第三章正弦波振蕩器ppt課件

1、第三章正弦波振蕩器第三章 正弦波振蕩器第一節(jié) 反饋振蕩器的工作原理 第二節(jié) LC正弦波振蕩器 第三節(jié) LC正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定度 第四節(jié) 晶體振蕩器第五節(jié) RC正弦波振蕩器 第六節(jié) 負(fù)阻正弦波振蕩器 第七節(jié) 寄生振蕩、間歇振蕩和頻率占據(jù)第三章正弦波振蕩器（1定義：定義：振蕩器是一種不需外加信號激勵而能自動將直流能量變換為周期性交變能振蕩器是一種不需外加信號激勵而能自動將直流能量變換為周期性交變能量的裝置。量的裝置。（2分類：分類：按振蕩波形分類：振蕩器分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。按振蕩波形分類：振蕩器分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。按工作機理分類：根據(jù)產(chǎn)生振蕩的機理，正弦振蕩器還可分

2、為反饋振蕩器按工作機理分類：根據(jù)產(chǎn)生振蕩的機理，正弦振蕩器還可分為反饋振蕩器和負(fù)阻振蕩器和負(fù)阻振蕩器按選頻網(wǎng)絡(luò)分類：分為按選頻網(wǎng)絡(luò)分類：分為RC振蕩器、振蕩器、LC振蕩器、晶體振蕩振蕩器、晶體振蕩器以及壓控振蕩器器以及壓控振蕩器VCO）、壓控晶體振蕩器）、壓控晶體振蕩器VCXO）等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，相繼又出現(xiàn)了集成振蕩器、開等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，相繼又出現(xiàn)了集成振蕩器、開關(guān)電容振蕩器等。關(guān)電容振蕩器等。第三章正弦波振蕩器3.1 反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的工作原理組成：主組成：主 網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò)負(fù)載為諧振回路的諧振放大器負(fù)載為諧振回路的諧振放大器反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)保證能形成正反饋保證能形成

3、正反饋(LC、RC、晶體、負(fù)阻、晶體、負(fù)阻)()()(.jkjAVVVVVVjTfofioif第三章正弦波振蕩器3.1.1 平衡和起振條件平衡和起振條件一、平衡條件一、平衡條件在在a圖所示的閉會回路中，將它在圖所示的閉會回路中，將它在處斷開，環(huán)路的增益為：處斷開，環(huán)路的增益為：若在某一頻率上設(shè)為若在某一頻率上設(shè)為osc），）， （同相又等幅），即（同相又等幅），即T(josc)1則主網(wǎng)絡(luò)必將輸出角頻率為則主網(wǎng)絡(luò)必將輸出角頻率為osc的正弦振蕩電壓的正弦振蕩電壓Vo，而它所需的輸入電壓，而它所需的輸入電壓Vi 則全部由反饋電壓則全部由反饋電壓Vf提供，無須外加輸入電壓。提供，無須外加輸入電壓。令

4、令 上式可寫成兩部分上式可寫成兩部分 T(osc)1 幅度平衡條件幅度平衡條件 Tosc）2n （n0,1,2,） 相位平衡條件相位平衡條件 )()()(.jkjAVVVVVVjTfofioif.ifVV )()()(oscTeTjToscosc第三章正弦波振蕩器二、起振條件事實上，滿足平衡條件只是說明閉合回路能夠維持等幅持續(xù)振蕩，而沒有說明電路在電源接通后振蕩的建立過程。起振的條件是 T(osc)1或 Vf Vi 幅度起振條件 Tosc）2n （n0,1,2,） 相位起振條件總之，作為反饋振蕩器，既要滿足起振條件，又要滿足平衡條件；為此電路中必須要有非線性元件，使電源接通后，環(huán)路增益的模值T

