北邮通信电子电路第3章-正弦振荡电路

第三章：正弦波振荡电路内容提要内容提要本章着重讨论正弦波振荡电路的构成、工作原理、分析方法以及常用的正弦振荡电路振荡电路的定义及其分类：正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路正弦振荡电路的分类第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法从工作原理来看：根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三端型LC、RC、晶体反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡。工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多从构成来看：根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电路、压控等等反馈式正弦波振荡电路的工作原理构成反馈式正弦波振荡电路的条件：放大电路的正反馈，从而产生自激振荡选频网络或者相移网络，以控制振荡频率和波形放大电路的非线性，以控制振荡幅度第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法反馈式正弦波振荡电路的自激条件方框图的结构说明巴克豪森准则(BarkhousenCriterien)：开环法相位平衡条件是先决的、最本质的条件第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法反馈式正弦波振荡电路自激条件举例互感耦合调集振荡电路的说明除满足相位平衡条件外还必须满足幅度平衡条件第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法振荡幅度的建立和稳定过程(一)起振过程的定性解释故起振条件为：稳幅过程内稳幅：靠放大电路中晶体管所固有的非线性特性达到稳定值假定晶体管不进入饱和区且忽略基区调宽效应。。。第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法振荡幅度的建立和稳定过程(二)当输入为小信号时当输入为大信号时在谐振频率下：第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法振荡幅度的建立和稳定过程(三)在谐振频率下：输出电压从起振到稳定的全过程：第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法稳定条件(一)振荡电路的平衡条件不能说明振荡电路在外来干扰作用下平衡状态是否稳定，只是维持振荡的必要条件而不是充分条件稳定平衡状态，干扰因素消失后振荡能自动回到原来的平衡状态两种可能的平衡状态：不稳定平衡状态，干扰因素消失后越来越偏离原来的平衡状态第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法稳定条件(二)：振幅稳定条件振幅稳定条件的定义左图中的B点即为稳定平衡状态稳定过程叙述振幅稳定条件：硬激励和软激励的区别第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法稳定条件(三)：相位稳定条件相位稳定条件的定义环路相位变化对角频率的影响相位稳定过程叙述相位稳定条件：第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法正弦波振荡电路的线性频域分析方法(一)首先要检查电路的结构是否满足反馈型正弦振荡电路的必要因素判别正弦振荡电路能否振荡的步骤：其次是分析振荡的平衡条件任何振荡电路起振时，都很小，放大电路工作在晶体管的线性工作区，因此在起振阶段可以用小信号模型构成的微变等效电路进行计算。只要满足起振条件，靠晶体管的非线性最终一定能够得到稳定的等幅振荡第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法正弦波振荡电路的线性频域分析方法(二)画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件画微变等效电路，并在某一点开环。