高频电子电路3.1-3.3

1、1第三章第三章 正弦波振荡器正弦波振荡器3 31 1 概述概述3 32 2 反馈振荡器原理反馈振荡器原理3. 33. 3 振荡条件的分析振荡条件的分析 3. 43. 4 LC振荡电路振荡电路3.53.5 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性3.63.6 晶体振荡器晶体振荡器 3.73.7 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象3.83.8 RC RC振荡器振荡器返回休息1休息2第三章第三章 正弦波振荡器正弦波振荡器31 概概述述 振振荡荡器器：在在没没有有激激励励信信号号的的情情况况下下，能能自自动动的的将将直直流流电电源源能能量量转转换换为为周周期期性性交交流流信信号号输输出出的的电电子子电电

2、路路。振振荡荡器器的的应应用用十十分分广广泛泛，振振荡荡器器的的种种类类也也很很多多。 反反馈馈振振荡荡器器 按按振振荡荡原原理理分分类类 负负阻阻振振荡荡器器 低低频频振振荡荡器器 按按振振荡荡频频率率分分类类 高高频频振振荡荡器器 正正弦弦波波振振荡荡器器 按按振振荡荡波波形形分分类类 非非正正弦弦波波振振荡荡器器（多多谐谐振振荡荡器器等等） LC 振振荡荡器器 按按选选频频回回路路元元件件性性能能分分类类 RC 振振荡荡器器 晶晶体体振振荡荡器器等等休息1休息2 主要技术指标：主要技术指标： 1.振荡频率振荡频率f及频率范围及频率范围: 2.频率稳定度频率稳定度:调频广播和电视发射机要求

3、调频广播和电视发射机要求:10-510-7左右左右 标准信号源标准信号源:10-610-12 要实现与火星通讯要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位要为金星定位:10-12 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度:4. 频谱频谱(残波辐射残波辐射):讨论内容讨论内容:从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件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。稳定度。用途：用途：凡是从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入凡是从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供

4、激励信号信号，无需外部提供激励信号, ,能产生等幅正弦能产生等幅正弦波波输输出称为正反馈振荡器出称为正反馈振荡器电子设备电子设备高频加热设备高频加热设备医疗仪器医疗仪器发射机发射机(载波频率载波频率fC）接收机（本地振荡频率接收机（本地振荡频率fL）仪器仪表振荡源仪器仪表振荡源数字系统时钟信号数字系统时钟信号反馈振荡器的含义与用途反馈振荡器的含义与用途3.2 反馈振荡器原理反馈振荡器原理32 反馈振荡器原理反馈振荡器原理一一 反反馈馈振振荡荡器器工工作作原原理理分分析析能能产产生生自自激激振振荡荡一一个个基基本本的的条条件件是是必必须须构构成成正正反反馈馈回回路路，即即反反馈馈到到输输入入端端

5、的的信信号号和和放放大大器器输输入入信信号号相相位位相相同同。 suiufuou如如果果设设放放大大器器的的电电压压放放大大倍倍数数为为 A（s） ，反反馈馈网网络络的的反反馈馈系系数数为为 F（s）则则有有： 闭闭环环增增益益：)()()(sususAsof , 开开环环增增益益： )()()(sususAioo 反反馈馈系系数数：)()()(sususFof 又又因因为为：)()()(sususufsi ( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )1( ) ( )11( )( )( )ooioofffoifoiiou su su sA sA sA su su su s

6、u su sA s F su su s u s若若令令 js 代代入入上上式式,则则有有： )()()()( jFjAsFsAoo 则则有有 )( jAf,即即表表明明在在没没有有外外加加信信号号,也也可可以以维维持持振振荡荡输输出出, 故故自自激激振振荡荡的的条条件件为为: 1)()( jFjA 显显然然在在某某一一个个工工作作频频率率 o 时时, 如如果果1)()( ooojFjA ,即即)()(susufi 休息1休息2 放大器放大器 A（s） 反馈网络反馈网络 F（s）二二正弦波正弦波反馈振荡器的电路组成反馈振荡器的电路组成正正 弦弦 波波 反反 馈馈 振振 荡荡 器器 主主 要要 由

7、由 三三 个个 部部 分分 构构 成成 : 电源电源 有源器件有源器件 选频网络选频网络 反馈网络反馈网络1 有有源源器器件件:非非线线性性有有源源器器件件,具具有有一一定定的的功功率率增增益益, 能能维维持持振振荡荡回回路路不不可可避避免免的的功功率率损损耗耗。 2 选选 频频 回回 路路 :决决 定定 振振 荡荡 器器 的的 工工 作作频频 率率 ,并并 能能 保保 证证 振振 荡荡 相相 位位 的的 稳稳定定 。 3 反反 馈馈 网网 络络 :实实 现现 正正 反反 馈馈 ,一一 般般 可可 以以通通 过过 互互 感感 (变变 压压 器器 ),电电 感感 及及 电电 容容 等等 获获得得

