高頻電子線路(第七章正弦波振蕩器)

1、第七章 正弦波振蕩器基礎知識：- LC回路的相位特性- 高頻小信號放大器- 高頻功放本章主要內容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n7.7 振蕩器中的幾種常見的現(xiàn)象n7.8 其他形式的振蕩器簡介重點重點7.1 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n4、穩(wěn)定振蕩的要素n5、振蕩器的主要類型1、什么是振蕩器？n振蕩器是一種能自動地將直流電源能量轉換為振蕩器是一種能自動地將直流電源能量轉換為一定波形的交變振蕩信號能量的轉換電路。一定波形的交

2、變振蕩信號能量的轉換電路。n它與放大器的區(qū)別在于它與放大器的區(qū)別在于, 無需外加激勵信號無需外加激勵信號, 就就能產生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的能產生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號。交流信號。振蕩器振蕩器Vcc2、振蕩器在無線通信中的作用n在發(fā)射端負責生成載波（即用來承載有用信息的高頻正弦波）n在接收端負責生成本振信號（用于混頻）音頻放大器調制器激勵放大輸出功率放大載波振蕩器天線開關高頻放大混頻器中頻放大與濾波解調器音頻放大器話筒本地振蕩器揚聲器變頻器3、振蕩器的發(fā)展趨勢n振蕩器的發(fā)展經歷了以下幾個階段q機電式振蕩（機械振蕩帶動電子開關）qLC/RC振蕩器q晶體振蕩器q激光

3、振蕩器n總的說來，其發(fā)展趨勢是q精確化、穩(wěn)定化、小型化4、穩(wěn)定振蕩的要素n想象一個單擺，如何讓它在有能量消耗的環(huán)境中穩(wěn)定振蕩？n（1）最初的一個激勵q使振蕩器從靜態(tài)到動態(tài)（即起振）n（2）能量源q補償振蕩中的能量消耗n（3）控制設備q在適當?shù)臅r候(即適當?shù)南辔?補充能量q使振蕩達到足夠的幅度并能使之穩(wěn)定下來（防止自激）5、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(如給電臺打電話時的自激現(xiàn)象)q負阻式振蕩器(如“海盜船”)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）我們重點學習的是我們重點學習的是7.2.1

4、 反饋型振蕩器的原理n由放大器與反饋網(wǎng)絡構成一個環(huán)路n最初激勵信號us與反饋信號uf 疊加進入放大器n放大后信號經反饋網(wǎng)絡反饋n激勵信號逐漸消失，而uf作為輸入信號7.2 振蕩的起振、平衡、穩(wěn)定條件suiufuou 放大器放大器 A（j） 反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡 F（j）起振起振平衡平衡n當AF=1時，振蕩進入平衡狀態(tài)7.2.2 起振條件n在實際電路中，最初的那個激勵信號往往是加電過程中自動產生的，所以其振幅往往很小。tui對應頻譜F()(j1振蕩器工作頻率點振蕩器輸出頻率越高，最初的激勵就越小振蕩器輸出頻率越高，最初的激勵就越小若想讓振蕩器輸出一定幅度（如若想讓振蕩器輸出一定幅度（如3V），起振的

5、過程幅度必須逐漸增大），起振的過程幅度必須逐漸增大mv甚至uV級7.2.2 起振條件（續(xù)）n若使信號逐步增大，需要滿足兩個條件q振幅方面，|A|F|必須大于1 （否則信號會逐漸衰減至消失）q相位方面， （否則信號不是標準的正弦波，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。A7.2.3 平衡條件n所謂“平衡”指起振一定時間后,輸出振幅達到額定值時,恒定不變。n此時不必再進行增幅振蕩，而要維持等幅振蕩。FA1 FA因此平衡的振

