第5章正弦波振荡器.ppt

5 5 3电感三点式振荡器 哈特莱振荡器5 5 4电容三点式与电感三点式振荡器比较5 5 5改进型电容三点式振荡器5 6振荡器频率稳定度5 6 1频率准确度和频率稳定度5 6 2频率稳定度分析5 6 3提高频率稳定度措施 5 7石英晶体振荡器5 7 1并联型石英晶体振荡器5 7 2串联型石英晶体振荡器 振荡器 就是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置 和放大器一样也是能量转换器 它与放大器的区别在于 不需要外加信号的激励 其输出信号的频率 幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定 振荡器分类 正弦振荡 低频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器 非正弦波振荡器 矩形波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器 5 1概述 应用范围 在发射机 接收机 测量仪器 信号发生器 计算机 医疗 仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用 主要技术指标 1 振荡频率f及频率范围 2 频率稳定度 调频广播和电视发射机要求 10 5 10 7左右标准信号源 10 6 10 12要实现与火星通讯 10 11要为金星定位 10 123 振荡的幅度和稳定度 4 频谱 残波辐射 讨论内容 从振荡原理入手研究振荡器判据 寻求振荡条件的分析方法 讨论各种振荡电路 基本线索是振荡器的频率稳定度 右图是反馈放大器的方框图 由该图知 5 2 1 当放大器接成负反馈时 5 2 1式中取正号 当 负反馈变成自激振荡器 其 振幅条件为 5 2反馈振荡器 反馈放大器方框图 相位条件为 而振荡器往往直接引入的正反馈 如上图 号所示 此时式5 2 1式变为 5 2 2 当其 时 就会产生自激振荡 其 振幅条件为 相位条件为 要使振荡器能够起振 在刚接通电源后 当达 到平衡时 这就是振荡器振幅平衡条件 5 3振荡器的分析方法 分析振荡器有两种方法 即瞬态分析法和稳态分析法 这里只介绍稳态分析法 稳态分析方法考虑问题的基础是 振荡器在起振时是小信号 属于线性电路 因此 可按线性电路的分析方法来处理 而振荡器在平衡时虽属大信号非线性电路 但是对基波而言则属准线性电路 当引入平均参数后 即可按线性电路来近似处理 使问题的分析得到简化 所以稳态分析法是适应在线性理论基础之上的 由前面分析可知 正反馈是产生自激振荡的必要条件 而正反馈只是反馈放大器的特殊形 式 我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来 如图所示 根据反馈理论 整个反馈放大器的 闭环增益 Af s 为 5 3 1 其中 为放大器的电压增益为反馈网络的反馈系数 反馈放大器 为开环电压增益为反馈放大器的特征多项式 由式5 3 1可知 若令UL s 0 则Af s 趋于无穷 就是说在没有输入信号激励的情况下 就能自动地将直流能量转换为交流能量 因此 我们说振荡器是反馈放大器的特殊形式 这是稳态分析方法的基本依据 5 3 2 这就是反馈放大器的特征方程 解此方程就可得振荡频率 振幅平衡条件和起振条件 所谓巴克好森准则 矩阵法 欲满足振荡条件就必须 网孔电流法等都是以此为基础的 其基本步骤是 1 画出交流等效电路2 画出Y参数等效电路 3 求出特征方程D s 0 4 由Re D s 0求振幅平衡条件 Im D s 0求振荡频率 5 微变参数代替平均参数求得起振条件 5 4互感耦合振荡器 振荡器分类 互感耦合振荡器石英晶体振荡器三点式振荡器 电感反馈振荡器电容反馈振荡器 基本型克拉泼振荡器西勒振荡器 5 4 1单管互感耦合振荡器互感耦合振荡器 或变压器反馈振荡器 又称为调谐型振荡器 根据回路 选频网络 的三极管不同电极的连接点又可分为集电极调谐型 发射极调谐型和基极调谐型 如图5 4 1所示 这里我们只讨论集电极调谐型 而集电极调谐型又可 分为共射和共基两种类型 均得到广泛应用 两者相比 共基电路的功率增益较小 输入阻抗较低 所以难于起振 但截止频率较高 此外 共基电路内部反馈比较小 工作比较稳定 三种互感耦合振荡器 以上三种电路 变压器的同名端如图所示 它必须满足振荡的相位条件 在此基础上适当调节反馈量M以满足振荡的振幅条件 下面利用 切环注入法 判断电路是否满足相位条件 1 在电路中某一个合适的位置 往往是放大器的输入端 