高頻電子線路(第六章正弦波振蕩器)

1、基礎(chǔ)知識(shí)：基礎(chǔ)知識(shí)：- LC回路的相位特性回路的相位特性- 高頻小信號(hào)放大器高頻小信號(hào)放大器- 高頻功放高頻功放1本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容n7.1 概述n7.2 振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件n7.3 電感耦合型反饋振蕩器n7.4 三端式反饋振蕩器n7.5 振蕩器的頻率穩(wěn)定性問題n7.6 晶體振蕩器重點(diǎn)重點(diǎn)27.1 概述概述n1、什么是振蕩器n2、振蕩器在無線通信中的作用n3、振蕩器的發(fā)展趨勢(shì)n4、穩(wěn)定振蕩的要素n5、振蕩器的主要類型31、什么是振蕩器？、什么是振蕩器？n振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換電路。n它與放大器的區(qū)別在于, 無需外加激勵(lì)信號(hào), 就能

2、產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號(hào)。振蕩器振蕩器Vcc42、振蕩器在無線通信中的作用、振蕩器在無線通信中的作用n在發(fā)射端負(fù)責(zé)生成載波（即用來承載有用信息的高頻正弦波）n在接收端負(fù)責(zé)生成本振信號(hào)（用于混頻）音頻放大器調(diào)制器激勵(lì)放大輸出功率放大載波振蕩器天線開關(guān)高頻放大混頻器中頻放大與濾波解調(diào)器音頻放大器話筒本地振蕩器揚(yáng)聲器變頻器53、振蕩器的發(fā)展趨勢(shì)、振蕩器的發(fā)展趨勢(shì)n振蕩器的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段q機(jī)電式振蕩（機(jī)械振蕩帶動(dòng)電子開關(guān)）qLC/RC振蕩器q晶體振蕩器q激光振蕩器n總的說來，其發(fā)展趨勢(shì)是q精確化、穩(wěn)定化、小型化64、穩(wěn)定振蕩的要素、穩(wěn)定振蕩的要素n想象一個(gè)單擺，如何讓它在

3、有能量消耗的環(huán)境中穩(wěn)定振蕩？n（1）最初的一個(gè)激勵(lì)q使振蕩器從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)（即起振）n（2）能量源q補(bǔ)償振蕩中的能量消耗n（3）控制設(shè)備q在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候(即適當(dāng)?shù)南辔?補(bǔ)充能量q使振蕩達(dá)到足夠的幅度并能使之穩(wěn)定下來75、振蕩器的主要類型、振蕩器的主要類型n按輸出振蕩波形分q正弦波振蕩器q非正弦波振蕩器(如方波、鋸齒波等)n按工作原理分q反饋式振蕩器q負(fù)阻式振蕩器n按器件分qLC/RC振蕩器q石英晶體振蕩器q陶瓷振蕩器（等）我們重點(diǎn)學(xué)習(xí)的是我們重點(diǎn)學(xué)習(xí)的是86、主要技術(shù)指標(biāo)、主要技術(shù)指標(biāo)n 97.2.1 反饋型振蕩器的原理7.2 振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件用途：用途：凡是從

4、輸出信號(hào)中取出一部分反饋到輸入端作為輸入凡是從輸出信號(hào)中取出一部分反饋到輸入端作為輸入信號(hào)，無需外部提供激勵(lì)信號(hào)信號(hào)，無需外部提供激勵(lì)信號(hào), ,能產(chǎn)生等幅正弦能產(chǎn)生等幅正弦波波輸輸出，稱為正反饋振蕩器。出，稱為正反饋振蕩器。電子設(shè)備電子設(shè)備高頻加熱設(shè)備高頻加熱設(shè)備醫(yī)療儀器醫(yī)療儀器發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)(載波頻率載波頻率fC）接收機(jī)（本地振蕩頻率接收機(jī)（本地振蕩頻率fL）儀器儀表振蕩源儀器儀表振蕩源數(shù)字系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)107.2.1 反饋型振蕩器的原理一、原理分析n由放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)環(huán)路n最初激勵(lì)信號(hào)Vs與反饋信號(hào)Vf 疊加進(jìn)入放大器n放大后信號(hào)經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋7.2 振蕩的起振、平衡、

5、穩(wěn)定條件振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件sViVfVoV 放大器放大器 A（j） 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) F（j）0oiVAV開環(huán)增益ofVVF反饋系數(shù)117.2.1 反饋型振蕩器的原理n激勵(lì)信號(hào)逐漸消失，而Vf作為輸入信號(hào)7.2 振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件sViVfVoV 放大器放大器 A（j） 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) F（j）n當(dāng)AF=1時(shí)，振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)0oiVAV開環(huán)增益ofVVF反饋系數(shù)fiVV振蕩條件：正反饋正反饋12二 、 正弦波反饋振蕩器的電路組成正正弦弦波波反反饋饋振振蕩蕩器器主主要要由由三三個(gè)個(gè)部部分分構(gòu)構(gòu)成成: 電源電源 有源器件有源器件 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 反饋

