[信息与通信]正弦波振荡器.ppt
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1、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
2、,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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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(Colp
10、itts 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.,
11、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
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