开环后应保证原来的工作条件不变计算开环传递函数利用相位平衡条件确定振荡角频率利用角频率下的平衡条件，确定维持振荡幅度所需要的值选择晶体管的使，此时电路满足起振条件开环法的定义与步骤：第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法正弦波振荡电路的线性频域分析方法(三)画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件画微变等效电路，并列写出电路方程，这是一组线性齐次方程组令线性方程组复系数矩阵的行列式选择晶体管的使，此时电路满足起振条件闭环法的定义与步骤：解，可确定振荡角频率和维持振荡幅度所需的值第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法利用LC组成选频网络的反馈型正弦波振荡电路统称为LC正弦波振荡电路LC振荡电路中晶体管的工作状态(一)第二节：LC正弦波振荡电路振荡电路的运用条件振荡电路的工作区域起振时的放大倍数工作点的选择振荡幅度的建立过程实用的小功率振荡器多工作于甲乙类LC振荡电路中晶体管的工作状态(二)静态工作点选在截止区时无法自动起振第二节：LC正弦波振荡电路LC振荡电路中晶体管的工作状态(三)甲类起振丙类工作的自偏电路起振后工作点的移动过程简述第二节：LC正弦波振荡电路调谐型正弦波振荡电路采用互感耦合线圈(或变量器)作为反馈网络构成的振荡电路即为调谐型电路使用部分接入的原因第二节：LC正弦波振荡电路三端型LC振荡电路(一)三端电感振荡电路，通常也称为哈特莱(Hartley)电路亦可称为电感分压反馈式振荡电路第二节：LC正弦波振荡电路三端型LC振荡电路(二)三端电容振荡电路，通常也称为科皮兹(Colpitts)电路亦可称为电容分压反馈式振荡电路第二节：LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用(一)第二节：LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用(二)第二节：LC正弦波振荡电路当选频网络的输入信号频率为时选频网络与放大电路的反相作用相加，从而可以构成正反馈选频网络的反相作用(三)第二节：LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用(四)左图所示三端型电路的判别准则：与的电抗性质相同与，的电抗性质相反可用于判别多个不同符号电抗元件构成的复杂电路第二节：LC正弦波振荡电路射同基(集)反三端电感振荡电路(一)使用闭环法，可得：第二节：LC正弦波振荡电路三端电感振荡电路(二)优点：容易起振，输出电压幅度较大容易通过调节电容改变振荡频率，调节时不影响反馈系数缺点：输出端和反馈端均为电感，振荡波形不太好电感上的分布电容和晶体管的极间电容影响环路增益，电路的振荡频率不能过高第二节：LC正弦波振荡电路三端电容振荡电路使用开环法(在基极开环)进行分析第二节：LC正弦波振荡电路三端电容振荡电路的近似估算振荡角频率的近似估算：分别计算、来估算起振条件：负号的含义反馈系数的决定负号的含义阻抗变换作用第二节：LC正弦波振荡电路三端电容振荡电路的优缺点优点：输入端和反馈端都是电容，对高次谐波电抗较小，振荡波形好只要减小电容就能提高振荡频率，若不外加电容，仅利用晶体管的输入和输出电容作回路电容，则振荡频率可高达几百兆赫，甚至上千兆赫缺点：改变频率不方便，适用于作为固定频率的振荡器和接在晶体管集射极和基射极上，振荡频率越高，和的电容值越小，此时晶体管的结电容将直接影响到 和，从而影响振荡频率的稳定性第二节：LC正弦波振荡电路改进型三端电容振荡电路(一)串联改进型三端电容电路，克拉泼(clapp)电路优点缺点：不易起振等第二节：LC正弦波振荡电路改进型三端电容振荡电路(二)并联改进型三端电容电路，西勒(Seiler)电路：频率稳定性高，输出幅度较平稳，频率覆盖宽固定，通过改变来调节振荡频率。优点：调节频率时不影响反馈及放大倍数第二节：LC正弦波振荡电路调栅电路的自激条件第二节：LC正弦波振荡电路结型场效应管自给偏压电路采用、组成的栅极自给偏压工作过程简述：起振时振荡电压增大时满足幅度平衡条件后第二节：LC正弦波振荡电路MOS管三端电路、构成栅极外接检波电路、构成源极自给偏置方式第二节：LC正弦波振荡电路晶体管振荡电路的注意事项不管是分压式偏置还是恒流源偏置，都具有自给偏压效应。为保证起振，要设置一定的工作点。当电路起振后，由于自给偏压效应，电路会自动移动到丙类工作状态。