北航通信電路原理課件ch051

1、2021年10月25日通信電路原理-北航06年15.3 lc 振蕩器的電路分析振蕩器的電路分析5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.5 晶體振蕩器晶體振蕩器5.6 負阻振蕩器（負阻振蕩器（*）5.7 rc 振蕩器與開關(guān)電容振蕩器（振蕩器與開關(guān)電容振蕩器（*）5.8 特殊振蕩現(xiàn)象（特殊振蕩現(xiàn)象（*）2021年10月25日通信電路原理-北航06年2 （1）振蕩器的定義；）振蕩器的定義；（2）振蕩器的分類；）振蕩器的分類；（3）振蕩器的應用；）振蕩器的應用；（4）振蕩器的基本構(gòu)成；）振蕩器的基本構(gòu)成；（5）振蕩器的分析方法。）振蕩器的分析方法。3 （1）定義：）定義：振蕩器是一種不需外加信

2、號激勵而能自動將直流振蕩器是一種不需外加信號激勵而能自動將直流能量變換為周期性交變能量的裝置。能量變換為周期性交變能量的裝置。（2）分類：）分類：按振蕩波形分類：按振蕩波形分類：振蕩器分為振蕩器分為正弦波振蕩器正弦波振蕩器和非正弦波和非正弦波振蕩器。輸出波形接近于理想正弦波的稱為正弦波振蕩器，振蕩器。輸出波形接近于理想正弦波的稱為正弦波振蕩器，波形為方波、矩形波等波形的稱為非正弦波振蕩器。波形為方波、矩形波等波形的稱為非正弦波振蕩器。按工作機理分類：按工作機理分類：根據(jù)產(chǎn)生振蕩的機理，正弦振蕩器還根據(jù)產(chǎn)生振蕩的機理，正弦振蕩器還可分為可分為反饋振蕩器反饋振蕩器和負阻振蕩器。和負阻振蕩器。按選頻

3、網(wǎng)絡分類按選頻網(wǎng)絡分類：分為：分為rc振蕩器、振蕩器、lc振蕩器振蕩器、晶體振晶體振蕩器蕩器以及壓控振蕩器（以及壓控振蕩器（vco）、）、壓控晶體振蕩器壓控晶體振蕩器（vcxo）等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，相繼又出現(xiàn)了集成等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，相繼又出現(xiàn)了集成振蕩器、開關(guān)電容振蕩器等。振蕩器、開關(guān)電容振蕩器等。2021年10月25日通信電路原理-北航06年4 （3）應用：）應用：發(fā)射機發(fā)射機用它產(chǎn)生載荷信息的用它產(chǎn)生載荷信息的載波信號載波信號；超外差接收機超外差接收機用它產(chǎn)生用它產(chǎn)生本地振蕩信號本地振蕩信號；電子測量設備電子測量設備和計時儀表用它產(chǎn)生頻率和計時儀表用它產(chǎn)生頻率基準信號基準信號和和

4、其它通信測量信號其它通信測量信號；工業(yè)生產(chǎn)部門和日常生活中廣泛應用的高頻電加工業(yè)生產(chǎn)部門和日常生活中廣泛應用的高頻電加熱設備等（例如：熱設備等（例如：微波爐微波爐）。）。2021年10月25日通信電路原理-北航06年5 （4）基本構(gòu)成：）基本構(gòu)成：一個由儲能元件構(gòu)成的決定振蕩頻率的一個由儲能元件構(gòu)成的決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡；一個具有能量變換（或放大）作用的一個具有能量變換（或放大）作用的換能機構(gòu)換能機構(gòu)；一個有助于補充元器件能量損耗和保證振蕩器工作穩(wěn)定一個有助于補充元器件能量損耗和保證振蕩器工作穩(wěn)定的的反饋電路反饋電路；一個對振蕩強度具有自動調(diào)整作用的一個對振蕩強度具有自動調(diào)整作用的非

