第7章正弦波振荡器分析课件.ppt
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1、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 正弦波振荡器,声音,调幅发射机方框图,末级低频功放,末级高频功率放大,7.1 概述,超外差式接收机方框图,7.1 概述,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,反馈型R
2、C振荡器,本章主要介绍反馈型RC、LC振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。,石英晶体振荡器,7.1 概述,7.2 LCR回路中的瞬变现象,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。,图 7.2.1 LCR自由振荡电路,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。,7.2 LCR回路中的瞬变现象,图 7.2.1 LCR自由振荡电路,图7.2.1,S先放于1,C充电至V,S转换到2,则,上式微分,得,(7.2.1)
3、,称为回路的衰减系数。,称为回路的固有角频率。,图 7.2.4 22 时产生振荡电流的情形,7.2 LCR回路中的瞬变现象,称为回路的衰减系数。,7.2 LCR回路中的瞬变现象,如何维持回路产生等幅振荡,实际上,回路中总是有电阻存在的,因此为了维持回路产生等幅振荡,就必须不断地在正确的时间补充由于回路电阻所耗去的电能,这就需要采用有源器件与正反馈电路来完成这一任务。,7.3 LC振荡器的基本工作原理,1)一套振荡回路,包含两个(或两个以上)储能元件。在这两个元件中,当一个释放能量时,另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行,其频率决定于元件的数值。2)一个能量来源,补充由振荡回路电阻所产生
4、的能量损失。在晶体管振荡器中,这个能源就是直流电源。3)一个控制设备,可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失,以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。,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。,图 7.3.1 互感耦合调集振荡器,7.3 LC振荡器的基本工作原理,-,+,图 7.4.1 反馈振荡器方框图,7.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件,由图7.4.1,得,因此振荡条件为,反馈系数,或,(7.4.1),放大器的闭环增益为,(7.4.2),器变成了振荡器。,图 7.4.2 调集振荡器的交流等效
5、电路,7.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件,图 7.3.1 互感耦合调集振荡器,7.5 振荡器的平衡与稳定条件,7.5.1 振荡器的平衡条件,7.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件,7.5.1 振荡器的平衡条件,1、问题: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?,来自振荡器接通电源后产生的瞬变电流。,瞬变电流所包含的频带极宽,但由于谐振回路,的选择性,它只选出了本身谐振频率的信号。由于,正反馈作用,谐振频率信号越来越强,即形成稳定,的振荡。瞬变电流中所包含的其他频率被振荡电路滤,掉,不被放大,并逐渐消失。,振荡器起振后,振荡振幅便有小到大增长起来,当,7.5.1 振荡器
6、的平衡条件,它不可能无限制地增长,而是在达到一定数值后,自动,稳定下来。,7.5.1 振荡器的平衡条件,由上节可知,正反馈放大器产生振荡的条件:,式(7.5.1)没考虑电子器件的非线性。即假定,晶体管放大器是工作于小信号线性放大状态,放大器,的增益A0为常数。,事实上,放大器的增益A0是振幅的函数。因为由,于自给偏压的作用,振荡器起振后,随着振荡幅度的,不断增大,放大器便由线性工作的甲类状态迅速过渡,到非线性的甲乙类以至丙类工作状态。这时晶体管,就是非线性器件。,2、振荡器的起振条件和平衡条件,7.5.1 振荡器的平衡条件,2、振荡器的起振条件和平衡条件,起振后晶体管作为非线性器件的工作特点:
7、,需引入准直线性理论的平均放大倍数(或折合放,平均电压放大倍数:,负载谐振阻抗上的基波电压,(7.5.2),(7.5.3),7.5.1 振荡器的平衡条件,2、振荡器的起振条件和平衡条件,(7.5.2),(7.5.3),式(7.5.3)代入(7.5.2),得,(7.5.4),式中,为小信号线性放大倍数;,为余弦脉冲分解系数。,7.5.1 振荡器的平衡条件,2、振荡器的起振条件和平衡条件,(7.5.4),为余弦脉冲分解系数。,乙类工作状态,丙类工作状态,即振荡器在起振之后,随着振幅的不断增长,使,振荡管的工作状态逐渐向乙类以至丙类过渡,因而,A值也不断下降。,反馈系数F,完全是由无源线性网络所决定
8、的,比例系数,与振荡幅度的大小无关。,7.5.1 振荡器的平衡条件,2、振荡器的起振条件和平衡条件,要维持一定振幅的振荡,F应设计的比式(7.5.1),中的F大一些。一般取F=1/21/8,这样,就可以在,A0F1的情况下起振,而后随着振幅的增强A0就向A,过渡。直到振幅增大到某一程度,出现AF=1时,振,荡就达到平衡状态。,振荡器的起振条件为:,振荡器的平衡条件为:,(7.5.5),(7.5.6),式(7.5.6)中,,其中,,7.5.1 振荡器的平衡条件,2、振荡器的起振条件和平衡条件,振荡器的平衡条件为:,(7.5.6),将振荡器平衡条件分别用模和相角来表示,即,将模和相角分开,有,(7
9、.5.7),(7.5.8),振幅平衡条件:,相位平衡条件:,7.5.1 振荡器的平衡条件,2、振荡器的起振条件和平衡条件,振荡器的起振条件和平衡条件的另一种形式:,振幅平衡条件:,(7.5.13),相位平衡条件:,(7.5.14),为谐振回路的基波谐振阻抗。,实际上,,则,从而,7.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件,以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件,产生等幅振荡的平衡条件。,实际上,平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此,还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。,稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以下分别讨论