自给偏压效应一方面可提高振荡器的使用效率，更重要的是具有自动稳幅作用第二节：LC正弦波振荡电路差分对管振荡器电路结构说明LC回路两端的振荡电压幅度不能太大，一般为200mV左右第二节：LC正弦波振荡电路交流等效电路的分析优点：截止区限幅的优点奇对称性的优点集成LC振荡器差分对管振荡器恒流源电路T10~T14组成偏置电路共射-共基级联放大器单入单出差动放大器隔离输出级第二节：LC正弦波振荡电路负反馈稳幅电路其它振荡器请自行参考课本第二节：LC正弦波振荡电路综述(一)第三节：RC正弦波振荡电路使用RC振荡电路的原因RC振荡电路的定义：使用RC移相网络替代LC选频网络构成的正弦振荡电路由于RC选频网络的选频特性比LC选频网络的特性差得多，导致RC振荡器的电路构成和器件工作状态与LC振荡器有明显的区别：常采用负反馈来提高电路的选频特性综述(二)第三节：RC正弦波振荡电路综述(三)总的反馈效果是：在振荡频率，正反馈超过负反馈，并满足自激条件；偏离自激频率时，力求使负反馈超过正反馈，以抑制不需要的频率，从而改善输出波形RC振荡电路的构成方法：由同相放大电路和对所需频率能产生零相移的RC移相网络构成由反相放大电路和对所需频率能产生相移的RC移相网络构成根据结构的不同可以进行分类第三节：RC正弦波振荡电路文氏桥RC振荡电路的构成由同相放大电路和串并联RC网络构成电路结构说明：正反馈网络和负反馈网络第三节：RC正弦波振荡电路文氏桥RC振荡电路的振荡频率和起振条件故振荡角频率即为幅度平衡条件为称为文氏桥电路的原因第三节：RC正弦波振荡电路文氏桥RC振荡电路振荡的建立与稳定由于RC振荡电路的频率选择性差，没有有效滤除谐波的能力，因此应使用外稳幅的方法解决振荡电路的稳幅问题，例如左图中R2的使用使用温度系数为负的热敏电阻后的稳定过程描述及简单讨论第三节：RC正弦波振荡电路文氏桥RC振荡电路的优点电路中的放大部分有很深的电压串联负反馈，使输出电压幅度在整个频段内基本不随振荡频率而变电路的放大部分工作于线性状态，依靠外加热敏电阻进行外稳幅，因此波形失真很小频率易于调节，且频率覆盖系数大文氏桥RC振荡器广泛用来作为频率范围由几赫到几百千赫的低频信号源RC振荡器的频率稳定度约在10-2－10-3量级之间第三节：RC正弦波振荡电路积分式正交正弦波振荡电路相位条件的满足第三节：RC正弦波振荡电路可产生比RC振荡电路更低的频率正弦振荡电路的频率稳定问题(一)第四节：石英晶体振荡电路频率稳定度通常使用或来表示，有时会附加时间条件LC值变化对频率稳定度的影响：L和C的参数变化主要受环境温度的影响。温度对电感和电容值的影响程度往往用温度系数来衡量。温度系数是指温度变化时电感量或电容量的相对变化量电感的温度系数一般为正；根据介质材料不同，电容的温度系数可正可负正弦振荡电路的频率稳定问题(二)第四节：石英晶体振荡电路越大，由引起的振荡角频率的偏移就越小。因此通常把作为衡量一个振荡器频率稳定度的判据jD正弦振荡电路的频率稳定问题(三)第四节：石英晶体振荡电路为了提高振荡器的频率稳定性，必须选用高Q值谐振回路和大而稳定的负载电阻正弦振荡电路的频率稳定问题(四)第四节：石英晶体振荡电路提高频率稳定度的措施：设法减小外界因素的变化减小外界因素对回路参数的影响主要方法：减小温度影响。如恒温槽的使用和材料的选择稳定电源电压减小负载的影响，增加缓冲器采取屏蔽措施提高振荡回路的标准性晶体管与回路之间采用松耦合连接提高回路的品质因数石英晶体振子及其特性(一)第四节：石英晶体振荡电路使用石英晶体振子来替代LC谐振回路构成正弦振荡电路，这种电路称为石英晶体振荡电路，简称晶体振荡电路石英晶体的正压电效应和反压电效应石英晶体的谐振、基音及奇次泛音石英谐振器的结构与等效电路的取值范围石英晶体振子及其特性(二)第四节：石英晶体振荡电路：串联谐振频率：并联谐振频率电抗特性曲线分成三个不同的区域并联型晶体振荡电路(一)第四节：石英晶体振荡电路并联型晶体振荡电路的特点是把石英谐振器作为等效电感元件与其它回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡回路原因？