6、幅條件是相互干擾甚至抵消否則輸入與反饋信號會相位仍然要滿足若想輸出標準的正弦波環(huán)路n2,7.2.4 穩(wěn)定條件n所謂“穩(wěn)定”是指振蕩器具有如下的特點：q當外界因素（如溫度）導致輸出振幅（或相位）增大時，振蕩器內部機制可自動使輸出振幅（或相位）減小，從而恢復到平衡狀態(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：不穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)用數(shù)學語言描述“振幅穩(wěn)定的機制”omV為記振蕩器輸出信號振幅FAomV增加如果外界偶然因素導致omV電壓振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部機,omV),(下文有電路的分析至于這個機制如何實現(xiàn)增加一定的內部機制來遏制必定有所以一個穩(wěn)定的

7、振蕩器omV0,omVAF種機制即所以用數(shù)學語言表示這通常無法改變因為這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軟自激（軟激勵）n軟自激指振蕩器不需要額外的大振幅激勵源即可起振并自動達到平衡并穩(wěn)定狀態(tài)；omVAF10A軟自激軟自激,很小起振時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)間內由于始終omVAF1, 01,omVAAF且到達這一點后omQV的振蕩波形為振蕩器穩(wěn)定地輸出振幅omQV硬自激（硬激勵）n硬自激指必須向振蕩器提供一個額外的大振幅激勵源，才能使振蕩器達到平衡并穩(wěn)定的狀態(tài)。omVAF10A硬自激硬自激不

8、滿足起振條件即起振時1,100FAFA使振蕩器起振幅度輸入信號此時需要一個外加的大,BQ1AFQB點都滿足平衡條件點和不滿足穩(wěn)定條件點的但0omVAB滿足穩(wěn)定條件點的而0omVAQ點使振蕩器到達一定要足夠大所以外加輸入信號幅度Q,Flash演示“放大器的放大倍數(shù)A隨著Vom的增加而減小”-這一穩(wěn)定機制是如何實現(xiàn)的?n措施一：選擇合適的直流工作偏置點，使剛起振時的A0足夠大；并且在輸出端使用LC回路。BEvCi起振時輸入信號很小起振時輸入信號很小由于由于|A0F|1，所以信號逐漸增大，所以信號逐漸增大必然進入非線性區(qū)，信號開始失真必然進入非線性區(qū)，信號開始失真所以必須采用所以必須采用LC回路濾出

9、標準正弦信號回路濾出標準正弦信號在濾波的過程中，由于能量的損失，在濾波的過程中，由于能量的損失，導致放大倍數(shù)的下降導致放大倍數(shù)的下降“放大器的放大倍數(shù)A隨著Vom的增加而減小”-這一穩(wěn)定機制是如何實現(xiàn)的?n措施二：引入負反饋電路形成負反饋負反饋越強。而且輸出電流越大,omVAF10AomQV相位的穩(wěn)定性分析n1、相位不穩(wěn)定會導致什么后果？n2、相位穩(wěn)定條件n3、LC回路的相位特性（第三章內容）n4、以LC回路為負載的振蕩器的相位自動穩(wěn)定功能1、相位不穩(wěn)定會導致什么后果？相位平衡時n當外界因素打破了相位的平衡狀態(tài)，假設相位提前（0）顯然頻率加快了2、相位穩(wěn)定條件n由上面的分析可知，相位超前導致頻

10、率加快；n因此如果想讓頻率恢復成振蕩器額定頻率（具有穩(wěn)定性），振蕩器內部應有這樣的機制：當輸入信號頻率加快時，會形成相位的延遲。n用符號表示這一穩(wěn)定過程：), 0()(相位超前即增加導致如溫度外部因素環(huán)路)0(即輸出信號頻率加快)0(即也加快經反饋后輸入信號頻率)(即相位延遲減小內部機制應使環(huán)路n2環(huán)路恢復相位0環(huán)路這一內部機制為用數(shù)學語言描述3、LC回路的相位特性（第三章內容）n以并聯(lián)諧振回路為例)(110pppjQVV第三章講過),(變化時引起的相位變化現(xiàn)在需要討論當時只關心其模值SI0V0,0ZpVV時當)(arctanpppZQ該復數(shù)的相角為ZpSZpIV落后于時當, 0pVpVSZp

