第4章正弦波振蕩器

1、第 4 章 正弦波振蕩器一、本章的基本內(nèi)容（1）掌握反饋正弦波振動器的工作原理及振蕩的起振、平衡條件（2）掌握LC振蕩器、晶體振蕩器的電路組成、工作原理及其性能特點(diǎn)（3）了解頻率穩(wěn)定度的概念，了解影響頻率穩(wěn)定度的主要因素及穩(wěn)頻措施。（4）了解RC振蕩器的工作原理二、重點(diǎn)和難點(diǎn)重點(diǎn)：（1）反饋正弦波振動器的工作原理及振蕩的條件（2）三點(diǎn)式LC振蕩器電路組成原則、使用電路分析及振蕩頻率的計(jì)算。（3）石英晶體諧振特性、晶體振蕩器構(gòu)成特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)。難點(diǎn)（1） 振動器的相位平衡條件的判斷（2） 振蕩條件與電路參數(shù)的關(guān)系，振幅起振條件的計(jì)算。（3） 使用振蕩電路的分析。引言振蕩器的作用：產(chǎn)生一定頻率和幅度的

2、信號按振蕩波形不同分正弦波振蕩器非正弦波振蕩器按組成原理不同分負(fù)阻振蕩器利用負(fù)阻器件的負(fù)阻效應(yīng)產(chǎn)生振蕩反饋振蕩器利用正反饋原理構(gòu)成,本質(zhì)上也是負(fù)阻振蕩器4.1 反饋振蕩器的工作原理主要要求： 掌握反饋振蕩器的組成和基本工作原理理解反饋振蕩器的起振條件和平衡條件，了解其穩(wěn)定條件。掌握反饋振蕩器能否振蕩的判斷方法。4.1.1 反饋振蕩器的組成與基本工作原理一、 反饋振蕩器的組成無外加輸入信號 正弦波振蕩器由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)組成圖4-1 反饋振蕩器構(gòu)成框圖二、 反饋振蕩器的工作原理首要條件滿足起始信號來自電擾動輸出信號大小滿足要求時，要能自動穩(wěn)定輸出電壓，實(shí)現(xiàn)使電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出幅度和

3、頻率都穩(wěn)定的信號。故要有穩(wěn)幅環(huán)節(jié)（正弦波還要有選頻網(wǎng)絡(luò)）。4.1.2 振蕩的平衡條件和起振條件一、 振蕩的平衡條件由于， （4-1）故 （4-2）有，可得 AF=1由于環(huán)路增益 T=AF可得T=1振蕩器的振幅平衡條件 T=|AF|=1 （4-3）相位平衡條件 （4-4）振蕩器要到達(dá)必須振幅條件和相位條件同時滿足。 相位平衡條件確定振蕩頻率；振幅平衡條件確定振蕩輸出信號的幅值二、 振蕩的起振條件振幅起振條件 （4-5）相位平衡條件 （4-6）相位平衡條件 （4-7）三、振蕩條件討論與小結(jié)振蕩條件：同時滿足起振條件和平衡條件，引入正反饋是構(gòu)成振蕩器的關(guān)鍵。同時T必須具有隨振蕩電壓Ui 增大而下降的

4、特性。為獲得這樣的環(huán)路增益特性，反饋環(huán)路中要有非線性環(huán)節(jié)。為獲得正弦波，振蕩電路中要有選頻環(huán)節(jié)。振蕩頻率通常就由選頻環(huán)節(jié)確定。圖4-2 滿足起振和平衡條件的環(huán)路增益特性4.1.3 振蕩的穩(wěn)定條件干擾破壞原平衡狀態(tài)后，振蕩器自動回到原平衡狀態(tài)所需條件。圖4-3 振蕩的穩(wěn)定條件一、 振幅穩(wěn)定條件 （4-8）二、 相位穩(wěn)定條件 （4-9）指：相位平衡遭到破壞時，電路本身能重建相位平衡的條件相位穩(wěn)定條件也就是頻率穩(wěn)定條件若 具有隨 增大而減小的特性則可阻止上述頻率的變化。通過不斷的反饋，最終回到原平衡狀態(tài)。際電路中在處的變化率主要由選頻網(wǎng)絡(luò)決定，通常能滿足之。LC回路Q值越高，相位穩(wěn)定度越好，頻率也越