6、網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)1 有有源源器器件件:非非線線性性有有源源器器件件,具具有有一一定定的的功功率率增增益益, 能能維維持持振振蕩蕩回回路路不不可可避避免免的的功功率率損損耗耗。 互互感感反反饋饋振振蕩蕩器器:由由互互感感(變變壓壓器器)構(gòu)構(gòu)成成反反饋饋網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò). 根根據(jù)據(jù)反反饋饋網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 電電感感反反饋饋振振蕩蕩器器:由由電電感感構(gòu)構(gòu)成成反反饋饋網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò). 電電容容反反饋饋振振蕩蕩器器:由由電電容容構(gòu)構(gòu)成成反反饋饋網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò). 13（1）在電源接通時(shí)，電路中必然存）在電源接通時(shí)，電路中必然存在著各種電的擾動(dòng)，如電流的變化、在著各種電的擾動(dòng)，如電流的變化、管子和器件的固有噪聲等；管子和器件的固有噪聲等；

7、（2） LC諧振回路選頻；諧振回路選頻；（3）由反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到放大器的輸）由反饋網(wǎng)絡(luò)反饋到放大器的輸入端，又被進(jìn)一步地放大；入端，又被進(jìn)一步地放大； 如此反復(fù)，輸出端不斷地得到一如此反復(fù)，輸出端不斷地得到一個(gè)增大的自激振蕩，且反饋信號(hào)的相個(gè)增大的自激振蕩，且反饋信號(hào)的相位與前一輸入信號(hào)的相位是同相的，位與前一輸入信號(hào)的相位是同相的，即形成正反饋。從而完成了起振的目即形成正反饋。從而完成了起振的目的。的。如如下下圖圖所所示示的的電電路路為為互互感感耦耦合合正正弦弦波波振振蕩蕩器器.1 自自激激振振蕩蕩過過程程:VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主網(wǎng)絡(luò)主網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)+Vi- -i

8、c- -Vo+Vf- -ib開開啟啟電電源源 fiVV7.2.2 起振條件147.2.2 起振條件（續(xù)）n若使信號(hào)逐步增大，需要滿足兩個(gè)條件q振幅方面，|A0|F|1 （否則信號(hào)會(huì)逐漸衰減至消失）q相位方面， （否則信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，甚至相互抵消。）Fn2環(huán)路其物理意義是：其物理意義是： 振幅起振條件要求振幅起振條件要求反饋電壓幅度要一次比反饋電壓幅度要一次比一次大一次大; 而相位起振條件則而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。要求環(huán)路保持正反饋。A15可見起振初期是一個(gè)增幅的振蕩過可見起振初期是一個(gè)增幅的振蕩過程程 丙丙類類狀狀態(tài)態(tài)乙乙類類甲甲乙乙類類甲甲類類互感耦合正弦波振蕩器的起振情況

9、16起振起振平衡平衡7.2.3 平衡條件n所謂“平衡”指起振一定時(shí)間后，輸出振幅達(dá)到額定值時(shí)，恒定不變。n此時(shí)不必再進(jìn)行增幅振蕩，而要維持等幅振蕩。 所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度與相位關(guān)系。 由于放大器的非線性，放大倍數(shù)是信號(hào)振幅的函數(shù)放大倍數(shù)是信號(hào)振幅的函數(shù)。 隨著振幅的增強(qiáng)，放大器的工作狀態(tài)從甲類 -乙類-丙類，放大倍數(shù)從A0 -A，使得AF=1。17當(dāng)環(huán)路增益下降到1時(shí)，振幅的增長(zhǎng)過程將停止，振蕩器達(dá)到平衡狀態(tài)，即進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。 FA1 FA因此平衡的振幅條件是n2,環(huán)路相位仍然要滿足若想輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波7.2.3 平衡條件 在平衡條件下，反饋到放大管

10、的輸入信號(hào)正好等于放大管維持及所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡，使振蕩器得以維持。18197.2.4 穩(wěn)定條件 為了維持振蕩器穩(wěn)定的工作,只滿足平衡條件和起振條件是不夠的,因?yàn)槠胶鈼l件只能說明振蕩可能平衡在某一狀態(tài),而不能說明振蕩的平衡狀態(tài)是否穩(wěn)定.n所謂“穩(wěn)定”是指振蕩器具有如下的特點(diǎn)：q當(dāng)外界因素（如溫度）導(dǎo)致輸出振幅（或相位）增大時(shí)，振蕩器內(nèi)部機(jī)制可自動(dòng)使輸出振幅（或相位）減小，從而恢復(fù)到平衡狀態(tài)；q反之亦然。n用放在凹或凸面上的小球來比喻最為恰當(dāng)：不穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)用數(shù)學(xué)語言描述“振幅穩(wěn)定的機(jī)制”omV為記振蕩器輸出信號(hào)振幅FAomV增加如果外界偶然因素導(dǎo)致omV電壓振

