第4章正弦波振蕩器

1、第4章 正弦波振蕩器1第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 4.1 反饋振蕩器的原理反饋振蕩器的原理 4.2 LC 振振 蕩蕩 器器4.3 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度4.4 LC振蕩器的設(shè)計(jì)考慮振蕩器的設(shè)計(jì)考慮4.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 4.6 振蕩器中的幾種現(xiàn)象振蕩器中的幾種現(xiàn)象第4章 正弦波振蕩器24.1 反饋振蕩器的原理反饋振蕩器的原理 4.1.1 反饋振蕩器的原理分析反饋振蕩器的原理分析 反饋型振蕩器的原理框圖如圖4 -1所示。 由圖可見(jiàn), 反饋型振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路, 放大器通常是以某種選頻網(wǎng)絡(luò)(如振蕩回路)作負(fù)載, 是一調(diào)諧放大器, 反饋網(wǎng)絡(luò)一般是由無(wú)源

2、器件組成的線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)。)()()()()()(1)()()(1)()(jUjUjFjKjTjTjKjFjKjKjKiiu 自激振蕩的條件就是環(huán)路增益為1, 即 1)()()(jFjKjT通常又稱(chēng)為振蕩器的平衡條件平衡條件。 第4章 正弦波振蕩器3 4.1.2平衡條件平衡條件 振蕩器的平衡條件即為 2 , 1 , 021)(1)()()(nnKFjTjFjKjTFKT即 現(xiàn)以單調(diào)諧諧振放大器為例來(lái)看K(j)與F(j)的意義。 若 可得bicoUUUU,振幅平衡條件相位平衡條件第4章 正弦波振蕩器4LfccbcbcioZjYIUUIUUUUjK)()( 式中, ZL為放大器的負(fù)載阻抗LjLccLeR

3、IUZYf(j)為晶體管的正向轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。 fjfbcfeYUIjY)(第4章 正弦波振蕩器5 與F(j)反號(hào)的反饋系數(shù)F(j)cijUUjFeFjFF)()(這樣, 振蕩條件可寫(xiě)為 1)()()()()(jFZjYjFZjYjTLfLf振幅平衡條件和相位平衡條件分別可寫(xiě)為 2 , 1 , 021nnFRYFLfLf第4章 正弦波振蕩器6 4.1.3 起振條件起振條件 為了使振蕩過(guò)程中輸出幅度不斷增加, 應(yīng)使反饋回來(lái)的信號(hào)比輸入到放大器的信號(hào)大, 即振蕩開(kāi)始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩。1)(jT稱(chēng)為自激振蕩的起振條件, 也可寫(xiě)為 , 2 , 1 , 021)(nnFRYjTFLfTLf式分別稱(chēng)為起振的振幅條

4、件和相位條件, 其中起振的相位條件即為正反饋條件。 第4章 正弦波振蕩器70UoUb(a)A反饋特性放大特性0UoUb(b)F1AK 圖 4 - 2 振幅條件的圖解表示 第4章 正弦波振蕩器8 4.1.4穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 振蕩器的穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。 振幅穩(wěn)定條件為0iAiUUiUT由于反饋網(wǎng)絡(luò)為線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò), 即反饋系數(shù)大小F不隨輸入信號(hào)改變, 故振幅穩(wěn)定條件又可寫(xiě)為 0iAiUUiUK0iAiUUiUT模越大，則穩(wěn)模越大，則穩(wěn)定性越好定性越好第4章 正弦波振蕩器9一個(gè)正弦信號(hào)的相位和它的頻率之間的關(guān)系dtdtd 相位穩(wěn)定條件為 01L012 (fF )L(fF )L,振蕩器

