反馈振荡器的工作原理（课堂PPT）

1、第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器概述概述3.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度3.4晶体振荡器晶体振荡器3.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据寄生振荡、间歇振荡和频率占据2本章主要讨论本章主要讨论反馈型正弦波振荡器的基本工作原理反馈型正弦波振荡器的基本工作原理 振荡器的起振条件、平衡条件、稳定条件振荡器的起振条件、平衡条件、稳定条件正弦波振荡器三端电路的判断准则正弦波振荡器三端电路的判断准则正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性

2、能指标正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标晶体振荡器、晶体振荡器、 RC 正弦波振荡器、负阻正弦波振荡器正弦波振荡器、负阻正弦波振荡器3本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量电路。一定频率和一定幅度的交变能量电路。振荡器的分类：振荡器的分类：按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器 按选频网络所采用的元件分：

3、按选频网络所采用的元件分： LC振荡器、振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型振荡器和晶体振荡器等类型概述概述一、与功放比较一、与功放比较( (从能量角度从能量角度) )1功率放大器功率放大器将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交将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。变能量。特点：被动地，需输入信号控制特点：被动地，需输入信号控制2正弦波振荡器正弦波振荡器( (Sinewave Oscillator) )将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：特点：自动地自动地，无需输入信号控制。，无需输入信号控制。二、正弦波

4、振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用1作信号源作信号源( (本章将讨论本章将讨论) )载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。 要求：要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。振荡频率和振幅的准确性和稳定性。 2正弦交变能源正弦交变能源( (本章不讨论本章不讨论) )用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。源。要求：要求：功率足够大，高效。功率足够大，高效。6实际中的反馈振荡器是由反实际中的反馈振荡

5、器是由反馈放大器演变而来，如右图。馈放大器演变而来，如右图。+vfvoLC+viK12Rb2ReCe+VCCM+自激振荡建立的物理过程自激振荡建立的物理过程若开关若开关K拨向拨向“1”时，该电时，该电路则为调谐放大器，当输入信号路则为调谐放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器感耦合变压器L2上的电压为上的电压为vf ，调整互感调整互感M及同名端以及回路参及同名端以及回路参数，可以使数，可以使 vi = vf 。 此时，若将开关此时，若将开关K快速拨向快速拨向“2”点，则集电极电路和基点，则集电极电路和基极电路都维持开关极电路都维持开关K接到接到“

6、1”点时的状态，即始终维持着点时的状态，即始终维持着与与vi相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。荡器。L27+vfvoLC+viK12Rb2ReCe+VCCM+8在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极LC振振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级回，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。路，这就是激励信号。 起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行起始振

7、荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放大放大选频选频反馈反馈再放大再放大等多次循环，于是一个与振等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。2等幅持续振荡的条件等幅持续振荡的条件 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程。的过程。 进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持进入平衡状态时，振荡电压的振

8、幅和频率要能维持在相应的平衡值上。在相应的平衡值上。 当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。产生突变或停止振荡。闭合环路成为反馈振荡器的闭合环路成为反馈振荡器的三个条件三个条件： 起振条件起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。接通电源后可从无到有建立起振荡。 平衡条件平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。 稳定条件稳定条件平衡状态不因外界不稳定因素的影响平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏。而受到破坏。基本组成基本组成要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足要产生稳定的正弦振荡，振荡

9、器必须满足起振、平衡、起振、平衡、稳定稳定三项条件。三项条件。 1组成组成 可变增益放大器可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。 相移网络相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n 。11第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件3.1.2稳定条件稳定条件3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件 1分析分析 刚

10、通电时，电路中存在电的扰动刚通电时，电路中存在电的扰动( (电流突变或管子、电流突变或管子、电路中的固有噪声电路中的固有噪声) )，具有，具有很宽的频谱很宽的频谱。 谐振回路的选频功能，只允许角频率为谐振回路的选频功能，只允许角频率为 osc 的分量的分量( ( osc 0) )在谐振回路两端产生较大的电压。在谐振回路两端产生较大的电压。fViV 变压器绕向正确，可保证反馈信号变压器绕向正确，可保证反馈信号 与输入信号与输入信号 同相，经放大和反馈的循环，使振荡电压的振幅不断增长。同相，经放大和反馈的循环，使振荡电压的振幅不断增长。2起振条件起振条件)(j)(j)(jfofioif kAVVV

11、VVVT ( (1) )振幅起振条件振幅起振条件环路增益环路增益1)(osc T( (2) )相位起振条件相位起振条件物理意义：振幅起振条件要求反馈电压幅度物理意义：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次比要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈正反馈。 T( osc) = A( osc) + f( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) ) 二、平衡条件二、平衡条件1分析分析ifVV 同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一频率若在某一频率 osc 上，上，fV与与iV当当环路闭合环路闭合后：后：osc oV 主网络将输出正弦振荡电压主网络将输

12、出正弦振荡电压 ，角频率为，角频率为 。 所需输入电压所需输入电压 全部由反馈电压全部由反馈电压 提供，无需外提供，无需外加输入电压。加输入电压。 iVfV2平衡条件平衡条件)(joscoscosce )()j ( TTT 由由则：则： 振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模 T( osc) = 1 相位平衡条件：相位平衡条件：环路增益的相角环路增益的相角 T( osc) = 2n (n 0，1，2，) 3讨论讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件： 起振时，起振时，T( osc) 1，Vi 迅速增长；迅速增长； 随后，随后，T( os

