通信電子線路第3章振蕩器.ppt

第三章：振蕩器,內容提要,內容提要,振蕩器可不需要外來激勵信號，而是自身直接將直流電能轉換為交流電能,按照所產生波形的特點不同，可分為正弦波振蕩和張弛振蕩,按照電能轉換原理的不同，可分為反饋型振蕩電路和負阻型振蕩電路：,反饋型振蕩電路實質上是具有正反饋的放大器,負阻型振蕩器利用器件伏安特性曲線的某一段具有負斜率，顯現(xiàn)為負的微變電阻，配合外部儲能電路構成的,從廣義上來說，所有振蕩器都可看成負阻型振蕩器,反饋型正弦振蕩電路的結構框圖,第一節(jié)：反饋型正弦振蕩電路的工作原理,放大器產生自激振蕩的條件：,正反饋,反饋型振蕩器的方框圖與電子電路基礎中的負反饋放大器框圖的兩點區(qū)別,圖中只是為了方便而將A與B分開來畫，在實際振蕩電路中反饋網絡往往成為放大器負載的一部分，只能人為地將二者分割。由于沒有外來信號，振蕩電路中放大環(huán)節(jié)輸入、輸出信號的認定也不是惟一的。因此不能將晶體管振蕩電路分為共射、共基、共集三種組態(tài),反饋型正弦振蕩電路中的選頻網絡,第一節(jié)：反饋型正弦振蕩電路的工作原理,作為正弦波振蕩器，為了使振蕩輸出單一頻率，只允許一個頻率滿足 。因此，正弦波振蕩器電路中必須有選頻網絡,此外，當電子器件的動態(tài)運用范圍擴大時，選頻網絡可以濾除由于器件工作進入非線性區(qū)所產生的諧波,根據構成選頻網絡的元件不同，可將振蕩電路分為LC正弦波振蕩器和RC正弦波振蕩器：,LC振蕩器的振蕩頻率接近于LC諧振回路的諧振頻率,LC振蕩器不適宜工作于低頻,變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器(一),第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,電路結構說明與反饋的極性判別,第一種振蕩建立過程簡述：較小的寬頻擾動，且靜態(tài)時有,該電路滿足形成自生反偏壓的三個條件，將在偏置電阻上形成自生反偏壓,可通過設法去除正反饋前、后，測量器件偏壓的變化來判別是否起振,變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器(二),第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,第二種振蕩建立過程簡述：較大的寬頻擾動，且靜態(tài)時有,第二種振蕩建立過程又稱為硬激勵，在實際應用中應盡量避免,第一種振蕩建立過程又稱為軟激勵，可進一步分為兩種實際情況：,時，振蕩器的幅度有隨機性，且隨著時間或溫度變化時電路會停振,時，振蕩器的工作范圍將隨著幅度的增長進入非線性區(qū)，并保持幅度穩(wěn)定,變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器(三),第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,反饋型正弦波振蕩器的起振條件：,反饋型正弦波振蕩器的平衡條件：,振幅平衡條件的物理意義是反饋信號的幅度剛好等于放大器所需輸入信號的幅度,注意：同一電路按靜止狀態(tài)下用小信號交流等效電路計算起振條件時的放大倍數(shù)與按器件工作進入強非線性區(qū)工作對基波等效計算平衡條件的放大倍數(shù)會有很大不同,變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器(四),第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,振蕩頻率取決于相位平衡條件，可據此進行嚴格計算。但在手工計算時，這是一個十分困難的問題,在工程估算時，暫不考慮器件輸入、輸出阻抗的影響，并在振蕩頻率比器件特征頻率低得多的情況下，忽略器件內部相移,從而可將諧振回路的諧振頻率近似看作為振蕩頻率：,在實際中，欲達到預定的振蕩頻率時，可通過實驗調整回路元件的值,變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器(五),第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,是剛好能起振的極限條件。