通信电子线路第三章.ppt

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1、第 3 章 正弦波振荡器,概 述,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,概 述,1.与功放的比较(从能量角度),(1)功率放大器：在输入信号控制下，把直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。,(2)正弦波振荡器(Sinewave Oscillator)：不需要输入信号控制，自动地将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。,2.正弦波振荡器的应用,(1)无线发射机中的载波信号源，超外差接收机中的本振信号源，电子测量仪器中的正弦波信号源，数字系统中的时钟信号源。,要求：振荡频率和

2、振幅尤其是振荡频率的准确性和稳定性。,(2)高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。,要求：高效产生足够大的正弦交变功率，对振荡频率的准确性和稳定性不作过高要求。,本章只讨论前一类用途的振荡器,3.分类(按组成原理),反馈振荡器：利用正反馈原理构成，应用广泛。,负阻振荡器：负阻器件接到谐振回路中，利用负电阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。这类振荡器主要工作于微波段。,3.1 反馈振荡器的工作原理,1.电路组成,由主网络和反馈网络构成的闭合环路。,例：变压器耦合反馈振荡器(交流通路),(1)主网络负载为谐振回路的谐振放大器,(2)反馈网络与 L 相耦合的线圈 Lf。,2.工作原理,

3、讨论该闭合环路产生等幅持续振荡的条件。,(1)刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程；,(2)进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。,(3)当外界不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。,闭合环路成为反馈振荡器(Feedback Oscillator)的三个条件：,(1)起振条件保证接通电源后从无到有地建立起振荡。,(2)平衡条件保证进入平衡状态后能输出等幅持续振荡。,(3)稳定条件保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏。,3.1.1 平衡和起振条件,一、平衡条件,将闭合环路在处拆开，并按所标极性定义它的环路增益为,(3-1-1),则当环

4、路闭合后：,因而式(3-1-1)即为振荡器的平衡条件。,令,则平衡条件改写为：,(1)振幅平衡条件：环路增益的模,(2)相位平衡条件：环路增益的相角,(n=0，1，2，),(1)在刚接通电源时，电路中的各部分存在着各种电的扰动，这些扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)具有很宽的频谱。,(2)谐振回路具有选频功能，只有角频率为 o 的分量(osc 0)才能在谐振回路两端产生较大的电压。,二、起振条件,若说明等幅持续振荡能否在接通电源后从无到有地建立起来，还需讨论起振条件。以变压器耦合反馈振荡器来说明。,可见，振荡器接通电源后，能够从小到大地建立起振荡的条件是：,(1)振幅起振条件：,(2)相

5、位起振条件：,或,(n=0，1，2，),这就是反馈振荡器的起振条件。,三、讨论,1.起振过程,作为反馈振荡器，既要满足起振条件，又要满足平衡条件。为此：,即电源接通后，环路增益的模值,必须具有随振荡电压振幅,增大而下降的特性(如图)。而环路增益的相角,则必须维持在,上。,2.实现方法,环路中必须包含非线性环节，多由主网络放大器的非线性放大特性实现的。,例如：变压器耦合反馈振荡器，刚通电时，Vi 很小，放大器小信号工作，增益较大，相应的 为大于 1 的水平线。,具有负斜率,3.1.2 稳定条件,一、问题的提出,1.振荡电路中存在干扰,(1)外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变

6、化。,(2)内部：振荡电路内部存在固有噪声(起振时的原始输入电压,进入平衡后与输入电压叠加引起波动)。,2.平衡状态的稳定,(1)通过放大和反馈的反复循环，振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的。,(2)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。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。,在稳定的平衡状态下，振荡器的振荡振幅和频率虽会受到干扰的影响而稍有变化，但不会导致停振或突变。所以，为了产生等幅持续振荡，振荡器还必须满足稳定条件，保证所处平衡状态是稳定的。,二、振幅稳定条件,图示增益特性环路，不仅满足起振和振幅平衡条件，而且还满足

7、振幅稳定条件。,1.稳定过程,具有负斜率,2.环路增益存在两个平衡点的情况,如右图所示，振荡器存在着两个平衡点 A 和 B，其中 A 是稳定的，B 点是否稳定呢？,才能进入平衡点 A，产生持续等幅振荡。,硬激励：靠外加冲击而产生振荡。,软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。,3.振幅稳定条件,0,三、相位(频率)稳定条件,(1)相位平衡条件,(n=0，1，2，)，表明每次放大和反馈的电压与原输入电压同相。,(3)反之，若某种原因使,0，则由于每次放大和反馈后的电压相位都要滞后于原输入电压相位，因而振荡频率将低于,。,2.相位(频率)稳定的讨论,由于,两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原