把电路断开 用X号表示 2 在断开出的一侧 往往是放大器的输入端 对地引入一个外加电压源 该电压源的频率从低到高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另一侧对 地的电压是否与同相 为同相则其中必有某一个频率满足自激振荡的相位条件 注意这里是实际方向 电路有振荡的可能 如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了 下面用巴克好森准则分析集电极调谐型反馈振荡器的振荡条件 设工作频率远小于振荡器的特征频率 忽略其内部反馈的影响 用平均参数画出了图 a 的大信号等效电路 如图所示 它与变压器耦合放大器区别在于次级负载就是放大器输入端的Gie 其为 故 5 4 1 式中 其中 互感耦合振荡器大信号等效电路 而 5 4 2 根据巴克好森准则 即 5 4 3 可得 5 4 4 即 5 4 5 解上述方程组得 5 4 6 起振时 应用微变参数代替平均参数 因此互感耦合振荡器的起振条件是 5 4 7 上式说明 r越大 M越小 电路起振所需要的跨导gm就越大 当M 0时 起振需要的跨导gm为无穷大 这表明电路已不再是振荡器了 由式5 4 6还可以看出 振荡器的频率和晶体管的参数有关 G Goe 2Gie 实际上 管子的极间电容对高频振荡频率影响较大 这一点是不希望的 因为这些参数与温度有关 5 4 2差分对管互感耦合振荡器如图所示 两差分对管的集电极分别接有由L1 C1 R1和L2 C2 R2组成并联谐振回路 反馈电压和输出电压分别由两管的集电极取出 振荡器的闭环回路由BG1 差分振荡器 的集电极经互感线圈耦合到BG2的基极 然后通过共发耦合电路回到BG1的集电极 图A与D同相 环路满足正反馈特性 再调节互感M使之满足振幅平衡条件 电路便可进入振荡状态 与单管振荡器比较 差分对管振荡器更为优越 1 输出回路不在反馈环路内 只要BG2不工作在饱和区内 负载与环路就处于隔离状态 振荡器的频率稳定度和幅度稳定度都会有所提高 2 输出不含有偶次谐波 且奇次谐波成分比较小 故失真大为减小 5 5三点式振荡器 什么叫三点式振荡器 所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言 由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器 又称考毕兹振荡器 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器 又称哈特莱振荡器 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压 5 5 1构成三点式振荡器的原则 相位判据 假设 1 不计晶体管的电抗效应 2 LC回路由纯电阻元件组成 即为满足相位条件 回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接 如图所示 振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率 于是有 即 5 5 2 5 5 3 5 5 1 三点式振荡器的相位判据 放大器已经倒相 即与差180 所以要求反馈电压必须与反相才能满足相位条件 如图5 5 1所示 5 5 4 因此 Xbe必须与Xce同性质 才能保证与反相 由5 5 3和5 5 4式 归结起来 Xbe和Xce性质相同 Xcb和Xce Xbe性质相反 这就是三点式振荡器的相位判据 也可以这样来记忆 与发射极相连接的两个电抗性质相同 另一个电抗则性质相反 三点式振荡器的相位判据 射同它反 5 5 2电容三点式振荡器 考毕兹振荡器图所示电路是电容三点式的典型电路 LC回路的三个端点分别与三个电极相连 且Xce和Xbe为容抗 Xcb为感抗 故属电容反馈三点式振荡器 又称考毕兹振荡器 电容三点式振荡器 其中ZL为高频扼流圈 防止高频交流接地 Rb1 Rb2 Re为偏置电阻 下面分析该电路的振荡条件 图 a 画了交流等效电路 b 为Y参数等效电路 电容三点式振荡器的等效电路 容易判断振荡器属并 并联接 电压取样电流求和的反馈放大器 设其信号源电流为 负载电流为 显然 5 5 5 式中 Yi 网络aa bb 的大信号输入导纳 Yr 网络aa bb 的大信号反向传输导纳 Yf 网络aa bb 的大信号正向传输导纳 Yo 网络aa bb 的大信号输出导纳 实际上 这只不过是虚构的 而意味着式5 5 5是线性齐次方程 即 其系数行列式为0 即 5 5 6 5 