為使振蕩可靠，環(huán)反饋系數(shù) 必須留有余量，其大小視所需振幅值和器件工作的導通角而定。因此，按甲類工作狀態(tài)計算起振的極限條件，即 沒有多大實用價值,一個推薦的經驗數(shù)據為在 之間選取開路(視器件輸入端開路)反饋系數(shù),在實驗調整時可根據振幅和波形失真大小改變反饋系數(shù)，一般來說，增大 值振幅會增大，隨之發(fā)生的是器件進入強非線性區(qū)工作的時間變長，波形失真也增大,要增大振幅，減小 ；要減小失真，加大 。,三點式LC正弦波振蕩電路：電感三點式,第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,反饋電路由電感組成，又稱為電感分壓式，習慣上稱作“哈特萊(Hartely)”振蕩器,振蕩頻率等于諧振回路的諧振頻率,若以接地點為參考點，則 與 同相， 與 反相；根據共射放大電路的輸入輸出相位關系，可得出反饋為正的結論,三點式LC正弦波振蕩電路：電感三點式,第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,為正反饋！,A,B,三點式LC正弦波振蕩電路：電容三點式,第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,反饋電路由電容組成，又稱為電容分壓式，習慣上稱作“考皮茲(Copitts)”振蕩器,振蕩頻率等于諧振回路的諧振頻率,由于流過兩個電容的電流基本相同，則 與 同相；根據共基極放大電路的輸出輸出相位關系，可得出反饋為正的結論,三點式LC正弦波振蕩電路：電容三點式,第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,為正反饋！,A,B,三點式LC正弦波振蕩電路：起振條件,第二節(jié)：反饋型LC正弦波振蕩器,和 符號相同,和 ， 符號相反,許多變形的三點式LC振蕩電路中， 、 和 往往不一定是單一的電抗元件，而是由不同符號的電抗元件組成的。但是，多個不同符號的電抗元件構成的復雜電路，在頻率一定時，可以等效為一電感或電容。從而可據此進行起振所需的相位判別,例題3.2.1,綜述,第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,根據應用場合的不同，對振蕩器的振幅穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性的要求也不同,振幅穩(wěn)定性標準往往用振幅變化的百分比來說明，其表達式為：,有些情況下振幅穩(wěn)定性用分貝值來表示，其計算式為：,絕對頻率穩(wěn)定度：,相對頻率穩(wěn)定度：,振幅穩(wěn)定度僅在短期內有較高要求,頻率穩(wěn)定度在所有時間內均有較高要求,振幅穩(wěn)定的條件,第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,振幅會增大,振幅會衰減,振幅不變,欲使振蕩器的振幅在發(fā)生某種變化時能自動趨于穩(wěn)定，電路的環(huán)反饋系數(shù)應具有下述特性：振幅變化使AB值隨之發(fā)生變化，AB變化再次造成的振幅變化應與原振幅變化相反。即：,提高振幅穩(wěn)定度的一般考慮(一),第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,為了滿足振幅穩(wěn)定條件，器件應工作于非線性區(qū)。只要在設計時使器件在靜止狀態(tài)下AB1，便可自動進入非線性區(qū)工作，收到自動穩(wěn)幅的效果。所設計的AB越大，器件進入非線性區(qū)的程度愈甚，穩(wěn)幅效果越好。伴隨而來的缺點是波形失真增大,由于當晶體管進入飽和區(qū)工作時集電結處于正向導通狀態(tài)，呈現(xiàn)低阻抗而產生限幅作用，使得接于集電極的LC諧振回路不能很好地起濾波作用。因此應避免振蕩器中的晶體管進入飽和區(qū)工作,不宜將晶體管的靜態(tài)工作點選得過高,電路中能產生自偏壓，也有助于避免晶體管進入飽和區(qū),提高振幅穩(wěn)定度的一般考慮(二),第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,在振蕩電路中采用自生反偏壓可以收到 的效果。