正弦波振荡器15013课件

3.1概述3.2反馈振荡器的工作原理3.3LC正弦波振荡器3.４晶体振荡器3.５RC正弦波振荡器第3章正弦波振荡器

3.1概述

振荡器:

自动地将直流电源能量转换为一定波形的交流信号能量的电路。与放大器的区别：无需外加激励信号正弦波振荡器：产生正弦波分类非正弦波振荡器：产生矩形波、三角波、锯齿波等。本章仅介绍正弦波振荡器。

反馈振荡器——含有选频网络的正反馈放大器正弦波振荡器负阻振荡器——负阻器件组成(用在微波波段)按照选频网络所采用元件的不同,正弦波振荡器可分为：ＬＣ振荡器；产生高频正弦波晶体振荡器：产生高频正弦波ＲＣ振荡器：产生低频正弦波一个反馈振荡器必须满足三个条件：（1）起振条件：接通电源后能逐步建立起振荡；（2）平衡条件：进入维持等幅持续振荡的平衡状态；（3）稳定条件：保证稳定的平衡状态。一、振荡条件

定义环路增益分别是反馈电压、输入电压、主网络增益和反馈系数。1.起振过程和起振条件

接通电源瞬间引起的电流突变初始信号的产生：电路中的热噪声

起振过程：初始信号具有很宽的频谱→通过选频网络→选出某一角频率ωosc→通过放大、反馈→Vf与Vi

同相→经过线性放大和反馈的不断循环→振荡电压振幅就会不断增大２平衡过程与平衡条件振荡器进入等幅振荡状态------平衡

。反馈振荡器的平衡条件为:振幅平衡条件相位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。当放大器增益下降导致环路增益下降到１时,振幅的增长过程将停止------平衡

讨论：1、环路增益的模值应该具有随振幅Vi增大而下降的特性。2、环路增益的相位必须维持在２nπ上,保证为正反馈。3

稳定条件

平衡状态稳定平衡状态不稳定平衡状态不稳定平衡：振荡器越来越偏离原来的平衡状态,导致振荡器停振或突变到新的平衡状态,则表明原来的平衡状态是不稳定的。稳定平衡：振荡器在原平衡点附近建立新的平衡状态,有回到原平衡点的趋势,则表明原平衡状态是稳定的。

振幅稳定条件具有负斜率变化的特性环路增益存在两个平衡点的情况

必须外加电冲击，产生大于ViB的起始电压，才能进入平衡点A，产生持续等幅振荡。硬激励：靠外加冲击而产生振荡；软激励：自动进入稳定平衡状态。（2）相位（频率）稳定条件

为了保证频率稳定,要求振荡器的相频特性φT（ω）在振荡频率点ωosc应具有阻止相位变化的能力。相位稳定条件

举例：说明相位稳定条件

T()

由三部分组成：

即T()=A()+f()+

Z()

放大器件本身的相频特性为常数，反馈网络相频特性也视为常数，相位稳定条件应该由选频网络实现。

并联谐振回路的相频特性曲线Oωω0并联谐振回路相频特性曲线二、振荡器基本组成及其分析方法

1．组成

四个环节内稳幅：利用放大管固有的非线性外稳幅：放大器线性工作，另外插入非线性环节。

3.3LC振荡器一、互感耦合振荡器

根据瞬时极性判断法，电路是正反馈。缺点：波形不理想。因高次谐波的感抗大，导致输出振荡信号中高次谐波分量较大，波形不理想。二、三点式振荡器

１．电路组成法则交流通路中ＬＣ回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接。三点式振荡的原理电路电容三点式电感三点式

分析相位条件（正反馈）谐振时回路呈纯电阻性结论：Χ1与Χ2必须是同性质电抗,因而X3必须是异性质电抗。

与反相，为使与同相，则与反相2、三点式振荡器电路

（1）电容三点式振荡器电路

电容三点式振器电路

（2）三点式振荡器电路分析Ｃb：耦合电容Ｃe：高频旁路电容近似为短路

Lc：高频扼流圈交流近似为开路，作用：提供直流通路。电路1电路2画交流等效电路求振荡频率：求反馈系数：电容三点式振荡器的优点：输出波形好反馈电压取自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。电容三点式振荡器的缺点：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。电感三点式振荡电路