11、蕩器將無法輸出額定輸出將持續(xù)增大增加來遏制制如果振蕩器沒有內(nèi)部機(jī),omV),(下文有電路的分析至于這個(gè)機(jī)制如何實(shí)現(xiàn)增加一定的內(nèi)部機(jī)制來遏制必定有所以一個(gè)穩(wěn)定的振蕩器omV0,omVAF種機(jī)制即所以用數(shù)學(xué)語言表示這通常無法改變因?yàn)檫@就是振蕩器的振幅穩(wěn)定條件這就是振蕩器的振幅穩(wěn)定條件,即即A隨著隨著Vom增大而減小增大而減小2021omVAF10A,很小起振時(shí)omV滿足起振條件即1,100FAFA不斷增加所以輸出振幅有在這段區(qū)間內(nèi)由于始終omVAF11,AF到達(dá)這一點(diǎn)后omQV的振蕩波形為振蕩器穩(wěn)定地輸出振幅omQV 在平衡點(diǎn)Vi=ViA附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使vi的振幅Vi增大時(shí)，環(huán)路增益減小，使反

12、饋電壓振幅Vf減小，從而阻止Vi增大； 當(dāng)不穩(wěn)定因素使vi的振幅Vi減小時(shí)，環(huán)路增益增大，使反饋電壓振幅Vf增大，從而阻止Vi減小。 振幅穩(wěn)定的條件穩(wěn)定的平衡點(diǎn)22振幅穩(wěn)定的條件0omQomVVomVAomVAF10A軟自激軟自激omQV穩(wěn)定的平衡點(diǎn) 實(shí)際中，由于工作于大信號(hào)狀態(tài)下的非線性有源器件正好具有這種特性。n軟自激軟自激指振蕩器不需要額外的大振幅激勵(lì)源即可起振并自動(dòng)達(dá)到平衡并穩(wěn)定狀態(tài)；n硬自激硬自激指必須向振蕩器提供一個(gè)額外的大振幅激勵(lì)源，才能使振蕩器達(dá)到平衡并穩(wěn)定的狀態(tài)。硬自激硬自激omVAF10A不滿足起振條件即起振時(shí)1,100FAFA使振蕩器起振幅度輸入信號(hào)此時(shí)需要一個(gè)外加的大,

13、BQ1AFQB點(diǎn)都滿足平衡條件點(diǎn)和不滿足穩(wěn)定條件點(diǎn)的但0omVAB滿足穩(wěn)定條件點(diǎn)的而0omVAQ點(diǎn)使振蕩器到達(dá)一定要足夠大所以外加輸入信號(hào)幅度Q,23振幅穩(wěn)定的條件Flash演示24“放大器的放大倍數(shù)放大器的放大倍數(shù)A隨著隨著Vom的增加而的增加而減小減小”-這一穩(wěn)定機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的這一穩(wěn)定機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的?n措施一：選擇合適的直流工作偏置點(diǎn)，使剛起振時(shí)的A0足夠大；并且在輸出端使用LC回路。BvCi起振時(shí)輸入信號(hào)很小起振時(shí)輸入信號(hào)很小由于由于|A0F|1，所以信號(hào)逐漸增大，所以信號(hào)逐漸增大必然進(jìn)入非線性區(qū)，信號(hào)開始失真必然進(jìn)入非線性區(qū)，信號(hào)開始失真所以必須采用所以必須采用LC回路濾出標(biāo)準(zhǔn)正弦

14、信號(hào)回路濾出標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)在濾波的過程中，由于能量的損失，在濾波的過程中，由于能量的損失，導(dǎo)致放大倍數(shù)的下降導(dǎo)致放大倍數(shù)的下降25“放大器的放大倍數(shù)放大器的放大倍數(shù)A隨著隨著Vom的增加而的增加而減小減小”-這一穩(wěn)定機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的這一穩(wěn)定機(jī)制是如何實(shí)現(xiàn)的?n措施二：引入負(fù)反饋電路形成負(fù)反饋負(fù)反饋越強(qiáng)。而且輸出電流越大,omVAF10AomQV26相位的穩(wěn)定性分析相位的穩(wěn)定性分析n1、相位不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致什么后果？n2、相位穩(wěn)定條件n3、LC回路的相位特性（第二章內(nèi)容）n4、以LC回路為負(fù)載的振蕩器的相位自動(dòng)穩(wěn)定功能27相相位位穩(wěn)穩(wěn)定定條條件件的的意意義義: :指指當(dāng)當(dāng)相相位位平平衡衡條條件件遭遭到

15、到破破壞壞時(shí)時(shí)，電電路路本本身身能能自自動(dòng)動(dòng)地地重重新新建建立立起起相相位位平平衡衡點(diǎn)點(diǎn)的的條條件件。 281、相位不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致什么后果？相位平衡時(shí)相位平衡時(shí)顯然頻率加快了291、相位不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致什么后果？ 0000 即即可可得得：0 顯然可以看出由于外因引起的相位變化與頻顯然可以看出由于外因引起的相位變化與頻率之間的關(guān)系為：率之間的關(guān)系為：302、相位穩(wěn)定條件、相位穩(wěn)定條件 要保證振蕩的相位平衡點(diǎn)的穩(wěn)定，必須當(dāng)振蕩器頻率發(fā)生變化的同時(shí)，要求振蕩電路內(nèi)部能夠產(chǎn)生一個(gè)新的相位變化，而這個(gè)相位變化與外因引起的相位變化的符號(hào)應(yīng)相反，以消弱或抵消由外因引起的變化。用符號(hào)表示這一穩(wěn)定過程：), 0()(