5、穩(wěn)定工作時(shí)回路相頻特性振蕩器穩(wěn)定工作時(shí)回路相頻特性模越大，相模越大，相位穩(wěn)定性越位穩(wěn)定性越好。好。第4章 正弦波振蕩器10 4.1.5 振蕩線(xiàn)路舉例振蕩線(xiàn)路舉例互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器 圖4 -4是一LC振蕩器的實(shí)際電路, 圖中反饋網(wǎng)絡(luò)由L和L1間的互感M擔(dān)任, 因而稱(chēng)為互感耦合式的反饋振蕩器, 或稱(chēng)為變壓器耦合振蕩器。 調(diào)諧回路有不同的接入方法，可分為調(diào)集、調(diào)基和調(diào)射三種電路。畫(huà)高頻交流等效電路方法：直流電源到地高頻扼流圈開(kāi)路旁路電容短路偏置電阻可開(kāi)路掌握瞬時(shí)極性法來(lái)判斷相位條件是否滿(mǎn)足振蕩要求，即判斷同名端是否正確。第4章 正弦波振蕩器114.2 LC 振振 蕩蕩 器器 4.2.1振蕩

6、器的組成原則振蕩器的組成原則 基本電路就是通常所說(shuō)的三端式(又稱(chēng)三點(diǎn)式)的振蕩器, 即LC回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接而成的電路, 如圖4 - 5所示。 Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.圖 4 - 5三端式振蕩器的組成 第4章 正弦波振蕩器12 根據(jù)諧振回路的性質(zhì), 諧振時(shí)回路應(yīng)呈純電阻性, 因而有0321XXX一般情況下, 回路Q(chēng)值很高, 因此回路電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流 ?b 、集電極電流? c以及發(fā)射極電流?e, 故由圖4 - 5有IjXUIjXUcb12 因此X1、 X2應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件。 )(213XXX 即12XXF 即構(gòu)成原則為：射同基反射同基反 Ic.VU

7、b.Uc.X2X1X3I.第4章 正弦波振蕩器13 三端式振蕩器有兩種基本電路, 如圖4 - 6所示。 圖4 - 6 (a)中X1和X2為容性, X3為感性, 滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則, 反饋網(wǎng)絡(luò)是由電容元件完成的, 稱(chēng)為電容反饋振蕩器, 也稱(chēng)為考必茲(Colpitts)振蕩器。圖4 - 6 (a)為電感反饋振蕩器,也稱(chēng)為哈特雷(Hartley)振蕩器。LC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2 圖 4 - 6兩種基本的三端式振蕩器(a) 電容反饋振蕩器; (b) 電感反饋振蕩器 第4章 正弦波振蕩器14 圖 4 -7是一些常見(jiàn)振蕩器的高頻電路, 讀者不妨 自行判斷它們是由

8、哪種基本線(xiàn)路演變而來(lái)的。 (d)Cbc(a)(b)(c)(e)(f)圖 4 -7 幾種常見(jiàn)振蕩器的高頻電路 第4章 正弦波振蕩器154.2.2電容反饋振蕩器電容反饋振蕩器 圖 4 - 8(a)是一電容反饋振蕩器的實(shí)際電路, 圖(b) 是其交流等效電路。 CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)VLC2C1V(b)振蕩頻率：高振蕩頻率：高Q時(shí)時(shí)LCff2102121CCCCC321第4章 正弦波振蕩器16gieUb.C1C2egieUb.(c)goegLbUb.gmI.起振條件：起振條件：當(dāng)不考慮gie的影響（ ）時(shí), 反饋系數(shù)F(j)的大小為20Cgie放大器增益為：LoembcgggUU

9、jKK)(起振條件：121CCgggKFLoem123211211)(CCCCUUjFFcb=www第4章 正弦波振蕩器17 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 易起振，調(diào)C1、 C2或 IEQ； 振蕩頻率在100MHz以上； C2 對(duì)高次諧波阻抗小，反饋電壓中諧波成分小，振蕩輸出波形好； 增加電容值，可使穩(wěn)定度增大。 調(diào)C1、 C2時(shí)會(huì)改變反饋系數(shù)大小，影響起振條件，頻率范圍??；gieUb.C1C2egieUb.(c)goegLbUb.gmI.123第4章 正弦波振蕩器184.2.3 電感反饋振蕩器電感反饋振蕩器 圖4 - 9是一電感反饋振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。 CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2

10、Ucb.Ub.CL2L1V(b)振蕩頻率：高振蕩頻率：高Q時(shí)時(shí)CLff210MLLL221213第4章 正弦波振蕩器19gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M起振條件：起振條件：MLMLjFF12)(放大器增益為：LoembcgggUUjKK)(起振條件：起振條件：112MLMLgggKFLoem反饋系數(shù)為：（工程上在計(jì)算反饋系數(shù)時(shí)不考慮gie的影響）123第4章 正弦波振蕩器20 特點(diǎn):： 易起振； 調(diào)C時(shí)不會(huì)改變反饋系數(shù)大小，調(diào)整頻率方便； 振蕩頻率小于100MHz； L2 對(duì)高次諧波阻抗大 ，反饋電壓中諧波成分大，振蕩輸出波形不好； 分布電容與電感

