[信息与通信]正弦波振荡器.ppt

Chapter4 正弦波振荡器,4.1 反馈振荡器的原理 4.2 LC振荡器 4.3 振荡器的频率稳定问题*4.4 LC振荡器的设计考虑 4.5 石英晶体振荡器*4.6 振荡器中的几种现象,信源,调制,高频功放,信宿,解调,混频,高频小放,载波振荡器,本振,同步,基本要求：掌握反馈振荡器的基本理论，振荡器的稳定理论，变压器反馈振荡器、LC振荡器和晶体振荡器的线路；熟练掌握三端式振荡器的电路与分析；了解VCO、高稳定度晶振电路与特性，振荡器中的几种特殊现象。,主要内容：反馈振荡器的基本原理；变压器反馈振荡器和LC振荡器的线路与分析；振荡器的稳定性；晶体振荡器。,重点：振荡条件、振荡电路和稳定原理，振荡器组成，晶体振荡器。难点：振荡条件和稳定方法分析，反馈方式，谐振回路，线路组成。,注意：负反馈与正反馈振荡器的分类及工作原理振荡器的振荡条件分析振荡器线路和组成原则振荡器的稳定度晶体谐振器和晶体振荡器,振荡器是指在无需外加激励信号的情况下，能自动地将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变信号电路。,振荡器的分类：按波形：正弦波振荡器和非正弦波振荡器 按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器 按选频网络所采用的元件：LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等在无线通信系统中的应用场合：发射机中的载波振荡器、接收机中的本地振荡器等,4.1 反馈振荡器的原理,4.1.1 反馈振荡器的原理分析4.1.2 平衡条件 4.1.3 起振条件4.1.4 稳定条件 4.1.5 振荡线路举例互感耦合振荡器,4.1.1 反馈振荡器的原理分析 反馈型振荡器的原理框图如下图所示。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)作负载的调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。,自激振荡的条件,用s=j代入，自激振荡的条件就是环路增益为1,即,通常又称为振荡器的平衡条件。,形成增幅振荡,形成减幅振荡,4.1.2 平衡条件,也可以表示为,分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。,振荡器的平衡条件即为,这样,振荡条件可写为,振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为,ui,ic1,uc1,4.1.3 起振条件,也可写为,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。,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。,自激振荡的起振条件：,起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放大选频反馈再放大等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。自动稳幅的过程如图所示：,放大器增益A与输出电压幅度Uo之间的关系叫振荡特性 F与Uo之间的关系叫反馈特性,4.1.4 稳定条件,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,振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。1.振幅平衡的稳定条件 形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即,相位稳定条件为,2.相位平衡的稳定条件 相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定的振荡。,其中 基本不变，故相位稳定条件为：,4.1.5 振荡线路举例互感耦合振荡器 下图是一LC振荡器的实际电路,图中反馈网络由互感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。,正弦振荡器电路组成要素：1.放大器2.正反馈3.选频网络：决定输出频率4.稳幅环节：决定输出幅度,自激振荡过程:,开启电源,实际上振荡器在开始建立振荡时应满足的条件为:,可见起振初期是一个增幅的振荡过程,如右图：分别为基本放大器K和反馈网络1/F的曲线,如果设开启电源后产生扰动电压ui，则有：,起振、平衡、稳定条件的判断？,互感耦合振荡器可以通过耦合线圈同名端的正确位置实现正反馈的相位起振条件、相位平衡条件 通过选择线圈之间合适的互感耦合量M，使之满足振幅起振条件、振幅平衡条件。LC并联谐振选频网络具有相位稳定条件；三极管基极分压式自偏压电路具有自动稳定振幅的功能。,互感耦合振荡器在调整反馈（改变M）时，基本上不影响振荡频率。但由于变压器线圈的分布电容限制了振荡频率的提高，所以该种电路一般应用于中、短波波段。为了提高振荡频率可以采用LC三点式振荡器。,4.2 LC 振 荡 器,4.2.1 振荡器的组成原则 4.2.2 电容反馈振荡器4.2.3 电感反馈振荡器4.2.4 两种改进型电容反馈振荡器4.2.5 场效应管振荡器4.2.6 压控振荡器4.2.7 E1648单片集成振荡器,4.2.1构成LC振荡器的基本原则,图中由电抗元件X1、X2、X3构成了决定振荡频率的LC并联谐振选频回路，同时也要充当正反馈网络！,LC振荡器又称为三点式振荡器,其基本电路结构如右图所示：即晶体三极管的三个电极分别于三个电抗元件X1,X2,X3相连接.X1,X2,X3可以是电感也可以是电容。,电路在构造上必须满足以下基本原则:,1.要构成正反馈,则 其中放大器已倒相，所以要求反馈 网络也倒相，,反馈电路必须使晶体管的交流瞬时电压极性的相位关系满足:,证明：若设回路电流为I,要求电抗X1与X2具有相同的电抗特性。