5、線性元件非線性元件。事實上，在晶體管正弦振蕩器中，晶體管既起著能量變換的事實上，在晶體管正弦振蕩器中，晶體管既起著能量變換的作用，又起著調(diào)整和控制振蕩強度的非線性作用。作用，又起著調(diào)整和控制振蕩強度的非線性作用。2021年10月25日通信電路原理-北航06年6 （5）分析方法：）分析方法：由于正弦波振蕩器是一個非線性動態(tài)網(wǎng)絡，要對它進行分析，由于正弦波振蕩器是一個非線性動態(tài)網(wǎng)絡，要對它進行分析，至少需求解一個二階以上的至少需求解一個二階以上的非線性微分方程非線性微分方程；求解求解一個二階以上的非線性微分方程二階以上的非線性微分方程，需采用需采用cad方法方法。 為便于為便于定性分析定性分析闡明

6、振蕩器的振蕩特性，本章在進行電路分析闡明振蕩器的振蕩特性，本章在進行電路分析時，仍采用電路參數(shù)的時，仍采用電路參數(shù)的準線性分析法準線性分析法和和零極點分析法零極點分析法：在振蕩的初始階段，系統(tǒng)內(nèi)流通的信號比較微弱，因此，可在振蕩的初始階段，系統(tǒng)內(nèi)流通的信號比較微弱，因此，可以引用以引用線性系統(tǒng)線性系統(tǒng)的分析方法，來確定這一時期振蕩器的工作的分析方法，來確定這一時期振蕩器的工作狀態(tài)；狀態(tài)；振蕩建立后，用振蕩建立后，用準線性方法準線性方法（如用平均跨導代替跨導，采（如用平均跨導代替跨導，采用線性方法）分析，獲得重要的具有指導意義的結(jié)論。用線性方法）分析，獲得重要的具有指導意義的結(jié)論。2021年10

7、月25日通信電路原理-北航06年7 用用瞬時極性法瞬時極性法進行分析進行分析 。（。（p260）lcclbcec1br2brerccvbevcevmmcibi返回返回2021年10月25日8 （返回返回（2）定性分析：）定性分析：在諧振頻率處，電路相移是在諧振頻率處，電路相移是2n，才滿足相位平衡條件；才滿足相位平衡條件；反饋信號足夠大，才滿足振幅平衡條件；反饋信號足夠大，才滿足振幅平衡條件；電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率。電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率。（3）定量分析：）定量分析：相位平衡條件相位平衡條件：nfa2振幅平衡條件振幅平衡條件：1af電路振蕩頻率電路振蕩頻率：1olc

8、2021年10月25日通信電路原理-北航06年9回答兩個問題：回答兩個問題：振蕩是如何產(chǎn)生的？振蕩是如何產(chǎn)生的？振蕩又是如何平衡的？振蕩又是如何平衡的？ 從三個角度分析：從三個角度分析：l振蕩的產(chǎn)生振蕩的產(chǎn)生能量能量和和頻譜頻譜的角度。的角度。l振蕩的平衡振蕩的平衡非線性非線性的角度。的角度。分析三個分析三個：。10（p258）lcrovs12i0ttoelv)(tilc諧振回路是諧振回路是lc振蕩器的重要組成部分，正弦波振蕩器則是振蕩器的重要組成部分，正弦波振蕩器則是基于二階基于二階rlc回路的自由振蕩現(xiàn)象?；芈返淖杂烧袷幀F(xiàn)象?？紤]了回路損耗后，回路將考慮了回路損耗后，回路將產(chǎn)生振幅衰減的阻

