《正弦波振荡器》PPT课件.ppt

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,一学时安排： 授课：14学时 实验： 4学时 1反馈振荡器的工作原理 1学时 2LC正弦振荡器 5学时 3LC振荡器的频率稳定度 2学时 4晶体振荡器 1学时 5RC正弦振荡器 1学时 6寄生振荡器、间歇振荡器和频率占据 1学时 7习题课 2学时 8LC电容反馈式三点式振荡器实验 2学时 9石英晶体振荡器 2学时,二授课方式，课堂教学为主。 三重点、难点 1重点讨论反馈振荡器的工作原理，起振条件，平 衡条件和稳定条件。 2以LC正弦波振荡器为主，分析电路的组成，简化 起振条件。难点在于如何确定画出交流等效电路， 并据此确定起振条件。 3LC振荡器的频率稳定度分析，重点讨论克拉泼振 荡电路。 4晶体振荡电路的组成及工作原理。 各种振荡器振荡频率的计算公式。,四教学内容及要求 要求学生了解反馈振荡器的工作原理，起振条件、平衡条件，稳定条件。掌握三点式振荡器的电路组成原则，振荡频率计算，起振条件的确定方法，交流等效电路的画法。了解晶体振荡器RC振荡器、负载振荡器的组成及工作原理。了解寄生振荡、间歇振荡和频率占据的概念。了解提高LC振荡器频率稳定度的基本措施。,五.教学方法 首先回顾反馈的概念，由此引出反馈振荡器的工作原理，然后分别讨论振荡器的平衡条件，起振条件及稳定条件，重点介绍三点式振荡器的组成法则，分析方法，振荡频率的稳定度。改进型电路克拉泼振荡电路。最后简单介绍晶体振荡器振荡器的电路组成、振荡原理，简单介绍寄生振荡器、间歇振荡器和频率占据产生的原因。,第3章正弦波振荡器 摘要：正弦波振荡器按组成分为两类： 1利用正反馈原理构成的反馈振荡，它是目前 应用最广的一类振荡器。 2负载振荡器，它是将负阻器件直接接到谐振 回路中，利用负阻器件负阻效应抵消回路中 的损耗。从而产生出等幅的自由振荡。这类 电路主要工作在微波频段。 本章重点是讨论LC三点式振荡电路。,31反馈振荡器的工作原理 311反馈振荡器的组成框图及原理电路 组成：主网络+反馈网络 p117 图3-1-1 讨论反馈振荡器的工作、原理就是揭示主网络和反馈网络所组成的闭合环路产生等幅持续振荡的条件：即 保证接通电源后从无到有地建立起振荡的起振条件保证进入平衡状态、输出等幅持续振荡的平衡条件以及保证平衡状态不同外界不稳定影响而受到破坏的稳定的条件。,312平衡条件和起振条件 一.平衡条件 将图3-1-1(a)在X 处拆开，其环路增益为 设在某一频率 上， 既同相又等幅。 （3-1-1）,则当环路闭合后 为角频率 的正弦振荡。 输入电 压全部由反馈电压 提供，无须外加输入 电压。 式（3-1-1）为平衡条件，又称为巴克好 森准则。 令 则有 （3-1-2a） 振幅平衡条件。 (3-1-2b),相位平衡条件 二起振条件 1起振条件 或 (3-1-3a) 振幅起振条件 (3-1-3b) 相位起振条件 2满足起振和平衡条件时的环路增益特性。P119 图3-1-2 起振时 ， 而后 增长变慢 停止 平衡状态，, 注：严格地讲，由于管子特性的非线性， 是 有变化的，但很小，可以忽略。 312稳定条件 什么是稳定的平衡状态： 振荡电路不可避免地受到电源电压、温度、湿度等外界因素变化的影响。这些变化而引起管子和回路参数的变化，同时，其内部存在固有噪声，尽管它是起振的原始输入，进入平衡态后它叠加在振荡电压上，引起振幅,相移的波 及 变化 破坏平衡 条件。若再经放大 反馈的反复循环 越来越离开原来的平衡态 停振或突变到新 的平衡态 表明原平衡态不稳定。