第4章正弦波振蕩器

1、4.1 概述概述4.2 反饋型振蕩器的基本工作原理反饋型振蕩器的基本工作原理4.3 LC正弦振蕩電路正弦振蕩電路4.4 晶體振蕩器晶體振蕩器4.5 實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn):正弦波振蕩器的仿真與蒙托卡諾正弦波振蕩器的仿真與蒙托卡諾 （Monte Carlo）分析）分析第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器4.1 概述概述 正弦波振蕩器是一種將直流電能自動轉(zhuǎn)換成所需交流電能的電路。它與放大器的區(qū)別在于這種轉(zhuǎn)換不需外部信號的控制。振蕩器輸出的信號頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數(shù)決定。 正弦波振蕩器在各種電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。例如，無線發(fā)射機(jī)中的載波信號源，接收設(shè)備中的本地振蕩信號源，各種測量儀器如信號發(fā)生器

2、、頻率計(jì)、T測試儀中的核心部分以及自動控制環(huán)節(jié)，都離不開正弦波振蕩器。 正弦波振蕩器可分成兩大類：一類是利用正反饋原理構(gòu)成的反饋型振蕩器，它是目前應(yīng)用最多的一類振蕩器；另一類是負(fù)阻振蕩器，它是將負(fù)阻器件直接接到諧振回路中，利用負(fù)阻器件的負(fù)電阻效應(yīng)去抵消回路中的損耗，從而產(chǎn)生等幅的自由振蕩，這類振蕩器主要工作在微波頻段。4.2 反饋型振蕩器的基本工作原理反饋型振蕩器的基本工作原理 反饋型振蕩器是通過正反饋聯(lián)接方式實(shí)現(xiàn)等幅正弦振蕩的電路。這種電路由兩部分組成，一是放大電路，二是反饋網(wǎng)絡(luò)，見圖4.1(a)。對電路性能的要求可以歸納為以下三點(diǎn)： (1)保證振蕩器接通電源后能夠從無到有建立起具有某一固定

3、頻率的正弦波輸出。 (2)振蕩器在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后能維持一個(gè)等幅連續(xù)的振蕩。 (3)當(dāng)外界因素發(fā)生變化時(shí)，電路的穩(wěn)定狀態(tài)不受到破壞。圖4.1 反饋振蕩器的組成方框圖及相應(yīng)電路(a)放大器反饋網(wǎng)絡(luò)UfUiUoUfUfUoUiUfLfLC諧振放大器反饋網(wǎng)絡(luò)(b) 1.起振條件 振幅起振條件UfUi或T(j)1 (41) 相位起振條件T=2n n=0,1,2,3， (42) 式中， T(j)表示環(huán)路增益,()() ()fofiioUU UT jA jF jUU UT表示環(huán)路相移。 2. 平衡條件 振蕩器起振后，振蕩幅度不會無限增長下去，而是在某一點(diǎn)處于平衡狀態(tài)。因此，反饋振蕩器既要滿足起振條件，又要滿足平

4、衡條件。在接通電源后，依據(jù)放大器大振幅的非線性抑制作用，環(huán)路增益T(j)必具有隨振蕩器電壓振幅Ui增大而下降的特性，如圖4.2所示。 由上面分析可得平衡條件： 振幅平衡條件UfUi或T(j)1 (43) 相位平衡條件T=2n n=0,1,2,3， (44)圖4.2 滿足起振條件和平衡條件的環(huán)路增益特性 UiAT(j)Ui10A圖4.3 振蕩幅度的建立和平衡過程起振平衡UiTA10UiAUiAUiA圖4.4 振蕩幅度的確定 1.振幅穩(wěn)定條件 設(shè)振蕩器在Ui=UiA滿足振幅平衡條件，如圖4.4所示。在點(diǎn)為平衡點(diǎn)，T(j)1。 由以上分析可知，平衡點(diǎn)為一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)的條件是，在平衡點(diǎn)附近環(huán)路增益T(j)

