高频电子线路ppt讲义6正弦波振荡器

1、音 频 放 大高 频 振 荡倍 频高 频 放 大调 制缓 冲传 输 线话 筒声 音（ 直 流 电 源 未 画 ） 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F 高频电路高频电路1.1.定义定义高功放高功放2.2.振荡器的分类振荡器的分类正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器负阻式振荡器负阻式振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器反馈型反馈型RC振荡器振荡器 本章主要介绍反馈型本章主要介绍反馈型RC、LCLC振荡器和石英晶体振荡器振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。的工作原理

2、。石英晶体振荡器石英晶体振荡器 所谓所谓“谐振谐振”，就能量关系而，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。振荡。1）一套振荡回路一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。接收能量可

3、以往返进行，其频率决定于元件的数值。2）一个能量来源一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3）一个控制设备一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。成的。利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡, 这这就是反馈振荡器的基本原理。就是反馈振荡器的基本原理。 反馈振荡器是反馈振荡器是由

4、由主网络主网络和和反馈网络反馈网络组成的一个闭合环路。组成的一个闭合环路。 其其主网络一般由放大器和选频网络组成主网络一般由放大器和选频网络组成, 反馈反馈网络一般由无源器件组成网络一般由无源器件组成。 ofioUUFUUA,AF12nFA1|FA放大器放大器晶体三极管晶体三极管场效应管场效应管差分放大器差分放大器a.运算放大器运算放大器选频网络选频网络LC并联谐振回路并联谐振回路RC选频网络选频网络a.晶体滤波器等晶体滤波器等反馈网络反馈网络电容分压电容分压电感分压电感分压变压器耦合变压器耦合a.电阻分压电阻分压振荡器组成振荡器组成6.5.1 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件6.5.2 振荡

5、器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件负反馈产生自激振荡。负反馈产生自激振荡。若环路增益若环路增益1 FA则则， fidXX去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。 又又fafa AFFAFA所以等幅振荡条件为所以等幅振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan相位平衡条件相位平衡条件 Xo 基本放大基本放大 电路电路 Xid A Xf+Xi反馈网络反馈网络F 正反馈产生自激振正反馈产生自激振荡。（注意与负反馈荡。（注意与负反馈方框图的差别）方框图的差别） # 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起

6、振的信号源来自何处？号源来自何处？接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。 初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号应该的信号应该被保留，成为等幅振荡输出信号。被保留，成为等幅振荡输出信号。（从无到有）（从无到有） 然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求（由弱到强）（由弱到强）起振条件起振条件1)()(00FAFAn2)()(00En

7、d 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件使振幅平衡条件从从 AF1 到到AF=1 。（由增到稳）（由增到稳）ofioUUFUUA,iofUAFUFU当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到电压不再发生变化，电路达到平衡状态平衡状态。1)(exp|FAiFAFA振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相

8、位平衡条件2nFA1|FA用电路参数表示用电路参数表示: :11FZypfe)3 , 2 , 1 , 0(2nnFZY其中其中: :icfeVIy111ccpIVZcfVVF 以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的的平衡条件平衡条件。 实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受该

9、分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的到破坏的稳定条件稳定条件。 稳定条件也分为稳定条件也分为振幅稳定振幅稳定与与相位稳定相位稳定两种。以两种。以下分别讨论之。下分别讨论之。1 1）振幅平衡的稳定条件）振幅平衡的稳定条件 要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，化时，AF的大小朝反方向变化。的大小朝反方向变化。0:omQomomVVVA振幅稳定条件2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件 相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持

10、相对稳定的振荡频率。新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。相位平衡点上相位平衡点上 与与 同相同相iUfU0dttdt)()( 由此可得相位稳定条件为由此可得相位稳定条件为 ()0YFZPPPP则相位稳定条件为则相位稳定条件为 0ZP保证相位的稳定必须有一个相频特性斜率为保证相位的稳定必须有一个相频特性斜率为负负的网络。的网络。ZFZY,而而 12QQ 2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件0011L0jQAAvv00arctanQ6.6.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器6.6.2 电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器 ( (哈特莱振荡器哈特莱振荡器) )6.6.3 电容反馈式三端

11、振荡器电容反馈式三端振荡器 ( (考毕兹振荡器考毕兹振荡器) )6.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件三端式振荡器相位平衡条件的判断准则的判断准则放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能，流电能，不同之处在于不同之处在于：放大器需要外加控制信号而：放大器需要外加控制信号而振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡器。器。 如果由如果由LCLC谐振回路通过互感耦合将输出信号送谐振回路通过互感耦合将输出信号

12、送回输入回路，所形成的是回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器互感耦合振荡器。 由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件，正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件，就符合基本原理。就符合基本原理。射基射基(集集)同名同名三极管，三极管，LCLC谐振回路谐振回路变压器变压器 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LCLC谐振回路中的谐振回路中的电感分压电路电感分压电路将输出信号将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。(+)(-)(+)(+)MLMLF12L

13、1L2C电路的特点电路的特点: :4容易起振容易起振FA1变电容而不影响变电容而不影响F。4调整频率方便调整频率方便4振荡波形不够好振荡波形不够好高次谐波反馈较强，高次谐波反馈较强，波形失真较大。波形失真较大。4不适于很高频率工作不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于L1与与L2两端，两端，F随频率变化而改变。随频率变化而改变。ieCoeCL1L2CoVfVEnd(+)(-)(+)(+)CpI21CCF 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LCLC谐振回路中的谐振回路中的电容分压电路电容分压电路将输出信将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。号送回输入回