16、相位超前即增加導(dǎo)致如溫度外部因素環(huán)路)0(即輸出信號(hào)頻率加快)0(即也加快經(jīng)反饋后輸入信號(hào)頻率)(即相位延遲減小內(nèi)部機(jī)制應(yīng)使環(huán)路n2環(huán)路恢復(fù)相位0環(huán)路這一內(nèi)部機(jī)制為用數(shù)學(xué)語言描述3、LC回路的相位特性（第二章內(nèi)容）n以并聯(lián)諧振回路為例011()pppVVjQ第二章講過),(變化時(shí)引起的相位變化現(xiàn)在需要討論當(dāng)時(shí)只關(guān)心其模值SI0V0,0ZpVV時(shí)當(dāng))(arctanpppZQ該復(fù)數(shù)的相角為ZpSZpIV落后于時(shí)當(dāng), 0pVpVSZpIV超前于時(shí)當(dāng), 0314、以LC回路為負(fù)載的振蕩器的相位自動(dòng)穩(wěn)定功能由三極管電路實(shí)現(xiàn)如果振蕩器中的放大器由三極管組由三極管組成的放大器成的放大器載并聯(lián)諧振回路作為其負(fù)

17、以LC絡(luò)以耦合回路作為反饋網(wǎng)Y的相位變化為設(shè)三極管放大電路引起YZLC位變化為并聯(lián)諧振回路引起的相設(shè)ZF變化為設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)引起的相位FFZY環(huán)路變化則環(huán)路引起的總的相位振蕩器可實(shí)現(xiàn)相位穩(wěn)定當(dāng)前面已知環(huán)路, 0,ZFY關(guān)鍵看基本不變與,324、以LC回路為負(fù)載的振蕩器的相位自動(dòng)穩(wěn)定功能（續(xù)）Zp性可知并聯(lián)諧振回路的相位特由前面討論的LC環(huán)路若外部因素導(dǎo)致點(diǎn)附近在,p則ZLC上升時(shí)必然導(dǎo)致諧振回路特性由,)2n(恢復(fù)成的降低進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)路FZY),2(相位超前略大于環(huán)路n33反饋型振蕩器起振、平衡、穩(wěn)定條件的總結(jié)（重要知識(shí)點(diǎn)）振幅條件相位條件起振（由靜到動(dòng)）平衡（振幅恒定）穩(wěn)定（維持平衡）10 FAn

18、2環(huán)路1 FAn2環(huán)路0omVA0環(huán)路346.3 電感耦合型反饋振蕩器電感耦合型反饋振蕩器n互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件很重要。n互感耦合振蕩器有三種形式：q調(diào)基電路q調(diào)集電路q調(diào)發(fā)電路是根據(jù)振蕩回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來區(qū)分的。351、調(diào)基電路、調(diào)基電路 +VCC Rb1 Rb2 Cb Ce M C L1 L2 Re L 調(diào)基電路振蕩頻率調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時(shí)，在較寬的范圍改變時(shí)，振幅比較平坦。振幅比較平坦。 由于基極和發(fā)射極由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，之間的

19、輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回為了避免過多地影響回路的路的Q值，故在調(diào)基電值，故在調(diào)基電路中，晶體管與振蕩回路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。路作部分耦合。交流接地交流接地n2,環(huán)路即形成正反饋則振蕩器可順利起振使與偏置電壓調(diào)節(jié)適當(dāng)只要互感1),FA(0M362、調(diào)集電路、調(diào)集電路 T1 Rb1 Rb2 Re Cb Ce +VCC C M 調(diào)集電路在高頻輸出方調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成而且幅度較大，諧波成分較小。分較小。n2,環(huán)路即形成正反饋則振蕩器可順利起振使與偏置電壓調(diào)節(jié)適當(dāng)只要互感1),FA(0M373、調(diào)發(fā)電路、調(diào)發(fā)電路

20、+VCC Rb1 Rb2 Ro Cb Ce M C L2 L1 由于基極和發(fā)射極由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回為了避免過多地影響回路的路的Q值，故在調(diào)發(fā)電值，故在調(diào)發(fā)電路中，晶體管與振蕩回路中，晶體管與振蕩回路也作部分耦合。路也作部分耦合。n2,環(huán)路即形成正反饋則振蕩器可順利起振使與偏置電壓調(diào)節(jié)適當(dāng)只要互感1),FA(0M39 互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋(改變改變M)時(shí)，基本上不影響時(shí)，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時(shí)，難于做振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時(shí)，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因

21、此，它們的工作頻率不宜過高，一出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一般應(yīng)用于中、短波波段。般應(yīng)用于中、短波波段。根據(jù)根據(jù)h參數(shù)等效電路分析可知互感耦合振蕩器的振蕩頻率參數(shù)等效電路分析可知互感耦合振蕩器的振蕩頻率1111122oihfrLChLC互感反饋型電路例題分析判斷下圖所示兩極互感耦合振蕩電路能否起振。判斷下圖所示兩極互感耦合振蕩電路能否起振。解：在解：在 1T的發(fā)射極與的發(fā)射極與 2T之間斷開。這是一個(gè)共基之間斷開。這是一個(gè)共基共共集反饋電路。集反饋電路。 振幅條件是可以滿足的，所以振幅條件是可以滿足的，所以只要相位條件滿足，就可以起振。只要相位條件滿足，就可以起振。利用瞬