8、振荡频率附近,达到新的平衡，使。,(2)若某种原因使，,导致振荡频率,随之增大，,滞后势必受阻。,原振荡频率 osc，,3.平衡过程：,4.相位稳定条件,的变化，干扰引起的频率波动就越小。,5.例：说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件,的相移,(1)放大器输出电压,对输入电压,的相移,(2)反馈网络反馈电压,对,即,谐振频率,有载品质因数,可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，,且,，,随 的变化斜率越大，频率稳定度越高。,3.1.3 基本组成及其分析方法,总之，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振条件、平衡条件和稳定条件，缺一不可。,1.闭合环路

9、组成,(1)可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。,2.种类,根据可变增益放大器和相移网络的不同可实现多种反馈振荡电路,(1)可变增益放大器,按放大管,晶体三极管放大器,场效应管放大器,差分对管放大器,集成运算放大器等,按实现可变增益的方法,内稳幅(Self Limiting)：利用放大管固有的非线性,外稳幅(External Limiting)：放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。,(2)相移网络具有负斜率变化的相移,LC 谐振回路,RC 相移和选频网络,石英晶体谐振器,3.分析方法,反馈振荡器是包含电抗元件的非线性闭环系统，借助计算机可对其进行近似数值分析。

10、但工程上广泛采用下述近似方法。,(1)首先检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。,(2)其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出 T(j)，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。,若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。,(3)最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。,作业,3.2 LC 正弦波振荡器,3.2.1 三点式振荡电路,一、电路组成法则,图中是两种基本类型三点式振荡器的原理电路(交流通路)。,LC 正弦波振荡器：采用 LC 谐

11、振回路作为相移网络的振荡器,种类：变压器耦合振荡电路 三点式振荡电路和差分对管振荡电路。,2.(b)为电感三点式，反馈电压取自 C 和,组成的分压器。,3.组成法则：交流通路中，三极管的三个极与谐振回路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个同性质电抗，接在集-基间的为异性电抗。,可证，按此方式连接的三点式振荡电路，必定满足相位平衡条件，实现正反馈，可根据该组成法则，判断三点式振荡电路的连接是否正确。,二、三点式振荡器电路,1.电容三点式,(1)电路,图中:,集电极直流负载电阻，,输出负载电阻，,(2)两种电路的区别,(3)组成,可变增益器件 三极管 T,发射极：为两同性质的容性电抗，集

12、-基：感性电抗。组成法则满足。,相移网络 并联谐振回路,(4)讨论 起振与平衡,T 为可变增益器件，偏置电路设置合适的静态工作点同时，随 的增大产生自给偏置效应，加速放大器增益的下降。,以图(b)为例来说明，画出其直流偏置电路。,起振时，加在发射结上的偏置电压即为静态偏置电压：,减小，所以，振荡振幅增大时，加在发射结上,的偏置电压将自静态值向截止方向移动，导致放大器增益即环路增益进一步下降，从而进一步提高了振荡振幅的稳定性。,2.电感三点式振荡器电路,(1)电路与元件作用,(2)电路区别共射、共基,(3)组成法则判断,三、电容三点式振荡电路的起振条件,1.等效电路（3-2-2b）,(1)改画电

13、路,断点左面加环路的输入电压 Vi(j),断点右边接入自断点向左看进去的阻抗 Zi,Re0 L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻，是由 L 的固有损耗电阻 r 引起的，(见附录)。,回路的固有品质因数。,(2)用混合 型等效电路表示,时，忽略,由图可见，在 处呈现的输入阻抗,其中,Z3,Z1,Z2,令,且设,则反馈电压 Vf(j)为：,(Z1、Z2 串与 Z3 并),所以,(3-2-1),(3-2-2a),其中,式中，,式中，,谐振时满足虚部为0，即B=0,起振时满足T(osc)1(gm A),可求得三点式振荡器的相位起振条件为,(3-2-3),振幅起振条件为,(3-2-4),讨论:,1

14、.振荡角频率 osc,振荡频率 osc 由相位起振条件决定，解(3)求得,(3-2-5),式中，,LC回路总电容,固有谐振角频率。,osc 与 0(LC)有关，还与 gi(Ri)、gL(Re0、RL)有关，且 osc 0。,在实际电路中，一般满足,工程估算时，,osc 0=,(3-2-6),2.振幅起振条件,工程估算时，令=osc 0，代入(4)式，,设,(3-2-7),n 为电容分压比，上式改写为,gm,(3-2-8a),(3-2-4),或,(3-2-8b),若 gi,，则由图可见，n2gi 便是 gi 经电容分压器折算到集电极上的电导值。,因而回路谐振时集电极上的总电导为(,+n2gi)，

