Chapter6-正弦波振荡器分析课件

Chapter6

正弦波振荡器§6.1概述§6.2反馈型振荡器基本工作原理§6.3反馈型LC振荡器线路§6.4振荡器的频率稳定问题§6.5石英晶体振荡器§6.6RC振荡器Chapter6正弦波振荡器§6.1概述2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.2自激式振荡器：在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量电路。一、振荡器的分类：按波形分按工作方式按选频网络所采用的元件分§6.1

概述正弦波振荡器非正弦波振荡器负阻型振荡器反馈型振荡器LC振荡器RC振荡器晶体振荡器二、振荡电路的主要技术指标：振荡频率频率稳定度振荡幅度振荡波形2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.3§6.2反馈型振荡器基本工作原理由KVL：微分，得：其中：——回路的衰减系数——回路的固有角频率一、并联谐振回路中的自由振荡现象2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.4可以推导出：⑴——过阻尼，不产生振荡⑵——临介阻尼，仍不产生振荡⑶——自由振荡衰减振荡等幅振荡增幅振荡2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.5为了获得等幅振荡，就必须设法使LC回路中的电阻等于“0”。由于实际的LC回路本身总是有正电阻的，因此必须人为的引入一个负电阻，将回路本身的正电阻完全抵消，以获得等幅振荡。负电阻产生的方法①引入正反馈②利用有源器件的负阻特性2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.6振荡器必须由三部分组成：①包含两个(或两个以上)储能元件的振荡回路。②可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。③使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。二、振荡过程与振荡条件2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.7自激振荡建立的物理过程1.振荡过程与振荡条件产生振荡时：故振荡条件为：反馈系数或反馈放大器的闭环增益为：时，当放大器变成了振荡器。

2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.8由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：2.平衡过程与平衡条件即振荡器的平衡条件为

在平衡条件下，反馈到放大器的输入信号正好等于放大器维持其所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。即2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.93.振荡器平衡状态的稳定条件

形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即②相位平衡的稳定条件①振幅平衡的稳定条件相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定的振荡。相位稳定条件应为或软自激的振荡特性硬自激的振荡特性正向传输导纳相角回路基波谐振阻抗相角反馈系数相角2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.10

LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种。一、互感耦合振荡器

互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端正确位置的放置、选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振条件，这些都是很重要的。§6.3反馈型LC振荡器线路

互感耦合振荡器的三种形式调基电路调集电路调发电路进入2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.11

由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q

值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。(a)调基电路（b）调发电路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.12调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。（c）调集电路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.13二、三端式LC振荡器三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，若采取一些稳频措施，还可以再提高一点。三端式LC振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)；电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)；串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)；并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则)2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.14(a)共发电感反馈三端式振荡器电路(b)等效电路电感三端式振荡电路由h参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件振荡频率为:电感反馈三端式振荡器(Hartley电路)2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.15Hartley电路的优点：①L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；缺点：①振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得,而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；②电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，分布参数的影响太大。②振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。③而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.16电容反馈三端振荡器(Coplitts电路)电容三端式振荡电路（a）（b）可推导电容反馈三端电路的起振条件电容反馈三端电路的振荡频率2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.17Coplitts电路的优点：①电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。②电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。③电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。缺点：调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.18串联型改进电容三端式振荡器(Clapp电路)（a）Clapp电路的实际电路（b）高频等效电路因为C3远远小于C1或C2，所以三电容串联后的等效电容振荡角频率故Clapp电路的振荡频率几乎与C1、C2无关。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.19①由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。②调整C1C2的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故:③调整C3的值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。①Clapp电路的波段覆盖的范围窄。②工作波段内输出波形随频率变化大。Clapp电路的特点:缺点：2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.20并联型改进电容三端式振荡器(

Seiler电路)(a)实际电路(b)高频等效电路其回路等效电容振荡频率特点：①容易起振；②波段覆盖率宽，且在波段内幅度较均匀。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.21例6.1某振荡器电路如下图所示。1)试说明各元件的作用；2)当回路电感L=1.5μH时，要使振荡频率为49.5MHz，则C4=?解：Rc:集电极偏置电阻;Re,RΦ:发射极偏置电阻；Rb1,

Rb2:基极偏置电阻；Cb:旁路电容；Cp:耦合电容；ZL:高频扼流圈；C1~C4:振荡回路电容

L

:振荡回路电感Seiler振荡电路而2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.22LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则)振荡器的等效三端电路三端式LC振荡器是一种反馈式LC振荡器。当回路元件的电阻很小，可以忽略其影响，同时也忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗的影响，则电路要振荡必须满足条件：Xbe+Xce+Xcb=0电路特点简言之就是“射同它异”。以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.23例6.2下图是一个三回路振荡器的等效电路，现有以下四种情况：(1)L1C1>L2C2>L3C3(2)L1C1<L2C2<L3C3(3)L1C1=L2C2>L3C3(4)L1C1<L2C2=L3C3试分析上述四种情况是否都能振荡，振荡频率f1与回路谐振频率有何关系？属于何种类型的振荡器？分析：该电路要能振荡，三个回路的谐振频率必须满足：解：(1)故电路可能振荡，可能振荡的频率f1为：属于电感反馈振荡器；(2)(3)故电路可能振荡，可能振荡的频率f1为：属于电容反馈振荡器；(4)故电路不可能振荡。故电路可能振荡，可能振荡的频率f1为：属于电容反馈振荡器；2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.24频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。绝对准确度相对准确度§6.4振荡器的频率稳定问题2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.25根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为：长期频率稳定度短期频率稳定度瞬间频率稳定度取决于有源器件和电路元件及石英晶体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。频率稳定度2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.26一、影响频率稳定度的因素1.振荡回路参数L与C对频率的影响因为振荡频率其相对频率变化量为2.回路品质因素Q值对频率的影响Q值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.273.有源器件的参数对频率的影响振荡管为有源器件，若它的工作状态(电源电压或周围温度等)有所改变，则由式如果晶体管参数