8、 正正 反反 馈馈 电电 压压 。 互互感感反反馈馈振振荡荡器器:由由互互感感(变变压压器器)构构成成反反馈馈网网络络. 根根据据反反馈馈网网络络 电电感感反反馈馈振振荡荡器器:由由电电感感构构成成反反馈馈网网络络. 电电容容反反馈馈振振荡荡器器:由由电电容容构构成成反反馈馈网网络络. 休息1休息23.3振荡条件的分析振荡条件的分析由由上上述述分分析析已已知知振振荡荡条条件件:1)()( jFjA它它是是维维持持振振荡荡的的基基本本条条件件， 通通常常也也称称为为振振荡荡的的平平衡衡条条件件。 又又由由于于 FAjjFejFAejA )()( 所所以以振振荡荡平平衡衡条条件件的的约约束束方方程

9、程可可以以分分为为两两个个方方程程: )21，0(21，nnAFFA 或或 nFZ2 其其中中:的的相相角角与与基基极极输输入入电电压压为为集集电电极极基基波波电电流流i1c:ui 的的相相角角谐谐振振回回路路基基波波谐谐振振阻阻抗抗为为LC:Z 晶体管晶体管 反馈网络反馈网络 LC选频网络选频网络Y Z F 休息1休息2uiic1uc1uf三三 振荡电路分析实例振荡电路分析实例如如下下图图所所示示的的电电路路为为互互感感耦耦合合正正弦弦波波振振荡荡器器.1 自自激激振振荡荡过过程程: ifoccbiuuuiiiu1 开开启启电电源源VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈

10、网络反馈网络+ui- -ic- -uo+uf- -ib休息1休息2实实 际际 上上 振振 荡荡 器器 在在 开开 始始 建建 立立 振振 荡荡 时时应应 满满 足足 的的 条条 件件 为为 :1 FA 即即有有:ofiouuFuuAFA ,.1而而 ifuu 有有uiuoA1/F1iu 3iu 2iu 4iu 03u 02u 01u 04u 1fu 2fu 3fu 如如右右图图：分分别别为为基基本本放放大大器器 A 和和反反馈馈网网络络 1/F 的的曲曲线线,如如果果设设开开启启电电源源后后产产生生扰扰动动电电压压 :,1则则有有iu 121011fifiuuuuu 232022fifiuuu

11、uu 343033fifiuuuuu 123123,oooiiiuuuuuu 即即有有可见起振初期是一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 丙丙类类状状态态乙乙类类甲甲乙乙类类甲甲类类仿真仿真2 当环路增益下降到当环路增益下降到1时，振幅的增长时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡状态，即过程将停止，振荡器达到平衡状态，即进入等幅振荡状态。进入等幅振荡状态。 二二 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件 为了维持振荡器稳定的工作为了维持振荡器稳定的工作, ,只满足平衡只满足平衡条件和起振条件是不够的条件和起振条件是不够的, ,因为平衡条件只能因为平衡条件只能说明振荡可能

12、平衡在某一状态说明振荡可能平衡在某一状态, ,而不能说明振而不能说明振荡的平衡状态是否稳定荡的平衡状态是否稳定. .1 1 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 由由于于放放大大器器的的非非线线性性, ,放放大大倍倍数数是是信信号号振振幅幅的的函函数数, ,即即)(iuAAuu ， 而而反反馈馈系系数数F仅仅取取决决于于反反馈馈网网络络的的元元件件参参数数，一一般般与与信信号号振振幅幅大大小小无无关关，导导致致环环路路增增益益)()()( jFjAjT 随随着着ui振振幅幅的的迅迅速速增增长长而而下下降降。 0)(: iAiUuioujT 振振幅幅稳稳定定条条件件实实际际中中, ,由由于于工工

13、作作于于大大信信号号状状态态下下的的非非线线性性有有源源器器件件正正好好具具有有这这种种特特性性, ,自自然然具具有有稳稳定定幅幅度度的的功功能能。 返回休息1休息2 在平衡点在平衡点Ui=UiA附近，当不稳定因素附近，当不稳定因素使使ui的振幅的振幅Ui增大时，环路增益减小，使反增大时，环路增益减小，使反馈电压振幅馈电压振幅Uf减小，从而阻止减小，从而阻止Ui增大；反增大；反之，当不稳定因素使之，当不稳定因素使ui的振幅的振幅Ui减小时，环减小时，环路增益增大，使反馈电压振幅路增益增大，使反馈电压振幅Uf增大，从增大，从而阻止而阻止Ui减小。减小。 UiO|T(o)| A1UiA即即表表明明

14、: :在在平平衡衡点点附附近近, ,放放大大器器增增益益随随信信号号振振幅幅的的变变化化特特性性具具有有负负斜斜率率. . 如果环路增益特性存在着两个平衡点如果环路增益特性存在着两个平衡点A和和B，其中，其中，A点点是稳定的，而是稳定的，而B是不稳定点，如右图所示。是不稳定点，如右图所示。二二 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件返回休息1休息2|T(o)|BAUiUiAUiB1 若某种原因使若某种原因使Ui大于大于UiB，则，则|T(o)|随之增大，势必使随之增大，势必使Ui进一步进一步增大，从而更偏离平衡点增大，从而更偏离平衡点B，最后，最后到达平衡点到达平衡点A； 反之，若某

