通信电子电路Chap4(10)

1、第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器目目 录录4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理4.3 4.3 三点式三点式LCLC振荡器振荡器4.4 4.4 改进型电容三点式改进型电容三点式LCLC振荡器振荡器4.5 LC4.5 LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度4.6 4.6 石英晶体振荡器石英晶体振荡器本章要点本章要点返回主目录返回主目录4.1 概述概述一、定义一、定义（P89） 正弦波振荡器是不需要输入信号控制就能自动地正弦波振荡器是不需要输入信号控制就能自动地将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量将直流能量转换为特定频率和振幅的正弦交变能量

2、的电路。的电路。 振荡器是一种信号源装置，它与放大器的最大区振荡器是一种信号源装置，它与放大器的最大区别在于电路不需要信号输入，就可以有信号输出。别在于电路不需要信号输入，就可以有信号输出。二、分类二、分类按振荡器工作原理分为：按振荡器工作原理分为： 反馈式振荡器反馈式振荡器正反馈正反馈 负阻式振荡器负阻式振荡器负阻特性负阻特性按振荡器产生的波形分为：按振荡器产生的波形分为： 正弦振荡：如正弦振荡：如 非正弦振荡（多谐振荡）非正弦振荡（多谐振荡） ：如施密特触发器：如施密特触发器各振荡器工作的频段：各振荡器工作的频段：P90和晶体振荡和晶体振荡、RCLC三、正弦波振荡器的应用三、正弦波振荡器的

3、应用 高频加热设备和医用电疗仪器中的高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源正弦交变能源 微波炉、理疗设备微波炉、理疗设备要求：要求：高效率高效率和和大功率大功率 信号源信号源通信发射机中的通信发射机中的本振信号源本振信号源 测试仪表中的测试仪表中的基准信号源基准信号源 数字系统中的数字系统中的时钟信号源时钟信号源要求：振荡频率的要求：振荡频率的准确性准确性和和稳定性稳定性四、振荡器的基本工作原理四、振荡器的基本工作原理为自由振荡的固有角频率为自由振荡的固有角频率RCL和、CRLK12+-Ei022022idtdidtidLC10下图为由下图为由 所组成的线性振荡电路。所组成的线性振荡电路。

4、描述回路电流自由振荡的微分方程：描述回路电流自由振荡的微分方程：LR2式中为回路的衰减系数为回路的衰减系数4.2 反馈型正弦波自激振荡器的基本原理反馈型正弦波自激振荡器的基本原理一、平衡条件一、平衡条件（必要条件必要条件）在在X处拆开，处拆开，并按所标极性并按所标极性定义的环路增益定义的环路增益为：为：ifUUjT.)( 主网络主网络反馈网络反馈网络UiUUffUo.ofioUUUU. )()( jFjK 反馈振荡器是一个由主网络和反馈网络构成的闭合环路。反馈振荡器是一个由主网络和反馈网络构成的闭合环路。若在某一频率若在某一频率 上，上， 同相又等幅，即同相又等幅，即oscifUU.与与ifU

5、U.)()()(oscTjoscosceTjT若令若令1)(oscjT平衡条件：平衡条件：1)(oscTnoscT2)( 相位平衡条件：相位平衡条件： 振幅平衡条件：振幅平衡条件：举例：变压器耦合反馈振荡器举例：变压器耦合反馈振荡器反馈网络：反馈网络：与与L相耦合的线圈相耦合的线圈LfVLCLfU主网络主网络反馈网络反馈网络UiUffUo.主网络：主网络：负载为负载为LC谐振回路的谐振回路的谐振放大器。谐振放大器。二、振荡的建立和起振条件（必要条件）二、振荡的建立和起振条件（必要条件）振幅起振条件振幅起振条件 初始信号来源于开机时的电冲击、干扰等微弱广谱信号，由初始信号来源于开机时的电冲击、干