反之，若 经放大 反馈循环后 产生回到原来平衡态 的趋势 在原平衡附近建立新的平衡态，干 扰消失后 恢复到原平衡态 原平衡态是稳 定的。,在稳定平衡态下，振幅与频率会受到影响而稍 有变化，但不会导致停振或突变。 一振幅稳定条件 图3-1-1 （3-1-4） 分析：若 经反馈放大 上重新满足平衡条件。 若 经反馈放大,新点平衡。 二相位 （频率）稳定条件： 图3-1-4 （3-1-5） 分析：若 若 注： 曲线斜率越大 小的 大的 外界因素引起振荡频率的变化越小。,三变压器耦合振荡电路的相位稳定条件。 图3-1-5 在 附近近似为常数。 式中： 谐振角频率， 有载品质因数。,注：实际振荡电路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 越大， 变化 下降斜率 频 稳度 。 313基本组成及分析方法 一组成 可变增益放大器提供足够增益，且其值随 而 。相移网络具有负载斜率变化的相移 特性，提供合适的相移，保证,实现可变增益的方法： 内稳幅利用放大管固有的非线性。 外稳幅保持放大器线性工作，另外插 入非线性环节 ，共同组成可变增益放大 器。 2. 相移网络LC谐振回路，RC相移和选频网 络，石英晶体振荡器。,二分析方法： 1检查震荡电路是否包含上述两个组成部分， 闭合环路是否正反馈。 2. 分析起振条件。起振时，放大器小信号工 作，可以用小信号等效电路分析,导出 并由此求出起振条件及由此决定电路参数 和相应的起振频率。,3.若实际振荡电路合理。有满足起振条件，则振荡器就能进入稳定的平衡状态。进入平衡状态后，振荡电压幅值一般经实验确定。 4.分析振荡器频率稳定度，并提出改进措施。 314思考题：什么是振荡器的起振条件，平衡条件和稳定条件？各有什么物理意义？它们与振荡器电路参数有何关系？,32正弦波振荡器 321三点式振荡电路。 一电路组成法则 图3-2-1 由图(c),当 时，回路谐振 与 反相， 是 的分压。,为了满足相位平衡条件， 与 同相， 必须与 反相，所以 与 为同性质电抗，又 所以， 必与 、 性质不同，这时振荡器的振荡频率就是回路的谐振频率。 结论：三个元件应是接在发射极的为同性质元件，c 、b间接异性元件。,二三点式振荡电路 1电容三点式振荡电路 工作原理分析 图3-2-4 图 3-2-4 自给偏 置效应,为了保证起振时T工作在放大区，有足够的增益， 必须为T选择合适的静态偏置电路及静态工作点,起振后，振幅 开始出现非线性放大特 性时 增益 同时偏置电路产生的自给偏 置效应进一步使增益加速下降。 即当 大到使T非线性的一部分进入截止 区 、 的脉冲波 及 。 2电感三点式振荡电路 图中各元件的作用与电容三点式相同，需要注 意的是电路中 必须通过隔直过隔直流电容,或 接到基极或反射级上，以防止 偏置电 路或 被 短路。 三. 电容三点式振荡电路的起振条件。 1起振条件 推导环路增益 时，应将闭合环路开断， 开断点如何选择，并不重要，不同开断点导出 的 表达式都是一样的，开断点的选择一 般以便于分析而定。,P127 图3-2-7 图3-2-7 推导 的等效电路,. 回路的固有品质因数。 、 、 并联的固有谐振电阻。 令,. （3-2-2a） （3-2-2b）,式中 , 由 ，即 和 即 得相位起振条件 （3-2-5） 式中，,，,. 实际电路中，一般满足 所以， （3-2-6） 2.振幅起振条件的简化 工程计算时，令,设 电容分压比 则 或 （3-2-8） 而,所以， 起振条件 工程实际中，一般使 n取值适中，一般均能满足起振条件。 4在基极处开断,简化后， 四.