9、尼振蕩。產(chǎn)生振幅衰減的阻尼振蕩。( )sin()toovi tetl從從能量的角度能量的角度：在回路存在損耗時，適時地補充必要的交變能：在回路存在損耗時，適時地補充必要的交變能量，以維持回路內(nèi)部的能量平衡。量，以維持回路內(nèi)部的能量平衡。起振條件：起振條件： af 1。2021年10月25日通信電路原理-北航06年11（從從頻譜的角度頻譜的角度：電路接通瞬間振蕩是如何產(chǎn)生的？：電路接通瞬間振蕩是如何產(chǎn)生的？（p261）0cit0ci電路接通瞬間加于晶體管基極的階躍輸入電壓或噪聲，包含電路接通瞬間加于晶體管基極的階躍輸入電壓或噪聲，包含許多諧波分量，諧振回路選擇滿足相位平衡條件的諧波分量。許多諧波

10、分量，諧振回路選擇滿足相位平衡條件的諧波分量。af 1。只要接通電源，系統(tǒng)將由于微小的電沖激而產(chǎn)生只要接通電源，系統(tǒng)將由于微小的電沖激而產(chǎn)生增幅振蕩。增幅振蕩。從從非線性的角度非線性的角度定性分析：振蕩是如何平衡的？定性分析：振蕩是如何平衡的？由于由于af 1，振蕩幅度不斷增長，晶體管進入非線性區(qū)；振蕩幅度不斷增長，晶體管進入非線性區(qū)； 是尖頂余弦脈沖，諧振回路選擇余弦脈沖基波分量。放是尖頂余弦脈沖，諧振回路選擇余弦脈沖基波分量。放大器的放大倍數(shù)大器的放大倍數(shù) a 減少。減少。ci0bevcevaf=1af = 1，振蕩進入平衡。振蕩進入平衡。線性反饋特性：線性反饋特性：cebevvf 振蕩特

11、性曲線：振蕩特性曲線：becevva 上圖上圖2021年10月25日通信電路原理-北航06年13（從從等效電路等效電路角度定量分析：角度定量分析：lbilcmcibevcevfvizbifbevbicicevizoz從三點分析：從三點分析：晶體管等效電路。晶體管等效電路。振幅平衡條件：振幅平衡條件：1af相位平衡條件：相位平衡條件：nfa2對于所有的振蕩器，得出的振蕩平衡條件為：對于所有的振蕩器，得出的振蕩平衡條件為：()()1ooa jfj()()1()20,1,2oooafafnn 14當工作頻率較高時，引起回路傳輸系數(shù)和相移的因素是很多的：當工作頻率較高時，引起回路傳輸系數(shù)和相移的因素是

12、很多的：晶體管輸入阻抗晶體管輸入阻抗ijibbeiezivz晶體管電流增益晶體管電流增益jbceii諧振回路阻抗諧振回路阻抗反饋參數(shù)反饋參數(shù)fjcefefvvffbevbicicevizoz振蕩平衡條件表示為：振蕩平衡條件表示為：1fiozz()20,1,2ooifnn 上式中，上式中， 隨頻率的變化十分明顯。隨頻率的變化十分明顯。o而其余相角隨頻率變化較緩慢。如令而其余相角隨頻率變化較緩慢。如令fih則上式為：則上式為：,.2 , 1 , 02nnhoojocceoezivz討論：討論：（1）振蕩器要產(chǎn)生振蕩，必須同時滿足振蕩的起振條件和）振蕩器要產(chǎn)生振蕩，必須同時滿足振蕩的起振條件和平衡條

13、件。平衡條件。（2）若有三個假設：）若有三個假設：振蕩頻率遠小于晶體管的截止頻率（振蕩頻率遠小于晶體管的截止頻率（ ），）， 。ff 0晶體管輸入阻抗晶體管輸入阻抗 是純阻，是純阻， 。iz0i反饋回路：反饋回路： 。f振蕩器工作于振蕩器工作于lc并聯(lián)諧振回路的諧振頻率處，并聯(lián)諧振回路的諧振頻率處， 。0o振蕩器的振蕩頻率振蕩器的振蕩頻率 = 并聯(lián)諧振回路的諧振頻率并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 。fof這是理想情況：這是理想情況：,.2 , 1 , 02nnhofih2021年10月25日通信電路原理-北航06年16（3）實際情況分析：）實際情況分析： ， 不是零，不是零， 不是不是 。ifof22