5 7 因网络aa bb 是两个网络 有源和无源 并 并联接 所以 式中 T表示晶体管 n表示无源网络 即 5 5 8 这就是反映振荡器满足平衡条件 使用上述方法时 应使两个网络的电压 电流方向符合电压取样 电流求和的条件 5 5 9式中 yT 是晶体管参数 可以测得和计算出 yn 则可以由具体网络根据y参数的定义求得 假设 振荡器的工作频率远低于fT 且忽略内部反馈的影响和不计晶体管的电抗效应 有 5 5 9 5 5 10 由下图 根据y参数的定义 可求得无源网络 yn 为 将式5 5 10和5 5 11代入式5 5 9得 整理得 无源网络 5 5 12 令其虚部等于0 可求得振荡频率为 5 5 13 式中 可见 电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振频率 且与晶体管的参数有关 令其实部等于0 并近似认为 可求得其振荡平衡条件为 5 5 14 用微变参数代替平均参数 可求得起振时所要求的最小跨导 gm min 其起振条件为 5 5 15 因 5 5 16 代入上式得 从图 a 可以看出 反馈电压不仅取决于电容C2 还与晶体管的输入导纳gie有关 当gie较小时 gie的分路作用可以忽略 此时第一项起主要作用 5 5 17 当 利于起振 当gie较大时 gie的分流作用不能忽略 此时第二项起主 要作用 则 难于起振 所以不能简单地认为反馈系数越大 就越易起振 而应 该有一定范围 另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏 反馈系数过大会产生较大的波形失真 通常F 0 01 1且一般取得较小 以上的讨论 没有考虑线圈的损耗 如考虑到r的影响 则起振条件应该修正 如图 b 所示 将r经过两次折算 折算到ce两端和goe并联 所以起振条件应修正为 5 5 18 图 a 影响起振因素 图 b 起振条件修正 5 5 3电感三点式振荡器 哈特莱振荡器电感三点式振荡器电路如图所示 是从L2取得的 故称为电感反馈三点式振荡器 通常L1 L2同绕在一个骨架上 它们之间存在着互感 且耦合系数M 1 电感三点式等效电路 下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件 由图 c 列出回路方程 5 5 19 令上面方程组系数行列式D的虚部等于零 得 得 5 5 20 可见 g略低于回路谐振角频率 0 且振荡频率与晶体管参数有关 通常 故 5 5 21 式中L L1 L2 2M为求起振条件 设式5 5 20第三个方程中的系数为0 此时令5 5 20式的系数行列式的实部等于0 即 可得振荡平衡条件 5 5 22 因此振荡条件是 5 5 23 故起振条件可写成 5 5 24 5 5 25 至于反馈系数的选取 为兼顾振荡的振荡波形 通常取F 0 1 0 5 5 5 4电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式 1 输出波形好 接近于正弦波 2 因晶体管的输入输出电容与回路电容并联 可适当增加回路电容提高稳定性 3 工作频率可以做得较高 利用极间电容 缺点 调整频率困难 起振困难 电感三点式 优点是起振容易 调整方便 缺点是输出波形不好 在频率较高时 不易起振 优点 5 5 5改进型电容三点式振荡器前面研究的三种振荡器 其振荡频率 不仅取决于LC回路参数 还与晶体管的内部参数 Goe Gie Coe Cie 有关 而晶体管的参数又随环流温度 电源电压的变化而变化 因此其频率稳定度不高 以电容三点式为例 如图所示 Cie和Coe分别与回路电容并联 其振荡频率可近似写成 如何减小晶体管电容Coe Cie对频率的影响呢 1 加大回路电容C1和C2的值 但它限制了振荡频率的提高 同时为确保 的不变 减小了L的值 随之带来Q值下降 5 5 26 使振荡幅度下降甚至停振 这种方法只适用于频率不高的场合 2 同时减小接入系数pce和pbe 而又不改变反馈系数 这就是图所示的克拉泼 Clapp 振荡器 这种电路就是在L支路中串接一个可变的小电容器C3 所以又叫做串联型电容三点式反馈振荡器 它是在电容三点式的基础上进行了改进 晶体管电容Coe Cie对振荡频率的影响 克拉泼振荡器 所以可采用电容三点式的分析方法 故 5 5 27 式中 5 5 28 5 5 29 可见 g只取决于L C3 而与C1 C2基本无关 于是可以增加C1 C2 不必减小电感L 以减小晶体管极间电容对频率的影响 提高了频率稳定度 改变C3即可改变振荡频率而 不影响反馈系数 