22、時(shí)極性判斷法，根據(jù)同名端位置，可以得到：利用瞬時(shí)極性判斷法，根據(jù)同名端位置，可以得到：11221()ecbee可見電路是負(fù)反饋，不能產(chǎn)生振蕩。可見電路是負(fù)反饋，不能產(chǎn)生振蕩。 如果把變壓器次級(jí)同名端位置換一下，則可改為正反饋。而變壓器初級(jí)如果把變壓器次級(jí)同名端位置換一下，則可改為正反饋。而變壓器初級(jí)1T回路是并聯(lián)回路是并聯(lián)LC回路，作為回路，作為 的負(fù)載，考慮其阻抗特性滿足相位穩(wěn)定條件，的負(fù)載，考慮其阻抗特性滿足相位穩(wěn)定條件，因此電路有可能產(chǎn)生振蕩。因此電路有可能產(chǎn)生振蕩。 40采用瞬時(shí)極性法判斷互感耦合采用瞬時(shí)極性法判斷互感耦合LC振蕩器振蕩器相位時(shí)的注意事項(xiàng)：相位時(shí)的注意事項(xiàng)：n（1）先看

23、清是共基、共射還是共集電路；n（2）把正確的信號(hào)輸入端標(biāo)上“+”，把地標(biāo)上“-”；n（3）通過瞬時(shí)電流的流向幫助中間點(diǎn)的極性判斷；n（4）有抽頭電路時(shí)，先找到接地那一端，抽頭處的極性與不接地的那一端極性相同。n（5）循環(huán)一圈后，仍為“+”則符合起振相位條件，否則就不可能起振。416.4 三端式反饋振蕩器三端式反饋振蕩器n三端式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)q其工作頻率約在幾MHz到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比互感耦合振蕩電路高一些，約為103104量級(jí)，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點(diǎn)。n本節(jié)的主要內(nèi)容：q6.4.1 電感反饋式三端振蕩器（Hartley Oscillator）q6.4.2 電容反饋式三

24、端振蕩器（Colpitts Oscillator）q6.4.3 三端振蕩器相位平衡條件判斷準(zhǔn)則（重要）426.4.1 電感反饋式三端振蕩器電感反饋式三端振蕩器 （Hartley Oscillator） T1 Rb1 Rb2 Cb VCC C L L1 L2 Ce Re 電感反饋三端式振蕩器電路電感反饋三端式振蕩器電路為了分析方便，為了分析方便，畫出交流等效電路畫出交流等效電路43電感反饋三端振蕩器交流等效電路電感反饋三端振蕩器交流等效電路 T1 C L1 L2 + + + Vi Vf Ik組成的諧振回路和CLL21當(dāng)回路諧振時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支路電流環(huán)路電流kI)(,21kILL都是方向相同相等上的電

25、流大小和可認(rèn)為n2,環(huán)路即形成正反饋44電感反饋三端振蕩器反饋系數(shù)電感反饋三端振蕩器反饋系數(shù)F的計(jì)算的計(jì)算Ik T1 C L1 L2 + + + Vi Vf )(,21kILL都是方向相同相等上的電流大小和因?yàn)镸jILjIVLLL2111MjILjIkk1)(1MLIjk)(22MLIjVkL同理2LfVV恰好即為反饋電壓2121LLVLMFVLM電感反饋三端式電路的反饋系數(shù)1, 1,1200MLMLAFA即應(yīng)使在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)45電感反饋三端振蕩器振蕩頻率計(jì)算電感反饋三端振蕩器振蕩頻率計(jì)算上的總電壓與21LL21LLVVV總)()(21MLIjMLIjkk)2(21MLLIjk)(,21kIL

26、L都是方向相同相等上的電流大小和又因?yàn)榭闯梢粋€(gè)電感元件與如果把21LL總總總應(yīng)滿足歐姆定律其電感量VILjLkMLLIjMLLIjIjVLkkk2)2(2121總總CMLLCLfosc)2(212121總振蕩頻率Ik T1 C L1 L2 + + + Vi Vf 46電感反饋三端振蕩器優(yōu)缺點(diǎn)電感反饋三端振蕩器優(yōu)缺點(diǎn)： 1、L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；缺點(diǎn)缺點(diǎn)：1、振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得，振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得， 而電感對(duì)高次諧波呈高阻抗，因此對(duì)高次諧波的而電感對(duì)高次諧波呈高阻抗，因此對(duì)高次諧波的 反饋較強(qiáng)，使波形

27、失真大；反饋較強(qiáng)，使波形失真大；2、電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這 是因?yàn)轭l率太高，是因?yàn)轭l率太高，L L太小且分布參數(shù)的影響太大。太小且分布參數(shù)的影響太大。2、振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容、振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可的大小即可;3、而且、而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。476.4.2 電容反饋式三端振蕩器電容反饋式三端振蕩器 （Colpitts Oscillator） T1 Cb Re Ce VCC L Rs Cc C1 C2 電容反饋三端式振蕩器電路電容反饋三端式振蕩器電路48

