通信电子线路(邱健)第三章正弦波振荡器.ppt

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1、第三章 正弦波振荡器,3.1 反馈振荡器的工作原理3.2 LC正弦波振荡器3.3 LC振荡器的频率稳定度3.4 晶体振荡器3.5 RC正弦波振荡器3.6 负阻正弦波振荡器3.7 寄生振荡与间歇振荡,第一节 反馈振荡器的工作原理,一、变压器反馈式LC振荡电路,在调谐放大电路的基础上加入正反馈电路。,其振荡原理：通电瞬间-Ib-Ic-经选频网络-某一频率正弦波-经正反馈作用后，正弦波的信号越来越大-最后达到稳定的幅度输出。,这种通电后自动进入稳幅状态的为软激励。若靠手碰基极后自动进入稳幅状态的为硬激励。,第一节 反馈振荡器的工作原理,二、平衡和起振条件,环路增益为：（在X处拆开）,若某一频率满足V

2、fVi，其中包括了幅度和相位都相等，此时电路将输出osc的正弦波。,定义得到：,第一节 反馈振荡器的工作原理,三、稳定条件,1、振幅稳定条件,当T(osc)1时，对应的A、B点均称为平衡点。但意义不同。,B点为不稳定点：Vi T(osc)；,A点为稳定点：此时，Vo Vo，说明环增益随着Vi的上升而下降，使输出的幅度在A点附近稳定。,第一节 反馈振荡器的工作原理,三、稳定条件,结论：A点的斜率为负值，该点为稳定的工作点。,曲线越陡峭，则振幅越稳定。,第一节 反馈振荡器的工作原理,三、稳定条件,2、相位稳定条件,为了实现正反馈，所以在满足振荡的相位条件为：T(osc)=2n(n=0,1,2),由

3、振幅稳定的分析可以得到，若相频特性曲线的斜率为负值，可以得到振荡频率是稳定的。,并联谐振回路的相频特性曲线满足这一个要求，而且Qe上升，频率稳定性越好。,第二节 LC正弦波振荡器,一、三点式振荡电路,1、电路的组成法则,三个电极与谐振回路的三个引出端相连接。而且与e极相连的为两个同性质电抗，而另一个异性质电抗分别与b、c两极相连。,在实际电路中，其电抗可以是由L、C串联串并联组成。只要满足在振荡频率点上可以等效为感抗或者容抗便可。,第二节 LC正弦波振荡器,一、三点式振荡电路,根据简图可以得到关系式：,当rbeX2时，可以得到近似。而且在谐振时，代入关系式：,为了要形成正反馈(为了满足相位平衡

4、的条件），Vf就必须与Vo反相，所以可以得到X1和X2就必须为同性质的电抗。,第二节 LC正弦波振荡器,一、三点式振荡电路,在这里必须注意的是忽略管子的输入和输出阻抗的存在。它们的存在还会产生附加的相移。,第二节 LC正弦波振荡器,电感三点式,电容三点式,第二节 LC正弦波振荡器,二、电容三点式电路（考毕兹电路）,1、电路形式RB1、RB2和RE为分压式偏置电路；保证起振的工作在放大区。,2、电路工作特点,接通电源后，振幅不断在增大；随后进入非线性放大区，增益随着反馈幅度增大而下降，而且自偏压作用加速了增益的下降。,第二节 LC正弦波振荡器,二、电容三点式电路（考毕兹电路）,2、电路工作特点自

5、给偏压,随着振幅的不断增大，最终使波形失真，且波谷被削平，而造成了IC和IB的平均值增大，,可以推出相应的VB减小，VE增大，从而造成了VBE减少，即趋向于截止。导致了放大器的增益进一步下降。,第二节 LC正弦波振荡器,二、电容三点式电路（考毕兹电路）,3、电路分析I 电路画出交流等效电路形式。,在断开点把原电路的参数均表示出来。,第二节 LC正弦波振荡器,二、电容三点式电路（考毕兹电路）,Z3,Z1,Z2,第二节 LC正弦波振荡器,二、电容三点式电路（考毕兹电路）,II 起振条件：A 相位条件：T(osc)=B=0满足：,B 幅度条件（gmA）,工程估算时：,其中，,第二节 LC正弦波振荡器