11、并聯(lián)，穩(wěn)定度不好。gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M123第4章 正弦波振蕩器214.2.4 兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器兩種改進(jìn)型電容反饋振蕩器1. 克拉潑振蕩器克拉潑振蕩器 圖4 - 10是克拉潑振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路 。R2R1ReCbEcRc(a )LC1C2C3(b )L RoC1C2C3V 圖 4 10 克拉潑振蕩器電路(a) 實(shí)際電路; (b) 交流等效電路332111111213CCCCCCCC213011CCFLCLCR2R1ReCbEcRc(a )LC1C2C3(b )L RoC1C2C3VoLRCCRpRCCp2130213

12、)(特點(diǎn)：nC3將C1、C2與L隔離，f0僅取決于C3；n頻率覆蓋系數(shù)為1.21.3，但頻率不可很高；nC3影響起振。第4章 正弦波振蕩器222. 西勒振蕩器西勒振蕩器 圖4 -11是西勒振蕩器的實(shí)際電路和交流等效電路。 它的主要特點(diǎn), 就是與電感L并聯(lián)一可變電容C4。 R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V 圖 4 -11 西勒振蕩器電路(a) 實(shí)際電路; (b) 交流等效電路OLRCCRCCLLCCCCCCCC213430434321)()(111111特點(diǎn)：特點(diǎn)：n幅度平坦，高頻時(shí)易起振；幅度平坦，高頻時(shí)易起振；C4不影響起振，頻率覆蓋系數(shù)為不影響起

13、振，頻率覆蓋系數(shù)為1.61.8，頻率更高。，頻率更高。第4章 正弦波振蕩器234.2.6 壓控振蕩器壓控振蕩器 壓控振蕩器的主要性能指標(biāo)為壓控靈敏度和線(xiàn)性度。 壓控靈敏度定義為單位控制電壓引起的振蕩頻率的變化量, 用S表示, 即0Cj21/31/2u/V(a)0Cj/pFu/V(b)2060402468ufS變?nèi)莨艿腃ju曲線(xiàn) 變?nèi)荻O管結(jié)電容Cj與在其兩端所加反偏電壓u之間存在著如下關(guān)系:0(1)jCCuu第4章 正弦波振蕩器24 12 VL1100 pF輸出V110 k100 pFC11.5 pFC2V2控制電壓100kCj0f0Uf 圖 4 - 13 壓控振蕩器線(xiàn)路 圖 4 - 14 壓

14、控振蕩器的頻率與控制電壓關(guān)系 圖4 -14示出了一壓控振蕩器的頻率-控制電壓特性, 一般情況下, 這一特性是非線(xiàn)性的, 非線(xiàn)性程度與變?nèi)莨茏內(nèi)葜笖?shù)及電路形式有關(guān)。靜態(tài)負(fù)偏壓,加交流控制電壓;抑制高頻振蕩信號(hào)對(duì)直流偏壓及控制電壓的影響第4章 正弦波振蕩器254.3 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度 4.3.1 頻率穩(wěn)定度的意義和表征頻率穩(wěn)定度的意義和表征 振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指由于外界條件的變化, 引起振蕩器的實(shí)際工作頻率偏離標(biāo)稱(chēng)頻率的程度, 它是振蕩器的一個(gè)很重要的指標(biāo)。 001001ffffffff第4章 正弦波振蕩器26 4.3.2 振蕩器的穩(wěn)頻原理振蕩器的穩(wěn)頻原理 1. 回路諧振頻率0的影響 0由構(gòu)