5、穩(wěn)定4.2 LC正弦波振蕩器以LC諧振回路作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器按選頻網(wǎng)絡(luò)不同分：A RC振蕩器 B LC振蕩器C 石英晶體振蕩器LC振蕩器的分類A變壓器反饋式B電感三點(diǎn)式C電容三點(diǎn)式本節(jié)的主要要求：（1）了解變壓器反饋式振蕩器的工作原理和分析方法（2）掌握三點(diǎn)式振蕩器的組成原則和工作原理（3）掌握電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式振蕩器的典型電路、工作原理、工作特點(diǎn)和分析方法。（4）了解集成LC振蕩器4.2.1變壓器反饋式振蕩器一、電路組成三極管、LC諧振回路構(gòu)成選頻放大器，變壓器Tr構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)。放大器在小信號時工于甲類，以保證起振時有較大的環(huán)路增益。圖4-4 變壓器耦

6、合LC振蕩器圖4-5 變壓器反饋式振蕩器交流通路在回路諧振頻率上構(gòu)成正反饋，滿足了振蕩的相位條件。起振時放大器工作于甲類，T>1。隨著振蕩幅度的增大，放大器進(jìn)入非線性狀態(tài)，且由于自給偏置效應(yīng)進(jìn)入乙類或丙類非線性工作狀態(tài)，使T減小，直至T=1，進(jìn)入平衡狀態(tài)。二、振蕩條件的分析 （4-10）Yfe 為晶體管的正向傳輸導(dǎo)納 （4-11）4.2.2 三點(diǎn)式振蕩器的基本工作原理三個電抗元件組成LC諧振回路 諧振回路既是負(fù)載，又構(gòu)成正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)。圖4-6 三點(diǎn)式振蕩器的基本結(jié)構(gòu)三點(diǎn)式振蕩器組成原則：與放大器同相輸入端相連的為同性質(zhì)電抗，不與同相輸入端相連的為異性質(zhì)電抗。與E相連的為同性質(zhì)電抗，不與

7、E端相連的為異性質(zhì)電抗。只有這樣，才能構(gòu)成正反饋！ 為便于說明，忽略電抗元件的損耗及管子輸入、輸出阻抗的影響當(dāng)X1 + X2 + X3 = 0路諧振，回路等效為純電阻，得到與反相。因此必須與反相，才能構(gòu)成正反饋通常Q值很高，故回路諧振電流遠(yuǎn)大于B、C、E極電流因?yàn)椴⒙?lián)諧振回路諧振時，回路電流為輸入電流的Q倍。有電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式兩種4.2.3 電感三點(diǎn)式振蕩器 (Hartley 哈脫萊) （4-12）電感三點(diǎn)式振蕩器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：易起振，頻率易調(diào)（調(diào)C）缺點(diǎn)：高次諧波成分較大，輸出波形差。4.2.4 電容三點(diǎn)式振蕩器 (Colpitts 考畢茲)圖4-7 電感三點(diǎn)式振蕩器（a）原理電路

8、（b）交流通路圖4-8 電感三點(diǎn)式振蕩器（a）原理電路 （b）交流通路式中 為并聯(lián)諧振回路的總電容值 增大 C1/ C2 ，可增大反饋系數(shù)，提高輸出幅值，但會使三極管輸入阻抗的影響增大，使Q值下降，不利于起振，且波形變差，故C2/ C1不宜過大，一般取0.10.5 。電容三點(diǎn)式振蕩器優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：高次諧波成分小， 輸出波形好。缺點(diǎn)頻率不易調(diào) （調(diào)L，調(diào)節(jié)范圍?。?.2.5 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器 圖4-9 克拉波振蕩器C3 << C1 ， C3 << C2 （4-14）實(shí)際振蕩頻率必定略高于 f 0，因?yàn)橐筁、C3支路呈感性說明極間電容的影響很小，且調(diào)節(jié)反饋系數(shù)時

9、基本不影響頻率接入C3使 三極管輸出 端（C、E）與回路的耦合減弱，三極管等效負(fù)載阻抗減小，放大器放大倍數(shù)下降，振蕩器輸出幅度減小。 C3越小，放大倍數(shù)越小，如C3過小則振蕩器不滿足振幅起振條件而停振。克拉潑電路的改進(jìn)西勒（Seiler）振蕩器圖4-10 西勒（Seiler）振蕩器調(diào)頻率時，不調(diào)C3，調(diào)C4 。故調(diào)頻率時諧振回路反映到晶體管C、E間的等效阻抗變化很小，對放大器增益影響不大，從而保持振蕩幅度的穩(wěn)定。 一般C4與C3相同數(shù)量級，且都遠(yuǎn)大于C1、C2 ，故4.3 振蕩器的頻率和振幅穩(wěn)定度主要要求： 理解頻率和振幅穩(wěn)定度的概念了解影響頻率穩(wěn)定度的主要因素和提高頻率穩(wěn)定度的措施。4.3.