电感三点式的评价优点：

便于调整振荡频率

缺点：输出波形较差电容三点式改进电路克拉泼（Clapp）振荡电路

改进目的：减小晶体管输入输出电容对频率稳定度的影响(b)克拉泼电路的特点：在回路中增加了一个与Ｌ串联的电容Ｃ3交流通路：Ｃ3取值原则：Ｃ3<<Ｃ1,Ｃ3<<Ｃ2电路的振荡频率只与Ｃ3、Ｌ有关。(b)克拉泼电路频率稳定度提高了(a)

(b)

(c)电路(a)及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线

(b)(c)

例图为振荡器交流通路，f01，f02，

f03

分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们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、并联谐振回路电抗特性曲线如图

(b)、(c)所示。(a)

(b)

(c)1．若构成电容三点式电路

L1C1、L2C2回路呈容性失谐，L3C3

回路呈感性失谐。容性失谐：fosc<

f01,

fosc>

f02；感性失谐：fosc<

f03。2．若构成电感三点式电路

L1C1、L2C2回路呈感性失谐，L3C3

回路呈容性失谐。感性失谐：fosc>

f01，

fosc<

f02；容性失谐：fosc>

f03。练习1

在振荡器交流等效电路中,三个ＬＣ并联回路的谐振频率分别是：ｆ1、ｆ2、ｆ3。试问ｆ1、ｆ2、ｆ3满足什么条件时该振荡器能正常工作？且相应的振荡频率的范围？

练习

判断图示各反馈振荡电路能否正常工作。3.4

晶体振荡器

频稳度晶体振荡器：超过

10-5LC振荡器：10-3~10-5

晶体振荡器：用石英谐振器控制和稳定振荡频率。

3.4.1

石英谐振器的电特性1．石英谐振器的性能

利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件。(a)

(b)

(c)石英谐振器的内部结构性能

②晶片有一固有振动频率：与晶体几何尺寸和结构有关①压电效应：交流电压加在晶体两端,晶体随电压变化产生振动,然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷。

③压电谐振：当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时,晶片的机械振动最大,晶体表面电荷量最多,外电路中的交流电流最强——谐振。C0：静态电容和支架引线分布电容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶体基频等效电路；Lq3、Cq3、rq3：晶体三次泛音等效电路

2.等效电路等效电路中：静态电容C0约１pF～１０ｐF

动态电感Lq约10-3H～102H（大）动态电容Cq约10-4pF～10-1pF（小）动态电阻rq约几十欧到几百欧（小）由以上参数得：１）石英晶振的Ｑ值非常高。Ｑ值可达几万到几百万

2），所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。综合以上两点,石英晶振的频率稳定度非常高。3．电抗特性忽略rq，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为串联谐振频率并联谐振频率结论：与的间隔很小。

电抗曲线的特点：①ｆp与ｆs间隔很小,在ｆs～ｆp感性区间,具有陡峭的电抗频率特性,曲线斜率大,利于稳频。②fs

为串联谐振，对fs，相当于短路。石英谐振器电抗频率特性曲线晶体的阻抗曲线加负载电容晶体标称频率二、晶体振荡器电路

将石英晶振作为谐振回路元件，接入正反馈电路中,就组成了晶体振荡器。

1）并联型晶体振荡器：将其作为等效电感元件用在三点式电路中,工作在感性区；

2）串联型晶体振荡器：将其作为一个短路元件串接于正反馈支路上,工作在它的串联谐振频率上。问题：除上述两种方式外，晶体能否工作在其它频段内？1并联型晶体振荡电路

三点式振荡器中,将其中一个电感元件换成石英晶振。(a)实际电路(b)交流通路皮尔斯振荡电路频率准确度微调采用微调电容的晶体振荡电路2．串联型晶体振荡器

将石英晶振用于正反馈支路中,串联谐振时等效为短路元件,电路反馈作用最强,满足振幅起振条件。振荡频率取决于晶体的串联谐振频率。交流通路集成晶体振荡电路

3.5RC振荡器工作频率：几十kHz以下低频范围优点：易于实现（不用电感），减小体积。缺点：选择性和稳定性差。一、RC相移振荡电路选频反馈网络RC导前移相电路RC滞后移相电路RC相移振荡器集成运放接成反相放大器：提供-180°相移。三节RC导前相移电路：提供-180°相移。开环电路注意：①构成180°相移需至少三节RC电路；②输出波形失真大（选频特性不理想）；③频稳度低。二、串并联RC振荡器（文氏电桥）1、RC串并联选频网络品质因数很低→选