即X1与X2或者同为电感元件,或同为电容元件,晶体管发射极所接的两个电抗元件性质相同,而不与发射极相接的回路元件,其电抗性质与前者相反.,注意:(1)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(2)不计晶体管的电抗效应,因此X1、X2应为同性质的电抗元件，且X3要与X1、X2电抗性质相反。或称为“射同余异”！,2.回路要谐振,即在谐振频率处回路应呈纯电阻性,因而有,表明三个电抗元件不可能全为电感与电容,而是由两种性质的电抗所组成.,X1+X2+X3=0,|X1+X2|=|X3|,按照三端式振荡器的组成原则，三端式振荡器有 两种基本电路，如所示,(a)电容反馈振荡器(b)电感反馈振荡器,图(a)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.图(b)称为电感反馈振荡器,也称为哈特莱(Hartley)振荡器.,4.2.2 电容反馈振荡器(Colpitts Oscillators),+uce-,+ube-,1.电路结构,直流偏置电路决定了起振时电路的工作点,当振荡以后Re,Ce构成自给偏压电路.,(2)交流等效电路,典型的电容三点式振荡电路.满足相位平衡条件,只要适当选取C1与C2的比值,并使放大器有足够的放大量,电路就能产生振荡.,2.电路的振荡频率,3.起振条件分析(振幅起振条件),分析起振条件时可以利用高频小信号放大器的分析法.如图为小信号微变等效电路,如果忽略yfe,(1)反馈系数F,回路线圈的损耗及负载用gL 等效,(2)放大器的放大倍数K,其中kF2gie为gie折合到放大器输出端的等效电阻,而kF=C1/C2为折合系数.,代入起振条件:,电路的优点：,(1)振荡波形好。(2)无耦合变压器，工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作 频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。,电路的缺点：,频率可调范围有限。因为调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。影响起振条件。,4.电容反馈三端电路(考毕兹电路)的特点,4.2.3 电感三点式振荡器(Hartly Oscillators),+ube-,+uce-,+uce-,+ube-,1.电路结构,其交流等效电路及起振时的小信号高频电路如右下图所示,2.振荡器的振荡频率：可以用回路的谐振频率近似表示:,式中的 L 为回路的总电感,注意:其中高频小信号等效电路忽略了yfe和Cie及对电路的影响,另外yfe=gm,+ube-,+uce-,+uce-,+ube-,3.起振条件分析(振幅起振条件),(1)反馈系数F,忽略gie对回路的影响时,(2)放大器的放大倍数K,电路的优点：,(1)L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；(2)振荡频率调节方便 只要调整电容C的大小即可，而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。,电路的缺点：,(1)振荡波形不好 三点式振荡器由于晶体管的输入输出电容是直接与两个回路元件并联，并且其容值大小随环境温度、电源电压等因素而变化，所以该种电路的频率稳定度不高。,(2)电感反馈三端电路的振荡频率不能过高 这是因为频率太高，分布参数的影响太大（线圈有分部电容使电感上的反馈电压减小，以至于可能停振）。,哈特莱电路的特点,4.2.4 两种改进型的电容反馈振荡器,1.克拉泼振荡器,且C3远远小于C1和C2，减小了晶体管与LC回路的耦合，减小了晶体管极间电容对LC参数的影响，提高了频率稳定度。,电感反馈振荡器:反馈系数F=kF的改变可通过改变线圈抽头位置实现,但振荡频率比较低,产生振荡波形不如电容三点式振荡器。,电容反馈振荡器:反馈系数F=kF改变必须改变C1与C2的比值,振荡频率较高,电压波形较好.,(1)线路特点：在原电容三点式振荡器中,用L,C3的串联电路代替原来的L而构成,C3和L的串联电路在振荡频率上等效为一个电感,仍属于电容反馈型电路.,(2)电路分析：,回路L两端的等效负载为RL,它与谐振等效电阻R0折合到集电极回路做为集电极负载电阻RL:,优点：频率稳定度高 由于晶体管Cce、Cbe的接入系数小,缺点：可调频率范围低（频率覆盖系数1.1-1.2）因为当调整C1 C2或C3的值时，会影响反馈系数F或等效负载RL,影响到振荡条件。,(3)克拉泼电路的特点:,EC,2.西勒振荡器,(1)线路特点：与克拉泼电路不同点仅在于回路电感L两端并联一个可变电容C4,而C3为固定值电容,且有C3C1、C2 增加频率调整范围,(2)电路分析：,(3)优点：频率稳定度高，且频率覆盖率宽(1.6-1.8)因为调整C4不会影响起振条件,4.2.5 场效应管振荡器,(b)电感反馈场效应管振荡器,(a)互感耦合场效应管振荡器,(c)电容反馈场效应管振荡器,压控振荡器线路,频率与控制电压关系,4.2.6 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。,2.线性度：一般情况下,压控振荡器的频率-控制电压特性是非线性的,非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。,1.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,4.2.7 E1648单片集成振荡器,E1648内部原理图及构成的振荡器,E1648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,4.3振荡器的频率稳定问题,振荡器的频率稳定度：指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度,长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。,短期频率稳定度：一般指一天以内频率的相对变化最大值。