改变C1 C2可调节反馈系数而不会影响振荡频率 起振条件可以用式5 5 18来得出 问题是如何求得gL 由下图所示 克拉泼振荡器的起振条件 故 5 5 30 因而起振条件为 5 5 31 而基本放大器谐振时增益为 5 5 32 1 若C1 gL 分路作用增强 gm min 难于起振 Auo 振荡幅度减小 2 若C3 0 gL gm min 难于起振 Auo 振荡幅度减小 3 若Q0 gL gm min 易于起振 Auo 振荡幅度增大频率稳定性提高克拉泼振荡器存在的问题是当增大C1和减小C3时引起振荡幅度下降 难于起振 原因在于pce下降 使得gL增大 因为gL和 03成正比 解决这一矛盾 可以保持C3不变 而 由5 5 31和5 5 32式可见 在电感L两端并联一个小的可变电容 用以改变振荡频率 这就是西勒 Seiler 振荡器 因为C4与L并联 所以又成为并联型电容三点式振荡器 如下图所示 西勒振荡器的原理图 由于C1 C2远小于C4 所以回路电容 5 5 33 再看起振条件 利用式5 5 18 将图 a 再变换一下 如下图所示 求出gL 5 5 34 5 5 35 西勒振荡器的起振条件 pce与C4无关 改变C4不会影响pce 也不会影响gL C4 0 gL gm min 利于起振 Auo 振荡幅度增加这样 可以补偿由于频率增加引起的Gm下降 使振荡幅度下降 使振荡幅度变化不大 因此 作为波段振荡器的波段覆盖可以较宽 ka 1 6 1 8 且在波段内幅度较均匀 其工作频率也较高 可达到数百兆赫 这是一种性能较好的振荡器 C3的选取应综合考虑波段覆盖系数 频率稳定度和起振 在保证起振的条件下 C3应选得小一点好 可见 5 6振荡器的频率稳定度 频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一 例如电子钟时钟频率不稳 直接影响计时的精度 FM广播如FM发射频率非常稳定 就可实现自动播音 取代有线广播 5 6 1频率准确度和频率稳定度评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度 频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度 它可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度 定义 绝对频率准确度 相对频率准确度 5 6 1 5 6 2 式中 f为实际工作频率 fo为标称频率 频率稳定度 是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值 也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度 常用相对频率稳定度表示 5 6 3 频率稳定度按时间间隔分为 长期频率稳定度 数月或一年内的相对频率准确度 短期频率稳定度 一天内的相对频率稳定度 瞬时频率稳定度 秒或毫秒内的相对频率稳定度 频率稳定度数据处理方法有 1 均方根值表示法 它是用在指定的时间间隔内测得的各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的 即 5 6 4 式中 n为测量次数 为n个测量数据的平均值 2 阿伦 Allon 方差表示法 5 6 5 式中 每次测量的取样时间 n为测量组数 fo为标称频率 j为正整数 j 1 2 3 n f2j f2j 1分别为2j次和2j 1次所测得的频率值 5 6 2频率稳定度分析为寻求提高频率稳定度的途径 就必须找出引起频率不稳的因素 一 相位平衡条件由物理知识可知 任何平衡都要相应地考虑是否稳定平衡 所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡状态 一旦外因消除后 系统能自动地恢复到原来的状态 否则就是不稳定平衡 例如一个小球放置在抛物面形的锅底就属于稳定平衡 杂技表演者用头顶篮球就是不稳定平衡 作为正弦振荡器 通常情况下 人们希望它是稳定振荡 其振荡的幅度 频率 相角 不随时间而变化 即使有变化 希望它尽快地恢复到原来的稳定状态 不稳定因素也会破坏相位平衡条件 如电流电压的波动或者工作点的变化会使晶体管Yfe的相角 fe发生变化 相角的变化必然会引起频率的变化 因为 设外因引起的相角变化 即反馈电压比原来的输入电压的相位超前了 相当于提高给回路的补充能量 振荡频率就提高了 反之 相位滞后于 频率就下降 因此外因引起的相角的变化 相位变化又引起频率变 化的趋势是 