用工程估算法求起振条件的步骤： 1.将闭合环路断开，画出推导 的开环等效电路； 2.求出谐振回路的固有谐振角频率 ，并令 3.将接在谐振回路各部分的电导（或电阻）折算 到集电极上，分别求出放大器回路谐振时的增 益和反馈系数，便可得到振幅起振条件。,322差分对管振荡电路 1. 振荡角频率 2.振幅起振条件 3集成电路 图3-2-11,. 图3-2-11 集成振荡器 （a）内部电路 (b)外接电路,323思考题 1. 推导例2的振幅起振条件， 2. 电容三点式振荡电路与电感三点式振荡电路 相比较它们各自的优缺点是什么？ 答：均结构简单，易起振。 电容三点式比电感三点式波形好，原因：反馈有电容产生，易滤除高频。 电容三点式频率高，原因：电感三点式L与极间电容并联，高频时，可能改变电抗性质由,感性变容性，电路不振荡。 电容三点式频稳度高于电感三点式。 3-3 振荡器的频率稳定 一频稳度的定义： 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率。 分为： 长期频稳度规定的时间为一天乃至 几个月。 短期频稳度规定的时间为一天内。, 瞬时频稳度（秒级）电路内部噪声引起的振幅频率的相对变化量。 通常所讲的频稳度指短期频稳度。 二不同场合的双频稳度的要求。 1.中频广播电台发射机 数量级 。 2.电视发射机 。 3.普通信号发生器 。 4.高精度信号发生器 。,331提高频率稳定度的基本措施 一. 频率稳定度的定性分析 相位平 在 附近变化剧烈， 变化缓慢可以 认为 是常数 。 的参数是 , 和 。 P139 图3-3-1,。 图3-3-1 由相位平衡条件说明振荡频率不稳定的原因,。 1 产生 的变化。 图(a) 形状不便变 右移。 2. 产生 的变化 图(b) 的变化与 的大小有关， 与 的交点处 曲线越平坦。 图中,3. 产生 的变化图(c) 的形状不变， 引起的 变化与 及 的大小有关。 交点处斜率 同样的 引起 。 所以， 陡 同样的 引起,一 高频稳度的基本措施 1基本措施： 减小 、 和 ，特别是 ，所以必须减小外界因素引起 、 、 的变化，即 、 、 对于因素的敏感度。 减小 ，增大 ，目的是减小由 和 引起的振荡频率的变化量。,2具体方法 1）减小外界因素的变化 采用减振装置加恒温槽密封工艺减小温度和大气压力的影响高温定都的稳压电源屏蔽罩振荡器与负载间插入跟随器。 2）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，保持固有谐振角频率 不变的能力，标 准性越高，外界因素变化引起的 就越小。,。 （3-3-5） 提高标准性 减小 ， 措施是： 采用高稳定度的电感和电容器，如负温度 系数的陶瓷电容器。 缩短引线，减小分布电感及电容器。 增加回路总电容、减小管子与回路间的耦 合。但应注意，当f一定时， 不利于提高频稳度，因此一般采用,减小管子与回路间耦合的方法。 332克拉泼震荡电路 图3-3-2 3-3-2 克拉泼振荡电路 (a)实用电路 （b）交流通路,克拉泼振荡电路是电容三点式电路的改进型其 频稳度比三点式高一个数量级。可达 图中 回路总电容取决于 回路 不稳定电容，主要是 ， 而它们都直 接并接在 上不影响 值，即对 的影 响小 回路标准性越高。接入 后，反 馈系数不变。,，,环路增益 。 注：减小 来提高回路标准性是以牺牲环路增 益为代价的，若 过小，就可能不满足起 振条件而停振。,34 晶体振荡器 341石英谐振器的电特性。 一结构 图 3-4-1 二压电效应 对石英片施加外力机械形变（张或缩）两极片产生等量异号电荷，且正比于形变大小。 