第三章正弦波振荡器ppt课件.ppt

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1、1、掌握振荡器的工作原理2、掌握LC振荡器三端电路的组成法则3、熟悉频率稳定的意义，了解稳频的方法4、熟悉石英晶体振荡器的典型电路5、了解RC和负阻振荡器的工作原理,第3章 正弦波振荡器,定义：无需外部激励，能自动将直流电源的能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。分类：主要技术指标：振荡频率准确性和稳定性。,概 述,反馈振荡器：根据正反馈原理组成。,负阻振荡器：利用负阻器件的负电阻效应。,1、正反馈是建立振荡的必要条件,3.1 反馈振荡器的工作原理,首先，要使振荡能够产生，反馈必须是正的。其次，还需要有足够的反馈量，即Vf的幅度应该足够大。,图3-1-1 反馈振荡器的组成方框,2、自激

2、振荡的起振过程和平衡状态,起振过程：,加电,产生噪声,放大,反馈,问题1：最初的输入信号如何得到？,输出波形,问题2：振荡器的平衡状态怎么达到？,利用晶体三极管的非线性达到平衡状态。,1、起振条件,起振条件,3.1.1 平衡和起振条件,同相,2、平衡条件,平衡条件,1,图3-1-2 满足起振和平衡条件时的环路增益,利用晶体三极管的非线性达到平衡状态。,3.1.2 稳定条件,平衡状态有稳定平衡和不稳定平衡，振荡器工作时要处于稳定平衡状态。,如果振荡器在各种不稳定因素作用下，能在原平衡点附近达到新的平衡，而一旦排除了不稳定因素，振荡器又能自动回到原平衡状态，则称这种平衡状态是稳定的。,1,1、振幅

3、平衡的稳定条件,Vi ViA,Vi ViA,Vi ViB,Vi ViB,振幅稳定条件,结论：在振荡的平衡点上，环路增益随Vi变化的斜率越陡，则稳定振幅的效果越好。,A,2、 相位平衡的稳定条件,当相位平衡条件遭到破坏时，线路本身重新建立起相位平衡点的条件。,相位平衡的稳定条件为：,3.1.3 基本组成及其分析方法,基本组成：,要产生稳定的正弦振荡，起振条件、平衡条件和稳定条件，缺一不可。,振荡器的稳幅方式有两种：,外稳幅方式：,振荡器依靠外加非线性网络来实现振幅的平衡和稳定的方法称为外稳幅。,振荡器依靠晶体管本身的非线性特性来稳定振幅的方法称为内稳幅。,内稳幅方式：,正弦振荡电路的分析法,（1

4、）检查电路是否包含了放大电路、选频网络、反馈网络和稳幅环节四个组成部分。（2）分析放大电路是否有放大作用，即结构是否合理，静态工作点是否合适。（3）利用瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件，即判断电路是否引入了正反馈。（4）根据选频网络参数，计算起振条件（小信号）。,(1)在电路中某一个合适的位置(往往是放大器的输入端)把电路断开，(用X号表示)； (2)在断开出的一侧对地引入一个外加电压源 ； (3)看经过放大器、反馈网络之后转回到断开处另一侧对地的电压 是否与 同相，同相则电路有振荡的可能。,瞬时极性法,例 判断图例所示交流等效电路能否起振。,解：,利用瞬时极性判断法，根据同名端

5、位置，可以得到：,可见电路是负反馈，不能产生振荡。,3.2 LC正弦波振荡器,定义：由LC谐振回路作为相移网络的反馈振荡器。,分类,互感耦合振荡器三点式振荡器差分对管振荡器,电感反馈振荡器电容反馈振荡器,互感耦合振荡器,根据振荡回路（相移网络）与三极管不同电极的连接点分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。,三种互感耦合振荡器,+,-,-,-,（+）,3.2.1 三点式振荡器,所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言，由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器。,一、电路组成法则,图3-2-1 一般化三点式电路,一、电路组成法则,X1与X2同性，X1（X2）与X3异性。即连接到