主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。,瞬间频率稳定度：指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。,提高频率稳定度的措施,1.提高LC振荡回路的标准性 温度是影响的主要因素：温度的改变，导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸发生变化，而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也会变化，从而使电感电容值改变。其次，机械振动会引起回路元件发生形变。再次，湿度、大气压力的改变也会引起LC值的变化。,2.减少晶体管的影响 由于极间电容将影响频率稳定度，在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。,4.减少电源、负载等的影响 电源电压的波动，会使晶体管的工作点、电流发生变化，从而改变晶体管的参数，降低频率稳定度。为了减小其影响，振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端，这会降低回路的品质因数，从而使振荡器的频率稳定度下降。,3.提高回路的品质因数 根据相位稳定条件，回路的相频特性应具有负的斜率，且斜率越大，相位越稳定。根据LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相频特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越稳定。从相位与频率的关系可得，此时的频率也越稳定。,4.5 石英晶体振荡器,4.5.1 石英晶体及其特性4.5.2 晶体振荡器电路,4.5.1石英晶体及其特性 1.石英晶体谐振器,反电压效应：当晶体两面加电压时，晶体就会发生机械形变。,压电效应：当晶体受外力作用而变形(如伸缩、切变、扭曲等）时，就在它的表面上产生正、负电荷，呈现出电压。,石英晶体具有压电效应 当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时，晶片产生谐振，具有选频能力。,2.石英晶体特性(1)石英晶体谐振器具有很高的标准性(2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数 p 很小(3)石英晶体谐振器具有非常高的 Q 值。(4)石英晶振的振动具有多谐性,有基频振动和奇次谐波泛音振动。前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。,安装电容C0 约1-10pF惯性系数等效电感Lq 约10-3-102H弹性系数等效电容Cq 约104-101pF损耗等效电阻rq 约几十-几百,国产B45 1MHz中等精度晶体的等效参数如下：Lq=4.00H，Cq=0.0063pF，rq100200，Co=23 pF。因而晶体的品质因数Qq很大，一般为几万至几百万,（12 50025 000）,4.5.2 晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators),并联型晶体振荡器:晶体以电感元件方式接入振荡电路,串联型晶体振荡器:晶体以低阻抗方式串接在晶体与晶体管之间,一、并联型晶体振荡器,这类晶体振荡器的振荡原因和一般反馈型LC振荡器相同,只要把晶体置于反馈网络和振荡回路中,作为一个感性元件,并与其它回路元件一起按照三点式电路的基本准则组成三点式振荡器.,皮尔斯(Pierce)振荡电路,密勒(Miller)振荡电路,常用的有两种基本类型:,1.皮尔斯(Pierce)振荡电路,(2)C1,C2即是谐振回路的一部分,又构成反 馈回路.C3即作为减弱晶体管与晶体间 的藕合电容,也作为振荡频率的微调电容.,(3)由于晶振的Q值很高，所以晶振的谐振电阻也很高。虽然接入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大，使晶体管的电压增益能 满足振幅起振条件的要求。,晶体管与晶体振荡回路之间的藕合很松,减少了电路不稳定因素对晶体振荡回路的影响.振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。,(1)晶体接在集电极与基极之间，振荡器工作频率为f，且有fq f fp 位于晶振的感性区间。晶体呈电感性，相当于克拉泼电路.,2.密勒(Miller)振荡电路A,晶体接在基极与发射极之间,(1)该电路实质上是个双回路振荡电路，L1、C1是集电极回路元件,由于基极与发射极之间接入感性元件的晶体,根据相位平衡条件的判断准则,集电极回路必须等效为感性.,(2)可变电容C1作为集电极回路的调谐电容,可调高回路的固有谐振频率f1，使f1f0,(3)C1的改变也可改变振荡幅度的大小,(4)由于晶体被晶体管的低输入阻抗所并联,降低了有载QL值,所以稳定度较低,故不如皮尔斯电路.,密勒(Miller)振荡电路B,(1)石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间。(2)LC并联回路在振荡频率点等效为电感，作为另一电感元件连接在漏极和源极之间。(3)极间电容Cgd作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于Cgd又称为密勒电容，故此电路有密勒振荡电路之称。,(4)密勒振荡电路通常不采用晶体管，采用输入阻抗高的场效应管。原因是正向偏置时晶体管发射结电阻太小，虽然晶振与发射结的耦合很弱，但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性。,3.串联型晶体振荡器,串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶振串联谐振频率fq上起振。,这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。,