15、种原因使反之，若某种原因使Ui小于小于UiB，则，则|T(o)|随之减小，从而进随之减小，从而进一步加速一步加速Ui减小，直到停止振荡。减小，直到停止振荡。 通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，|T(o)|必须在必须在UiA附近具有负斜率变化附近具有负斜率变化 2 2 相相位位平平衡衡的的稳稳定定条条件件相相位位稳稳定定条条件件的的意意义义: :指指当当相相位位平平衡衡条条件件遭遭到到破破坏坏时时，电电路路本本身身能能自自动动地地重重新新建建立立起起相相位位平平衡衡点点的的条条件件。 由由于于dtd , ,即即相相位位变变化化时时, ,频频率率也也变变化化, ,

16、故故相相位位稳稳定定条条件件也也就就是是频频率率稳稳定定的的条条件件. . 如如果果设设某某种种原原因因, ,相相位位平平衡衡破破坏坏, ,产产生生一一个个很很小小的的相相位位增增益益量量。 即即设设: :ifuuAF 0T 反反馈馈信信号号fu超超前前原原输输入入信信号号 iu一一个个相相角角信信号号周周期期缩缩短短 信信号号频频率率0 。 tui同理：同理：fu 0 落后落后iu 信号周期信号周期信号频率信号频率0 显显然然可可以以看看出出由由于于外外因因引引起起的的相相位位变变化化与与频频率率之之间间的的关关系系为为: : 0000 即即可可得得：0 提提出出问问题题: :要要保保证证振

17、振荡荡的的相相位位平平衡衡点点的的稳稳定定, ,必必须须当当振振荡荡器器频频率率发发生生变变化化的的同同时时, ,要要求求振振荡荡电电路路内内部部能能够够产产生生一一个个新新的的相相位位变变化化, ,而而这这个个相相位位变变化化与与外外因因引引起起的的相相位位变变化化T 的的符符号号应应相相反反, ,以以消消弱弱或或抵抵消消由由外外因因引引起起的的变变化化, , 即即要要求求: :0)(0)( FAFA或或ZYA 其其中中 Y 为为放放大大器器正正向向传传输输导导纳纳的的相相移移 Z 为为选选频频网网络络负负载载阻阻抗抗的的相相移移又又因因为为一一般般Y 和和F 对对频频率率变变化化的的灵灵敏

18、敏性性远远小小于于Z , ,即即有有 Y Z， ZF 0)( ZFZY有有 相相位位平平衡衡条条件件. . 即即 要要 求求 选选 频频 网网 络络 的的 相相 频频 特特 性性 曲曲 线线z 在在 工工 作作 频频 率率 附附 近近 应应 具具 有有 负负 斜斜 率率 ,才才 能能 满满 足足 频频 率率 稳稳 定定 条条 件件 ,实实 际际 中中 的的并并 联联 LC 谐谐 振振 回回 路路 正正 好好 具具 有有 这这 种种 相相频频 特特 性性 ,故故 可可 自自 然然 满满 足足 . 周周期期落落后后当当ifuu00返回继续z Oo2 2 3 反馈振荡电路的判断反馈振荡电路的判断 根

19、据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、平衡根据上述反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、平衡和稳定三个条件，判断一个反和稳定三个条件，判断一个反 馈振荡电路能否正常工作，需馈振荡电路能否正常工作，需考虑以下几点：考虑以下几点： (1)可变增益放大器件可变增益放大器件(晶体管，场效应管或集成电路晶体管，场效应管或集成电路)应有正应有正确的直流偏置，起振开始时应工作在甲类状态，以便于起振。确的直流偏置，起振开始时应工作在甲类状态，以便于起振。 (2)开始起振时，环路增益幅值应大于开始起振时，环路增益幅值应大于1。由于反馈网络通常由。由于反馈网络通常由无源器件组成，反馈系数无源器件组成，反

20、馈系数F通常小于通常小于1，故要求，故要求A (jw0)必须大必须大于于1。一般共发射极、共基极电路都可以满足这一条件。另外，。一般共发射极、共基极电路都可以满足这一条件。另外，为了增大为了增大A(jw0)，负载电阻不能太小。，负载电阻不能太小。(3)环路增益的相位在振荡频率点应为环路增益的相位在振荡频率点应为2的整数倍，即环路应的整数倍，即环路应为正反馈。为正反馈。 (4)选频网络在振荡频率点附近应具有负斜率的相频特性选频网络在振荡频率点附近应具有负斜率的相频特性例例1 判断图示各反馈振荡电路能否正常工作。判断图示各反馈振荡电路能否正常工作。 电路由两级共发射极反馈电电路由两级共发射极反馈电路组成，其瞬时极性如图中所标路组成，其瞬时极性如图中所标注，所以是正反馈。注，所以是正反馈。LC并联回路并联回路同时担当选频和反馈作用，且在同时担当选频和反馈作用，且在谐振频率点上反馈电压最强。谐振