15、gm 除以这个总电导就是回路谐振时放大器的电压增益Av(0)*，而 n 则是反馈网络(C1、,组成)的反馈系数kfv，这样(8b)又可表示为,Av(0)kfv 1,上式表明，要满足振幅起振条件，应增大 Av(0)和 kfv。,增大 kfv(=n)，n2gi 增大必将造成 Av(0)减小；反之，减小 kfv，虽然提高 Av(0)，但也不能增大回路增益 T(0)。因此，要增大 T(0)，n 取值应适中。,提高 ICQ，可以增大 gm，从而提高 Av(0)，但不宜过大，否则，gi(1/re=gm/)会过大，造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取(1 5)mA。,结论：若选用振荡管，

16、其 fT 大于振荡频率 5 倍以上，RL 又不太小(1 k)，且 n(两电容)取值适中，一般都满足起振条件。,若图3-2-3(b)所示闭合环路在基极处开断，三极管接成共发组态。,图中,用工程估算法将,和。,折算到集射极间的计算,闭合环路不论何处断开，它们的振幅起振条件都是一样的。不过，断开点不同，放大器的组态和反馈网络的组成就不同，相应的放大器增益和反馈系数也就不同。,四、用工程估算法求起振条件(可大大简化起振条件的分析),1.将闭合环路开断，画出开环等效电路。,2.求出固有谐振频率，并令,3.将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。,3.2.

17、3 举例,例 1：判断图示交流通路能否满足相位平衡条件？,解：若 L、C3 串联支路呈感性，判断电路组成法则满足否？,满足符合相位平衡条件,该支路谐振频率,，当 3 时，L、C3 串联支路呈感性。,例 2：请同学自学。,解：已知串、并联谐振回路在忽略回路损耗时电抗特性曲线如图(b)、(c),1.若构成电容三点式电路,回路呈容性失谐，回路感性失谐,容性失谐：f0 f01,f0 f02,感性失谐：f0 f03,2.若构成电感三点式电路,回路呈感性失谐，,回路容性失谐,感性失谐：f0 f01,f0 f02,容性失谐：f0 f03,作业：,3.3 LC 振荡器的频率稳定度,(1)定义：频率稳定度又称频

18、稳度，指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。,(2)种类,按规定时间的长短不同，频稳度可分：,长期频稳度：一天以上乃至几个月内因元器件老化而引起的频率相对变化量。,短期频稳度：一天内因温度、电源电压等外界因素变化而引起的频率相对变化量。,瞬时(秒级)频稳度：电路内部噪声引起的频率相对变化量。,通常指短期频稳度。,(3)表式,若将规定时间划分为 n 个等间隔，各间隔内实测的振荡频率分别为，则当振荡频率规定为(标称频率)时，短期频稳度的定义为,式中，为第 i 个时间间隔内实测的绝对频差。,为绝对频差的平均值，称为绝对频率准确度。越小，频率准确度就越高。,(4

19、)对频稳度的不同要求,提高频稳度的基本措施,首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。,一、频稳度的定性分析,1.振荡频率的图解,由相位平衡条件,即,说明：(1)主要取决于并联谐振回路的相移，它在谐振频率附近随 的变化十分剧烈；,(2)随 的变化相对地要缓慢的多，可近似认为它与频率无关的常数，用 表示。,得：,2.影响振荡频率 的参数,由,知：影响振荡频率 的参数是。因此，讨论频稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡,频率变化的影响。,(1)若谐振回路的 L 和 C 变化，使谐振频率 产生 的变化，则 曲线沿横坐标轴平移 曲线形状不变。可见，由此引起振荡频率的变化量实际就是回路谐振频率的变化量，

20、即，图(a)。,(2)若负载和管子参数变化，使谐振回路的 增加，则 曲线变陡。由 引起振荡频率的变化量与 大小有关。图(b),(3)若 产生，则 曲线形状不变，而交点移动。,引起振荡频率的变化 与 的大小有关。,3.讨论,提高 LC 振荡器频稳度的措施,减小、和，尤其是，为此必须减小外界因素的变化和 对外界因素变化的敏感度。,减小 和增大，目的是减小由、引起的振荡频率变化量。,二、提高频稳度的基本措施,1.减小外界因素的变化,外界因素：温度、湿度、大气压力、电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中尤以温度的影响最严重。,措施：减振、恒温、密封(湿度、大气压)、高稳定度电源、屏蔽罩、振荡器

