第3章 振荡器

1、1第三章 正弦波振荡器光学(gungxu)与电子信息工程学院共五十页2不需要输入信号控制就能自动将直流能量(nngling)转换为特点振幅和特定频率的交变能量的电路。共五十页33.1 反馈(fnku)振荡器原理反馈振荡器：决定振荡频率的选频网络+维持振荡的正反馈放大器按照(nzho)选频网络所采用元件的不同,分 LC振荡器 -高频正弦波 RC振荡器 -低频正弦波 晶体振荡器 -高频正弦波正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成, 也可以由集成电路组成, 但前者的性能可以比后者做得好些, 且工作频率也可以做得更高。本章介绍高频振荡器时以分立器件为主, 介绍低频振荡器时以集成运放为主。共

2、五十页43.1 反馈(fnku)振荡器原理反馈振荡器原理(yunl)框图必须满足三个条件： 起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡） 平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态） 稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。共五十页53.1 反馈(fnku)振荡器原理起振过程(guchng)与起振条件起振过程中, 直流电源补充的能量大于整个环路消耗的能量振幅起振条件相位起振条件AF共五十页63.1 反馈(fnku)振荡器原理平衡过程与平衡条件随着振幅的增大, 放大器逐渐由放大区进入非线性区,其增益逐渐下降。当放大器增益下降而导致(dozh)环路增益下降到时, 振幅的增长过程将

3、停止, 振荡器达到平衡, 进入等幅振荡状态。 振荡器进入平衡状态以后, 直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。满足起振和平衡条件的环路增益特性共五十页73.1 反馈(fnku)振荡器原理稳定(wndng)条件：振幅稳定条件相位稳定条件 A为稳定平衡点 B为不稳定平衡点在稳定平衡点A附近，环路增益T作为输入电压Ui的函数，应具有负斜率共五十页83.1 反馈(fnku)振荡器原理为了(wi le)保证相位稳定, 要求振荡器的相频特性T()在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力.相位稳定条件同时也是频率稳定条件。 LC并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的相频特性是负斜率共五十页93.1

4、反馈(fnku)振荡器原理反馈振荡电路判断判断一个反馈振荡电路能否正常工作, 需考虑的几点：可变增益放大器件应有正确的直流偏置, 开始时应工作在甲类状态, 便于起振;起振时, T应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成(z chn), 反馈系数F小于1, 故A必须大于1。共射、共基电路都可以满足;环路应是正反馈;选频网络应具有负斜率的相频特性。在振荡频率点附近, 可认为放大器件本身的相频特性为常数, 而反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组成, 其相频特性也可视为常数。所以相位稳定条件应该由选频网络实现。注意LC并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的相频特性是负斜率, 而LC并联回

5、路导纳的相频特性和LC串联回路阻抗的相频特性是正斜率。 共五十页103.1 反馈(fnku)振荡器原理例：判断下列各反馈(fnku)振荡电路（交流等效电路）能否正常工作。解: 1、共射电路或共基电路 2、正反馈, 3、选频网络应具有负斜率特性 共五十页113.1 反馈(fnku)振荡器原理 (a)图由两级共射反馈电路组成, 其瞬时极性如图中所标注, 所以是正反馈。 LC并联回路(hul)同时担负选频和反馈作用, 且在谐振频率点反馈电压最强。 LC并联回路输入是V2管ic2, 输出是反馈到V1管be两端的电压ube1, 所以应采用其阻抗特性,满足相位条件。 (b)图共基-共集两级反馈组成, 根据

6、瞬时极性判断法, 如把LC并联回路作为一个电阻看待, 则为正反馈。但并联回路在谐振频率点阻抗最大, 正反馈最弱。 LC并联回路输入是电阻Re2上的电压, 输出是电流, 所以应采用导纳特性。 由于并联回路导纳的相频特性是正斜率, 所以不满足相位稳定条件。共五十页123.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器根据瞬时极性判断法，是正反馈。注意耦合电容Cb的作用。如果将Cb短路, 则基极将通过(tnggu)变压器次级直流接地, 振荡电路不能起振。互感耦合型LC振荡器：共五十页133.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器共五十页143.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器三点式振荡电路