28、電容反饋三端振蕩器交流等效電路電容反饋三端振蕩器交流等效電路 T1 C1 C2 + + + L Vf Vi Ik組成的諧振回路和LCC21當(dāng)回路諧振時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支路電流環(huán)路電流kI)(,21kICC都是方向相同相等上的電流大小和可認(rèn)為n2,環(huán)路即形成正反饋49電容反饋三端振蕩器反饋系數(shù)電容反饋三端振蕩器反饋系數(shù)F的計(jì)算的計(jì)算 T1 C1 C2 + + + L Vf Vi )(,21kICC都是方向相同相等上的電流大小和因?yàn)?111CjIVCC11CjIk212CjIVkC同理2CfVV恰好即為反饋電壓2112CCVVFCC反饋系數(shù)電容反饋三端式電路的1, 1,2100CCAFA即應(yīng)使在設(shè)計(jì)振蕩器

29、時(shí)Ik50電容反饋三端振蕩器振蕩頻率計(jì)算電容反饋三端振蕩器振蕩頻率計(jì)算 T1 C1 C2 + + + L Vf Vi 由于沒有互感的問題率計(jì)算比較簡(jiǎn)單電容反饋振蕩器振蕩頻總振蕩頻率LCfosc21)(212121CCCCL51例題例題6.1n已知一電容反饋三端振蕩器交流圖如下q反饋系數(shù)F=1/3q電感L=10uHq振蕩頻率為19.4MHzn求C1和C2 T1 C1 C2 + + + L Vf Vi )(212121CCCCLfosc解代入上式又1221331CCCCF)43(211CLfosc得LfCosc21)2(1346261010)104 .192(134)(9 pF21327()CCp

30、F52電容反饋三端振蕩器優(yōu)缺點(diǎn)電容反饋三端振蕩器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1）電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。）電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可 以減小不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響。以減小不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響。3）電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振）電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振 蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作 頻率可做到幾十頻率可做到幾十MHz到幾百到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。的甚高頻波段范

31、圍。缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 調(diào)調(diào)C1或或C2來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。但來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。但只要在只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令兩端并上一個(gè)可變電容器，并令C1與與C2為固定電為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。 T1 C1 C2 + + + L Vf Vi 536.4.3 三端振蕩器相位平衡條件三端振蕩器相位平衡條件判斷準(zhǔn)則判斷準(zhǔn)則（重要）（重要）n分析電感/電容反饋三端振蕩器n用歸納法，不難得出結(jié)論：q三極管be間電抗Xbe與ce間電抗Xce必須同性質(zhì)q且它們與bc間電抗Xbc必須不同性質(zhì) T1 C L1 L

32、2 + + + Vi Vf T1 C1 C2 + + + L Vf Vi 54上述準(zhǔn)則的理論依據(jù)上述準(zhǔn)則的理論依據(jù) Xbe b Xce Xbc c e 形如果想輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波首先,態(tài)回路必須調(diào)整到諧振狀LC0bccebeXXX而諧振的條件是必須有正有負(fù)、bccebeXXX也有電容即三者中必須既有電感必須同性質(zhì)與如果想保證正反饋cebeXX,Ik下產(chǎn)生的電壓才同相在相同的同性質(zhì)與只有kcebeIXX,0e為不同性質(zhì)才能保證總和和只有與那么cebbcXXX55例題例題6.2n試判斷下列電路是否可能起振?如果可能,需要什么條件?屬于何種類型的振蕩器?123456ABCD654321DCBATitle

33、NumberRevisionSizeBDate:19-Dec-2007Sheet of File:F:workDirexamexam.ddbDrawn By:Q1L1L2C1 C2C3123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Dec-2007Sheet of File:F:workDirexamexam.ddbDrawn By:C3C1C2L1L2Q1123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Dec-2007Sheet of File:F:workDirexamexam.

34、ddbDrawn By:C2C1L1(1)(2)(3)56例題例題6.2(第一圖解答第一圖解答)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Dec-2007Sheet of File:F:workDirexamexam.ddbDrawn By:C3C1C2L1L2Q1為電容bcXbec法則根據(jù)三端式振蕩器判斷必須呈感性與cebeXX,這一點(diǎn)是有可能實(shí)現(xiàn)的11221122oscoscffLCL C只要且振蕩器屬于電感反饋型三端式滿足條件后,()oscfLC其中是所有元件整體產(chǎn)生的振蕩頻率57例題例題6.2(第二圖解答第二圖解答)1234

35、56ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:19-Dec-2007Sheet of File:F:workDirexamexam.ddbDrawn By:Q1L1L2C1 C2C3bec為電容ceX法則根據(jù)三端式振蕩器判斷必須呈感性必須呈容性且bcbeXX,這一點(diǎn)是有可能實(shí)現(xiàn)的11221122oscoscffLCL C只要且振蕩器屬于電容反饋型三端式滿足條件后,58例題例題6.2(第三圖解答第三圖解答)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Dec-2007Sheet of File:

36、F:workDirexamexam.ddbDrawn By:C2C1L1bec感性容性而cebeXX斷法則不符合三端式振蕩器判不可能起振59例題例題6.3（教材（教材264頁例題頁例題6.6.1/294頁例題頁例題7.6.1）交流等效電路如下解：) 1 (b2C1C1L2Lec60例題例題6.3(解解)b2C1C1L2Lec0)2(總根據(jù)諧振條件，令X0)1(110102020CjLjLjCj即0總當(dāng)然jX2121210)(1CCCCLLkHzCCCCLLf796)(21212121061例題例題6.3(解解)n若用三端振蕩器法則直接判斷相位振蕩條件b2C1C1L2Lec準(zhǔn)則。即符合三端振蕩器