5、osc必須具有隨振蕩電壓幅值Vi增大而下降的特性。這樣，起振時，T(osc)1，Vi迅速增大，而后T(osc)下降，Vi的增長速度變慢，直到T(osc)1時，停止增長，振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)，在相應(yīng)的平衡振幅ViA上維持等幅振蕩。 第三章正弦波振蕩器3.1.2 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 振蕩電路中不可避免地要受到電源電壓、環(huán)境溫度、濕度等因數(shù)變化的振蕩電路中不可避免地要受到電源電壓、環(huán)境溫度、濕度等因數(shù)變化的影響，這將引起振蕩電壓幅度及其相移的起伏波動，從而破壞已維持的平衡影響，這將引起振蕩電壓幅度及其相移的起伏波動，從而破壞已維持的平衡條件。因而，振蕩器還必須滿足穩(wěn)定條件，才能保證所處的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定條

6、件。因而，振蕩器還必須滿足穩(wěn)定條件，才能保證所處的平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。的。一、振幅穩(wěn)定條件一、振幅穩(wěn)定條件要使平衡點穩(wěn)定，要使平衡點穩(wěn)定，T(osc)必須在必須在ViA附近具有負(fù)斜率變化，即隨附近具有負(fù)斜率變化，即隨Vi增大而增大而下降的特性；下降的特性；即即0)(|iAiioscVVVT這個斜率越陡，表明因外界引起振蕩幅度的波動即振幅穩(wěn)定度也就越小。 第三章正弦波振蕩器第三章正弦波振蕩器二、相位頻率穩(wěn)定條件 要使振蕩器的相位平衡條件穩(wěn)定，T()必須在osc附近具有負(fù)斜率變化，即隨增大而下降的特性；即 這個斜率越陡，表明因外界引起振蕩頻率的波動即頻率穩(wěn)定度也就越小。 0)(|oscT第三章正弦波

7、振蕩器小結(jié)：要產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足振蕩的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件；因而，在由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的閉合環(huán)路中，必須包括可變增益放大器和移相網(wǎng)絡(luò)?？勺円葡喾糯笃饔凶銐虻脑鲆妫移渲稻哂须S輸入電壓增大而減小的特性；移相網(wǎng)絡(luò)具有負(fù)斜率變化的相頻特性，且保證環(huán)路在振蕩頻率上的相移為02n）。 第三章正弦波振蕩器3.2 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器主要介紹三點式振蕩器和差分對管振蕩器主要介紹三點式振蕩器和差分對管振蕩器一、電路的組成法則一、電路的組成法則 與發(fā)射極相連的為兩個同性電抗，另一個接在集電極與基與發(fā)射極相連的為兩個同性電抗，另一個接在集電極與基極間為異性電抗。極間為異性電抗。

8、3.2.1三點式振蕩電路三點式振蕩電路第三章正弦波振蕩器證明：如圖c所示理想）由于回路諧振：X1X2X30由于Vo與Vi反相共射）Vf是Vo在X3、X2支路中X2上的電壓即 為了滿足相位平衡條件，Vf就必須與Vo反相，因而X2必須與X1為同性質(zhì)電抗，再由X1X2X30 ，可知X3應(yīng)為異性電抗。 oXXoXXjjXVVVf.12.322.)(第三章正弦波振蕩器二、三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路(反饋信號是電容上的電壓)電感三點式振蕩電路(反饋信號是電感上的電壓)電容三點式振蕩電路 兩圖的區(qū)別是交流接地電極方式不同，所以反饋方式也不同；（a反饋電壓加到三極管的基極，（b反饋電壓加到三極管的發(fā)射極

9、第三章正弦波振蕩器第三章正弦波振蕩器就交流通路而言，不論三極管哪一個極交流接地，它們都是由可變增益器件三極管和移相網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)諧振回路組成，且滿足三點式振蕩電路的組成法則。 第三章正弦波振蕩器電路中，作為可變增益器件的三極管必須由偏置電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，以保證起振時工作在放大區(qū)，提供足夠的增益，滿足起振條件；起振后，振蕩振幅增長，直到三極管呈現(xiàn)非線性特性時，放大器的增益將隨振蕩幅度增大而減小，同時，偏置電路產(chǎn)生的自給偏置效應(yīng)又進(jìn)一步加速放大器增益的下降。 VBBVCCRB2/(RB1+RB2)RB = RB1RB2 VBEQ=VBQVEQ VBQ=VBBIBQRB VEQ=IEQRE (a)