11、IV超前于時當, 04、以LC回路為負載的振蕩器的相位自動穩(wěn)定功能由三極管電路實現(xiàn)如果振蕩器中的放大器由三極管組成由三極管組成的放大器的放大器載并聯(lián)諧振回路作為其負以LC絡以耦合回路作為反饋網(wǎng)Y的相位變化為設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ZF變化為設反饋網(wǎng)絡引起的相位FFZY環(huán)路變化則環(huán)路引起的總的相位振蕩器可實現(xiàn)相位穩(wěn)定當前面已知環(huán)路, 0,ZFY關鍵看基本不變與,4、以LC回路為負載的振蕩器的相位自動穩(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)路若外部因素導致點附近在,p則ZLC上升時必然導致諧振回路特性由,)2n(恢復成的降低進而導致環(huán)路FZY

12、),2(相位超前略大于環(huán)路n反饋型振蕩器起振、平衡、穩(wěn)定條件的總結（重要知識點）振幅條件相位條件起振（由靜到動）平衡（振幅恒定）穩(wěn)定（維持平衡）1 FAn2環(huán)路1 FAn2環(huán)路0omVA0環(huán)路7.3 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調基電路q調集電路q調發(fā)電路是根據(jù)振蕩回路所在的位置來區(qū)分的。1、調基電路 VCC Rb1 Rb2 Cb Ce M C L1 L2 Re L 調基電路振蕩頻率調基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時，在較寬的范圍改變時，振

13、幅比較平衡。振幅比較平衡。 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，故在調基電值，故在調基電路中，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節(jié)適當只要互感1),FA(0M2、調集電路 v1 Rb1 Rb2 Re Cb Ce VCC C M 調集電路在高頻輸出方調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

14、使與偏置電壓調節(jié)適當只要互感1),FA(0M3、調發(fā)電路 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，故在調發(fā)電值，故在調發(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節(jié)適當只要互感1),FA(0M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。這是一個共

15、基之間斷開。這是一個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。利用瞬時極性判斷法，根據(jù)同名端位置，可以得到：利用瞬時極性判斷法，根據(jù)同名端位置，可以得到：11221()ecbee可見電路是負反饋，不能產生振蕩?？梢婋娐肥秦摲答仯荒墚a生振蕩。 如果把變壓器次級同名端位置換一下，則可改為正反饋。而變壓器初級如果把變壓器次級同名端位置換一下，則可改為正反饋。而變壓器初級1T回路是并聯(lián)回路是并聯(lián)LC回路，作為回路，作為 的負載，考慮其阻抗特性滿足相位穩(wěn)定條件，的負載，考慮其阻抗特性滿足相位穩(wěn)定條件

16、，因此電路有可能產生振蕩。因此電路有可能產生振蕩。 采用瞬時極性法判斷互感耦合LC振蕩器相位時的注意事項：n（1）先看清是共基、共射還是共集電路；n（2）把正確的信號輸入端標上“+”，把地標上“”；n（3）通過瞬時電流的流向幫助中間點的極性判斷；n（4）有抽頭電路時，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。7.4 三端式反饋振蕩器n三端式振蕩器的優(yōu)點q其工作頻率約在幾MHz到幾百MHz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，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點。n本節(jié)的主要內容：q7

17、.4.1 電感反饋式三端振蕩器（Hartley Oscillator）q7.4.2 電容反饋式三端振蕩器（Colpitts Oscillator）q7.4.3 三端振蕩器相位平衡條件判斷準則（重要）7.4.1 電感反饋式三端振蕩器（Hartley Oscillator） v1 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 v1 C L1 L2 + + + vi vf Ik組成的諧振回路和CLL21當回路諧振時遠

18、遠大于支路電流環(huán)路電流kI)(,21kILL都是方向相同相等上的電流大小和可認為n2,環(huán)路即形成正反饋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的計算的計算Ik v1 C L1 L2 + + + vi vf )(,21kILL都是方向相同相等上的電流大小和因為MjILjIVLLL2111MjILjIkk1)(1MLIjk)(22MLIjVkL同理fLvV 恰好即為反饋電壓2MLMLVVFLL1212反饋系數(shù)電感反饋三端式電路的1, 1,1200MLMLAFA即應使在設計振蕩器時電感反饋三端振蕩器振蕩頻率計算電感反饋三端振蕩器振蕩頻率計算上的總電壓與21LL21LLVVV總)()(2