6、发射极的电抗为同性电抗，连接到基极和集电极间的电抗为异性。,图3-2-1 一般化三点式电路,依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。,依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器，又称哈特莱振荡器。,三点式振荡电路的基本形式如图所示,图3-2-1 三点式振荡器的原理电路,二、三点式振荡器电路,图3-2-2 电容三点式振荡电路,利用戴维南等效定理：,图3-2-4 自给偏置效应,Ic0,iC,wt,o,三、电容三点式振荡器电路的起振条件,图3-2-3 对应图3-2-2电路的交流通路,RE,Vi,C1,C2,L,Re0,RL,Zi,共基极等效电路,RE,V

7、i,C1,C2,L,Re0,RL,Zi,re,Cbe,gmVi,RE,Vi,e,b,c,RL,Re0,L,C1,e,e,b,c,C2,re,RE,Cbe,e,Vf,Zi,re,Cbe,gmVi,RE,Vi,e,b,c,RL,Re0,L,C1,C2,re,RE,Cbe,e,Vf,Ri,C2,RL,gmVi,c,e,Vf,Z3,Z1,Z2,re,Cbe,gmVi,RE,e,b,c,RL,Re0,L,C1,C2,re,RE,Cbe,e,Vf,Ri,C2,RL,b,gmVi,c,e,Vf,Z3,Z1,Z2,1、振荡角频率,其中,1、振荡角频率,一般,2、振幅起振条件,令,电容分压比,在,四、用工程估算

8、法求起振条件,1、将闭合环路断开，画出开环等效电路,2、求出谐振回路的固有谐振角频率，并令,3、将谐振回路各部分的电导折算到集电极，分别求放大器谐振时的增益和反馈系数，即得到起振条件。,3.2.2 差分对管振荡电路,图3-2-9 差分对管振荡电路,+,-,-,-,-,(+),振荡频率：,起振条件：,1、频率准确度（频率精度）,振荡器在规定条件下，实际振荡频率f与要求的标称频率fosc之间的偏差。,绝对频率偏差:,相对频率偏差:,3.3 LC振荡器的频率稳定度,振荡器的性能指标：频率和振幅的准确度与稳定度,绝对频率准确度：,2、频率稳定度,定义为在规定时间间隔内，振荡频率的相对变化量(频率准确度

9、)的最大值。,分类：,短期频率稳定度定义：,其中：,例：某一振荡器在一天， ，则该振荡器的频率稳定度为：,3.3.1 提高频率稳定度的基本措施,1、频率稳定度的定性分析,主网络相移,反馈网络相移,谐振网络相移,三极管相移,根据相位平衡条件，在振荡角频率点，,LC谐振回路的谐振频率0的变化对振荡频率的影响,当0产生0的变化时，,wosc产生的变化为wosc ，且： wosc= 0,谐振回路的品质因素Qe的变化对振荡频率的影响,当Qe产生Qe的变化时， Qe= Qe+Qe Qe ，wosc产生的变化wosc,对于e e woscosc，即： e越大，由Qe变化引起的振荡频率变化越大。,wosc,w

10、,Qe,z(w), e,w0,- e,wosc,- e,Qe,wosc,wosc,o,Qe Qe, e的变化对振荡频率的影响,当e产生 e的变化时， wosc产生的变化wosc,对于Qe Qe ，wosc1osc1， 即：Qe越大，由e变化引起的振荡频率变化越小。,wosc1,w,Qe,z(w), e,w0,- e,Qe,wosc2,o,Qe Qe,wosc1,wosc2,e,e, e的变化对振荡频率的影响,对于 e e ， osc1 osc2， wosc1 wosc2，即：e越大，由e变化引起的振荡频率变化越大。,wosc1,w,Qe,z(w), e,w0,- e,- e,Qe,wosc2,