21、与负载间播入跟随器。,2.提高振荡回路标准性,(1)标准性：振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能力。,标准性越高，就越小。,(2)与 的关系,将此式展开，忽略高阶小量，化简化为,(3)措施,此式表明，为提高回路标准性，必须减小 L 和 C的相对变化量。措施是，采用高稳定度的集总电容、电感，减小不稳定的寄生量及其在 L、C 中的比重，采用温度补偿。,采用温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且负温度系数值合适，可补偿正系数变化，使 大大减小。,缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。,增加 LC 总电容，减小管子极间电容在总电容中的比重，减小管子

22、输入和输出电阻及它们变化量对 的影响。,但，当频率一定时，增加电容势必减小回路电感，使固有品质因数 及 降低，不利于频稳度的提高。所以，增加总电容是有限度的。因此一般都串联电容，减小管子与回路间耦合的方法。如：clapp电路。,克拉泼(clapp)振荡电路,1.电路,2.特点,clapp 电路是电容三点式振荡器的改进型电路，与 电容三点式差别，仅在回路中多加了一个与、串联的电容。取值较小。满足，回路总电容取决于。,3.原理,不稳定电容是极间电容、。它们并联在、上，不影响，结果减小了不稳定电容对频率的影响，且 越小，影响越小，回路标准性越高。比电容三点式高一个数量级。,4.讨论,接入 后，虽反馈

23、系数不变，但接在 A、B 两端的电阻 折算到集电极间的数值 减小，,C1、2 是、极间电容的总和，因而环路增益减小。越小，环路增益越小。可见，在这种振荡电路中，减小 提高标准性是以牺牲环路增益为代价的。过小，就不会满足振幅起振条件，而停振。,3.4 晶体振荡器,用石英晶体谐振器控制并稳定高频振荡频率的振荡器称为晶体振荡（简称晶振）,3.4.1 石英晶体的电特性,2、石英晶体特点,1、结构及外形,3、符号及等效电路,具有压电效应,振荡频率稳定,振动的多谐性,4、串联谐振频率与并联谐振频率,根据输入信号的频率不同，石英晶体具有串联谐振特性和并联谐振特性：,等效为串联谐振时的串联谐振频率,等效为并联

24、谐振时的并联谐振频率,晶体的电抗频率特性曲线,3.4.2 晶体振荡电路,种类,1、并联型晶体振荡电路,2、串联型晶体振荡电路,一、并联型晶体振荡电路,1、基本原理：晶体工作在fs和fp之间，在电路中等效为电感，电路构成必须符合三点式法则。,2、电路形式：,皮尔斯(Pierce)电路，,密勒(Miller)电路,泛音晶体振荡器,分析：设晶体的基频为1MHz，为了获得五次(5MHz)泛音振荡,LC谐振频率在35MHz之间。对于五次泛音频率，LC呈容性，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。,二、串联型晶体振荡电路,1、基本原理：晶体工作在

25、fs上，等效短路元件。,2、电路形式：,串联型晶体振荡电路,3.5 RC正弦波振荡器,采用RC电路作为移相网络的振荡器统称为RC正弦波振荡器。主要工作在几十KHz以下的低频段。,一、RC移相网络,1.RC超前型网络,2.RC滞后型网络,3.RC串并联选频网络,二、RC振荡电路,1.RC超前型振荡器,构成：反相放大器+三节RC超前型网络,振幅起振条件：,振荡角频率：,2.RC滞后型振荡器,构成：反相放大器+三节RC滞后型网络,振幅起振条件：,振荡角频率：,3.RC串并联选频网络振荡器（文氏电桥振荡器）,构成：同相放大器+串并联选频网络,振幅起振条件：,振荡角频率：,要求Rt在起振过程中要由2R1=2R1,即要求Rt具有负温度系数。随着时间进行，电路温度上升，则Rt将减小，并最终达到平衡状态。,反馈式正弦波振荡器主要由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节组成。有LC、RC和晶体振荡器。振荡器必须满足振荡的平衡条件和起振条件及平衡稳定条件。LC振荡器分为变压器反馈式、电容三点式和电感三点式。常见的有改进型的克拉泼振荡器。石英晶体振荡器频率稳定性高。石英晶体振荡器有串联型和并联型两种。RC振荡器的振荡频率较低。常用的RC振荡器是文氏电桥振荡器，其振荡频率f01（2RC），只取决于R、C的数值。,总 结,