14、of1ofhnh20fih1()oohpotgq 當當 、 、 的數(shù)值已知的數(shù)值已知時，振蕩器的實際振蕩頻率時，振蕩器的實際振蕩頻率 也就確定了。也就確定了。oh01fpq2021年10月25日通信電路原理-北航06年17 自然界中處于平衡狀態(tài)的物體都有穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡之自然界中處于平衡狀態(tài)的物體都有穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡之區(qū)分區(qū)分。振蕩器進入平衡狀態(tài)后，假設受到外界的擾動，那么將會破振蕩器進入平衡狀態(tài)后，假設受到外界的擾動，那么將會破壞其原來的平衡狀態(tài)。壞其原來的平衡狀態(tài)。干擾消失后，振蕩器若能自動恢復到原來的平衡狀態(tài)，干擾消失后，振蕩器若能自動恢復到原來的平衡狀態(tài)，則稱之為是穩(wěn)定的則稱之

15、為是穩(wěn)定的；否則，稱之為是不穩(wěn)定否則，稱之為是不穩(wěn)定。18振蕩的穩(wěn)定條件包含振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件；振蕩的穩(wěn)定條件包含振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件；振幅穩(wěn)定條件是指振蕩器的工作狀態(tài)在外界各種干擾的作用振幅穩(wěn)定條件是指振蕩器的工作狀態(tài)在外界各種干擾的作用下（如在電壓抖動、溫度變化、噪聲等作用下）偏離平衡狀下（如在電壓抖動、溫度變化、噪聲等作用下）偏離平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)自動恢復到原來的平衡狀態(tài)所應具備的條件。態(tài)時，系統(tǒng)自動恢復到原來的平衡狀態(tài)所應具備的條件。p0af1ivp點是一個穩(wěn)定的平衡點。點是一個穩(wěn)定的平衡點。平衡點附近振蕩特性斜率的變平衡點附近振蕩特性斜率的變化應小于反饋線斜率的變化?；瘧?/p>

16、小于反饋線斜率的變化。穩(wěn)定點的條件為：穩(wěn)定點的條件為：0pidvda19另另從從振蕩器的振蕩特性討論：振蕩器的振蕩特性討論：p0aivbibvipv1ff1與上圖不同，該振蕩器晶體管與上圖不同，該振蕩器晶體管靜態(tài)工作點位于轉(zhuǎn)移特性接靜態(tài)工作點位于轉(zhuǎn)移特性接近截止的非線性區(qū)。近截止的非線性區(qū)。如圖所述兩平衡點中，只有如圖所述兩平衡點中，只有p點是穩(wěn)定的，故常稱點是穩(wěn)定的，故常稱p點為點為穩(wěn)定的平衡點，穩(wěn)定的平衡點，b點為不穩(wěn)定點為不穩(wěn)定的平衡點。的平衡點。這種起振時需要外加沖激的電振蕩稱為這種起振時需要外加沖激的電振蕩稱為“硬激勵硬激勵”，那些不需，那些不需沖沖擊而能自由產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象稱為擊而能

17、自由產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象稱為“軟激勵軟激勵”。ibv若要使該振蕩器能進入穩(wěn)定若要使該振蕩器能進入穩(wěn)定的平衡點，在起振時應給晶的平衡點，在起振時應給晶體管加一電沖擊，并使沖激體管加一電沖擊，并使沖激電壓大于電壓大于 ，這樣自由振，這樣自由振蕩就可以產(chǎn)生。蕩就可以產(chǎn)生。（p265）相位穩(wěn)定條件是指：當處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)受到某一外來因素的相位穩(wěn)定條件是指：當處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)受到某一外來因素的干擾，相位平衡狀態(tài)受到破壞，總相移角大于或小于干擾，相位平衡狀態(tài)受到破壞，總相移角大于或小于 時，時， 環(huán)路是否具有自動恢復平衡狀態(tài)重新回到環(huán)路是否具有自動恢復平衡狀態(tài)重新回到 的條件。的條件。n2f222of1of

