通信電子電路Chap

1、第四章第四章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器目目 錄錄4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的工作原理4.3 4.3 三點式三點式LCLC振蕩器振蕩器4.4 4.4 改進型電容三點式改進型電容三點式LCLC振蕩器振蕩器4.5 LC4.5 LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.6 4.6 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器本章要點本章要點返回主目錄返回主目錄4.1 概述概述一、定義一、定義（P89） 正弦波振蕩器是不需要輸入信號控制就能自動地正弦波振蕩器是不需要輸入信號控制就能自動地將直流能量轉(zhuǎn)換為特定頻率和振幅的正弦交變能量將直流能量轉(zhuǎn)換為特定頻率和振幅的正弦交變能量

2、的電路。的電路。 振蕩器是一種信號源裝置，它與放大器的最大區(qū)振蕩器是一種信號源裝置，它與放大器的最大區(qū)別在于電路不需要信號輸入，就可以有信號輸出。別在于電路不需要信號輸入，就可以有信號輸出。二、分類二、分類按振蕩器工作原理分為：按振蕩器工作原理分為： 反饋式振蕩器反饋式振蕩器正反饋正反饋 負阻式振蕩器負阻式振蕩器負阻特性負阻特性按振蕩器產(chǎn)生的波形分為：按振蕩器產(chǎn)生的波形分為： 正弦振蕩：如正弦振蕩：如 非正弦振蕩（多諧振蕩）非正弦振蕩（多諧振蕩） ：如施密特觸發(fā)器：如施密特觸發(fā)器各振蕩器工作的頻段：各振蕩器工作的頻段：P90和晶體振蕩和晶體振蕩、RCLC三、正弦波振蕩器的應用三、正弦波振蕩器的

3、應用 高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用電療儀器中的高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源正弦交變能源 微波爐、理療設(shè)備微波爐、理療設(shè)備要求：要求：高效率高效率和和大功率大功率 信號源信號源通信發(fā)射機中的通信發(fā)射機中的本振信號源本振信號源 測試儀表中的測試儀表中的基準信號源基準信號源 數(shù)字系統(tǒng)中的數(shù)字系統(tǒng)中的時鐘信號源時鐘信號源要求：振蕩頻率的要求：振蕩頻率的準確性準確性和和穩(wěn)定性穩(wěn)定性四、振蕩器的基本工作原理四、振蕩器的基本工作原理為自由振蕩的固有角頻率為自由振蕩的固有角頻率RCL和、CRLK12+-Ei022022idtdidtidLC10下圖為由下圖為由 所組成的線性振蕩電路。所組成的線性振蕩電路。

4、描述回路電流自由振蕩的微分方程：描述回路電流自由振蕩的微分方程：LR2式中為回路的衰減系數(shù)為回路的衰減系數(shù)4.2 反饋型正弦波自激振蕩器的基本原理反饋型正弦波自激振蕩器的基本原理一、平衡條件一、平衡條件（必要條件必要條件）在在X處拆開，處拆開，并按所標極性并按所標極性定義的環(huán)路增益定義的環(huán)路增益為：為：ifUUjT.)( 主網(wǎng)絡(luò)主網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)UiUUffUo.ofioUUUU. )()( jFjK 反饋振蕩器是一個由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉合環(huán)路。反饋振蕩器是一個由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉合環(huán)路。若在某一頻率若在某一頻率 上，上， 同相又等幅，即同相又等幅，即oscifUU.與與ifU

5、U.)()()(oscTjoscosceTjT若令若令1)(oscjT平衡條件：平衡條件：1)(oscTnoscT2)( 相位平衡條件：相位平衡條件： 振幅平衡條件：振幅平衡條件：舉例：變壓器耦合反饋振蕩器舉例：變壓器耦合反饋振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)：反饋網(wǎng)絡(luò)：與與L相耦合的線圈相耦合的線圈LfVLCLfU主網(wǎng)絡(luò)主網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)UiUffUo.主網(wǎng)絡(luò)：主網(wǎng)絡(luò)：負載為負載為LC諧振回路的諧振回路的諧振放大器。諧振放大器。二、振蕩的建立和起振條件（必要條件）二、振蕩的建立和起振條件（必要條件）振幅起振條件振幅起振條件 初始信號來源于開機時的電沖擊、干擾等微弱廣譜信號，由初始信號來源于開機時的電沖擊、干

6、擾等微弱廣譜信號，由于諧振回路的選頻作用，只有于諧振回路的選頻作用，只有 分量在諧振回路兩端產(chǎn)生分量在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓，經(jīng)正反饋、放大的反復循環(huán)，振蕩電壓振幅就會較大的電壓，經(jīng)正反饋、放大的反復循環(huán)，振蕩電壓振幅就會不斷地增長。不斷地增長。osc相位起振條件相位起振條件ifUU 1)()()( oscoscoscFKT ），（2102)( nnoscT )()(oscFoscKoscT （當滿足平衡條件時，電路從增幅狀態(tài)進入平衡當滿足平衡條件時，電路從增幅狀態(tài)進入平衡穩(wěn)幅狀態(tài)。穩(wěn)幅狀態(tài)。從起振條件過渡到平衡條件是由主網(wǎng)絡(luò)放大器的非線性從起振條件過渡到平衡條件是由主網(wǎng)絡(luò)放大器的非線性放