10、第三章正弦波振蕩器(b) 當(dāng)vi增大到三極管非線性區(qū)時，vi的一部分進(jìn)入截止區(qū)，三極管的集電極電流和基極電流已不再是正弦波而是失真的脈沖波不對稱性圖c），它們的平均值IC0、IB0將大于靜態(tài)值ICQ、IBQ，且隨vi的增大而增大，結(jié)果是VB0減小，相應(yīng)的VBE0減小，從而達(dá)到穩(wěn)幅的效果。 同理可分析電感三點式振蕩電路反饋信號是電感上的電壓）。 第三章正弦波振蕩器三、電容三點式振蕩電路的起振條件由放大器增益分析和相位Tosc）2n、幅度T(osc)1或 Vf Vi 的起振條件可推導(dǎo)出：相位起振條件為振幅起振條件為0,21,212LioscgLgCCCLC)11 ()1 (121,2,LCgCCg

11、gOSCiLm第三章正弦波振蕩器下面對上述起振條件作簡要的討論1、振蕩角頻率osc 由相位條件可推出 其中 （總電容）、 (固有諧振頻率)上式表明，電容三點式振蕩器的振蕩頻率osc不僅與o有關(guān)，而且還與gi 、gL即回路固有諧振電阻Re0、外接電阻RL和Ri有關(guān)，且osco 。電路中一般滿足因而，工程計算時，可近似為,2120,0,21,11CCggCCggLCLiLiosc,21,21CCCCCLC10,2120LiggCCLCosc10第三章正弦波振蕩器2、幅度起振條件的簡化 令osco ，則幅度起振條件可簡化為 設(shè) (稱為電容分壓比)上式又可改寫為 或 式中，分母為回路諧振時集電極上的總

12、電導(dǎo)，gm除以總電導(dǎo)就是回路諧振時放大器的電壓增益Av(o)，而n則是反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)kfv，因而又可表達(dá)為Av(o)kfv 1211121,CCCgCCCggiLm,211CCCniLmnggng,112,iLmgnggn它就是所描述的放大電路的自激振蕩條件。 第三章正弦波振蕩器四、用工程估算法求起振條件小結(jié)） 1、將閉合回路斷開。畫出推導(dǎo)T(j)的開環(huán)等效電路；2、求出諧振回路的固有諧振頻率o ，并令osco ；3、將接在諧振回路各部分的電導(dǎo)電阻折算到集電極上，分別求出放大器回路諧振時的增益和反饋系數(shù)，便可得到振幅起振條件。 第三章正弦波振蕩器直流分析：T1、T2的基極和T2的集電極同電

13、位VBB，要限制LC振蕩電壓，防止T2飽和導(dǎo)通。交流分析：諧振電壓加在T1的基極上，形成正反饋。穩(wěn)幅過程：T的截止，恒流源I0對T2的負(fù)反饋控制。3.2.2差分對管振蕩電路索尼振蕩器）差分對管振蕩電路索尼振蕩器）第三章正弦波振蕩器3.3 LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度：在規(guī)定時間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、頻率穩(wěn)定度：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電源電壓等變化范圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化量，簡稱頻穩(wěn)度。是振蕩器的重要指標(biāo)之一。量，簡稱頻穩(wěn)度。是振蕩器的重要指標(biāo)之一。長期頻穩(wěn)度：一天以上元器件的老化）長期頻穩(wěn)度：一天以上元器件的老化）瞬時頻穩(wěn)度

