电子线路(非线性部分)第五版第三章振荡器.ppt
第 三 章,振荡器,振荡器：不加输入信号，无输入，具有稳定且特定频率、振幅和波形信号输出的一类电路。振荡器的要求：频率 稳定度和准确性；振幅 幅值的大小和稳定性；波形 失真小。重要的是频率的稳定度和准确性,振荡器分类产生的波形：正弦波振荡器和张弛振荡器。前者波形接近理想正弦波；后者产生矩形波、锯齿波、三角波或其它特定波形。组成结构：反馈振荡器和负阻振荡器。前者利用反馈原理，由基本放大器和反馈网络形成闭合环路；后者采用负阻器件与LC回路共同构成。反馈振荡器中根据组成的不同，又可分为正反馈构成的振荡器和数字电路中才会出现的由奇数个反相器门电路构成的振荡器。,3.1 反馈振荡器的工作原理,从反馈放大器说起，注意同名端，可能出现正反馈和负反馈，振荡器是主网络和反馈网络构成的闭合环路。,3.1.1 起振和平衡条件,在x处断开，环路增益为为使反馈环路能在某一频率osc上建立起从无到有的振荡，必需有T(josc)=T(osc)ejT(osc)1 即 T(osc)1 振幅起振条件 T(osc)=2n(n=0,1,2,)相位起振条件 正反馈,1、起振条件,在振荡幅度达到某一所需确定值时限制其增长，并最终达到平衡。使反馈网络的输出信号幅度恰巧等于环路所需的输入信号幅度。T(josc)=1 也称巴克豪森准则 T(osc)=1 振幅平衡条件 T(osc)=2n(n=0,1,2,)相位平衡条件,2、平衡条件,起振时大于1，随振荡电压振幅增大而下降，平衡时等于1。因此，环路中必须包含非线性环节。非线性环节可以在放大器中，也可以出现在反馈网络中。,3、环路增益特性,3.1.2 稳定条件,电源电压、温度、湿度等外界因素变化破坏已维持的平衡条件。通过放大和反馈的反复循环，振荡器越来越远离原来的平衡状态，导致振荡器停振或突变到新的平衡状态，表明原来的平衡状态是不稳定的。反之，如果通过放大和反馈的反复循环，振荡器能够产生回到平衡状态的趋势，并在原平衡状态附近建立新的平衡状态，当这些变化消失以后，又能恢复到原平衡状态，表明原平衡状态是稳定的。,1、振幅稳定条件,两个均为平衡点，但A点是稳定的，B点不稳定,硬激励 必须外加大的电冲击产生大于 的起始扰动电压才 能进入平衡点A，产生持续等幅振荡的方式；软激励 电源接通后自动进入稳定平衡状态的方式。,2、相位（频率）稳定条件,在振荡频率 附近相频特性 具有负斜率。,要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们缺一不可！,注 意,3.1.3 基本组成和基本分析方法,基本组成：主网络和反馈网络，必须包含可变增益放大器和相移网络。组成形式：集总和分散 集总方式 放大器和相移网络在电路上可以明确 分成两个部分。分散方式，放大器和相移网络在电路上无法明确 分开，相移分散在每个单级放大器中。可变增益特性：一种是利用放大管固有的非线性，称为内稳 幅；另一种插入非线性环节，称为外稳幅。相移网络：LC谐振回路、RC相移和石英晶体谐振器等。,基本分析方法（以集总形式为例）,1、定性分析,2、定量分析,3、性能改进的分析,组成、相位条件（是否正反馈）进行判断,起振条件 用小信号等效电路计算注意 这是非线性电路的一个特例,分析影响性能的原因，给出改进措施,定性分析举例,3.2.1 三点式振荡电路,特点：谐振回路三个引出端和三极管三电极连接。组成法则：B-E和C-E间为同性质电抗，B-C为异性质电抗 电路以发射极所接电抗命名,3.2 LC正弦波振荡器,Colpitts,Hartley,一、电路,例 试以相位条件判断各交流通路所示电路能否振荡,Reo=LQo，Qo为回路的固有品质因数。,ZiRE/re/1/j,二、电容三点式的起振条件,令Ri=RErere,C2=C2+Cbe,若忽略损耗，X1+X2+X30,起振条件 T(josc)1，令虚部B=0 求振荡频率，实部大于1，求振幅起振条件。,B=0 即,实部大于1 即,gmA,为反馈系数,三、自给偏置对电路的影响,例：试指出图示振荡电路中的错误，并改正,四、如何提供直流偏置,3.2.2 差分对管振荡电路,E1648集成振荡器,3.3 LC振荡器的频率稳定度,定义：在规定时间或规定温度，湿度，电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化量。频率稳定度有长期，短期和瞬时之分。当振荡频率为规定的fosc时，短期频稳度定义：,3.3.1 影响频率稳定性的因素,3.3.2 提高频率稳度性的措施,1、减小外界因素的影响 2、提高振荡回路标准性,减小L和C的相对变化量的措施是：采用高稳定的集总电感和电容；提高寄生参量的稳定性；采用温度补偿；在电路设计上则应考虑减小寄生参量及它在L和C中的比重等。,3.3.3 克拉泼振荡电路,加了一个与L串接的电容C3。C3C1，C3C2，回路总电容接近C3。C3越小回路标准性越高。但不能太小，否则可能停振。