6、,二、电容三点式电路（考毕兹电路）,由起振条件中可知：Av(osc)kfv1反馈系数kfv(=n)大，应有利于满足上述条件。但是也必须注意到n的增大，gi折算到谐振回路两端为n2gi，则变得更大，回路的增益表示为：,明显可以看到Av(osc)会下降，也不利于起振。所以，n的取值应该适中。,III 谐振角频率,第三节 LC振荡器的频率稳定度,一、影响频率稳定度的因素,所以，0、Qe和f 均会影响频率的稳定度。,1、0的不稳定的原因与温度等外界因素有关。如温度变化、三极管的结电容变化，引起0的变化。且osc0,另外在此可以看出，为了满足相位平衡的关系，所以并联谐振网络的振荡频率osc 0,osc为

7、并联谐振网络的真正振荡角频率。,第三节 LC振荡器的频率稳定度,一、影响频率稳定度的因素,2、外界因素变化引起负载和管子参数变化，则引起有载Qe变化，相频曲线特性曲线也变化，f 曲线也发生上下平移。a、增加Qe，相频曲线变陡峭；b、如果f 越大osc osc,3、同样外界因素引起产生f 的变化，那么此时f 的变化所引起频率的变化与Qe和f 的大小有关。a、f 越大，引起频率的变化量也越大。b、Qe越大，频率变化越小。,Qe,f,第三节 LC振荡器的频率稳定度,一、影响频率稳定度的因素,换句话说，1、当Qe相同，而f 不同时即f2 f1,osc2 osc12、f 相同时，Qe不同 osc1 os

8、c1 osc2 osc2,f,第三节 LC振荡器的频率稳定度,二、提高频率稳定度的基本措施,1、减小外界因素的影响 恒温、恒压、采取密封工艺、屏蔽及加入隔离电路等。2、提高振荡回路标准性 振荡回路标准性的定义（P140）,（1）减小L和C及分布参数和管子极间电容。（2）温度补偿（3）在高频电路，注意缩短引线，采用贴片工艺。（4）改进电路和采用部分接入法，提高Qe的值。,第三节 LC振荡器的频率稳定度,三、克拉拨振荡电路,1、电路结构特点属于电容三点式电路的改进型。,在电感支路串入一个容量比较小的电容C3(C1和 C2),2、电路分析,根据P135例2对克拉拨电路的起振条件进行分析，把RL(RL

9、/Re0)折算到管的集电极之间的等效电阻。,第三节 LC振荡器的频率稳定度,三、克拉拨振荡电路,注意：1、此时RL比RL要小，环路增益下降。在设计电路时要考虑此影响。2、因为C3 C1和 C2，所以可以近似谐振角频率为：,即从此式可以看出频率的稳定度得到提高。管子的结间电容的影响减小。一般频率的稳定度可以达到10-410-5,第四节 晶体振荡器,一、石英振荡器结构、等效电路及参数1、结构特点（P142）利用石英晶片的机械形变和两电极电场强度的相互转换的压电效应。将石英谐振器接到振荡器的闭合环路中，利用它的固有谐振频率，能有效的控制和稳定振荡频率。,2、交流等效电路可以工作在基频，也可以在奇次谐

10、波的泛音振动。C0：静态电容Qq：105Lp和Cp为等效电抗,第四节 晶体振荡器,3、晶体的阻抗特性,根据晶体的交流等效电路（认为rq0忽略），得到：,串联谐振角频率,并联谐振角频率,容性,感性,第四节 晶体振荡器,3、晶体的阻抗特性,并联谐振和串联谐振相差很小。,在实际电路中，还接有几十皮法的负载电容，CL，则此时的并联谐振频率为：,第四节 晶体振荡器,二、晶体振荡电路,1、并联型晶体振荡电路（皮尔斯）,晶振等效为电感元件；若晶振以电抗元件形式存在，为并联型。,第四节 晶体振荡器,二、晶体振荡电路,频率微调,工作在奇波，组成泛音振荡。LC1的谐振频率低于泛音振荡频率，而满足电容三点式。,第四