5、應(yīng)具有隨Ui增大而減小的特性，即()0iiAUUT jU(45) 2. 相位穩(wěn)定條件 外界因素的變化同樣會破壞相位平衡條件，使環(huán)路相移偏離2n。相位穩(wěn)定條件是指相位條件一旦被破壞時(shí)環(huán)路能自動恢復(fù)T=2n所應(yīng)具有的條件。 相位穩(wěn)定條件是 00a (46) 滿足相位穩(wěn)定條件的T()特性曲線如圖4.5所示。上式表示T()在0附近具有負(fù)斜率變化，其絕對值愈大，相位愈穩(wěn)定。 在LC并聯(lián)諧振回路中，振蕩環(huán)路T()=A()+F()，即T()由兩部分組成，其中,F()是反饋網(wǎng)絡(luò)相移，與頻率近似無關(guān)；A()是放大器相移，主要取決于并聯(lián)諧振回路的相頻特性Z()，見圖4.6， 002()( )arctanZcQ 圖

6、4.5 滿足相位穩(wěn)定條件的T()特性T010 T 可見，振蕩電路中，是依靠具有負(fù)斜率相頻特性的諧振回路來滿足相位穩(wěn)定條件的，且越大，Z()隨增加而下降的斜率就越大，振蕩器的頻率穩(wěn)定度也就越高。 圖4.6 諧振回路的相頻特性曲線(a)并聯(lián)諧振回路；(b)相頻特性曲線 Z00(a)(b) (1) 放大電路。 (2) 正反饋網(wǎng)絡(luò)。 (3) 選頻網(wǎng)絡(luò)。 (4) 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。 4.3 LC正弦振蕩電路正弦振蕩電路 1.三點(diǎn)式振蕩器的原理電路 圖4.7（）所示為電容三點(diǎn)式電路，又稱為考畢茲電路，它的反饋電壓取自C1和C2組成的分壓器；圖4.7（）所示為電感三點(diǎn)式電路，又稱為哈脫萊電路，它的反饋電壓取自L1和

7、L2組成的分壓器。從結(jié)構(gòu)上可以看出,三極管的發(fā)射極相接兩個(gè)相同性質(zhì)的電抗元件，而集電極與基極則接不同性質(zhì)的電抗元件。 圖4.7 三點(diǎn)式振蕩器的原理電路C1C2iUfUoULL1L2iUfUoUCVV(a)(b) 2. 三點(diǎn)式振蕩電路 1) 電容耦合振蕩電路 圖4.8給出兩種電容三點(diǎn)式振蕩器電路。圖(a)、(b)中，L、C1和C2為并聯(lián)諧振回路，作為集電極交流負(fù)載；R1、R2和R3為分壓式偏置電阻；C3、C4和C5為旁路和隔直流電容；RL為輸出負(fù)載電阻。 由圖（）可求得小信號工作時(shí)的電壓增益為 omupiUgAgU(47) 式中，gpgo+gL，go為振蕩輸出回路的固有電導(dǎo)，gL為負(fù)載電導(dǎo)。 圖

8、4.8 三點(diǎn)式振蕩電路R1R2R3C3C4C5C1C2LR1R2R3C3C4VVRLC1C2L(a)(b)VLcC1C2LR2R1LC1C2VR3(c)(d )UCCUCCLcRL圖4.9 簡化等效電路fULC1C2CceCbeVebciUfUeC1C2LgmUigPg0gL(a)(b)RLUogi 當(dāng)考慮晶體管結(jié)電容CCe和Cbe對電路的影響時(shí)，反饋系數(shù)由下式求得: 式中，C1=C1+CCe，C2=C2+Cbe。 根據(jù)(j)，由式(47)、(48)可求得起振條件: 21fzoUCFCCU(48) 1mpggF (49) 電容三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率由下式求得: 121212ofLCC CCCC