6、扰等微弱广谱信号，由于谐振回路的选频作用，只有于谐振回路的选频作用，只有 分量在谐振回路两端产生分量在谐振回路两端产生较大的电压，经正反馈、放大的反复循环，振荡电压振幅就会较大的电压，经正反馈、放大的反复循环，振荡电压振幅就会不断地增长。不断地增长。osc相位起振条件相位起振条件ifUU 1)()()( oscoscoscFKT ），（2102)( nnoscT )()(oscFoscKoscT （当满足平衡条件时，电路从增幅状态进入平衡当满足平衡条件时，电路从增幅状态进入平衡稳幅状态。稳幅状态。从起振条件过渡到平衡条件是由主网络放大器的非线性从起振条件过渡到平衡条件是由主网络放大器的非线性放

7、大特性自动完成。放大特性自动完成。iuiAu)(oscTA10满足起振和平衡条件时的环路增益特性如下图所示：满足起振和平衡条件时的环路增益特性如下图所示：三、振荡器的稳定条件（充分条件）三、振荡器的稳定条件（充分条件）相位（频率）稳定条件：相位（频率）稳定条件：0)( iAuioscdudT 0)( oscdd 振幅稳定条件：振幅稳定条件：选频网络：选频网络：保证环路中只有一种频率能满足振荡条件，保证环路中只有一种频率能满足振荡条件，实现正弦振荡；实现正弦振荡；四、振荡电路的组成和分析方法四、振荡电路的组成和分析方法电源：电源：确保振荡器正常工作，提高直流变交流的能源。确保振荡器正常工作，提高

8、直流变交流的能源。非线性限幅器或网络：非线性限幅器或网络：保证振荡电路从保证振荡电路从 状态，自动过渡到状态，自动过渡到 状态；状态；1)()()( oscoscoscFKT 1)()()( oscoscoscFKT 放大器：放大器：满足环路所需的增益要求，并与反馈电路等配满足环路所需的增益要求，并与反馈电路等配 合，合，实现正反馈的相位要求；实现正反馈的相位要求；反馈网络：反馈网络：与放大器组成闭环，满足振荡器环路增益与相与放大器组成闭环，满足振荡器环路增益与相位要求；位要求；正弦波振荡器应包括以下几部分：正弦波振荡器应包括以下几部分：分析方法：分析方法： 检查电路组成的完备性；检查电路组成

9、的完备性； 检查电路的合理性；检查电路的合理性； （特别注意分析放大器直流、交流通路的合理性）（特别注意分析放大器直流、交流通路的合理性） 检查电路的相位关系是否满足正反馈要求。检查电路的相位关系是否满足正反馈要求。 （分析相位关系可用瞬时极性法进行）（分析相位关系可用瞬时极性法进行）（1）电路检查、分析）电路检查、分析（2）定量计算）定量计算 ，起振条件（求，起振条件（求A、F 等）等）oscf4.3 三点式三点式LC振荡器振荡器 电容三点式电容三点式(Colpitts) 基本基本 电感三点式电感三点式(Hartley) 三点式三点式 克拉泼克拉泼(Clapp) 改进改进 席勒席勒(Seil

10、er) 采用采用LCLC谐振回路作为相移网络的谐振回路作为相移网络的LCLC正弦波振荡器有各种实现正弦波振荡器有各种实现电路典型形式有：电路典型形式有：差分对管振荡电路（集成电路内）差分对管振荡电路（集成电路内） 互感耦合式或变压器耦合式互感耦合式或变压器耦合式 一、三点式振荡电路组成法则一、三点式振荡电路组成法则可证明，按这种规定连接的三点式振荡电路，必满足相可证明，按这种规定连接的三点式振荡电路，必满足相位平衡条件，实现正反馈。位平衡条件，实现正反馈。VC1L电容三点式电容三点式UiUfUo.C2VCUiUfUo.L1L2VUiUfUo.XbeXcbXceI.电感三点式电感三点式一般化三点