15、成回路的電感L和電容C決定,回路元件L和C的穩(wěn)定度將影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度。2. 、QL對(duì)頻率的影響 絕對(duì)值越小，頻率穩(wěn)定度越高；QL越大，頻率穩(wěn)定度越高。所以負(fù)載對(duì)回路加載要輕，回路效率要低。FfFf第4章 正弦波振蕩器274.3.3 提高頻率穩(wěn)定度的措施1. 提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性采用溫度系數(shù)小的電感、電容；用負(fù)溫度系數(shù)的電容補(bǔ)償正溫度系數(shù)的電感的變化；把振蕩器放到恒溫槽內(nèi)。2. 減少晶體管的影響極間電容將影響頻率穩(wěn)定度,在設(shè)計(jì)電路時(shí)應(yīng)盡可能減少晶體管和回路之間的耦合。另外,應(yīng)選擇fT較高的晶體管。 3. 提高回路的品質(zhì)因數(shù)回路的Q值越大,相位越穩(wěn)定，頻率也越穩(wěn)定。 4. 減少電源、負(fù)載等的

16、影響振蕩器電源應(yīng)采取必要的穩(wěn)壓措施。應(yīng)減小負(fù)載對(duì)回路的耦合，加射隨器輸出。第4章 正弦波振蕩器284.4 LC振蕩器的設(shè)計(jì)考慮振蕩器的設(shè)計(jì)考慮 1振蕩器電路選擇 2晶體管選擇 3直流饋電線(xiàn)路的選擇 4振蕩回路元件選擇 5反饋回路元件選擇 第4章 正弦波振蕩器294.5 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 4.5.1 石英晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度 石英晶體諧振器具有優(yōu)良的特性,具體表現(xiàn)為： (1)石英晶體諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。 (2)石英晶體諧振器與有源器件的接入系數(shù)p很小,一般為10-310-4。 (3) 石英晶體諧振器具有非常高的Q值。 4.5.2 晶體振蕩器電路根據(jù)晶體在電路中的作用,可以將晶體振

17、蕩器歸為兩大類(lèi):并聯(lián)型晶體振蕩器和串聯(lián)型晶體振蕩器。 第4章 正弦波振蕩器30 圖417 皮爾斯振蕩器 CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC01并聯(lián)型晶體振蕩器 圖4-17示出了一種典型的晶體振蕩器電路,當(dāng)振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率之間時(shí)晶體呈感性,該電路滿(mǎn)足三端式振蕩器的組成原則,而且該電路與電容反饋的振蕩器對(duì)應(yīng),通常稱(chēng)為皮爾斯(Pierce)振蕩器。第4章 正弦波振蕩器31圖419 并聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)用線(xiàn)路 20012 VC1V68 k 3/15 pF20 pF15 k 33 k 7503DG6C300 pF4700

18、pF301 kC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)750510320反饋系數(shù)F的大小為 。由于晶體的品質(zhì)因數(shù)Q很高,故其并聯(lián)諧振電阻Ro也很高,雖然接入系數(shù)p較小,但等效到晶體管CE兩端的阻抗RL仍較高,所以放大器的增益較高,電路很容易滿(mǎn)足振幅起振條件。 12CFC12CFC第4章 正弦波振蕩器32圖420 密勒振蕩器 EcVC2LCeC1圖4-21 泛音晶體皮爾斯振蕩器 VLC13/15 pF430 pF220 pF20 pF5.6 H第4章 正弦波振蕩器33 2串聯(lián)型晶體振蕩器 在串聯(lián)型晶體振蕩器中,晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)之間,通常接在反饋電路中。圖4-23示出了一串聯(lián)型晶體振蕩器的實(shí)際線(xiàn)路和等效電路。 圖4-23一種串聯(lián)型晶體振蕩器(a)實(shí)際線(xiàn)路;(b)等效電路 EcVLC2C1(a)C1C2LVJT(b)第4章 正弦波振蕩器343使用注意事項(xiàng) 使用石英晶體諧振器時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn): (1)石英晶體諧振器的標(biāo)稱(chēng)頻率都是在出廠(chǎng)前,在石英晶體諧振器上并接一定負(fù)載電容條件下測(cè)定的,實(shí)際使用時(shí)也必須外加負(fù)載電容,并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標(biāo)稱(chēng)頻率。 (2)石英晶體諧振器的激勵(lì)電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。 (3)在并聯(lián)型晶體振蕩器中,石英晶體起等效電感的作用。 (4)晶體振蕩器中一塊晶體只能穩(wěn)定一個(gè)頻