9、 2) 電感耦合振蕩電路 圖4.10給出電感三點(diǎn)式振蕩電路。圖(a)中，L1、L2和C組成并聯(lián)諧振回路，作為集電極交流負(fù)載；R1、R2和R3為分壓式偏置電阻；C1和C2為隔直流電容和旁路電容。圖(b)是圖（）的交流等效電路。 圖4.10 電感三點(diǎn)式振蕩器R1R2R3LVC1C2CL1L2VL1L2C(a)(b)UCC 下面我們利用型等效電路來討論電感三點(diǎn)式振蕩電路。這里只給出結(jié)果：反饋系數(shù)由下式求得： 2211LMNFLMN(411) 式中，1、2分別為線圈L1、L2的匝數(shù)；M為L1、L2間的互感。 根據(jù)(j)，可求得起振條件: 1mpggF(412) 電感三點(diǎn)式振蕩器的振蕩頻率由下式求得 0

10、12122fLCLLLM(413) 1. 串聯(lián)改進(jìn)型振蕩電路 如圖4.11(a)所示,該電路的特點(diǎn)是在電感支路中串接一個(gè)容量較小的電容C3。此電路又稱為克拉潑電路。其交流通路見圖4.11（）。 回路總電容C為031122fLCLC(414) VC1C2LC3ReRb2CbRb1Rc(a)UCCLC3C1C2CbeCceVCcb(b)圖4.11 克拉波電路及交流通路 2. 并聯(lián)改進(jìn)型振蕩電路 通常,C3、C4為同一數(shù)量級的電容，故回路總電容CC3+C4。西勒電路的振蕩頻率為03412()fL CC(415) 與克拉潑電路相比，西勒電路不僅頻率穩(wěn)定性高，輸出幅度穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)方便，而且振蕩頻率范圍

11、寬，振蕩頻率高，因此，是目前應(yīng)用較廣泛的一種三點(diǎn)式振蕩電路。 圖4.12 西勒振蕩電路及交流通路VC1C2LC3ReRb2CbRb1RcC2C4(a)UCCLC3C1C2CbeCceVC4(b)4.4 晶體振蕩器晶體振蕩器 石英諧振器（簡稱晶體）是利用石英晶體（二氧化硅）的壓電效應(yīng)而制成的一種諧振元件。 它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4.13所示，在一塊石英晶片的兩面涂上銀層作為電極，并從電極上焊出引線固定于管腳上，通常做成金屬封裝的小型化元件。 圖4.13 石英諧振器 晶片圖4.14 石英晶體振蕩器的等效電路abcC0CqrqLq 由圖4.14可求得石英晶體的等效阻抗為（忽略rq）2201()11()1s

12、eepsqqZjjXCL C 式中，s為晶體串聯(lián)諧振角頻率， p為晶體并聯(lián)諧振角頻率， qopqqoCCL C C(416) 圖4.15 晶體的阻抗頻率特性感性Xe容性容性ps表41 1.并聯(lián)型晶體振蕩電路 并聯(lián)型晶振電路的工作原理和一般三點(diǎn)式LC振蕩器相同，只是把其中的一個(gè)電感元件用晶體置換，目的是保證反饋電壓中僅包含所需要的基音頻率或泛音頻率，而濾除其它的奇次諧波分量。 圖4.16 皮爾斯晶體振蕩電路UCCVC1C2R3CbLcR1BCcR2C1C2LR3C0LqCqrqV晶體RLRL(a)(b)圖4.17 晶體振蕩實(shí)例C1C4C2C3V320 p120 p2004700 p75030 k

13、6.8 kBUCCVC1C2LC4(a)(b) 圖4.18 泛音晶體振蕩電路及LC回路的電抗頻率特性 C1C2L1BV(a)01234567fXe(b) 2. 串聯(lián)型晶體振蕩電路 頻率穩(wěn)定度完全取決于晶體的穩(wěn)定度。諧振回路的頻率為012fLC圖4.19 串聯(lián)型晶體振蕩電路VC1C2LC3ReCbR1UCCR2RC4VBBLC3C1C2Re(a)(b)4.5 實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn):正弦波振蕩器的仿真與蒙托卡諾正弦波振蕩器的仿真與蒙托卡諾（MonteCaRlo）分析）分析 范例：觀察輸出波形及蒙托卡諾分析步驟一 繪出電路圖 (1)請建立一個(gè)項(xiàng)目Ch4，然后繪出如圖4.20所示的電路圖。 (2)圖中U是正弦波振