,3.4 石英晶体振荡器,石英谐振器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。,s p频率范围内，Xcr为感性，其他频段为容性，Qq105。,电抗特性,串联谐振角频率,并联谐振角频率,晶体振荡电路,晶体工作在fs和fp之间，偏向于fs，呈感性的频段内，等效为一个高Q值电感，与外电路电容构成并联谐振回路，相应构成的振荡电路称为并联型晶体振荡电路。晶体工作在fs上，等效为短路线，对应振荡电路为串联型晶体振荡电路。,C1和C2的串联电容直接并联在晶体两端，是晶体的负载电容。如果其值等于晶体规定值，那么振荡电路的振荡频率就是晶体标称频率。,一、并联型晶体振荡电路,皮尔斯晶体振荡电路,采用温度补偿的晶体振荡器的实用电路,XK76集成晶体振荡器的内部电路,二、串联型晶体振荡电路,三、泛音振荡电路,3.5 RC正弦波振荡器,采用分立元件RC构成相网络，振荡器主要工作在几十kHz以下的低频段。,移相网络包括导前 滞后 串并联,移相电路,1、RC移相网络均为衰减网络，传输增益,2、每节导前与滞后电路的最大相移,3、串并联电路具有与LC谐振电路类似的特性,结论,需与放大器相接,至少3节RC，且与反相放大器相接,必须与同相放大器相接,电 路,外稳振幅文氏电桥振荡电路,振幅起振条件分析,R t 2R1,3.6 环形振荡器,这类电路要求多级级联放大器本身是反相放大器，级联后仍为反相放大器，并形成环。从电路形式上看是负反馈，但利用各级放大器高频工作产生的附加相移，在某个频率上达到180度，则负反馈变成正反馈。,1、门电路反相器构成环行振荡器,n反相器的级数，必须为奇数。环路中每级反相器产生的附加相移为,2、差放构成环行振荡器,差分放大器具有两个输入端和两个输出端，在环路中的接法较灵活，直观上不必是奇数级，也可为偶数。,3.7 负阻正弦波振荡器,负阻放大器是利用负阻器件与LC谐振回路构成的正弦波振荡器，工作在超高频段。,隧道二极管特性,负阻器件：增量电阻为负值的器件。,3.7.1 负阻器件,隧道二极管工作在大信号时的特性,3.7.2 负阻振荡原理及其电路,gn(av)=ge0,并联型,gngeo,电压型负阻振荡器,串联型,电流型负阻振荡器,3.7.3 用负阻观点讨论LC反馈振荡器,从供给能量的观点来看，带有正反馈的放大器件可以等效地看成负阻器件。,3.7.4 用正反馈电路实现负阻振荡,交叉耦合电路,3.8 压控振荡器,压控振荡器（Voltage Control Oscillator，VCO），电压控制振荡器，一般是用电压控制振荡器的振荡频率。由于信号的频率和相位的内在联系，因此VCO既可以用电压控制振荡器的输出振荡频率，也可得到与控制电压相关，振荡器的输出相位。不过，因为压控振荡器的本质还是一个振荡器，所以所有关于振荡器的分析这里都适用，只是对于压控振荡器还需考虑与电压控制相关的特性以及如何用电压来控制振荡器的振荡频率。,3.8.1 压控特性,为 处的斜率，称为压控灵敏度,3.8.2 压控振荡器的实现方法,与主网络、反馈网络均有关，控制主网络的相频特性、反馈网络的相频特性或在反馈环路中插入相移网络都可达到控制频率的目的。,可得振荡频率,在LC电路中，用变容管代替电容；在环形振荡器中，控制电路的延时。控制电路中关键节点的等效电阻和电容。最常用的是控制电阻：用工作在非饱和区的场效应管，也可用正、负阻组合，利用正、负阻的抵消，改变总电阻。当振荡频率取决于为电容充放电的电流值时，可以控制电流源电路的输出电流。,一般方法,3.8.3 压控振荡器实现方法举例,1、控延时（由控制负电阻实现）,R1R2RP,只要，即为正阻。改变 即可改变 的值，从而改变M1、M2漏极节点上的RC时间常数。,2、控电流（射极耦合多谐振荡器）,振荡频率取决于电路的充放、电速度。用控制信号去控制电容的充、放电电流，就可控制振荡频率。,当VD(on)1=VD(on)2=VBE(on)时，输出对称方波电压的频率为,3.9 寄生振荡、间歇振荡和频率占据,3.9.1 寄生振荡,寄生振荡是在某些特定频率上，电路中集总参数和分布参数构成的闭合环路满足振荡条件而自行产生的一种不希望的振荡。以破坏闭合环路的振荡条件来抑制寄生振荡。低频寄生振荡的闭合环路一般由高频扼流圈、隔直流或旁路电容构成。消除措施：合理选择扼流圈的电感量或旁路电容的电容量，扼流圈中串接小电阻或并接大电阻。超高频寄生振荡的闭合环路由电路中的分布参数、管子极间电容构成。消除措施：采用引线和贴片元件；管子的基极或集电极上串接小的无感电阻；隔直流或旁路的大电容上并接几百pF的小电容。,3.9.2 间歇振荡,引起原因：旁路电容 CE或耦合电容 CB取值过大，偏置电压跟不上振荡幅度的变化。解决措施：偏置电压的变化速度必须比振荡幅度的变化速度快。CE、CB的取值不宜过大，并增大振荡回路的Qe。,3.9.3 频率占据,在振荡器的闭合环路中引入频率为 的外来信号vs，则当 接近 时，振荡器的振荡频率 将受到 的牵引。,