13、c)下降，下降，Vi 的增长速度变慢；的增长速度变慢； 到到 T( osc) = 1 时，时，Vi 停止增长，振荡器进入平衡状停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。上维持等幅振荡。环路增益环路增益 特性特性如图如图 3- -1- -3 所示所示。 而环路增益的相角而环路增益的相角 T( osc) 则必须维持在则必须维持在 2n 上。上。 平衡条件平衡条件多利用多利用放大放大器的非线性器的非线性实现。实现。 例例:变压器耦合反馈振荡器：变压器耦合反馈振荡器：刚通电时，刚通电时，Vi 很小，放大器小信号工作，增益较大，很小，放大器小信号工作，增

14、益较大，相应的相应的 T( osc) 为大于为大于 1 的水平线。的水平线。当当 Vi 增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随于放大特性非线性，放大器的增益将随 Vi 增大而减小，相增大而减小，相应地应地 T( osc) 也就随着也就随着 Vi 的增大而下降。的增大而下降。 符合起振与平衡条件对符合起振与平衡条件对 T( osc) 的要求。的要求。 osc()T A ViA Vi 1 3.1.2稳定条件稳定条件一、问题的提出一、问题的提出1振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 外部：外部：电源电压、温度、湿度的变化

15、，引起管子和电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。回路参数的变化。 内部：内部：存在固有噪声存在固有噪声( (起振时的原始输入电压起振时的原始输入电压, ,进入进入平衡后与输入电压叠加引起波动平衡后与输入电压叠加引起波动) )。 均造成均造成 T( osc) 和和 T( osc) 的变化，破坏平衡条件。的变化，破坏平衡条件。2干扰对平衡状态的影响干扰对平衡状态的影响( (两种两种) )通过放大和反馈的反复循环：通过放大和反馈的反复循环： 振荡器离开原平衡状态，导致振荡器离开原平衡状态，导致停振停振或或突变突变到到新的平新的平衡状态衡状态。说明原平衡状态是不稳定的，应避免。说明原

16、平衡状态是不稳定的，应避免。 振荡器有回到平衡状态的振荡器有回到平衡状态的趋势趋势。当干扰消失后，能。当干扰消失后，能回到平衡状态。则原平衡状态是稳定的。回到平衡状态。则原平衡状态是稳定的。必必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件 图图 3- -1- -3 所示所示环路增益特环路增益特性，还满足振幅稳定条件。性，还满足振幅稳定条件。 1稳定过程稳定过程 ,iAiVV 1)(osc T若若，干扰使：，干扰使：iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 环路特性环路特性 最后在新的最后在新的 上重新满

17、足平衡条件上重新满足平衡条件 T( osc) = 1iAV最后达到新的平衡。最后达到新的平衡。iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 环路特性环路特性 osc()T A ViA Vi 1 2环路增益存在两个平衡点的情况环路增益存在两个平衡点的情况图图 3- -1- -3如图如图 3- -1- -5 所示所示，振荡器存在着两个，振荡器存在着两个平衡点平衡点 A 和和 B，其中其中 A 是稳定的，是稳定的，B 点点是否稳定？是否稳定？分析：分析：若使若使 Vi ViB ，则，则 T( osc) 随之增大，导致随之增大，导致 Vi 进进一步增大，从而更远离一步增大，从而更远离平衡点平衡点

18、B。最后到达。最后到达平衡点平衡点 A。 iV反之反之，若，若iBiVV )(osc T ，直到停止振荡。直到停止振荡。可见，这种振荡器不满足振幅起可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产生大振条件，必须加大的电冲击，产生大于于ViB 的起始扰动电压，的起始扰动电压，才能进入才能进入平衡平衡点点 A，产生持续等幅振荡。，产生持续等幅振荡。硬激励：硬激励：靠外加冲击而产生振荡的方式。靠外加冲击而产生振荡的方式。软激励：软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态接通电源后自动进入稳定平衡状态的方式的方式。3振幅稳定条件振幅稳定条件 可见，要使平衡点稳定，可见，要使平衡点稳定，T( os

19、c) 必须在必须在 ViA 附近具有附近具有随随 Vi 增大而下降增大而下降( (负斜率变化负斜率变化) )的的特性特性，即，即0)(iAiosc VVT 斜率越陡，则斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的的变化而产生的 T( osc) 变化越大，变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。 工作于非线性状态的有源器件工作于非线性状态的有源器件(晶体管、电子管等晶体管、电子管等)正正好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。20三、相位三、相位(频率频率)稳定条件稳定条件 必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条

20、件实质上必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当是一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。 如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量一个很小的相位增量+，这就意味着反馈电压超前于，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压一个相角原有输入电压一个相角,相位超前就意味着周期缩短相位超前就意味着周期缩短,频频率不断地提高。反之，如果率不断地提高。反之，如果为负，即滞后于原输入为负，即滞后于原输入电压电

21、压,同理将导致频率的不断降低。同理将导致频率的不断降低。 从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的关系是：关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相位的变化关系可表示为降低，频率随相位的变化关系可表示为 ()ddtT( )00)(oscT 相位稳定条件相位稳定条件斜率越陡，斜率越陡，则稳定性越灵敏。则稳定性越灵敏。图图 3- -1- -6 为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化恢复相位平

22、衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的外因引起的变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为稳定条件应为T( )0225、利用自己偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲、利用自己偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。类工作状态转换成丙类工作状态。根据振荡器的振荡条件，可归纳如下：根据振荡器的振荡条件，可归纳如下：1、振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。的稳定。2、相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。定。3、振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的振荡幅度的稳定是由器