11、式一般化三点式 交流通路中三极管的三个电极与谐振回路的三个引出端点相连接。交流通路中三极管的三个电极与谐振回路的三个引出端点相连接。发射极发射极e_同性质电抗同性质电抗基极基极b和集电极和集电极c_异性质电抗异性质电抗二、电容三点式振荡电路二、电容三点式振荡电路把各元件都折合到把各元件都折合到c_e端，则端，则icebeofCCCCCCXXjXIjXIUUUUF 201211212.isRFRnRR202111 1.求放大倍数求放大倍数K和反馈系数和反馈系数F等效电路图等效电路图原理图原理图起振条件的分析：起振条件的分析：放大倍数为：放大倍数为：振幅起振条件：振幅起振条件：1 FRRKFi F

12、RnRFRsi )11(02 iLmnggng 1为为反反馈馈系系数数为为振振荡荡器器输输入入电电导导，的的电电导导，为为负负载载等等效效到到振振荡荡回回路路为为三三极极管管跨跨导导，ngggiLm另外，将晶体管用混合另外，将晶体管用混合II型等效电路表示时，型等效电路表示时，F通常选得较小，一般在通常选得较小，一般在0.010.5之间。之间。将以上结果代入起振条件得：将以上结果代入起振条件得：iibbibcioRRRIRIRIRIUUK .由相位起振条件（忽略由相位起振条件（忽略 对电容的旁路作用），在图对电容的旁路作用），在图4-9b中，当电路谐振时中，当电路谐振时siRR、021 CCL

13、XXX2.2.求振荡频率求振荡频率的精确表示为：的精确表示为：CLCCCCLf 2121212100fisRRCCLCf2101121 01120100 CjCjLj 可求振荡频率：可求振荡频率：三、电感三点式振荡电路三、电感三点式振荡电路若考虑若考虑 的振荡频率：的振荡频率：其中：其中： 21112LLLnLLF ，FRnRFRsi )11(02 CLCMLLf21)2(21210siRR、isRRMLLLCf2210121 振荡频率：振荡频率：利用与电容三点式相似的分析方法可求利用与电容三点式相似的分析方法可求 原理图与等效电路图原理图与等效电路图起振条件起振条件四、两种三点式振荡电路的比

14、较（四、两种三点式振荡电路的比较（P99）u电容三点式振荡器反馈电压取自反馈电容电容三点式振荡器反馈电压取自反馈电容C2，而电容对高次谐波呈低阻抗，滤出谐波能力强，而电容对高次谐波呈低阻抗，滤出谐波能力强，振荡波形更接近于正弦波。振荡波形更接近于正弦波。u电感三点式振荡器反馈电压取自反馈电感电感三点式振荡器反馈电压取自反馈电感L2，对高次谐波呈现高阻抗，不易滤去高次谐波，对高次谐波呈现高阻抗，不易滤去高次谐波，输出波形不好，振荡频率不是很高，输出波形不好，振荡频率不是很高，举例：判断下图所示交流通路能否满足相位平衡条件举例：判断下图所示交流通路能否满足相位平衡条件工程估算时，其角频率近似为：工

15、程估算时，其角频率近似为：C3C1C2LRRELVCLosc 10 解：若解：若LC3串联支路呈现感性（串联支路呈现感性（ ），则该电路符合三），则该电路符合三点式电路组成法则。点式电路组成法则。03ffosc 的串联值的串联值、为为321CCCCXX0000串联串联 容容 阻阻 感感并联并联 感感 阻阻 容容0补充：补充：LC串联和并联谐振回路的电抗特性曲线串联和并联谐振回路的电抗特性曲线在上面的例题中，在上面的例题中，拉拉泼泼电电路路，这这就就是是下下面面介介绍绍得得克克，则则、呈呈感感性性，若若，3213303CCCCCLCffosc 4.4 改进型电容三点式改进型电容三点式LC振荡器振