对于石英两电极施加电压机械形变，变形大小与电场强度成正比。将石英谐振器接到振荡器的闭合环路中，利用它的固有振动频率，就能有效地控制和稳定振荡频率。,三石英谐振器的等效电路。 图 p143 图3-4-2 静态电容和支架、引线等分布电容之和。 很小， 很大。 接成晶体管振荡电路时，外电路对晶体电特性 的影响显著减小，如同克拉泼电路，频稳度很 高。 四频率特性 图3-4-3,若忽略 则 （3-4-1） 式中， (3-4-3) 串联谐振频率 并联谐振频率,1. 感性 2其它频率 容性 3 串谐 4 并谐 曲线中感性区很小,再实际电路中,晶体两端往 往并接电容 则并谐f将减小到 。 (3-4-4), 为晶体管的负载电容,(通常,基频晶体规 为30PF或50PF),标准外壳上的振幅f或标称f即是并接 后的 值,可达几百MHz。 342晶体管振荡电路 并联型晶体振荡电路晶体工作于 ， 呈感性频段内，用作三点式电路中的回路电 感。,串联型晶体振荡电路晶体工作在 上，等效 为串联谐振回路，用作为高选择性的短路元件， 广泛应用于集成电路。 注：晶体只能工作在上述两种情况，而不能工 作在 的频段内，否则频稳度将明显下 降。 一并联型晶体振荡电路 p146 图3-4-5 图3-4-6 图3-4-7,图3-4-7 温度补偿晶体振荡器适用电路 .,二串联型晶体振荡电路 35正弦波振荡器 采用RC电路作为移相网络的振荡器称为RC正 弦波振荡器，主要工作在几kHz 以下的低频段，移相网络及频率特性示于 图3-5-1。 一三种移相网络的性能比较。 1.导前及滞后移相网络:,幅频特性单调变化；当 时， 当 时， 在 变化，其中 时， ， 时， 。 2串并联网络，类似于LC振荡电路选择性。 当 时,，,。,3.采用导前移相电路构成的移相振荡器。 1）电路组成 2）原理分析： 运放必须接成反相放大，提供 放大相移， 导前网络提供 相移，满足相位平衡条件，一节RC导前网络最大可提供 ，实际上一般小于 ，（当 ) ，所以用3节RC电路。,在X处断开，断开点的右端加 ，右端接集成 运放的输入电阻（理想运放 ），得图(b), 由图(b)得环路增益 （3-5-1） 振荡角频率为 （3-5-2）,起振条件为 （3-5-3） 注：由于RC相移网络选择性不理想，因而它的 输出波形失真大，频稳度低，只能用于性能不 高的设备中。,二串、并联振荡电路， 图3-5-3 集成运放必须接成同相放大器，提供零相移， 当 时，并联电路提供零相移，满足相 位平衡条件。 式中，,让 即 起振条件。 的作用： 为热敏电阻，具有负温度系数， 刚起振时， 的温度最低，随 运放增益 振幅功耗温度 振幅 功耗 温度 运放增益 平衡态。 注：这是一种外稳幅电路，运放可以工作在线性状态，有利于改善振荡电路的波形。,由图 (b)RC串、 并联电路和集成运放构成了文 氏电桥，当 时，桥路平衡，振荡器进入 稳定平衡状态，产生等幅持续振荡。 36 负载正弦波振荡器 负载振荡器是采用负阻器件与LC谐振回路共同 构成的一种正弦波振荡器，主要工作100MHz 以上的超高频段。目前的频率范围已扩展到几 十GHz以上。,361负阻器件 一小信号特性 p151 图3-6-1 设静态工作点为 在负阻区加入 后小信号。 （3-6-1） （3-6-2） 增量电流,（3-6-3） 式中， 是隧道二极管在静态工作点 上的增量电导，其值为负（ 为正值） 加到器件上的平均功率 （3-6-4） 直流电源供给器件的平均功率。 器件给出的交流功率。 即,，,. 