h与hi发生变化，即引起振荡频率的改变。另外，当外界因素(如电源电压、温度、湿度等)变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.28二、振荡器稳定频率的方法1.减小外因变化，根除“病因”①减小温度的变化。②减小电源的变化。③减小湿度和大气压力的影响。④减小磁场感应对频率的影响。将振荡器放在恒温槽内；使振荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L、C，抵消

L、

C。采用二次稳压电源供电；或振荡器采取单独供电。将振荡器密封起来。对振荡器进行屏蔽。温度补偿法2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.29⑤消除机械振动的影响。⑥减小负载的影响。通常可加橡皮垫圈作减振器。采取Clapp或Seiler电路，减弱晶体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性和频率稳定度。在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路Q值；本级采用低阻抗输出，本级输出与下一级采取松耦合；2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.30

2.提高回路的标准性

所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。要提高回路标准性即要减小

L和

C，因此可采取优质材料的电感和电容。

3.减小相角

YF及其变化量

YF

为使振荡器的频率稳定度高，则要求

YF的数值小，且变化量小。可使振荡器的工作频率比振荡管的特征频率低很多，即f<<fT，并选用电容三端式振荡电路，使振荡波形良好。2023/10/6Copyrightsyaoping.A

作业：

6-56-11作业：2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.32一、概述1.石英晶体谐振器频率稳定度高的原因§6.5石英晶体振荡器①石英晶体的等效谐振回路有很高的标准性；②具有正反压电效应，而且在谐振频率附近，晶体的等效参数Lq很大、Cq很小，rq也不高，故晶体的Q值可高达数百万数量级；③对频率变化具有极灵敏的补偿能力。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.332.使用时的注意事项：①采用恒温措施；②石英谐振器都规定接有一定的负载电容CL，用来补偿生产中晶体的频率误差和晶体的老化，达到标称频率。为适应高频、低频的不同场合，CL一般采用微调电容;③在振荡电路中，必须注意不能超过晶体的额定激励电平，并尽量保持激励电平的稳定；④石英谐振器或者工作于感性区，或者工作于串联谐振频率上，决不能使用容性区。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.34二、晶体振荡器电路并联谐振型晶体振荡器串联谐振型晶体振荡器1.并联谐振型晶体振荡器把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件按照三端电路的基本准则组成的三端振荡器。(a)PierceCircuit(b)MillerCircuit并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.35(1)皮尔斯(Pierce)振荡电路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.36(2)密勒(Miller)振荡电路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.37(3)Pierce电路与Miller电路的比较Miller电路的输出信号较大，L1C1回路还可以抑制其他谐波，但频率的稳定度不如Pierce电路。因为Miller电路中，石英晶体接在输入阻抗低的b-e之间，降低了石英晶体的标准性；而Pierce电路中的石英晶体则接在阻抗很高的b-c之间，石英晶体的标准性受影响很小。(a)PierceCircuit(b)MillerCircuit在频率稳定度要求较高的电路几乎都采用Pierce电路。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.38

2.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中，利用其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，使振荡器在晶振串联谐振频率fq上起振。这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。串联谐振型正弦波晶振电路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.39晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越薄，机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。

3.泛音晶体振电路为解决该问题，可以令晶体工作于它的泛音(overtone)频率上，构成泛音晶体振荡器。泛音：指石英片振动的机械谐波，与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且与基波不能同时存在。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.40§6.6RC振荡器较低的振荡频率一般都采用RC振荡器来完成。RC振荡器主要优点：构造较简单，经济方便RC振荡器振幅和相位平衡条件：RC振荡器的分类(根据RC网络的不同形状分):相移振荡器桥式振荡器RC振荡器2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.411.RC相移振荡器由超前移相或滞后移相电路作为选频网络的RC振荡器。(a)相位超前的相移网络(b)相位滞后的相移网络图(a)中，传输系数模相角超前相移网络图(b)中，传输系数模相角滞后相移网络2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.42两种相移网络的共同特点：①φ随频率的变化而变化，且0<φ<90º②输出电压幅度也随频率的变化而变化，但Vo<Vi，且相移愈大，Vo愈小；当相移90º时，输出趋近于0。因此，为了保证相移网络倒相180º，至少需要用三节移相网络。此时，其振荡频率为起振条件为2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.432.文氏电桥振荡器由放大器、RC并联正反馈选频网络和负反馈电路组成。文氏电桥振荡器原理图图中，红框内为完成正反馈作用的串并联RC选频网络，右边为具有负反馈作用的同相放大器。Z1Z2低频等效图高频等效图可以推知：RC串并联网络在某一频率上，其输出电压幅度具有最大值，此时相位角为0。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.