19、1MLIjMLIjkk)2(21MLLIjk)(,21kILL都是方向相同相等上的電流大小和又因為看成一個電感元件與如果把21LL總總總應滿足歐姆定律其電感量VILjLkMLLIjMLLIjIjVLkkk2)2(2121總總CMLLCLfosc)2(212121總振蕩頻率Ik v1 C L1 L2 + + + vi vf 電感反饋三端振蕩器優(yōu)缺點電感反饋三端振蕩器優(yōu)缺點優(yōu)點：優(yōu)點： 1、L1、L2之間有互感，反饋較強，容易起振；之間有互感，反饋較強，容易起振；缺點：缺點：1、振蕩波形不好，因為反饋電壓是在電感上獲得，振蕩波形不好，因為反饋電壓是在電感上獲得， 而電感對高次諧波呈高阻抗，因此對高

20、次諧波的而電感對高次諧波呈高阻抗，因此對高次諧波的 反饋較強，使波形失真大；反饋較強，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 是因為頻率太高，是因為頻率太高，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、振蕩頻率調節(jié)方便，只要調整電容、振蕩頻率調節(jié)方便，只要調整電容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)。7.4.2 電容反饋式三端振蕩器（Colpitts Oscillator） v1 Cb Re Ce VCC L Rs Cc C1 C2 電容反饋

21、三端式振蕩器電路電容反饋三端式振蕩器電路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 v1 C1 C2 + + + L vi vf Ik組成的諧振回路和LCC21當回路諧振時遠遠大于支路電流環(huán)路電流kI)(,21kICC都是方向相同相等上的電流大小和可認為n2,環(huán)路即形成正反饋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的計算的計算 v1 C1 C2 + + + L vi vf )(,21kICC都是方向相同相等上的電流大小和因為1111CjIVCC11CjIk212CjIVkC同理fCvV 恰好即為反饋電壓22112CCVVFCC反饋系數(shù)電容反饋三端式電路的1, 1

22、,2100CCAFA即應使在設計振蕩器時Ik電容反饋三端振蕩器振蕩頻率計算電容反饋三端振蕩器振蕩頻率計算 v1 C1 C2 + + + L vi vf 由于沒有互感的問題率計算比較簡單電容反饋振蕩器振蕩頻總振蕩頻率LCfosc21)(212121CCCCL例題7.1n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 v1 C1 C2 + + + L vi vf )(212121CCCCLfosc解代入上式又1221331CCCCF)43(211CLfosc得LfCosc21)2(1346261010)104 .192(134)(9

23、 pFpFCC27312電容反饋三端振蕩器優(yōu)缺點電容反饋三端振蕩器優(yōu)缺點優(yōu)點：優(yōu)點：1）電容反饋三端電路的優(yōu)點是振蕩波形好。）電容反饋三端電路的優(yōu)點是振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當加大回路的電容量，就可）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當加大回路的電容量，就可 以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。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MHz的甚高頻波段

24、范圍。的甚高頻波段范圍。缺點：缺點： 調調C1或或C2來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但只要在只要在L兩端并上一個可變電容器，并令兩端并上一個可變電容器，并令C1與與C2為固定電為固定電容，則在調整頻率時，基本上不會影響反饋系數(shù)。容，則在調整頻率時，基本上不會影響反饋系數(shù)。 v1 C1 C2 + + + L vi vf 7.4.3 三端振蕩器相位平衡條件判斷準則（重要）n分析電感/電容反饋三端振蕩器n用歸納法，不難得出結論：q三極管be間阻抗Xbe與ce間阻抗Xce必須同性質q且它們與bc間阻抗Xbc必須不同性質 v1 C L1 L2 + + + vi

