北京邮电大学通信电子线路第3章正弦波振荡电路(1)唐恬

1、通信电子电路正弦波振荡电路(1)北京邮电大学信息与通信工程学院唐 恬2009-2010学年第2学期2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)2本次教学内容o 3.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法o 3.2 LC正弦波振荡电路o 总结2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)3本次教学重点o 3.1、3.2节为教学重点教学重点o 本章内容重点在于理解概念、电路，掌握结论，不用拘泥于公式推导2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)43 正弦波振荡电路概述(1) o 波形发生电路的定义及其分类：正弦波和非正弦波振荡电路。本

2、章着重讨论正弦振荡电路的构成、工作原理、分析方法以及常用的正弦振荡电路2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)53 正弦波振荡电路概述(2) o 正弦波振荡电路的分类：n 从工作原理看：o 反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作。o 负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡。工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多n 从构成看：o 根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三端型LC、RC、晶体。o 根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电路、压控2009-2010学年第2学期通

3、信电子电路正弦波振荡电路(1)63.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理自激条件(1) o 将环路等效为开环后有：00() ()fiVAFV00() ()1AF：若fiVV则:00() ()1AF000()() ()20,1,2,AFAFnn 由此得到自激振荡的平衡条件(又称巴克豪森准则)：n 振幅平衡条件：n 相位平衡条件：2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)73.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理自激条件(2) o 例，右图是互感耦合调集电路原理图，试判断其是否可能构成振荡电路。平衡条件是反馈式正弦波振荡电路维持自激振荡的必要条件而非充分条件2009-2010学年第

4、2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)83.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理振荡幅度的建立和稳定过程(1) 00() ()1AFo 起振过程：n 开机时电路中产生噪声和干扰，包含角频率为0的分量n 该分量满足相位平衡条件，放大电路对该分量放大倍数也接近最大n 若AF1,则通过反复的循环放大，最终可在0上建立自激o 起振条件：000()() ()20,1,2,AFAFnn 2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)93.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理振荡幅度的建立和稳定过程(2) o 稳幅过程(1)n 振荡电路起振后，依靠电路自身非线性使振荡幅度达到稳定(内稳幅)000

5、(,)(,)()oiiiVVAVV0010(,)()(,)oiciVVZIVo 选频网络的作用2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)103.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理振荡幅度的建立和稳定过程(3) o 稳幅过程(2)n 是仅取决于外电路参数，与振幅无关，则可得下图，用于说明振荡电路的起振与稳定过程0()F2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)113.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理平衡点的稳定条件(1) o 振荡电路的平衡条件不能说明振荡电路在外来干扰作用下平衡状态是否稳定，只是维持振荡的必要条件而不是充分条件o 振荡电路中总是存在噪声

6、、干扰等不稳定定因素，可能破坏电路平衡条件。两种可能的平衡状态是：n 稳定平衡状态：干扰因素消失后振荡能自动回到原来的平衡状态n 不稳定平衡状态：干扰因素消失后越来越偏离原来的平衡状态2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)123.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理平衡点的稳定条件(2) o 振幅稳定条件n 定义n 稳定过程n 稳定条件：*0(,)0iiiiVVAVVo 当工作点选择过低时，存在如右图特性n 硬激励：需要外加激励才能起振n 软激励：不需要外加激励就能起振2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)133.1 反馈式正弦波振荡电路的工作原理

7、平衡点的稳定条件(3) o 相位稳定条件n 定义n 环路相位变化对角频率的影响：n 稳定过程n 稳定条件：ddt0( )0AF 2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)143.1.2 正弦波振荡电路的线性频域分析方法o 判别正弦振荡电路能否振荡的步骤：n 首先要检查电路的结构是否满足反馈型正弦振荡电路的必要因素n 其次是分析振荡的平衡条件o 任何振荡电路起振时，Vi都很小，放大电路工作在晶体管的线性工作区，因此在起振阶段可以用小信号模型构成的微变等效电路进行计算。只要满足起振条件，靠晶体管的非线性最终一定能够得到稳定的等幅振荡2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦

8、波振荡电路(1)153.1.2 正弦波振荡电路的线性频域分析方法开环法 o 开环法定义与步骤：n 画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件n 画微变等效电路，并在某一点开环。开环后应保证原来的工作条件不变n 计算开环传递函数 ，利用相位平衡条件确定振荡角频率n 利用0角频率下的平衡条件，确定维持振荡幅度所需要的gm值gm0n 选择晶体管的gm使gmgm0，此时电路满足起振条件00() ()AF2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)163.1.2 正弦波振荡电路的线性频域分析方法闭环法 o 闭环法的定义与步骤：n 画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件n 画微变等效

9、电路，并列写出电路方程，这是一组线性齐次方程组n 令线性方程组复系数矩阵的行列式=0n 解=0，可确定振荡角频率0和维持振荡幅度所需的 gm值gm0n 选择晶体管的gm使gmgm0，此时电路满足起振条件2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)17例题o 1. 反馈型正弦波振荡器起振的振幅条件是：_，相位条件是：_。o 2. 反馈型正弦波振荡器的振幅平衡条件是：_，相位条件是：_。o 4. 反馈型正弦波振荡器的电路构成，必须有：_，_，_。o 3. 反馈型正弦波振荡器的振幅稳定条件是：_，相位稳定条件是：_。o 对于4的另一种近似的描述，p121。2009-2010学年第2