且自生反偏壓將隨著信號幅度的增大而增大,需要注意選擇自偏電路的時間常數(shù)。若時間常數(shù)太小，建立不起穩(wěn)定的偏壓。必須使自偏電路的時間常數(shù)大于振蕩周期的 倍,但若自偏電路的時間常數(shù)太大，則會出現(xiàn)間歇振蕩,提高振幅穩(wěn)定度的一般考慮(三),第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,LC振蕩器靜止狀態(tài)的小信號AB值大于1時，可以保證振幅的穩(wěn)定。當小信號的AB值大于1越多時，穩(wěn)定情況下器件的導通角越??；但此時波形失真較大。故在實際應用時，可根據對振幅穩(wěn)定和波形的要求折中地選擇AB的值。當要求波形較好時，應適當放寬對幅度穩(wěn)定的要求，選用較小的AB值,實驗指出，當AB的值很大時，正反饋十分強烈，電路起振后增幅極快，自生反偏壓也迅速增大，容易滿足間歇振蕩條件。在這種情況下，適當減小AB值，可以消除或防止間歇振蕩,頻率穩(wěn)定的條件,第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,當滿足相位平衡條件，即 時，振蕩的頻率就穩(wěn)定下來,電路的相位特性應滿足這樣的條件：由某一頻率變化所引起的相位變化，環(huán)路增益相移的變化與角頻率的變化符號必須相反，才能使頻率趨于穩(wěn)定，即：,上述偏導數(shù)的絕對值越大，頻率穩(wěn)定性越好,當 時，振蕩頻率將發(fā)生變化,提高頻率穩(wěn)定度的一般考慮,第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,僅考慮諧振回路的相移即可,越接近 ，在 附近的 的絕對值越大,值越高，在 附近的 的絕對值越大,結論：,諧振回路的相移特性滿足頻率穩(wěn)定條件,若由于諧振回路以外的其它因素導致振蕩頻率不穩(wěn)定，則可依靠諧振回路的相移達到新的相位平衡點，在新頻率下工作,振幅與頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)定方法(一),第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,供電,對那些要求有較高特性指標的振蕩器，應采用穩(wěn)壓電源,器件,應該選用 遠比振蕩頻率高，且 小的管子。另外，晶體管還可采用部分接入法和諧振回路連接,元件,可選用溫度系數(shù)小的元件，或選用正、負兩種溫度系數(shù)的元件以進行相互補償,振幅與頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)定方法(二),第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,安裝工藝,諧振回路和晶體管之間的接線要短而牢固,應進行適當?shù)钠帘?主振部分應盡可能遠離發(fā)熱的元器件,可以采取防振措施以防止機械振動的影響,負載,可在負載和主振級之間加緩沖級。為使緩沖級最大限度地起到緩沖作用，緩沖級從主振級所吸取的功率應盡可能小,放大級應工作于甲類,共射電路是作為緩沖級電路優(yōu)先考慮的電路形式，可以部分接入方式提高緩沖級對諧振回路的等效引入阻抗,振幅與頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)定方法(三),第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,器件和諧振回路的耦合,克拉潑(Clapp)電路,的接入使器件和諧振回路的連接方式為部分接入,可通過改變 的容量來調節(jié)振蕩頻率,不適宜作為波段振蕩器,西勒(Seiler)電路,可通過改變 的容量來調節(jié)振蕩頻率,在振蕩頻率改變時，幅度較穩(wěn)定,振幅與頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)定方法(四),第三節(jié)：振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定,相位補償,可在諧振回路和器件輸入電極相連接的反饋通道中接入一個適當?shù)碾娍乖韺ο答侂娐返南嘁?