14、：秒級電路內(nèi)部的噪聲）瞬時頻穩(wěn)度：秒級電路內(nèi)部的噪聲） 短期頻穩(wěn)度：一天以內(nèi)溫度、電源電 壓的變化）第三章正弦波振蕩器3.3.1 提高頻率穩(wěn)定度的基本措施提高頻率穩(wěn)定度的基本措施一、頻率溫穩(wěn)定度的定性分析一、頻率溫穩(wěn)定度的定性分析Tosc） 相移相移A） 主網(wǎng)絡(luò)相移主網(wǎng)絡(luò)相移主要是主要是Z）并聯(lián)回路的相移并聯(lián)回路的相移 f） 反饋網(wǎng)絡(luò)相移反饋網(wǎng)絡(luò)相移 相位平衡條件相位平衡條件 Tosc）0 變?yōu)樽優(yōu)門osc）Zosc）fosc）0 式中式中00)(2arctan)(eZQ第三章正弦波振蕩器二、提高穩(wěn)定度的措施1、減小外界因素的變化溫度、濕度、大氣壓力、電源電壓、磁場、機械振動、負(fù)載）2、提高振

15、蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性L、C、溫度補償、縮短引線） 第三章正弦波振蕩器3.3.2 克拉潑振蕩電路克拉潑振蕩電路與電容三點式相比圖與電容三點式相比圖3-2-3b），多串聯(lián)了電容），多串聯(lián)了電容C3，要求，要求C3較較小，這樣回路的總電容主要取決于小，這樣回路的總電容主要取決于C3，而回路中不穩(wěn)定的電容，而回路中不穩(wěn)定的電容主要是三極管的極間電容，而它們又直接，并接在較大的主要是三極管的極間電容，而它們又直接，并接在較大的C1、C2上，不影響上，不影響C3的值，結(jié)果是減小了這些不穩(wěn)定電容對振蕩頻的值，結(jié)果是減小了這些不穩(wěn)定電容對振蕩頻率的影響。率的影響。第三章正弦波振蕩器3.4 晶體振蕩器晶體振蕩器3.3

16、.1 石英諧振器的電特性石英諧振器的電特性石英諧振器是一種利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器石英諧振器是一種利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件壓電效應(yīng)）。振動頻率的溫度系數(shù)與切型有關(guān)。件壓電效應(yīng)）。振動頻率的溫度系數(shù)與切型有關(guān)。 忽略忽略rq，晶體兩端的阻抗為純電抗，為，晶體兩端的阻抗為純電抗，為式中式中石英晶體的振動具有多諧性，可產(chǎn)生基頻振動和泛頻振動。220)/(1)/(11)(pscrcrCjjXjZ001,1CCCCLCLqqqpqqs第三章正弦波振蕩器根據(jù)上式可畫出下面電抗曲線圖 由圖可見，在sp的頻率范圍內(nèi)Xcr為正值，呈感性；在其它頻率段內(nèi)，Xcr為負(fù)值，呈容性；在s上

17、，Xcr0電抗為0），具有串聯(lián)諧振特性，相應(yīng)的s成為串聯(lián)諧振頻率；在p上，Xcr （電納為0），具有并聯(lián)諧振特性，相應(yīng)的p并聯(lián)諧振頻率。 第三章正弦波振蕩器001,1CCCCLCLqqqpqqs改寫p的表達(dá)式由于Cq/C0的值很小，所以p與s的間隔也很??；因而，在實際振蕩電路中，往往在晶體的兩端并接有大電容CL，以改變相應(yīng)的并聯(lián)諧振頻率。00021)211 (11CCCCCCCLqsspqsqqqp或第三章正弦波振蕩器3.3.2 晶體振蕩電路舉例晶體振蕩電路舉例第三章正弦波振蕩器3.5 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路采用采用RC電路作為移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器。（利用了電路作為移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器。（利