10、学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)183.2 LC正弦波振荡电路o 利用电感、电容器件组成选频网络的反馈式正弦波振荡电路，统称LC正弦波振荡电路o 本节主要介绍如下内容：n LC振荡电路中晶体管的工作状态：工作状态、应用条件(工作点)、起振时的放大倍数、振荡幅度的建立过程n 常用LC振荡电路：起振条件、振荡频率、电路的工作原理和特点2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)193.2.1 LC振荡电路中的晶体管工作状态静态工作点和起始 值(1) o 甲类应用条件：()(),BEQBE onimBEQBE onVVVVVo 甲乙类应用条件：()(),BEQBE onimBE

11、QBE onVVVVVo 乙类应用条件：()BEQBE onVVo 丙类应用条件：()(),BEQBE onimBE onBEQVVVVV00() ()AF2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)203.2.1 LC振荡电路中的晶体管工作状态静态工作点和起始 值(2) o 甲类振荡电路起振时只需： 略大于1，依靠放大区弱非线性稳幅，工作点选择在交流负载线中央、偏低，振荡幅度建立过程如图所示00() ()AF00() ()AFo 甲乙类振荡电路起振时的 大于甲类情况00() ()AF2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)213.2.1 LC振荡电路中

12、的晶体管工作状态自偏电路(1) o 大功率振荡器多采用丙类振荡电路o 直接负偏置的丙类电路无法直接起振：2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)223.2.1 LC振荡电路中的晶体管工作状态自偏电路(2) o 采用自偏电路可实现甲类起振、丙类工作：n 假定电路已上电，断开L2后发现晶体管正向偏压变大或由反偏变为正偏，说明什么？2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)23例题(是例题，更是知识点讲述)o 1. 试比较甲类和甲类起振丙类工作LC振荡器输出信号的振幅稳定性和频率稳定性(波形质量)2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)

13、243.2.2 调谐型正弦波振荡电路o 调谐型正弦波振荡电路：采用互感耦合线圈作为反馈网络。依据谐振回路接在晶体管的电极位置可命名为调基、调集、调射电路o 调谐型正弦波振荡电路的振荡频率是？2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)253.2.3 三端型LC正弦波振荡电路o 三端电感振荡电路(哈特莱电路)：2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)263.2.3 三端型LC正弦波振荡电路o 三端电容振荡电路(科皮兹电路)：2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)273.2.3 三端型LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用(1)o 以三

14、端电容振荡电路为例：1221211psC CLCLCCo 当选频网络的输入信号频率为p时，选频网络与放大电路的反相作用相加，从而可以构成正反馈2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)283.2.3 三端型LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用(2)o 依据同样的思路，可分析三端电感电路(忽略互感)：2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)293.2.3 三端型LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用(3)o 对于复杂三端电路平衡条件的通用判别准则：n 射同基(集)反：XB、XC电抗性质相同；Xm与XB或XC电抗性质相反o 可以利用三部分电抗求和等于零计算三

15、端振荡电路的角频率2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)303.2.3 三端型LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用(4)o 判断右图所示交流通路图能否满足自激振荡所需的相位平衡条件：n 利用三部分电抗求和等于零计算三端振荡电路的角频率：n 利用射同基(集)反判断各电抗性质是否满足要求：01231()LLL C011,ssLCo Xm为容性，故满足要求2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)313.2.3 三端型LC正弦波振荡电路三端电感振荡电路(1)o 利用闭环法分析该电路：0121(2)LLM C2101211mioLMLMgRLMRLMn 若M

16、=0：0121()LL C2101211mioLLgRLRLn 对全耦合电路， 有：2121,ML LMnL0211(1)nLC01miongRnR2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)323.2.3 三端型LC正弦波振荡电路三端电感振荡电路(2)o 三端电感振荡电路优点：n 容易起振，输出电压幅度较大n 容易通过调节电容改变振荡频率，调节时不影响反馈系数o 三端电感振荡电路缺点：n 输出端和反馈端均为电感，振荡波形不太好n 电感上的分布电容和晶体管的极间电容影响环路增益，电路的振荡频率不能过高2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)333.2.3

17、 三端型LC正弦波振荡电路三端电容振荡电路(1)012121C CLCCo 利用开环法分析该电路2101211moiCCgCRCR2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)343.2.3 三端型LC正弦波振荡电路三端电容振荡电路(2)012121C CLCC221iLCRRCo 三端电容振荡电路的近似估算：n 振荡角频率：n 分别计算 来估算起振条件：若 ，则令 ，则00()()AF、102()CFC 0()11moLgARR 201iCRLC2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)353.2.3 三端型LC正弦波振荡电路三端电容振荡电路(3)o 三端

18、电容振荡电路优点：n 输入和反馈端是电容，对高次谐波电抗小，振荡波形好n 只要减小电容就能提高振荡频率，若不外加电容，仅利用晶体管的输入和输出电容作回路电容，则振荡频率可高达几百兆赫，甚至上千兆赫o 三端电容振荡电路缺点：n 改变频率不方便，适用于作为固定频率的振荡器n C1和C2接在晶体管集射极和基射极上，振荡频率越高， C1和C2的电容值越小，此时晶体管的结电容将直接影响到C1和C2，从而影响振荡频率的稳定性2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)363.2.4 改进型三端电容振荡电路克拉泼电路o 串联改进型三端电容振荡电路克拉泼电路0121111LCCCo 若CC1且CC201LCo 引入C带来的优点是：o 缺点：C减小时放大倍数下降，带来的缺点是：2009-2010学年第2学期通信电子电路正弦波振荡电路(1)373.2.4 改进型三端电容振荡电路西勒电路o 并联改进型三端电容振荡电路西勒电路0341()L CC o 若C3C1且C3稳幅过程-平衡-稳定过程o LC正弦波振荡电路的各种要点：n 工作状态-应用条件-起始环反馈系数n 自偏电路：甲类起振丙类工作n 比较甲类和丙类的振幅、频率稳定性o 三端型LC正弦波振荡电