18、ho系統(tǒng)相位平衡時振蕩頻率為系統(tǒng)相位平衡時振蕩頻率為 。1of當外來干擾使環(huán)路總相移增加即產(chǎn)當外來干擾使環(huán)路總相移增加即產(chǎn)生超前相位增量生超前相位增量+時，這就意味著時，這就意味著反饋電壓反饋電壓 超前于原有輸入電壓超前于原有輸入電壓 （前一次反饋電壓）一個相角。（前一次反饋電壓）一個相角。fvbev相位超前就意味著周期縮短，故環(huán)相位超前就意味著周期縮短，故環(huán)路的振蕩頻率也因而有所提高，從而路的振蕩頻率也因而有所提高，從而使回路相移產(chǎn)生一滯后的增量。使回路相移產(chǎn)生一滯后的增量。2ohn n2（p266）21經(jīng)過若干個周期后，該滯后增量逐漸增加，最終等于外界因經(jīng)過若干個周期后，該滯后增量逐漸增加

19、，最終等于外界因素引起的超前增量素引起的超前增量+時，使環(huán)路總相移重新恢復：時，使環(huán)路總相移重新恢復：n2由以上分析可知，具有如上圖所示由以上分析可知，具有如上圖所示相位關(guān)系的系統(tǒng)，其相位是穩(wěn)定的，相位關(guān)系的系統(tǒng)，其相位是穩(wěn)定的，故相位穩(wěn)定條件為：故相位穩(wěn)定條件為： 0offf要使振蕩系統(tǒng)滿足相位穩(wěn)定條件，系統(tǒng)內(nèi)應含有某一要使振蕩系統(tǒng)滿足相位穩(wěn)定條件，系統(tǒng)內(nèi)應含有某一相頻特相頻特性具有負斜率性具有負斜率的單元，在的單元，在lc振蕩器中這種負斜率變化的功能振蕩器中這種負斜率變化的功能恰好可以由恰好可以由lc并聯(lián)諧振回路來完成。并聯(lián)諧振回路來完成。為了抵消不穩(wěn)定因素引入的相移增量，要求系統(tǒng)的振蕩頻

20、率為了抵消不穩(wěn)定因素引入的相移增量，要求系統(tǒng)的振蕩頻率有相應的偏移，兩者之間產(chǎn)生了頻差有相應的偏移，兩者之間產(chǎn)生了頻差 。f顯然，這是不希望的。為此必須加大顯然，這是不希望的。為此必須加大lc回路的有載回路的有載q值，值，因為當因為當q值提高時，回路相頻特性斜率也相應加大。這樣，值提高時，回路相頻特性斜率也相應加大。這樣，要產(chǎn)生同樣的相位增量，只需較小的頻率偏移，從而提高要產(chǎn)生同樣的相位增量，只需較小的頻率偏移，從而提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。2021年10月25日通信電路原理-北航06年221br2brerecccvcibieibevbevbevci00mgbvthvbvtq

21、（p268）自給偏置電路和振蕩波形：自給偏置電路和振蕩波形：bc23合理選擇元件的參數(shù)值，使起振前電路的靜態(tài)工作點合理選擇元件的參數(shù)值，使起振前電路的靜態(tài)工作點q位于位于伏安特性段的中點。伏安特性段的中點。在振蕩最初階段，由于振蕩幅度較小，振蕩器工作于甲類狀在振蕩最初階段，由于振蕩幅度較小，振蕩器工作于甲類狀態(tài)，偏置電壓基本上為一與振蕩幅度增長無關(guān)的恒定值。態(tài)，偏置電壓基本上為一與振蕩幅度增長無關(guān)的恒定值。隨著振蕩幅度的增加，即動態(tài)特性區(qū)域擴大，振蕩將部分進隨著振蕩幅度的增加，即動態(tài)特性區(qū)域擴大，振蕩將部分進入非線性區(qū)，導致基極電流、集電極電流畸變，而形成直流入非線性區(qū)，導致基極電流、集電極電