为了使振荡器的相位平衡条件稳定 必须使得频率变化时产生相反方向的相位变化 以补偿外因引起的相位变化 因此 相位平衡的稳定条件是 5 6 6 而振荡器的相移 5 6 7 式中 为晶体管正向传输导纳相移 为回路相移 为反馈网络相移 5 6 8 当 时 因此 相位的稳定条件为 由此可见 振荡器的相位平衡条件是靠并联回路的相频特性来保证的 回路的品质因数Q值越高 这种稳频能力越强 二 频率稳定度分析根据式5 4 6 振荡器的 主要取决于 回路的L C 当然也与晶体管的参数 G 有关 从相位平衡条件可知 电路中任何一个相角发生变化都会使振荡频率产生变化 而使振荡器重新平衡在某一新的频率上 例如温度 湿度 电源电压 负载等的变化以及机械振动的影响都有可能引起回路元件参数 L C Q等 有源器件参量和相角 发生变化 而使 发生变化 令 代表外界不稳定因素 由于振荡器各相角都是外界不稳定因素 和频率的函数 所以相位平衡条件可以写成 当 变化时 也相应变化 只要相位平衡条件重新得 5 6 9 到满足 则 对式5 6 9全微分 因而 由于 对频率变化的敏感性远小于对频率变化的 敏感性 即 又 0则上式可近似写成 5 6 10 从式5 6 10可知提高振荡器频率稳定度的一般规律 要小 要尽量减小外界不稳定因素 的变化 最主要 的是减小振荡回路固有频率 的变化量 2 分子 越小越好 在外界因素 变化时 不完全同号 相互抵消 的变化量尽量小 或者设法使 三个量 3 分母 越大越好 即要求并联谐振回路相频特性的斜 率要大 在较小斜率增量作用下 能产生足够的相位来补偿外因所引起的的相移 由并联振荡回路的相频特性可知 Q越高 越接近 0相频特性就越大 因此应尽量提高Q值 减小相角 以上研究了提高频率稳定度的原则性措施 为了将上述措施具体化 下面讨论振荡频率与电路参量之间的关系 由相位平衡条件 5 6 11 得 则振荡频率 为 即 5 6 12 对式5 6 12全微分得 并联谐振回路的相频特性为 当 时 5 6 13 该式表明了 对频率稳定度影响的定量 关系 可以看出 1 均影响振荡器的频率稳定度 2 对频率稳定度的影响最严重 3 Q对频率稳定度的影响要考虑到系数 Q越高 越小 Q的影响越弱 4 对频率稳定度的影响要考虑到系数 Q 越高 越小 则 的影响越弱 结论 要提高频率稳定度 首先要提高回路的标准性 所谓回路的标准性就是指回路在外界因素变化时保持其固有 谐振频率不变的能力 越小标准性越高 此外 要求Q 值要高 要小 5 6 3提高频率稳定度的措施要提高频率稳定度可采取如下两方面的措施 1 减小 2 减小外界因素对 0 Q 的影响 即为外界因素变化时 设法使 0 Q 尽可能小 减小外界因素变化 的措施影响振荡频率的外界因素主要有 机械振动 环境温度的变化 湿度及大气压力的变化 电源电压的变化 周围电磁场的影响 负载不稳定等 1 机械振动 回路线圈 电容应具有较高的机械强度 底板和屏蔽罩必须结实 元器件焊接牢固 加防震措施和调 谐回路锁定装置 2 温度 将主要元器件放在恒温槽中 合理选择回路元件的材料 如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料 采用正负温度补偿 也可用热敏电阻稳定偏置 3 湿度和大气压力 将振荡器和主要元件密封 还可选用吸潮性较小的介质和绝缘材料 4 电源电压 采用性能好的稳压电源 振荡器单独供电 5 周围电磁场的影响 采用电磁屏蔽措施 6 负载变化 加缓冲级 跟随器 7 老化 预先对元器件进行老化处理 2 提高电路抗外界因素影响的能力 1 提高振荡回路的标准性所谓振荡回路的标准性就是指振荡回路在外界因素变化时 保持谐振频率不变的能力 因此 回路的标准性越高 0随外界因素的变化越小 在高Q时 回路的谐振频率为 对上式进行全微分得 即 5 6 14 式中负号表示L或C增加时 0降低 可见谐振频率相对变化量的L和C的相对变化量之和成正比 因此 提高回路的标准性 也就是当外界因素变化时 减小L和C的相对变化量 采用高质量的回路元件目前使用较广的是在高频陶瓷上用烧渗银的方法制成的电感线圈 其特点是损耗小且温度膨胀系数小 吸水性小 高质量的电容则采用膨胀系数小的金属 如殷钢 作极片的 空气电容或云母电容器 还可以采用温度补偿的方法 减小分布电容和引线电感 引线尽可能短 且应有足够的机械强度 各引线和元器件的连接和安装尽可能牢靠 减小不稳定电容对回路标准性的影响 即减小不稳定电容在回路中所占的比重 可以有两种方法 一是降低振荡频率 可选的集中参数电容容量大 降低不稳定电容占回路总电容量的比重 所以 为了提高频率稳定度 在无线