并联型晶体振荡电路(二)：皮尔斯电路第四节：石英晶体振荡电路对振荡频率的进一步讨论：的影响可能使用呈现电容性的LC并联谐振回路来替代由于石英晶体接在阻抗很高的BC间，故频率稳定性高电路的振荡频率主要决定于石英谐振器的振荡频率并联型晶体振荡电路(三)：密勒电路第四节：石英晶体振荡电路由于石英晶体接在输入阻抗较低的BE间，其频率稳定性较皮尔斯电路差，所以多采用场效应管晶体振荡电路与LC型三端电感电路的区别振荡频率略高于晶体的串联谐振频率，一般认为串联型晶体振荡电路第四节：石英晶体振荡电路利用晶体在串联谐振频率下呈现的低阻抗可以构成串联型晶体振荡电路电路结构说明电路原理振荡频率的分析实际应用时，可在三点式振荡电路中用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件，使其在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则，无法起振；而在所需的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振泛音晶体振荡电路第四节：石英晶体振荡电路使用泛音晶体振荡器的原因泛音晶振电路与基频晶振电路的区别：不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡，还必须正确地选择环路增益使其满足所需条件综述第五节：压控振荡电路有些可变电抗元件的等效电抗值能随外加电压变化，将这种电抗元件接在正弦波振荡器中，可使其振荡频率随外加控制电压而变化，这种振荡器被称为压控正弦波振荡器压控振荡器简称为VCO(VoltageControlledOscillator)，在频率调制、频率合成、锁相环路、电视调谐器、频谱分析仪等方面有着广泛的应用最常用的压控电抗元件是变容二极管变容二极管简介变容二极管原理静态直流偏压第五节：压控振荡电路变容二极管压控振荡器原理(一)将变容二极管作为压控电容接入LC振荡器中，就组成了LC压控振荡器；一般可采用各种形式的三点式电路为了使变容二极管能正常工作，必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压，而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰，所以在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等在分析压控振荡器时，除正确画出振荡器的直流通路和高频振荡回路外，还需画出变容二极管的直流偏置电路与低频控制回路第五节：压控振荡电路变容二极管压控振荡器原理(二)对于高频振荡电路与低频控制电路，应仔细分析每个电容与电感的作用第五节：压控振荡电路变容二极管压控振荡器实例(一)LC压控振荡器及其高频等效电路电路实质上为一个西勒振荡电路振荡频率的控制方法注意振幅对振荡频率的影响第五节：压控振荡电路变容二极管压控振荡器实例(二)第五节：压控振荡电路压控振荡器的主要性能指标压控灵敏度：线性度第五节：压控振荡电路晶体压控振荡电路振荡器振荡在晶体的串联谐振频率上压控振荡的实现串联电感的作用这种晶体压控振荡器比一般压控振荡器的性能更优良，但它的频率调整范围较小第五节：压控振荡电路负阻器件的特性第六节：负阻正弦波振荡电路负阻器件的定义N型负阻器件S型负阻器件压控电阻器流控电阻器LC负阻正弦振荡电路原理考虑到负阻振荡器也是利用器件的非线性特性来稳定幅度的，N型负阻器件必须与LC谐振回路相并联，S型负阻器件与LC谐振回路相串联第六节：负阻正弦波振荡电路负阻正弦振荡电路的工作原理自由振荡及减幅振荡(衰减振荡)的概念负阻器件和带有正反馈的放大器件都能够将直流电源供给的直流能量变换为谐振回路所需补充的交流能量。因此，从供给能量的观点来看，带有正反馈的放大器可以等效地看成负阻器件负阻振荡电路的起振和稳幅过程第六节：负阻正弦波振荡电路负阻正弦振荡电路的振荡频率和振荡条件第六节：负阻正弦波振荡电路实际负阻振荡电路隧道二极管振荡器的优点：噪声低，对温度变化、核辐射均不敏感等，适用于较高的工作频段缺点：输出功率和电压都较低，频率和幅度稳定都不及反馈式振荡器等第六节：负阻正弦波振荡电路间歇振荡(一)第七节：振荡器中的几种现象是指振荡器工作时，时而振荡、时而停振的一种现象，其原因是由于振荡器的自给偏置电路参数选择不当造成的高频振荡的建立回路的有载Q值越低，值越大于1，振荡建立得越快由于偏压电路的稳幅作用，该过程也受偏压变化的影响偏压的建立主要由及决定，同时也取决于基极激励的强弱间歇振荡(二)第七节：振荡器中的几种现象当两个瞬态过程能协调一致地进行时，高频振荡和偏压就能一致地趋于稳定，从而得到振幅稳定的振荡当高频振荡建立较快，而偏压电路由于时间常数过大而变化过慢时，就会产生间歇振荡：起振后的工作过程、取值较大时间歇振荡的形成过程若偏压电路的时间常数不是很大，则可能产生持续的振幅起伏振荡寄生振荡(一)第七节：振荡器中的几种现象在实际电路中，由于某种原因存在寄生反馈，会引起放