25、 vf v1 C1 C2 + + + L vi vf 上述準則的理論依據(jù) Xbe b Xce Xcb c e 形如果想輸出標準正弦波首先,態(tài)回路必須調整到諧振狀LC0bccebeXXX而諧振的條件是必須有正有負、bccebeXXX也有電容即三者中必須既有電感必須同性質與如果想保證正反饋cebeXX,Ik下產生的電壓才同相在相同的同性質與只有kcebeIXX,0e為不同性質才能保證總和和只有與那么cebbcXXX例題7.2(教材294頁例題7.6.1)交流等效電路如下解：) 1 (b2C1C1L2Lec例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)b2C1C1L2Lec0)2(總根據(jù)諧振條件，令

26、X0)1(110102020CjLjLjCj即0總當然jX2121210)(1CCCCLLkHzCCCCLLf796)(212121210例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)n若用三端振蕩器法則直接判斷相位振蕩條件b2C1C1L2Lec準則。即符合三端振蕩器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符合相位準則呈容性,ceX例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)n若用矢量法判斷相位振蕩條件b2C1C1L2LeciV )3( 先畫出輸入電壓iV iV CI再畫出輸出電流CI當整個諧振回路諧振時根

27、據(jù)第三章知識,兩點看過去也是諧振的從ececVec兩點電壓從而可以畫出ecVecV)90(2度落后于電壓電流再畫出ecLVILLI)90()(2度落后于電流即反饋電壓上電壓最后畫出CfIVC)(2相反參考方向與電流再畫出LCIICCIfVfV例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)n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則來判斷相位條件既快又準；n所以除非題面要求,否則建議大家不要用矢量法。例題7.2(教材294頁例題7.6.1)(解)b2C1C1L2LeciV ecVfV饋系數(shù)從圖中可以看出電壓反)4(ecfVVF01. 011101020LjCjCj112CLCXX

28、例題7.3(2007年期末考試題)n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?123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:19-Dec-2007Sheet of File:F:workDirexamexam.ddbDrawn By:Q1L1L2C1 C2C3123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Dec-2007Sheet of File:F:workDirexamexam.ddbDrawn By:C3C1C2L1L2Q1123456ABCD65

29、4321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:18-Dec-2007Sheet of File:F:workDirexamexam.ddbDrawn By:C2C1L1(1)(2)(3)例題7.3(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,這一點是有可能實現(xiàn)的OSCOSCfCLfCL22112121且

30、只要振蕩器屬于電感反饋型三端式滿足條件后,)(率元件整體產生的振蕩頻是所有其中LCfOSC例題7.3(第二圖解答)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate: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,這一點是有可能實現(xiàn)的OSCOSCfCLfCL22112121且只要振蕩器屬于電容反饋型三端式滿足條件后,例題7.3(第三圖解答)123456ABCD654321DCBATit

31、leNumberRevisionSizeBDate:18-Dec-2007Sheet of File: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第9次作業(yè)n教材329頁(新書299頁)n習題6(此類題型是考試重點)7.5 振蕩器的頻率穩(wěn)定性問題n衡量振蕩器的指標q準確度n離中心的偏離程度（體現(xiàn)指標是概率論中講的“誤差”）q穩(wěn)定度n變化擺動的劇烈程度（體現(xiàn)指標是概率論中講的“方差”）q例如：q一個振蕩器標稱1MHz，但是總是輸出1.1M，稱不準確（但穩(wěn)定）q一個振蕩器標稱1MHz，但是實際輸出是0.99

32、1.01MHz中的一個隨機變量，則稱是不穩(wěn)定的。準確度絕對準確度絕對準確度0fff相對準確度相對準確度000fffff人們更關心的是振蕩器的頻率穩(wěn)定度人們更關心的是振蕩器的頻率穩(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，要求振蕩器的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差及偏差的變化求振蕩器的實際工作頻率與標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間間隔內，由于各振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時間間隔內，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對于標稱頻率變化的程度。種因素變化，引起的振蕩頻率相對于標稱頻率變化的程