22、流畸變，而形成直流電流增量，并導致工作點向負偏壓方向移動，集電極電流由電流增量，并導致工作點向負偏壓方向移動，集電極電流由余弦形變?yōu)橛嘞颐}沖。余弦形變?yōu)橛嘞颐}沖。隨著振蕩幅度的增加，通角隨著振蕩幅度的增加，通角 將減小，將減小，gm將減小，從而使得將減小，從而使得基波電流幅度和晶體管增益基波電流幅度和晶體管增益a減小，直至減小，直至af=1，電路進入平電路進入平衡狀態(tài)。上圖示出振蕩器的起振過程。衡狀態(tài)。上圖示出振蕩器的起振過程。自給偏置的設置加速了振蕩進入平衡狀態(tài)的過程。自給偏置的設置加速了振蕩進入平衡狀態(tài)的過程。24 0ivf1f1app1234bv（p268）增加上圖示出考慮自給偏置影響后

23、，振蕩器由起振到平衡的狀態(tài)變上圖示出考慮自給偏置影響后，振蕩器由起振到平衡的狀態(tài)變化過程。振蕩器動態(tài)工作點的軌跡不是沿圖中的實線由起振到化過程。振蕩器動態(tài)工作點的軌跡不是沿圖中的實線由起振到達平衡點達平衡點p而是沿虛線到達而是沿虛線到達 點。點。p自給偏置的設置加速了振蕩進入平衡狀態(tài)的過程。由上圖還可看自給偏置的設置加速了振蕩進入平衡狀態(tài)的過程。由上圖還可看出，由于在平衡點，虛線的負斜率，比任何恒定偏置的實曲線的出，由于在平衡點，虛線的負斜率，比任何恒定偏置的實曲線的負斜率都大。因此也有利于改善振蕩器的穩(wěn)定性。負斜率都大。因此也有利于改善振蕩器的穩(wěn)定性。2021年10月25日通信電路原理-北航

24、06年25振蕩器的起振條件：振蕩器的起振條件： af 1。振蕩器的平衡條件：振蕩器的平衡條件：振幅平衡條件：振幅平衡條件： af =1。相位平衡條件：相位平衡條件：nfa2振蕩器的穩(wěn)定條件：振蕩器的穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定條件：0pidvda相位穩(wěn)定條件：相位穩(wěn)定條件：0offf振蕩器的起振振蕩器的起振 、平衡和穩(wěn)定條件的分析：、平衡和穩(wěn)定條件的分析：2021年10月25日通信電路原理-北航06年26振蕩器的自給偏置加固定偏置電路的分析：振蕩器的自給偏置加固定偏置電路的分析：起振前電路的靜態(tài)工作點起振前電路的靜態(tài)工作點q位于伏安特性段的中點，位于伏安特性段的中點，振蕩器工作于甲類狀態(tài)，

25、便于起振振蕩器工作于甲類狀態(tài)，便于起振。自給偏置導致工作點向負偏壓方向移動，集電極電自給偏置導致工作點向負偏壓方向移動，集電極電流由余弦形變?yōu)橛嘞颐}沖形。流由余弦形變?yōu)橛嘞颐}沖形。自給偏置的設置加速了振蕩進入平衡狀態(tài)的過程。自給偏置的設置加速了振蕩進入平衡狀態(tài)的過程。2021年10月25日通信電路原理-北航06年27畫出互感反饋振蕩器的高頻等效電路。要使電路能產(chǎn)生振蕩，畫出互感反饋振蕩器的高頻等效電路。要使電路能產(chǎn)生振蕩，請注明互感線圈各同名端的位置。請注明互感線圈各同名端的位置。lc0cec1r2rerccvbc321er1r2rccv0c0cbceccl圖（圖（a）圖（圖（b）2021年10月25日通信電路原理-北航06年2