14、蕩器激勵(lì)信號（用脈沖信號源代替），參數(shù)設(shè)置如下： AC:交流值，現(xiàn)設(shè)為100mV。 U1:初始電壓，設(shè)定為0V。TD:出現(xiàn)第一個(gè)脈沖延遲時(shí)間，設(shè)定為2ns。TR:上升時(shí)間，設(shè)定為2ns。TF:下降時(shí)間，設(shè)定為2ns。PW:脈沖寬度，設(shè)定為2s。PER:周期，設(shè)定為0。 (3)在作蒙托卡諾分析時(shí)，設(shè)定L1的容差為15%，L2的容差為15%。 (4)將圖4.20中的其它元件編號和參數(shù)按圖中設(shè)置。 圖4.20 正弦波振蕩器V1R1R2C1C3C4R3L3UCCC5110 FU1001000.01 F0.01 H150.11 pF100C2L1L213.2 pF0.03 H150.001 HA10 V

15、0.1 FG 步驟二 設(shè)置Transient Analysis(瞬態(tài)分析) (1)在PSpiCe電路分析功能（分析設(shè)置）項(xiàng)中，選Transient Analysis(瞬態(tài)分析)。 (2)在Transient Analysis(瞬態(tài)分析)中，設(shè)置繪圖的時(shí)間增量，設(shè)定為1000ns；設(shè)置瞬態(tài)分析終止時(shí)間，設(shè)定為120s。 步驟三 設(shè)置ACSweep(交流分析) (1)在PSpiCe電路分析功能（分析設(shè)置）項(xiàng)中，選ACSweep(交流分析)。 (2)在AC Sweep(交流分析)中，選用OCtave(倍頻程)掃描或DeCade(十倍頻程)掃描類型。 (3)設(shè)StaRt FRequenCy(仿真起始頻

16、率)為20kHz，設(shè)End FRequenCy(仿真終點(diǎn)頻率)為500kHz，設(shè)每DeCade(十倍頻程)掃描記錄100點(diǎn)。 步驟四設(shè)置蒙托卡諾(Monte CaRlo)分析 (1)在PSpiCe電路分析功能（分析設(shè)置）項(xiàng)中，選蒙托卡諾(Monte CaRlo)分析。 (2)在蒙托卡諾(Monte CaRlo)分析中，設(shè)定MC運(yùn)行次數(shù)為50次；分析類型選AC；設(shè)定輸出變量為U(A)；在求值方式中，選每個(gè)波形與標(biāo)稱運(yùn)行值的最大差值；在輸出形式上選擇，只給出前次運(yùn)行的輸出數(shù)據(jù)（設(shè)n=3）。 步驟五存檔 在執(zhí)行PSpiCe分析以前最好養(yǎng)成存檔習(xí)慣，先存檔一次，以防萬一。 步驟六啟動PSpiCe進(jìn)行仿

17、真觀察TRansient(輸出波形)在PRobe窗口中選擇TRaCeAdd，打開Add TRaCe對話框。在窗口下方的TRaCe ExpRession欄處用鍵盤輸入“U(A)”。用鼠標(biāo)選“OK”退出Add TRaCe窗口。這時(shí)的PRobe窗口出現(xiàn)正弦波振蕩器輸出波形，見圖4.21。 圖4.21 正弦波振蕩器輸出波形4.0 V2.0 V0.0 V0 s40 s80 s120 sTime U(A)2.0 V U(U1)U(A)U(U1) 步驟七啟動PSpiCe進(jìn)行仿真并觀察ACSweep(輸出波形) 在PRobe窗口中選擇TRaCeAdd，打開AddTRaCe對話框。請?jiān)诖翱谙路降腡RaCeExpRession欄處輸入“U(A)”。選“OK”,退出AddTRaCe窗口。這時(shí)的PRobe窗口出現(xiàn)正弦波振蕩器的幅頻特性曲線，見圖4.22。圖4.22 正弦波振蕩器幅頻特性曲線5.0 V50 kHz0 V100 kHz150 kHzFrequency U(A) 步驟八啟動PSpiCe仿真并觀察蒙托卡諾(Monte CaRlo)分析的輸出波形 在PRobe窗口中選擇Tra CeAdd，