11、o,Qe Qe,wosc1,wosc2,e,e,2、提高频率稳定度的措施减小外界因素变化 影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度、湿度及大气压力、电源电压、周围电磁场、负载不稳定等。提高振荡回路的标准性 振荡回路的标准性是指振荡回路在外界因素变化时保持振荡频率不变的能力。,措施： 采用参数稳定的回路电感器和电容器，减小L 和C。 采用温度补偿法。 减弱谐振回路与管子之间的耦合，提高Qe值。,3.3.2 改进型电容三点式振荡器 与晶体管的内部参数(Goe、Gie、Coe、Cie)有关，而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。不管是调节C1还是C2来改变振

12、荡频率，都将引起反馈系数和接入系数的变化，导致输出幅度和放大器增益的变化。,克拉泼振荡器,克拉泼(Clapp)振荡器： 这种电路就是在谐振回路中串接一个可变的小电容器C3，所以又叫做串联型电容三点式反馈振荡器。,采用电容三点式的分析方法,可见，g只取决于L、C3，而与C1、C2基本无关。于是可以增加C1、C2(不必减小电感L)以减小晶体管极间电容对频率的影响，提高了频率稳定度，改变C3即可改变振荡频率而不影响反馈系数，改变C1、C2可调节反馈系数而不会影响振荡频率。,克拉泼振荡器提高了频率稳定性，但存在的问题是当增大C1和减小C3时引起振荡幅度下降，难于起振。 解决这一矛盾，可以保持C3不变，

13、而在电感L两端并联一个小的可变电容，用以改变振荡频率。这就是西勒(Seiler)振荡器。因为C4与L并联，所以又称为并联型电容三点式振荡器。,西勒振荡器的原理图,由于C1、C2远小于C4，所以回路电容,电路特点：具有克拉泼振荡器频率和反馈系数独立的优点，频率基本上仅由C3和C4及L决定；调节C4时不影响电路增益，输出幅度稳定。,频率稳定度,复 习,用工程估算法求起振条件,用工程估算法求起振条件,1、将闭合环路断开，画出开环等效电路,2、求出谐振回路的固有谐振角频率，并令,3、将谐振回路各部分的电导折算到集电极，分别求放大器谐振时的增益和反馈系数，即得到起振条件。,频率稳定度,定义为在规定时间间

14、隔内，振荡频率的相对变化量(频率准确度)的最大值。,3.4 晶体振荡器,3.4.1 石英谐振器的电特性,石英晶体谐振器是利用石英晶体（SiO2）的压电效应制成的一种谐振器。,图3-4-2 石英谐振器的等效电路（a）电路符号 （b）完整的等效电路 （c）基频等效电路,Lq1,Cq1,rq1,Lq3,Cq3,rq3,Lq5,Cq5,rq5,Lq,Cq,rq,C0,泛音频率,谐波：与基频是整数倍关系，且谐波与基波同时并存。泛音：是在基频的奇数倍附近，且两者不能同时并存。,晶体的动态电感Lq很大，而动态电容Cs很小，且远小于静态电容C0，同时，rq很小，一般为几欧姆至十几欧姆。所以石英晶片的品质因素Q

15、值很高,忽略rq的影响，晶体回路的等效电抗为：,电抗-频率特性,当X=0时，回路发生串联谐振，谐振频率为：,当X=时，回路发生并联谐振，谐振频率为：,因为C0Cq，所以晶体的两谐振频率fs与fp非常接近。,石英谐振器的电抗-频率特性,w,实际使用时，晶体两端并接电容CL，相应的并联谐振频率由fp减小到fN,石英谐振器的标称频率,fs fN fp,Lq,Cq,rq,C0,3.4.2 晶体振荡电路,用晶体构成振荡器，按晶体在振荡电路中应用方式的不同可分为两大类：,并联型晶体振荡器,串联型晶体振荡器,-振荡频率设计在fs 与fp 之间，使晶体呈感性，作为三点式振荡回路的电感。,-振荡频率设计在fs上