16、荡器三、几种三点式振荡器的比较（三、几种三点式振荡器的比较（P103表表4-2）iiCCCCCCCCL021201)(1二、并联改进型电容三点式电路（二、并联改进型电容三点式电路（Seiler电路）电路）一、串联改进型电容三点式电路（一、串联改进型电容三点式电路（Clapp电路）电路）为提高稳定度为提高稳定度: LC振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的LC元件的值有关，元件的值有关，还与晶体管的输入输出电容有关。还与晶体管的输入输出电容有关。例如：一个振荡频率为例如：一个振荡频率为1MHz的振荡器，实际工作在的振荡器，实际工作在0.99999MHz时，它的频稳度时，

17、它的频稳度 越小，频率越小，频率稳定度稳定度 越高。越高。00ff 500101 ff4.5 LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度频率稳定度频率稳定度是振荡器的重要性能指标。是振荡器的重要性能指标。0000fffff 定义：在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范定义：在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内振荡频率的相对变化量。即围内振荡频率的相对变化量。即一、振荡器的频率稳定度一、振荡器的频率稳定度频稳度按时间长短可分为以下几种情况：频稳度按时间长短可分为以下几种情况：频率稳定度视用途而异，如：频率稳定度视用途而异，如： 中波广播电台发射机中波广播电台发射机 数量级

18、数量级 电视发射机电视发射机 普通信号发生器普通信号发生器 高精度信号发生器高精度信号发生器541010 510 971010 710 长期稳定度长期稳定度（指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值）（指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值） 瞬间稳定度瞬间稳定度（指秒和毫秒内随机频率变化）（指秒和毫秒内随机频率变化） 短期稳定度短期稳定度（指一天以内频率的相对变化最大值）（指一天以内频率的相对变化最大值）二、造成频率不稳定的因数二、造成频率不稳定的因数u 晶体管参数的不稳定晶体管参数的不稳定u LC回路参数的不稳定回路参数的不稳定温度变化是使温度变化是使LC回路参数不稳定的主要因素。回

19、路参数不稳定的主要因素。温度变化或电源变化时，必定引起静态工作点和晶温度变化或电源变化时，必定引起静态工作点和晶体管结电容的改变，从而使振荡频率不稳。体管结电容的改变，从而使振荡频率不稳。三、提高频稳度的基本措施三、提高频稳度的基本措施1）减小外界因数的变化）减小外界因数的变化减振装置减振装置高稳定电压源高稳定电压源恒温槽恒温槽屏蔽罩屏蔽罩密封工艺密封工艺2）提高振荡回路标准性）提高振荡回路标准性总结：总结： 提高谐振回路的品质因数提高谐振回路的品质因数Q 稳定晶体管的参数稳定晶体管的参数 晶体管与谐振回路采用弱耦合晶体管与谐振回路采用弱耦合 减小负载对谐振回路的影响减小负载对谐振回路的影响2

20、1000)1)(1()(1CCLLCCLL CL 10 CCLL 000002121 )(2100CCLL 增增大大。减减小小时时，或或减减小小；当当增增加加时时，或或负负号号表表明明，当当00 CLCL4.6 石英晶体振荡器石英晶体振荡器一、石英晶体的物理特性一、石英晶体的物理特性1.1.结构结构 自然石英晶体是一个自然石英晶体是一个六角锥体，如图六角锥体，如图 (a)(a)图图所示所示, ,图图(b)(b)是其横断面。是其横断面。(a) (b)等效电路等效电路: :石英晶体的石英晶体的压电效应压电效应: : 电轴电轴 机械轴机械轴 加交变电场加交变电场 机械运动机械运动 电场电场 施加张力