14、路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。C1C2LC1C2L电路的特点电路的特点: :ieCoeCoVfVEnd变电容影响变电容影响F，变电感不便。，变电感不便。4调整频率不太方便调整频率不太方便4输出波形较好输出波形较好高次谐波反馈较弱，高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。波形接近正弦波。4频率稳定度较好频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于C1与与C2两端，被较大两端，被较大C1与与C2 吸收。吸收。4适用于较高的工作频率适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容甚至可只利用器件的输入电容和输出电容做回路电容。和输出电容做回路电容。克拉泼(Clapp)振荡器3231,

15、CCCC3201311111CCCCCCCi3011LCLC西勒(Seiler)振荡器3231,CCCC)(11430CCLLC43420131111CCCCCCCCCi电容三点式与电感三点式电容三点式与电感三点式振荡器比较振荡器比较 电容三点式振荡器输出波形好，工作频率电容三点式振荡器输出波形好，工作频率比较高比较高 缺点是调整困难，起振困难缺点是调整困难，起振困难 电感三点式振荡器起振容易，调整方便电感三点式振荡器起振容易，调整方便 缺点是输出波形不好缺点是输出波形不好)(0322321XXjjXUUXXXof12XXUUFof射同基（集）反射同基（集）反 在三点式电路中在三点式电路中,

16、, 回路中与发射回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质极相连接的两个电抗元件必须为同性质, , 另外一个电抗元件必须为异性质。另外一个电抗元件必须为异性质。这就是这就是三点式电路组成的相位判据三点式电路组成的相位判据, , 或称为或称为三点三点式电路的组成法则。式电路的组成法则。 与发射极相连接的两个电抗元件同为与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路电容时的三点式电路, , 称为称为电容三点式电电容三点式电路路, , 也称为考毕兹也称为考毕兹(Colpitts)(Colpitts)电路。电路。 与发射极相连接的两个电抗元件同为与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电

17、路电感时的三点式电路, , 称为称为电感三点式电电感三点式电路路, , 也称为哈特莱也称为哈特莱(Hartley)(Hartley)电路。电路。End举例举例: : 振荡器的振荡频率应低于振荡器的振荡频率应低于L1和和C1支路的串联谐振频率，此支路的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率2121210)(1CCCCLL 评价振荡器频率的主要指标有两个，即：评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与稳定准确度与稳定度度。振荡器实际工作频率。振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f

18、0之间的偏差，称为之间的偏差，称为振荡频率准确度。振荡频率准确度。 通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为达式为 振荡器的频率稳定度是指振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内在一定时间间隔内，频率准确，频率准确度的变化。度的变化。根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。影响振荡频率的有如下三种因素：影响振荡频率的有如下三种因素：）振荡回路参数）振荡回路参数与与;）回路电阻）回路电阻；（

19、）；（）有源器件的参数。）有源器件的参数。克拉泼(Clapp)振荡器3231,CCCC3201311111CCCCCCCi3011LCLC西勒(Seiler)振荡器3231,CCCC)(11430CCLLC43420131111CCCCCCCCCi6.8.1 并联谐振型晶体振荡器并联谐振型晶体振荡器6.8.2 串联谐振型晶体振荡器串联谐振型晶体振荡器6.8.3 泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器一般一般LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度f /f0只能达到只能达到10-3 10-5。若。若要求频率稳定度超过要求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。，需用石英晶体振荡器。）石英晶体的物理和化

20、学性能都十分稳定；）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；）晶体的）晶体的值可高达数百万数量级；值可高达数百万数量级；）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。灵敏的补偿能力。1. 石英晶体滤波器的特点石英晶体滤波器的特点 因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频频率稳定度大大提高率稳定度大大提高。2. 石英晶体滤波器的应用石英晶体滤波器的应用4作电感用作电感用4工作于串联谐振状态工作于

21、串联谐振状态 O X容性容性 容性容性 感感性性 sfpf 因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件电感元件，称，称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件串联谐振元件，称为，称为串联谐振型晶体振荡器。串联谐振型晶体振荡器。 C0 (a) (b) Cq Lq rq 2. 石英晶体滤波器的应用石英晶体滤波器的应用 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c) 石英晶体谐振器(a) 符号 (b) 基频等效

22、电路 (c) 完整等效电路 除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次奇次（2n-1）谐波的泛音振动）谐波的泛音振动。基频振动模式时，产生奇次谐波谐基频振动模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。振的支路因阻抗较高可忽略。4奇次谐波的泛音振动奇次谐波的泛音振动这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感作为一个感性元件性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组，并与其他回路元件一起按照三

23、端电路的基本准则组成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型基本电路。基本电路。End石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器倍频器。另一个办法就是令晶。另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器。 所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波所谓泛音，是指

24、石英片振动的机械谐波。它与电气谐波。它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍奇数倍附近附近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。End 若泛音晶体的标称泛音次数为若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称频率为，相应的标称频率为5MHz，则，则LC谐振回路应调谐在谐振回路应调