自動穩(wěn)幅電路,框圖結構及工作原理說明,綜述,第四節(jié)：石英晶體振蕩器,石英晶體振蕩器用石英晶體作為一個諧振回路元件接入振蕩電路中,其之所以有很高的頻率穩(wěn)定度，是因為石英晶體參數(shù)的穩(wěn)定性很高，且等效Q值很高，其數(shù)值可達幾千以上,兩類晶體振蕩器電路：,石英晶體作為一個高Q電感元件，和回路中的其他元件形成并聯(lián)諧振，成為并聯(lián)型晶體振蕩器,石英晶體作為一個正反饋通路元件，這種電路中的石英晶體工作于其串聯(lián)諧振頻率，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器,并聯(lián)型晶體振蕩器電路,第四節(jié)：石英晶體振蕩器,可由直流供電電路入手得到其交流通路,當石英晶體工作于感性區(qū)，且其感抗大于電容 所呈現(xiàn)的容抗時，電路便滿足自激所需的相位條件。振蕩頻率等于晶體等效電感與 ， 及 串聯(lián)值的諧振頻率,并聯(lián)型石英晶體振蕩器中令石英晶體工作于感性區(qū)，這樣才能保證振蕩由其控制,泛音晶體振蕩器電路,第四節(jié)：石英晶體振蕩器,工作于機械諧波頻率的晶體稱作泛音晶體,如何保證電路工作于指定的諧波而不工作于基波或其他諧波是泛音晶體振蕩器的特殊問題。如果將電路調節(jié)得在指定諧波頻率的環(huán)路增益AB值稍大于1時，就可以保證對較高次的諧波不滿足自激所需的振幅條件,可采用下圖所示電路來抑制基波振蕩,第四節(jié)：石英晶體振蕩器,畫出圖(a)的交流通路如圖(b)所示。要使輸出振蕩頻率為100M1z，必須使石英晶體上作在5次泛音的感性電抗區(qū)，并使得由L和C2組成的諧振回路在振蕩頻率100Mh時呈容性電抗，而在3次泛音和基波頻率呈現(xiàn)感抗。將L和C2組成的諧振回路的諧振頻率選得高于3次泛音頻率(60MN)，且低于5次泛音頻率(100MHz)。,泛音晶體振蕩器電路,第四節(jié)：石英晶體振蕩器,泛音晶體振蕩器電路,串聯(lián)型晶體振蕩器電路,第四節(jié)：石英晶體振蕩器,略去直流供電元件后可得交流等效電路,石英晶體和電路的反饋信號源、反饋信號的負載構成串聯(lián)電路，此即串聯(lián)型晶體振蕩電路的得名原因,石英晶體工作于其感性區(qū)，在振蕩頻率處幾乎相當于短路,在實際應用中可能會不接C4，而在石英晶體兩端并聯(lián)一個電感,小 結,1、振蕩器的分類,按產生的波形分： 正弦波振蕩器和張弛振蕩器,按組成選頻電路的元件分：,LC振蕩器和RC振蕩器,按產生原理分：,反饋型和負阻型,2、自激振蕩原理,自激振蕩原理的闡述可以有多種方式、常見有以下三種方式：,從放大器加有正反饋時，放大器的輸入信號與反饋信號的關系人手。 從負微變電阻和振蕩電路的正電阻關系入手。 從求微分方程的解入手。,小 結,小 結,一般來說，對一個振蕩，可以從起振、平衡、穩(wěn)定三個方面探求其成立的條件,(1)起振條件,振幅條件AB1，相位條件AB2n,(2)平衙條件,AB1,AB2n,(3)穩(wěn)定條件,3、起振條件、振蕩幅度和振蕩頻率的計算,并非對所有振蕩電路的上述三個指標都必須進行精確的汁算，可以根據實際需要和可行性，采取不同的對策。,振蕩器的振蕩頻率，都可在忽略器件極間電容影響的情況下，進行工程估算，對正弦波振蕩器，一般由選頻電路參數(shù)確定。,小 結,關于起振條件，對LC正弦波振蕩器因為最終電路工作在強非線性區(qū)，其小信號情況的計算公式不僅煩瑣，而且計算結果沒有多少實用價值。,振蕩幅度的計算對正弦波振蕩是十分棘手的問題，由振幅穩(wěn)定得知，這是一個非線性問題，一般通過實驗調整確定。,小 結,4、振蕩電路的若干問題,(1)直流供電和交流通路之間的矛盾，通常利用電感、電容這兩類電抗元件對交、直流電呈現(xiàn)阻抗不同將二者分流。和放大電路中處理這個問題的方法相同。,小 結,(2)判別反饋式LC正弦波振蕩電路能否滿足起振所需相位條件，對變壓器反饋式電路可將其當做一個反饋放大器，考察變壓器的同名端，看反饋是正還是負，而不管諧振電路接在哪兩個電極之間；對三點式電路，則根據每兩個電極之間電抗符號的關系：Xce與Xbe同號，Xcb與Xce、Xbe反號，當電極之間有兩個或兩個以上電抗元件時，則將其