16、，晶体呈纯阻性，在电路中起交流通路作用，是短路元件。,一、并联型晶体振荡电路,C-b型电路(皮尔斯电路),b-e型电路（密勒电路）,(1) 皮尔斯振荡器,CT是晶体的串联微调电容，用于微调晶体的工作频率。,Lq,Cq,rq,(2) 密勒振荡器,L1、C1组成并联谐振回路，其谐振频率应调谐到高于晶体的并联谐振频率，使谐振回路在晶体的工作频率上(晶体的工作频率仍在fs与fp之间)呈现为感性，构成电感三点式振荡器。,2、串联谐振型晶体振荡电路,串联型晶体振荡器,3、泛音晶体振荡电路,利用晶体泛音工作，可以近似奇数倍的提高振荡器的工作频率。,例：设晶体的基频为1MHz，若要得到五次泛音晶振荡，问回路参

17、数如何设置？,分析：对于五次泛音频率，LC呈容性，晶体显感性时，电路满足振荡条件，可以振荡。而对于基频和三次泛音，LC呈感性，电路不符合三点式组成原则，不能振荡。,（1） 导前移相电路,2、相移网络,3.5 RC正弦波振荡器,1、定义：采用RC电路作为移相网络的振荡器。,（2） 滞后移相电路,（3） 串并联移相电路,（1） 导前移相电路,幅频特性：,相频特性：,（2） 滞后移相电路,幅频特性,相频特性,（3）串并联选频电路,幅频特性,相频特性,3、RC移相振荡器,移相网络由三节RC导前网络组成。提供180相移，放大器提供180相移。,振荡频率：,振幅条件：,4、文氏电桥振荡器,移相网络由串并联

18、选频网络组成。提供0相移，放大器提供0相移。,振荡频率：,振幅条件：,3.6 负阻正弦波振荡器,定义：用负阻器件与LC谐振回路共同构成的正弦波振荡器。,3.6.1 负阻器件,增量电阻为负值的电子器件。,电压控制型负阻器件,平均功率：,直流功率,交流功率,负号表示器件消耗的是负交流功率，即器件向外输出交流功率。这说明负阻器件的负阻区具有将直流功率的一部分转换为交流功率的作用。,平均负增量电导-gn(av),其中，Im1指增量电流的基波分量的振幅； Vm指输入电压的振幅。,电流控制型负阻器件,iD,uD,A,B,Q,I2,IQ,I1,实用中，隧道二极管具有电压控制型负阻器件特性；单结晶体管、雪崩管

19、具有电流控制型负阻器件特性。,3.6.2 负阻振荡原理及其电路,分类：,串联型负阻振荡器：电流控制型负阻器件与LC回路相串联。,并联型负阻振荡器：电压控制型负阻器件与LC回路相并联。,电路微分方程为：,式中：,负阻振荡器的振幅起振条件：,振幅平衡条件：,振幅稳定条件：,式中：,振幅起振条件：,-rn(av),re0,振幅平衡条件：,振幅稳定条件：,1、由负阻器件和LC选频网络两部分组成。,负阻振荡器的判断方法,2、建立合适的静态工作点，使负阻器件工作于负阻区,并且在起振时gn(av)ge0（rn(av)re0）。,3、负阻器件应与LC谐振回路正确连接。电压型负阻器件应与并联谐振回路相并联联接，

20、电流型负阻器件应与串联谐振回路相串联联接。,电压控制型负阻振荡器实用电路,VDD、R1和R2提供隧道二极管的直流供电电路，提供静态工作点UQ。C1是高频旁路电容。L和C是谐振回路的电感和电容。,本章小节,一般来说，正弦波振荡电路由四部分组成：放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。 注意起振条件、平衡条件和稳定条件。LC振荡电路的选频网络由电感L和电容C组成，三点式判断法则。 石英晶体振荡器相当于一个高Q值的LC电路，具有很高的频率稳定性。,本章小节,RC振荡电路的选频网络由电阻R和电容C组成，其振荡频率与RC成反比。 负阻振荡器由负阻器件和LC谐振回路组成，分为并联型和串联型。频率稳定度是振荡器非常重要的技术指标之一。 频率稳定度按时间间隔分为长期、短期和瞬时频率稳定度。,