37、相位工作頻率下呈容性在支路串聯(lián)所以只要為感性，為容性、011)( fCLXXXcebcbe011159. 121fMHzCLf符合相位準(zhǔn)則呈容性,ceX62例題例題6.3(解解)n若用矢量法判斷相位振蕩條件b2C1C1L2LeciV )3( 先畫出輸入電壓 iViVCV再畫出集電極電壓感性容性2211CLCLcVcV22(90)LcL CIV再畫出電流落后于電壓度2()(90)fLCVI最后畫出上電壓 即反饋電壓落后于電流度LIfVfV63ILn從上面兩種方法的比較,我們可以看出:n直接用三端式判斷準(zhǔn)則來判斷相位條件既快又準(zhǔn)；n所以除非題面要求,否則建議大家不要用矢量法。64例題例題6.3(解

38、解)b2C1C1L2LeciVcVfV饋系數(shù)從圖中可以看出電壓反)4(fcVFV01. 011101020LjCjCj112CLCXX65例題例題6.3(解解)作業(yè)作業(yè)n教材299頁/ 329頁n習(xí)題6.5 /7.5n習(xí)題6.6 /7.6666.5 振蕩器的頻率穩(wěn)定性問題振蕩器的頻率穩(wěn)定性問題n衡量振蕩器的指標(biāo)q準(zhǔn)確度n離中心的偏離程度（體現(xiàn)指標(biāo)是概率論中講的“誤差”）q穩(wěn)定度n變化擺動(dòng)的劇烈程度（體現(xiàn)指標(biāo)是概率論中講的“方差”）q例如：q一個(gè)振蕩器標(biāo)稱1MHz，但是總是輸出1.1M，稱不準(zhǔn)確（但穩(wěn)定）。q一個(gè)振蕩器標(biāo)稱1MHz，但是實(shí)際輸出是0.991.01MHz中的一個(gè)隨機(jī)變量，則稱是不穩(wěn)

39、定的。67準(zhǔn)確度準(zhǔn)確度絕對(duì)準(zhǔn)確度絕對(duì)準(zhǔn)確度0fff相對(duì)準(zhǔn)確度相對(duì)準(zhǔn)確度000fffff人們更關(guān)心的是振蕩器的頻率穩(wěn)定度人們更關(guān)心的是振蕩器的頻率穩(wěn)定度68穩(wěn)定度穩(wěn)定度 頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。最小。 振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度。種因素變化，引起的振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度。長(zhǎng)期穩(wěn)定度（一天以

40、上）長(zhǎng)期穩(wěn)定度（一天以上）短期穩(wěn)定度（一天以內(nèi)）短期穩(wěn)定度（一天以內(nèi)）瞬間穩(wěn)定度（瞬間穩(wěn)定度（1秒以內(nèi)）秒以內(nèi)）體現(xiàn)器件的抗衰老能力體現(xiàn)器件的抗衰老能力體現(xiàn)電路的環(huán)境適應(yīng)能力體現(xiàn)電路的環(huán)境適應(yīng)能力體現(xiàn)電路的抗干擾能力體現(xiàn)電路的抗干擾能力69穩(wěn)定度的測(cè)量與計(jì)算穩(wěn)定度的測(cè)量與計(jì)算n前面已經(jīng)講過它由方差來體現(xiàn)n所以計(jì)算公式為niinffffn1200)()(1平均70影響頻率穩(wěn)定度的幾個(gè)因素影響頻率穩(wěn)定度的幾個(gè)因素n（1）LC器件的穩(wěn)定度q方法一：選擇穩(wěn)定度好的LC器件q方法二：溫度補(bǔ)償法（如選用負(fù)溫系數(shù)電容）n（2）LC回路的Q值q提高LC回路的Q指n（3）回路電路r（實(shí)際通過Q來影響）q盡量減小

41、振蕩器的負(fù)載n（4）有源器件參數(shù)（如分布電容等）71回路的回路的Q值為什么會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性？值為什么會(huì)影響振蕩器的穩(wěn)定性？Zp)(arctanpppZQLC回路的相位特性為增大時(shí)當(dāng)pQ處變陡回路的相位特性曲線在pLC從而提高了頻率穩(wěn)定度補(bǔ)償能力提高使得整個(gè)振蕩器的相位,72，頻率穩(wěn)定度Q兩種改進(jìn)型的三端式兩種改進(jìn)型的三端式LC振蕩器振蕩器n克拉潑(Clapp)電路（串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式）q電感支路上串聯(lián)一個(gè)電容，降低三極管輸出電容的接入系數(shù)，從而穩(wěn)定頻率。n西勒(Seiler)電路（并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式）q電感支路上先并聯(lián)一個(gè)電容、再串聯(lián)一個(gè)電容，降低三極管輸出電容的接入系數(shù)，從而穩(wěn)定頻率