7、(dinl)的原理电路(dinl)（交流电路(dinl)）电容三点式电路图(a)电感三点式电路图(b)共五十页153.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器电路组成法则三个电抗元件X1，X2，X3分别(fnbi)与三极管的发射级、基极和集电极相连如果忽略三极管输入阻抗和输出阻抗，且回路品质因数足够高为满足相位条件，Vf，V0必须反相所以， X1，X2同性质电抗，X3为异性质电抗共五十页163.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器三点式振荡器实际(shj)电路 起振相位条件：三点式电路保证 振幅起振条件：受静态工作点影响，与管子参数相关，也与负载，反馈系数相关共五十页173.2 反馈(

8、fnku)振荡器LC正弦波振荡器共五十页183.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器电感(din n)反馈振荡器共五十页193.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器电容(dinrng)三点式与电感三点式振荡器各有优缺点。线路简单，易起振。电容三点式优点：反馈电压取自C2, 而电容对高次谐波呈现低阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量很小, 因而输出波形好, 接近于正弦波。缺点：反馈系数因与回路电容有关, 如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率, 必将改变反馈系数, 从而影响起振。 电感三点式优点：便于用改变电容的方法来调整振荡频率, 而不会影响反馈系数 缺点：反馈电压取自L2, 而电感

9、线圈对高次谐波呈现高阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量较多, 输出波形较差。共五十页203.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器例：如图所示为三回路振荡器的交流回路，f01，f02，f03为三个回路的固有谐振频率。写出它们(t men)之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下，振荡频率处在什么范围内。解串联谐振的电抗特性曲线并联谐振的电抗特性曲线共五十页213.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器1.构成(guchng)电容三点式振荡电路共五十页223.2 反馈(fnku)振荡器LC正弦波振荡器例：图中是谐振回路多于三个电抗元件构成的三点式LC振荡电路的交流电路，判断是

10、否(sh fu)满足起振所需的相位条件。共五十页233.3 反馈(fnku)振荡器振荡器的频率稳定度影响频率稳定(wndng)的因素改善频稳度的措施长期、短期稳定度、 瞬时稳定度。减小外界因素的变化 提高振荡回路的标准性 选用参数高度稳定的LC元件 减小不稳定的寄生参量减少晶体管对振荡频率的影响 减小与回路之间的耦合稳频的主要措施有：共五十页243.3 反馈(fnku)振荡器振荡器的频率稳定度改进型的电容三点式电路(dinl)：克拉泼（clapp）电路osc主要由C3决定。与C1、C2并联的极间电容Cce、Cbe、Ccb对osc的影响大大减小，振荡器的频率稳定性提高。共五十页253.3 反馈(

11、fnku)振荡器振荡器的频率稳定度 负载减小，放大器的开环增益相应减小，而反馈系数保持不变，则环路(hun l)增益可能太小，而不能起振。 晶体管各端与回路的接入系数均小于1。晶体管寄生参量对选频回路的影响大大减小。C3越小，接入系数越小，这种影响越小。 随C3的减小，克拉拨电路的稳定性提高，但起振条件越来越难满足。 克拉拨电路常用做固定频率或窄带的振荡器电路 接入C3，反馈系数不变， 但负载接在AB两端共五十页263.3 反馈(fnku)振荡器振荡器的频率稳定度西勒振荡器(Seiler)振荡器工作频率的改变通过调整C4实现。C4改变，C3不变，接入系数不变，对环路增益影响不大。展宽(zhn

12、kun)了振荡器的工作频段，稳定性也得以提高。C4C3共五十页273.3 反馈(fnku)振荡器振荡器的频率稳定度小结以上介绍的LC振荡器均是采用LC元件作为选频网络。由于LC元件的标准性较差, 因而谐振回路的Q值较低，空载Q值一般不超过300，有载Q值就更低,，所以LC振荡器的频率稳定度不高,，一般为10-3量级，即使(jsh)是克拉泼电路和西勒电路也只能达到10-4 10-5量级。如果需要频率稳定度更高的振荡器, 可采用晶体振荡器。 共五十页283.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器石英晶振用石英晶体作为谐振回路元件接入振荡电路固有频率十分稳定，Q值高，达几千以上(yshng)振动具