10、之。,1)振幅平衡的稳定条件,要保证外界因素变化时振幅相对稳定,就是要:当振幅变化时,AF的大小朝反方向变化。,图 7.5.2 软自激的振荡特性,图 7.5.3 硬自激的振荡特性,7.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件,(7.5.16),2)相位平衡的稳定条件,相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时,相位平衡能重新建立,且仍能保持相对稳定的振荡频率。,外部扰动,频率,相位,频率,7.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件,图 7.5.4 并联谐振回路的相频特性,2)相位平衡的稳定条件,7.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件,(7.5.21),放大电路,3)基本组成部分,正反馈网络,选频网络(选择满足相位
11、平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。),稳幅环节,稳定环节,从上面的讨论可知,要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡,必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件,它们是缺一不可的。因此,反馈型正弦波振荡器应该包括:,从 回到,7.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件,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,放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能,不同之处在于:放大器需要外加控制信号而振
12、荡器不需要。因此,如果将放大器的输出正反馈回输入端,以提供控制能量转换的信号,就可能形成振荡器。,如果由LC谐振回路通过互感耦合将输出信号送回输入回路,所形成的是互感耦合振荡器。,由互感耦合同名端定义可判知,反馈网络形成正反馈,满足相位平衡条件。如果再满足起振条件,就符合基本原理。,7.6.1 互感耦合振荡器,判断电路是否满足产生振荡相位条件的方法:切环注入法,1)在电路中某一个合适的位置(往往是放大器的输入,2)在断开处的一侧(往往是放大器的输入端)对地,端)把电路断开(用号表示)。,覆盖回路的谐振频率。,3)看经过放大器反馈网络之后转回到断开处的另一侧,某一频率满足自激振荡的相位条件(注意
13、这里是,实际方向),电路有振荡的可能。,图 7.3.1 互感耦合调集振荡器,7.6.1 互感耦合振荡器,为正反馈,图 7.6.1 互感耦合调基、调发振荡器电路,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,一般用于中短波波段。,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),如果正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路,所形成的是电感反馈式三端振荡器。L1两端电压大约是L2的25倍。,图 7.6.2 电感反馈式三端振荡器,电路的特点:,容易起振,变电容而不影响F。,调整频率方便,振荡波形不够好,高次谐波反
14、馈较强,波形失真较大。,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,严重时可使F减小到满足不了起振条件。其工作频率虽然可达到甚高频波段,但在甚高频波段里,优先选用的还是电容反馈振荡器。,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),图 7.6.3 电容反馈式三端振荡器,如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路,所形成的是电容反馈式三端振荡器。C2/C1取1/21/8较为适宜。,电路的特点:,变电容影响F,变电感不便。,调整频率不太方便,输出波形较好,高次谐波反馈较弱,波形接近正弦
15、波。,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。,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。,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,回顾LC三端式振荡器的基本电路,发现其电路结构存在一个规律:晶体管的集电极发射极(ce)之间和基极发射极(be)之间回路元件的电抗性质相同;它们与集电极基极之间(bc)回路元件的电抗性质相反。它具有普遍意义吗?下面就此证明。,为简便起见,我们假定谐振回路三个元件都是纯电抗,即,振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率,即,结论:,7.6.4 LC三
16、端式振荡器相位平衡条件的判断准则,三端式振荡器的构成法则:,例7.6.1:,7.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则,振荡器电路如图7.6.5所示,图中C1=100pF,图7.6.5,C2=0.0132F,L1=100H,L2=300H。,1)试画出交流等效电路;,2)求振荡频率;,3)用矢量图判断是否满足相位平衡条件;,4)求电压反馈系数F;,5)当放大器的电压放大系数A=(hfe/hie)R/p,hie=3k,回路有载品质因数QL=20时,求满足振荡条件所需hfe的最小值。,7.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则,图7.6.5,图7.6.6,例7.6.1:,解:1)交
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