42、。73串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(克拉潑電路克拉潑電路) Cb Re VCC Rs C3 C1 C2 L Rb2 Rb1 A B （a a）克拉潑電路的實(shí)用電路）克拉潑電路的實(shí)用電路 C1 L A B Cce Cbe C2 Re b Cbc c e Rp C3 （b b）高頻等效（考慮分布電容）電路）高頻等效（考慮分布電容）電路選取選取C3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1或或C2，所以三電容串聯(lián)后的等效電容，所以三電容串聯(lián)后的等效電容3231333132213211CCCCCCCCCCCCCCCC)(11213無關(guān)和基本與CCLCLCosc改進(jìn)后調(diào)節(jié)改進(jìn)后調(diào)節(jié)C3不會(huì)影響反饋系數(shù)

43、不會(huì)影響反饋系數(shù)C1 / C274(1)由于Cce、Cbe的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路是松耦合。(2)調(diào)整C1 、C2的值可以改變反饋系數(shù),但對(duì)諧振頻率的影響很小。 而由于管子的放大倍數(shù)與頻率成反比，故隨著放大頻率的升高振蕩的幅度明顯下降，上限頻率受到限制。故:(3)調(diào)整C3值可以改變系統(tǒng)的諧振頻率,對(duì)反饋系數(shù)無影響。(1) 克拉潑電路的波段覆蓋的范圍窄。(2) 工作波段內(nèi)輸出波形隨著頻率的變化大?？死瓭婋娐返奶攸c(diǎn)克拉潑電路的特點(diǎn): :優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： Cb Re +VCC Rs C1 C2 L Rb2 Rb1 C3 C4 (a)(a)實(shí)際電路實(shí)際電路 C2 L C1 C4 C3

44、(b)(b)高頻等效電路高頻等效電路341()2()oscfL CC其優(yōu)點(diǎn)是可調(diào)范圍寬76并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(西勒電路西勒電路)(1) 波段覆蓋率寬。(2) 工作波段內(nèi)，輸出幅度較平穩(wěn)。電路電路特點(diǎn)：特點(diǎn)：6.6 晶體振蕩器晶體振蕩器n6.6.1 晶振內(nèi)部原理n6.6.2 并聯(lián)型晶體振蕩器n6.6.3 串聯(lián)型晶體振蕩器7778 石英晶體具有石英晶體具有正、反兩種壓電效應(yīng)正、反兩種壓電效應(yīng)。當(dāng)石英晶體沿某一。當(dāng)石英晶體沿某一電軸受到交變電場(chǎng)作用時(shí)，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，反電軸受到交變電場(chǎng)作用時(shí)，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，反過來，當(dāng)機(jī)械軸受力時(shí)，就能在電軸方向

45、產(chǎn)生電場(chǎng)。過來，當(dāng)機(jī)械軸受力時(shí)，就能在電軸方向產(chǎn)生電場(chǎng)。6.6.1 晶振內(nèi)部原理晶振內(nèi)部原理 當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它本身有一個(gè)固有的本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大，晶體表面電荷量最多，外率時(shí)，晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強(qiáng)，于是產(chǎn)生了諧振。電路中的交流電流最強(qiáng)，于是產(chǎn)生了諧振。 晶體厚度與振動(dòng)頻率成反比，工作頻率越高，要求晶晶體厚度與振動(dòng)頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄。機(jī)械強(qiáng)度越差，加工越困難，使用中也易

46、損壞。片越薄。機(jī)械強(qiáng)度越差，加工越困難，使用中也易損壞。 石英晶振的振動(dòng)具有多諧性。包括基頻振動(dòng)和奇次諧石英晶振的振動(dòng)具有多諧性。包括基頻振動(dòng)和奇次諧波泛音振動(dòng)。前者稱為波泛音振動(dòng)。前者稱為基頻晶體基頻晶體，后者稱為，后者稱為泛音晶體泛音晶體。6.6.1 晶振內(nèi)部原理晶振內(nèi)部原理n晶振的內(nèi)部結(jié)構(gòu)石英切片石英切片金屬支架金屬支架金屬支架金屬支架引線引線當(dāng)外加電壓時(shí)當(dāng)外加電壓時(shí),石英切片會(huì)產(chǎn)石英切片會(huì)產(chǎn)生固定頻率的機(jī)械振蕩生固定頻率的機(jī)械振蕩反之反之,石英如果存在機(jī)械振蕩石英如果存在機(jī)械振蕩,會(huì)在金屬支架上產(chǎn)生電壓會(huì)在金屬支架上產(chǎn)生電壓如果外加頻率與晶振本身機(jī)械振蕩頻率相同如果外加頻率與晶振本身機(jī)械振蕩頻率相同,則產(chǎn)生持續(xù)振蕩。則產(chǎn)生持續(xù)振蕩。79晶振的等效電路模型晶振的等效電路模型 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c) 符號(hào)符號(hào) 基頻等效電路基頻等效電路 完整等效電路完整等效電路支架電容支架電容C0 約約110pF動(dòng)態(tài)電感動(dòng)態(tài)電感Lq 約約103102H（由晶振的質(zhì)量（由晶振的質(zhì)量/慣性等效而來）慣性等效而來）動(dòng)態(tài)電容動(dòng)態(tài)電容Cq 約約104101pF（由晶振的彈性等效而來由晶振的彈性等效而來）動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rq 約幾十約幾十幾百幾百 （由晶振的機(jī)械損耗