18、用了RC對相位的導(dǎo)前對相位的導(dǎo)前或滯后以及放大器的相移使總相移滿足自激振蕩條件）或滯后以及放大器的相移使總相移滿足自激振蕩條件） 頻率：RCosc61條件：29RRf第三章正弦波振蕩器頻 率： RCfRCosc21 , 1條件：)(3111100212.jRCjRCjRRCjRZZZF31max.F有起振條件 AF 1 A 3 由 可得出Rt 2R1 11RRAtf第三章正弦波振蕩器3.6 負(fù)阻正弦波振蕩器負(fù)阻正弦波振蕩器負(fù)阻振蕩器是指負(fù)阻器件與負(fù)阻振蕩器是指負(fù)阻器件與LC諧振回路共同構(gòu)成的一種正弦波諧振回路共同構(gòu)成的一種正弦波振蕩器。（可以達(dá)到很高的頻率）振蕩器。（可以達(dá)到很高的頻率）負(fù)阻控

19、制振蕩電壓，達(dá)到起振和穩(wěn)幅的效果。 第三章正弦波振蕩器3.6.1 負(fù)阻器件負(fù)阻器件1小信號模型小信號模型增量電阻為負(fù)值的器件。如隧道二極管增量電阻為負(fù)值的器件。如隧道二極管設(shè)設(shè) vDVQvVQVmsint那么那么 iDIQiIQImsint其中增量電流其中增量電流 i（gnv（gnVmsintImsint式中式中 ImgnVm gn是隧道二極管在靜態(tài)工作點上的增量電導(dǎo)，是隧道二極管在靜態(tài)工作點上的增量電導(dǎo)，其值為負(fù)其值為負(fù)gn是正值）是正值）因此加到器件上的平均功率為因此加到器件上的平均功率為TTnmQQmmQQmQmQDDgVIVIVIVdttIItVVTdtivTP00222)sin)(s

20、in(11式中的第一項表示直流電源供給器件的平均功率，第二項表示器件給出的交流功率，總和是器件消耗功率；因此它具有將直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率的作用。 第三章正弦波振蕩器 當(dāng)器件在小信號工作時，gn為定值；在大信號狀態(tài)下，基波電流分量的增長將隨電壓的增大而逐步趨緩，結(jié)果使gn(av)減小。（傅里葉級數(shù)） 2大信號模型第三章正弦波振蕩器3.6.2 負(fù)阻振蕩器原理及其電路負(fù)阻振蕩器原理及其電路如圖如圖3.6.3，根據(jù)振蕩原理，開始時，根據(jù)振蕩原理，開始時gn ge0，即，即ge為負(fù)值，則為負(fù)值，則振蕩電壓幅度按指數(shù)規(guī)律增長；隨著振蕩電壓的增長，振蕩電壓幅度按指數(shù)規(guī)律增長；隨著振蕩電壓的增長，gn(av

21、)相相應(yīng)減小，直到應(yīng)減小，直到gn(av) = ge0，即，即ge0時，并聯(lián)諧振回路便在相應(yīng)時，并聯(lián)諧振回路便在相應(yīng)的平衡振幅上持續(xù)正弦振蕩。的平衡振幅上持續(xù)正弦振蕩。第三章正弦波振蕩器 串聯(lián)型 并聯(lián)型起振條件： rrL RRe平衡條件：-r+rL+joL+1/joC=0 -1/R+1/Re+joC+1/joL=0諧振頻率： r=rL R=Re 時：第三章正弦波振蕩器3.7 寄生振蕩、間歇振蕩和頻率占據(jù)寄生振蕩、間歇振蕩和頻率占據(jù)3.7.1 寄生振蕩寄生振蕩寄生振蕩是由于電路中的某些集總參數(shù)直流供電電路元件寄生振蕩是由于電路中的某些集總參數(shù)直流供電電路元件和分布參數(shù)管子極間電容、分布電容、引線電感構(gòu)成的閉和分布參數(shù)管子極間電容、分布電容、引線電感構(gòu)成的閉合環(huán)路滿足振蕩條件而自行產(chǎn)生的一種不希望振蕩。合環(huán)路滿足振蕩條件而自行產(chǎn)生的一種不希望振蕩。 低