21、施加张力 电能电能 机械能机械能定义三个几何轴：定义三个几何轴：u连接两个角锥顶点连接两个角锥顶点 Z ZZZ轴轴光轴光轴u与光轴垂直与光轴垂直 X-XX-X轴轴电轴电轴u与光轴垂直与光轴垂直 Y-YY-Y轴轴机械轴机械轴这种机和电的相互转换效应称为这种机和电的相互转换效应称为压电效应压电效应。对石英片施加外力对石英片施加外力 机械变形（伸张或压缩）机械变形（伸张或压缩） 两两电极产生电荷电极产生电荷反之：对两电极施加电压反之：对两电极施加电压 机械振动机械振动1. 压电效应压电效应二、石英谐振器的电特性二、石英谐振器的电特性2.2.谐振特性谐振特性 在谐振频率换能效率最高，其谐振频率取决于在

22、谐振频率换能效率最高，其谐振频率取决于晶体切型、尺寸和形状。由机电类比得到等效电路晶体切型、尺寸和形状。由机电类比得到等效电路如图（如图（C)C)。图（。图（b)b)是石英晶是石英晶体的符号。实用的晶体体的符号。实用的晶体是在一片晶片的两面敷是在一片晶片的两面敷上一层导电物质，上一层导电物质，然后然后引出线固定在管角上，引出线固定在管角上，(a) (b) (c)(a) (b) (c)C0 0: :支架电容（几几十支架电容（几几十pF）Lq: : 惯性（几十几百惯性（几十几百mH）Cq: : 弹性（弹性（0.00020.00020.10.1pF）Rq: : 损耗（几几百损耗（几几百） 所以所以:

23、 : a. a.石英晶体石英晶体Q值特别高值特别高( (104106),),选择性很好。选择性很好。 b.b.频率稳定性很高。频率稳定性很高。u 频率特性频率特性 忽略忽略Rq(Rq=0)，石英晶体的等效电抗为：石英晶体的等效电抗为：如图如图u 等效电路参数：等效电路参数：001111)(CCqCqCabqqLLX 由由Xab=0，得串联谐振频率，得串联谐振频率: :qqCLq1 由由Xab=，得并联谐振频率得并联谐振频率: :00001101CCCCCCLCCCCLqqqqqqqqp 频率特性频率特性3. 等效电路等效电路Co：静态电容和支架、引线等分布电容之和：静态电容和支架、引线等分布电

24、容之和Lq：动态电感（石英片的质量）：动态电感（石英片的质量）Cq：动态电容（石英片的弹性）：动态电容（石英片的弹性）rq：动态电阻（石英片的摩擦损耗）：动态电阻（石英片的摩擦损耗）CLJTrC0qqq等效电路等效电路符号符号石英谐振器的最大特点：石英谐振器的最大特点：Lq大、大、Q值高，频稳度高值高，频稳度高将石英晶片类比于电系统，可得下图所示的等效电路将石英晶片类比于电系统，可得下图所示的等效电路qqqCLrQ1 三、石英晶体的阻抗特性三、石英晶体的阻抗特性时时当当10CCq)21(0CCffqsp 相隔很近相隔很近与与spffqqqpCCCCLf 0021 2.并联谐振频率并联谐振频率q

25、qsCLf211.串联谐振频率串联谐振频率3.电抗特性电抗特性忽略忽略rq的电抗特性：的电抗特性：CLC0qqrq=00fffspX容性容性感性实际应用时，选石英晶体工作于电感区域实际应用时，选石英晶体工作于电感区域四、石英晶体振荡电路四、石英晶体振荡电路串联晶振电路串联晶振电路 晶体工作在串联谐振频率附近，阻抗呈现短路，晶体工作在串联谐振频率附近，阻抗呈现短路，构成正反馈产生振荡。构成正反馈产生振荡。并联晶振电路并联晶振电路 晶体工作在并联谐振频率附近，等效为电感，与晶体工作在并联谐振频率附近，等效为电感，与外接电容构成并联谐振回路。外接电容构成并联谐振回路。五、五、 泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器u 采用采用AT切割石英片的基频频率一般都限制在切割石英片的基频频率一般都限制在20MHz以下。以下。因为此时石英片的厚度仅有因为此时石英片的厚度仅有0041mm，频率