10、1 頻率穩(wěn)定度一、頻率穩(wěn)定度的概念 指在規(guī)定時間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)，振蕩頻率的相對變化量。頻率的絕對偏差，又稱絕對頻率準(zhǔn)確度為 f指實(shí)際頻率，f0 指標(biāo)稱頻率長期頻率穩(wěn)定度: 一天以上乃至幾個月內(nèi)振蕩頻率相對變化量短期頻率穩(wěn)定度；一天之內(nèi)振蕩頻率的相對變化量瞬時頻率穩(wěn)定度: 秒或毫秒內(nèi)振蕩頻率的相對變化量二、導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定的因素振蕩頻率主要取決于諧振回路參數(shù)，也與其它元器件參數(shù)有關(guān)。當(dāng)外界因素變化影響這些參數(shù)，而電路本身穩(wěn)頻能力差時，就導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定。外因:溫度、電源電壓和負(fù)載等外界因素的影響 影響回路電感線圈的電感量和電容器的電容量；改變晶體管結(jié)電容、結(jié)電阻；影響晶體

11、管工作點(diǎn)和工作狀態(tài)，使晶體管等效參數(shù)發(fā)生變化。影響晶體管工作點(diǎn)和工作狀態(tài)，使晶體管等效參數(shù)發(fā)生變化內(nèi)因：影響回路Q值和振蕩頻率三、提高頻率穩(wěn)定度的主要措施1. 減小外界因素變化的影響將決定振蕩頻率的主要元件或整個振蕩器置于恒溫槽、采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源、采用密封工藝減小大氣壓力和濕度的影響、在振蕩器和負(fù)載之間加緩沖器2. 提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性選用高質(zhì)量的參數(shù)穩(wěn)定的回路電感器和電容器。選用具有不同溫度系數(shù)的電感和電容構(gòu)成諧振回路、改進(jìn)按照工藝，縮短引線、加強(qiáng)引線機(jī)械強(qiáng)度。4.3.2 振幅穩(wěn)定度振幅穩(wěn)定度表示為 Uo 為輸出電壓的標(biāo)稱值， U為實(shí)際輸出電壓與標(biāo)稱值之差。4.4 石英晶體振蕩器主要

12、要求： 了解石英諧振器的結(jié)構(gòu)和特性掌握典型石英晶體振蕩器的組成和工作原理定義：以石英諧振器作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為石英晶體振蕩器。其頻率穩(wěn)定度可達(dá)，而LC回路的一般不超過4.4.1 石英諧振器及其特1. 石英諧振器的結(jié)構(gòu)石英是一種各向異性的結(jié)晶體，其化學(xué)成分是SiO2 。從一塊晶體上按一定的方位角切割成的薄片稱為晶片。在晶片的兩面涂上銀層作為電極，電極上焊出兩根引線固定在管腳上，就構(gòu)成了石英晶體諧振器。 2. 石英諧振器的基本特性與等效電路極板間加電場會使晶體機(jī)械變形，極板間加機(jī)械力會使晶體產(chǎn)生電場當(dāng)交變電壓頻率 = 固有頻率時，共振，振幅最大，產(chǎn)生的交變電流最大。類似串聯(lián)諧振。3. 石英諧

13、振器的基本特性與等效電路圖4-11 石英晶體的等效電路 （a）代表符號 （b）等效電路串聯(lián)諧振頻率 （4-18）并聯(lián)諧振頻率 （4-19）4. 石英諧振器的使用注意事項(xiàng)1) 要接一定的負(fù)載電容CL (微調(diào))，以達(dá)標(biāo)稱頻率。高頻晶體通常標(biāo)CL為30pF或2) 要有合適的激勵電平。過大會影響頻率穩(wěn)定度、 振壞晶片；過小會使噪聲影響大，輸出減小，甚至停振。5. 泛音晶體 機(jī)械振動的諧波稱為泛音。利用基頻振動稱為基頻晶體，利于泛音振動稱為泛音晶體。石英晶體基頻越高，晶片越薄，加工難并易碎，故要求頻率高時使用泛音頻率。多用三次和五次的。利用泛音晶體時，要注意抑制低次諧波分量。圖4-12 含泛音頻率的等效電路4.4.2 晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器fs < f < fp，晶體呈感性。晶體作為高Q電感元件與其它元件并聯(lián)構(gòu)成振動所需的并聯(lián)諧振回路串聯(lián)型晶體振蕩器f = fs，晶體工作在串聯(lián)諧振狀態(tài)，在振蕩器中用作高選擇性短路元件。一、 并聯(lián)型晶體振蕩器（a）皮爾斯晶體振蕩電路 （b）交流電路圖4-13 并聯(lián)型晶體振蕩器C1C3串聯(lián)組成CL振蕩器 。調(diào)節(jié)C3可微調(diào)振蕩頻率。（a）5MHz五次泛音晶體振蕩器 （b）L1C1電抗曲線圖4-14 泛音晶體振蕩器L1C1回路調(diào)諧在三次（3MHz）和五次