13、有多谐性, 即除了基频振动外, 还有奇次谐波泛音振动基频晶体泛音晶体通常在工作频率大于20MHz时采用泛音晶体共五十页293.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器频率(pnl)稳定度高：石英晶体谐振器2) 接入系数 很小, 外接元器件参数对石英晶振的影响很小。安装电容C0约1pF10pF动态电感Lq约10-3H102 H动态电容Cq约10-4pF10-1pF动态电阻 rq约几十到几百共五十页303.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器石英(shyng)晶体谐振器基频等效电路石英晶振电抗频率特性 共五十页313.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器标称(bio chn)频率fN fN

14、的值位于fS与fp之间,是指石英晶振两端并接某一规定负载电容CL时石英晶振的振荡频率。 CL的电抗频率曲线如图虚线所示。 负载电容CL的值载于生产厂家的产品说明书中, 通常为30pF(高频晶体), 或100pF(低频晶体), 或标示为(指无需外接负载电容, 常用于串联型晶体振荡器) 在实用时, 一般需加入微调电容, 用以微调回路的谐振频率, 保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率fN上。共五十页323.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器并联型晶体(jngt)振荡电路（Parallel-Mode Crystal Oscillator）当振荡器的振荡频率在晶体的fS与fp之间时，晶体呈感性

15、，满足电容三点式电路。共五十页333.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器例：下图是一个(y )数字频率计晶振电路, 试分析其工作情况。 解: V1管高频交流等效电路, 0.01F电容较大, 作为高频旁路电路, V2管作射随器。由高频交流等效电路可以看到, V1管的c、 e极之间有一个LC回路, 其谐振频率为:共五十页343.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器晶振工作频率5MHz处, 此LC回路等效为一个电容(dinrng)。可见, 这是一个皮尔斯振荡电路, 晶振等效为电感, 容量为3pF10pF的可变电容起微调作用, 使振荡器工作在晶振的标称频率5MHz上。 共五十页353.3 反

16、馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器串联(chunlin)型晶体管振荡电路（Series-Mode Crystal Oscillator） C1C3、C2、L构成普通的电容三端式振荡器，晶体接入反馈支路。 C1C3、C2、L组成并联谐振回路，并调谐在晶体串联谐振频率fs。 石英晶体谐振阻抗最小，相移为0，形成正反馈，满足幅度和相位条件，产成振荡。共五十页363.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器共五十页37解3.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器共五十页383.3 反馈(fnku)振荡器石英晶体振荡器共五十页3.2 反馈(fnku)振荡器正弦波振荡器39LC振荡(zhndng)工作频

17、率为10.7MHz，晶振为10.245 MHz共五十页403.4 反馈(fnku)振荡器RC正弦波振荡器RC振荡器适用于振荡频率较低采用电阻和电容(dinrng)构成选频反馈网络，其选频特点是靠RC移相来满足相位平衡条件而实现的振荡器。RC振荡器特点构造简单，经济方便，但频率稳定度较差，RC振荡器的频率范围较低，为几十KHz共五十页413.4 反馈(fnku)振荡器RC正弦波振荡器RC 移相网络(wnglu)RC导前移相网络RC串联导前网络频率特性该电路可实现090之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率c 对应的 相移(c )=45共五十页423.4 反馈(fnku)振荡器RC正弦波振

18、荡器采用RC导前电路构成(guchng)的RC振荡电路如下：共五十页433.4 反馈(fnku)振荡器RC正弦波振荡器RC滞后(zh hu)移相网络RC滞后移相电路RC串联滞后网络频率特性该电路可实现090之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率c 对应的 相移(c )=45共五十页443.4 反馈(fnku)振荡器RC正弦波振荡器RC选频网络(wnglu)RC串并联网络RC串并联选频电路这种电路与LC谐振电路相比，品质因数很低(Q1/3) ，带宽很宽，选频特性远远低于LC选频网络。这是RC网络共有的特点，所以利用RC网络构成的振荡器波形质量差。共五十页453.4 反馈(fnku)振荡器RC正弦波振荡器串并联RC振荡电路(zhn dn din l)集成运放接成同相放大器，RC串并联提供零相移，环路才能满足相位平衡条件：共五十页463.4 反馈(fnku)振荡器RC正弦波振荡器共五十页473.4 反馈(fnku)振荡器RC正弦波振荡器例