11、节 晶体振荡器,二、晶体振荡电路,引入温度补偿，提高频率稳定度,第四节 晶体振荡器,二、晶体振荡电路,2、串联型晶体振荡电路,晶振此时等效为短路线。,第五节 RC正弦振荡器,一、RC移相电路,由RC电路组成的滤波电路，主要是考虑了幅频特性。但同时RC电路的相频特性曲线也是非常重要的。利用RC电路作移相网络的振荡电路统称为RC正弦波振荡器。,第五节 RC正弦振荡器,二、相移振荡电路,通过推导可以得到：,第五节 RC正弦振荡器,二、相移振荡电路,若电路处于振荡时，虚数部分为零，得到式子：,1、振荡频率,2、当 osc时，代入上式，且按起振条件T(j)1，得到幅度起振条件：,第五节 RC正弦振荡器,

12、三、文氏电桥振荡器,电路具有正、负反馈网络，其中正反馈网络具有选频作用。,Z1,Z2,代入整理后得到：,选取 时，,第五节 RC正弦振荡器,三、文氏电桥振荡器,因此，当 0时，正反馈达到最大，即kf1/3。此时满足正反馈的相位条件。而电路的环增益为：,满足起振条件得到：,若Rt/R12时，会出现严重非线性失真。Rt为具有负温度系数的热敏电阻。使电路进入平衡状态。在实际电路中也可采用限幅电路，保证振荡输出减小非线性失真。,第六节 负阻正弦波振荡,一、负阻器件的简介,负阻器件与LC谐振回路共同组成正弦波振荡器。工作频率在100MHz以上，一般采用隧道二极管。工作频率在几十GHz时，采用微波半导体负

13、阻器件。,二、负阻器件的分类,1、电压控制型（隧道二极管）一个电压值只对应一个电流值，且一个电流值对应一个以上的电压值。,2、电流控制型（单结晶体）一个电流值只对应一个电压值，且一个电压值对应一个以上的电流值。,电压型,电流型,第六节 负阻正弦波振荡,三、负阻器件构成的振荡电路,1、负阻器件性能特点分析（1）负阻器件时指它的增量电阻为负值的器件。其伏安特性曲线中的AB段，呈现为负斜率变化的负阻区。,（2）在工作点附近，其增量电导gn为常数，在大范围内gn则不是常数。当Vi较小时，iD电流失真较小。当Vi较小，iD电流失真较大，出现凹陷。引入平均负增量电导：gn(av)基波电流幅值/Vm,第六节

14、 负阻正弦波振荡,三、负阻器件构成的振荡电路,（3）器件上平均功率计算，（小信号电压，而且不考虑失真）,可以看出，负阻器件总消耗直流功率，且具有把部分功率转换为交流功率的作用。,第六节 负阻正弦波振荡,三、负阻器件构成的振荡电路,2、负阻振荡原理电路中，只要回路中的Qe 0C/ge 1/2,一旦受到冲击，并联谐振回路中的电磁能交替转换，构成振荡。而且满足gege0 gn(av)为负值时，则振幅按照指数增长，与此同时，gn(av)减小，最后维持平衡，达到稳幅。,其中，,回路方程：,可求得：,第六节 负阻正弦波振荡,三、负阻器件构成的振荡电路,3、起振条件P152推导起振过程：得到起振条件：ge0

15、 gn(av)平衡条件：ge0 gn(av),4、谐振频率,第六节 负阻正弦波振荡,三、负阻器件构成的振荡电路,3、由隧道二极管组成的振荡电路,VDD、R1和R2为TD提供直流电源和合适的工作点。C1为高频旁路电容。工作点定在Q点，若直流负载线取得不合理，则可能出现Q和Q”。该两点会导致振荡器停振。,第七节 寄生振荡和间歇振荡,1、寄生振荡：由电路某些集总参数和分布参数构成的闭合环路，在满足振荡条件下自引产生的振荡现象。,防止和消除寄生振荡：,首先在安装时必须考虑合理的工艺结构，尽量减少寄生参量，保持参量的稳定；其次应采用退耦电路，在较大电容处并上一个较小的电容；有时在振荡管的基极或发射极串入个小电阻或在发射结之间接一个小电容就可能消除超高频寄生振荡。,寄生振荡波形,第七节 寄生振荡和间歇振荡,2、间歇振荡：振荡器起振后，振荡振幅迅速增长，单偏置电压的变化还来不及跟着振荡变化，由于惰性的作用，偏置电压继续向负方向增长，使振幅减小，直到停振。,