络,三节RC相移网络,7.12.2 文氏电桥振荡器,同相比例放大器,判断RC文氏电桥振荡器的方法：判断放大电路为同相放大器。,本章小结,反馈振荡原理及振荡条件振荡条件起振条件、平衡条件稳定条件互感振荡器交流等效电路标注同名端三点式振荡器一般三点式的相位平衡判别准则电感三点式、电容三点式（基本、克拉泼、西勒）晶体振荡器并联型：Jt用作电感串联型：Jt用作高选择性的短路元件,