33、度。長期穩(wěn)定度（一天以上）長期穩(wěn)定度（一天以上）短期穩(wěn)定度（一天以內）短期穩(wěn)定度（一天以內）瞬間穩(wěn)定度（瞬間穩(wěn)定度（1秒以內）秒以內）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)境適應能力體現(xiàn)電路的環(huán)境適應能力體現(xiàn)電路的抗干擾能力體現(xiàn)電路的抗干擾能力穩(wěn)定度的測量與計算n前面已經講過它又方差來體現(xiàn)n所以計算公式為niinffffn1200)()(1平均影響頻率穩(wěn)定度的幾個因素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：溫度補償法（如選用負溫系數(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（實際通過Q來影響）q盡量減小振蕩器的負載n（4）有源器件

34、參數(shù)（如分布電容等）回路的Q值為什么會影響振蕩器的穩(wěn)定性？Zp)(arctanpppZQLC回路的相位特性為增大時當pQ處變陡回路的相位特性曲線在pLC從而提高了頻率穩(wěn)定度補償能力提高使得整個振蕩器的相位,兩種改進型的三端式LC振蕩器n克拉波(Clapp)電路q電感支路上串聯(lián)一個電容，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q電感支路上先并聯(lián)一個電容、再串聯(lián)一個電容，降低三極管輸出電容的接入系數(shù)，從而穩(wěn)定頻率。串聯(lián)型改進電容三端式振蕩器(克拉潑電路) Cb Re VCC Rs C3 C1 C2 L Rb2 Rb1 A B RL （a a）克拉潑電路的實用用電路）克

35、拉潑電路的實用用電路 C1 L A B Cce Cbe C2 Re b Ccb c e RL Reo 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遠遠小于遠遠小于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無關和基本與CCLCLCosc改進后調節(jié)改進后調節(jié)C3不會影響反饋系數(shù)不會影響反饋系數(shù)C1 / C2并聯(lián)型改進電容三端式振蕩器并聯(lián)型改進電容三端式振蕩器即西勒即西勒(Seiler)電路電路 Cb Re VCC Rs C1 C2 L Rb2 Rb1 C

36、3 C4 (a)(a)實際電路實際電路 C2 L C1 C4 C3 (b)(b)高頻等效電路高頻等效電路)()(2143其優(yōu)點是可調范圍寬CCLfOSC7.6 晶體振蕩器n7.6.1 晶振內部原理n7.6.2 并聯(lián)型晶體振蕩器n7.6.3 串聯(lián)型晶體振蕩器7.6.1 晶振內部原理n晶振的內部結構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外加電壓時當外加電壓時,石英切片會產石英切片會產生固定頻率的機械振蕩生固定頻率的機械振蕩反之反之,石英如果存在機械振蕩石英如果存在機械振蕩,會在金屬支架上產生電壓會在金屬支架上產生電壓如果外加頻率與晶振本身機械振蕩頻率相同如果外加頻率與晶振本身機

37、械振蕩頻率相同,則產生持續(xù)振蕩則產生持續(xù)振蕩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) 符號符號 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動態(tài)電感動態(tài)電感Lq 約約103102H（由晶振的質量（由晶振的質量/慣性等效而來）慣性等效而來）動態(tài)電容動態(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）動態(tài)電感動態(tài)電感rq 約幾十約幾十幾百幾百 （由晶振的機械損耗等效而來由晶振的機械損耗等效而來）CoCgL

38、gRg 串串聯(lián)聯(lián)諧諧振振頻頻率率: :ggqLC21f 并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率: :)21(121ogqoqqgogogpCCfCCfCCCCLf 一一般般ogCC= =(0.002-0.003) 3 3, ,晶晶體體諧諧振振器器電電抗抗特特性性 Xq fqfp電容性電容性電容性電容性電感性電感性 fXqO國產國產B45 1MHz中等精度晶體的等效參數(shù)中等精度晶體的等效參數(shù)如下：如下：Lq= 4.00H，Cq=0.0063pF， rq100200 ，Co=23 pF。因而晶體。因而晶體的品質因數(shù)的品質因數(shù)Qq很大，一般為幾萬至幾百萬很大，一般為幾萬至幾百萬 qqqqqqq1CLrrLQ （1