图3-6-2 隧道二极作在大信号时的特性 (a)电流波形（b）平均电导波形,注：负电阻本身总是消耗功率的，它所以能够通过负电阻给出交流功率，是由于它具有将直流功率的一部分转换为交流功率的功能。 二大信号工作 p152 图3-6-2 当器件进入大信号工作时，器件中的电流是非 正弦的，平均电导,式中， 中的基波电流振幅， 外加正 弦电压振幅 凹陷加深 362负载振荡原理及其电路。 一振荡原理（将压控型隧道二极管接于并联谐振回路） 图3-6-3 谐振回路的固有谐振电导。 由 KCL,. 式中， 当 时,解得 （3-6-6） 式中， 由初始条件确定,即：当 或 时， 一旦受到原始冲击，则产生振荡频率为 的余弦振荡，若 ，即 则 为指数增大余弦 平衡于 等幅振荡.,，,，,二.起振、平衡及稳定条件。 1起振条件 （3-6-7） 2.平衡条件 或 （3-6-9）,3稳定条件 （3-6-10） 相位条件则依靠并联谐振回路具有负斜率变化 的相频特性可以保证。 三,串联型电流控制型负阻器件单结晶体二 极管串接于谐振回路 P153 图3-6-4,1起振条件 （3-6-11） 2.平衡条件 或 （3-6-13a）,. (3-6-13b) 3.振幅稳定条件 （3-6-14） 相位稳定条件则依靠串联谐振回路具有负斜率 变化的相频特性可以满足 四压控型负载振荡器实用电路。 P154 图3-6-5,直流供电电路 高频旁路电容，用来避免直流供电电路对回路 的影响。 LC组成谐振回路。 直流供电电路必须保证 工作于负载区 取值过大，则直流负载线与 伏安特性有三个交点，就会引起静态工作点的不稳定。,37寄生振荡、间歇振荡和频率占据 371寄生振荡 寄生振荡不仅产生于振荡器中，而且还产生于放大器等其他功能电路中，一旦产生，各种功能电路的性能就会受到严重破坏，甚至不能正常工作。 一产生寄生振荡的原因。 在特定频率上，电路上某些集总参数（包括直流供电元件）和分布参数（管子极间电容，分布电容，引线电感等）构成的闭合环路满足振荡条件而自产生的一种不希望的振荡。分为； 1低频寄生振荡远低于工作频率上发生的振荡。 超高频寄生振荡远高于工作频率上发生的振荡。,一抑制寄生振荡的措施。 11抑制低频寄生振荡 低频寄生振荡和闭合环路一般是由电路中的高 频扼流圈，隔直流或旁路电容构成的。因此， 消除的方法是合理地选择扼流圈的电感量， 扼流圈中串接电阻或并大电阻来增加闭合环路 的损耗。 2.抑制超高频寄生振荡,超高频寄生振荡的闭合环路是由电路中的分布参数（引线电感等）、管子极间电容构成的，而某些元件的分布参数往往会在很高频率时改变其性质，如大容量电容器会变成电感器。 采取措施:采用粗而短的引线和贴片元件,以减小分布参数；管子的基极或集电极上串接小的无感电阻，以破坏振荡条件；旁路大电容上并接几百PF的小电容，保证超高仍可看作短路元件。,3. 防止出现放大器输入与输出回路之间的寄生耦合。 在电路安装时，元件的排列和组合必须合理，采用集中接地或大面积接地。 4. 1消除多频放大器共用一个电源而产生的失电耦合,后级放大器的输出信号电流在电源内阻上产生的电压仅送到前级放大器输入端而引起的寄生振荡。 消除措施：电源送到每级放大器的路径中加上滤波电路。在其中的滤波电感加损耗电阻，滤波电解电容并接数量级的小电容。,5. 1消除自激 在反馈放大器中，需通过相位补偿等措施防止放大器自激。,372间歇振荡 p157 图3-7-1 一什么叫间歇振荡 利用偏置电路的自给偏置效应，可以有效地提 高振幅稳定性，但是若在 、 取值过大，偏 置电压跟不上振幅的变化，就会产生周期性地 起振和停振现象，输出图3-7-2的波形，称这一 现象为间歇振荡。,二