39、2 50025 000） 7.6.2 并聯(lián)型晶體振蕩器1. 皮爾斯皮爾斯(Pierce)振蕩電路振蕩電路 即即c-b型（晶體位于三機管型（晶體位于三機管cb之間）之間） Cb Re VCC C1 C2 Rb2 Rb1 Lc fqfp電容性電容性電容性電容性電感性電感性 fXqO之間的一個頻率點與振蕩器會工作在pqff蕩器形成電容反饋型三端振晶體呈大電感特性,皮爾斯(Pierce)振蕩器等效電路 Co Lq C1 C2 rq b c e Cq a Lq rq Cq a Co CL c b 振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱，提高了穩(wěn)定性。振蕩回路與晶體管、負載之間的耦合很弱，提高了穩(wěn)定性。(2

40、) 振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定，而石英晶振本身的振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定，而石英晶振本身的 參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。(3) 由于晶振的等效電感極大，所以由于晶振的等效電感極大，所以LC回路的回路的Q值極高，頻率穩(wěn)值極高，頻率穩(wěn)定作用很強。定作用很強。2、密勒(Miller)振蕩電路即b-e型（晶體位于三極管be之間）C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JTOSCfCL1121令之間也呈感性與晶體工作與呈感性則pqffCL,11蕩器構成電感反饋型三端振型穩(wěn)定性不如cb7.6.3 串聯(lián)型晶體振蕩器 Cb Re VCC R C1 C2 L C3

41、 1600p 680 C 20k 2.2k Rb1 Rb2 Cp 300p 3.8F Re C1 C2 C3 L fqfp電容性電容性電容性電容性電感性電感性 fXqO的作用閘門晶振起到一個反饋qOSCff7.7 振蕩器中的幾種常見的現(xiàn)象n間歇振蕩現(xiàn)象n頻率拖曳現(xiàn)象n頻率牽引現(xiàn)象（有的書上稱“頻率占據(jù)現(xiàn)象”）這些現(xiàn)象在設計振蕩器時都是應當盡量避免的。這些現(xiàn)象在設計振蕩器時都是應當盡量避免的。間歇振蕩現(xiàn)象間間歇歇振振蕩蕩是是指指振振蕩蕩器器工工作作時時, ,時時而而起起振振, ,時時而而停停振振的的一一種種振振蕩蕩現(xiàn)現(xiàn)象象. .buRb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbECubieUE+UB

42、E _不斷減小，的不斷增加，隨著BEEUU類過渡放大器必然從甲類向丙于截止區(qū)三極管會有一段時間處的放電來維持靠此時eECU放電時間過長但是如果eeCR各變量的動態(tài)變化有可能導致跟不上圖中0,BEU后果是導致負偏壓過大進而導致暫時停振頻率拖曳現(xiàn)象 振振蕩蕩器器為為了了將將信信號號傳傳輸輸?shù)降较孪乱灰患壖壺撠撦d載上上, ,往往往往采采用用互互感感或或其其它它藕藕合合形形式式. .一一旦旦藕藕合合系系數(shù)數(shù)過過大大, ,而而負負載載又又是是一一個個調調諧諧回回路路, ,則則調調節(jié)節(jié)次次級級回回路路時時, ,振振蕩蕩頻頻率率也也會會隨隨之之變變化化, ,甚甚至至產產生生頻頻率率跳跳變變. .這這一一現(xiàn)現(xiàn)象象通通常常稱稱為為頻頻率率拖拖曳曳現(xiàn)現(xiàn)象象. .Rb1Rb2CbRcReCeC1C2C3R2EC性如果負載回路恰好呈容了一個那么兩級回路恰好構成雙調諧耦合回路當耦合系數(shù)較大時路控制諧振頻率不僅受初級回至跳變因此會產生頻率偏移甚)2( 峰值還會受到次級回路影響負載負載頻率牽引現(xiàn)象（有的書上稱“頻率占據(jù)現(xiàn)象”）n當一個振蕩器與一個信號源耦合過強，同時信號源的頻率與振蕩器的頻率接近時，LC振蕩器輸出頻率會受信號源的頻率牽引而隨之變化，而不再是自主振蕩。FA當于振蕩器的外加激勵可以看出此時信號源相率接近時當信號源頻率與振蕩頻回路無法將其徹底濾除振蕩器