7、大特性自動完成。放大特性自動完成。iuiAu)(oscTA10滿足起振和平衡條件時的環(huán)路增益特性如下圖所示：滿足起振和平衡條件時的環(huán)路增益特性如下圖所示：三、振蕩器的穩(wěn)定條件（充分條件）三、振蕩器的穩(wěn)定條件（充分條件）相位（頻率）穩(wěn)定條件：相位（頻率）穩(wěn)定條件：0)( iAuioscdudT 0)( oscdd 振幅穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定條件：選頻網(wǎng)絡(luò)：選頻網(wǎng)絡(luò)：保證環(huán)路中只有一種頻率能滿足振蕩條件，保證環(huán)路中只有一種頻率能滿足振蕩條件，實現(xiàn)正弦振蕩；實現(xiàn)正弦振蕩；四、振蕩電路的組成和分析方法四、振蕩電路的組成和分析方法電源：電源：確保振蕩器正常工作，提高直流變交流的能源。確保振蕩器正常工作，提高

8、直流變交流的能源。非線性限幅器或網(wǎng)絡(luò)：非線性限幅器或網(wǎng)絡(luò)：保證振蕩電路從保證振蕩電路從 狀態(tài)，自動過渡到狀態(tài)，自動過渡到 狀態(tài)；狀態(tài)；1)()()( oscoscoscFKT 1)()()( oscoscoscFKT 放大器：放大器：滿足環(huán)路所需的增益要求，并與反饋電路等配滿足環(huán)路所需的增益要求，并與反饋電路等配 合，合，實現(xiàn)正反饋的相位要求；實現(xiàn)正反饋的相位要求；反饋網(wǎng)絡(luò)：反饋網(wǎng)絡(luò)：與放大器組成閉環(huán)，滿足振蕩器環(huán)路增益與相與放大器組成閉環(huán)，滿足振蕩器環(huán)路增益與相位要求；位要求；正弦波振蕩器應包括以下幾部分：正弦波振蕩器應包括以下幾部分：分析方法：分析方法： 檢查電路組成的完備性；檢查電路組成

9、的完備性； 檢查電路的合理性；檢查電路的合理性； （特別注意分析放大器直流、交流通路的合理性）（特別注意分析放大器直流、交流通路的合理性） 檢查電路的相位關(guān)系是否滿足正反饋要求。檢查電路的相位關(guān)系是否滿足正反饋要求。 （分析相位關(guān)系可用瞬時極性法進行）（分析相位關(guān)系可用瞬時極性法進行）（1）電路檢查、分析）電路檢查、分析（2）定量計算）定量計算 ，起振條件（求，起振條件（求A、F 等）等）oscf4.3 三點式三點式LC振蕩器振蕩器 電容三點式電容三點式(Colpitts) 基本基本 電感三點式電感三點式(Hartley) 三點式三點式 克拉潑克拉潑(Clapp) 改進改進 席勒席勒(Seil

10、er) 采用采用LCLC諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)的諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)的LCLC正弦波振蕩器有各種實現(xiàn)正弦波振蕩器有各種實現(xiàn)電路典型形式有：電路典型形式有：差分對管振蕩電路（集成電路內(nèi)）差分對管振蕩電路（集成電路內(nèi)） 互感耦合式或變壓器耦合式互感耦合式或變壓器耦合式 一、三點式振蕩電路組成法則一、三點式振蕩電路組成法則可證明，按這種規(guī)定連接的三點式振蕩電路，必滿足相可證明，按這種規(guī)定連接的三點式振蕩電路，必滿足相位平衡條件，實現(xiàn)正反饋。位平衡條件，實現(xiàn)正反饋。VC1L電容三點式電容三點式UiUfUo.C2VCUiUfUo.L1L2VUiUfUo.XbeXcbXceI.電感三點式電感三點式一般化三點

11、式一般化三點式 交流通路中三極管的三個電極與諧振回路的三個引出端點相連接。交流通路中三極管的三個電極與諧振回路的三個引出端點相連接。發(fā)射極發(fā)射極e_同性質(zhì)電抗同性質(zhì)電抗基極基極b和集電極和集電極c_異性質(zhì)電抗異性質(zhì)電抗二、電容三點式振蕩電路二、電容三點式振蕩電路把各元件都折合到把各元件都折合到c_e端，則端，則icebeofCCCCCCXXjXIjXIUUUUF 201211212.isRFRnRR202111 1.求放大倍數(shù)求放大倍數(shù)K和反饋系數(shù)和反饋系數(shù)F等效電路圖等效電路圖原理圖原理圖起振條件的分析：起振條件的分析：放大倍數(shù)為：放大倍數(shù)為：振幅起振條件：振幅起振條件：1 FRRKFi F

12、RnRFRsi )11(02 iLmnggng 1為為反反饋饋系系數(shù)數(shù)為為振振蕩蕩器器輸輸入入電電導導，的的電電導導，為為負負載載等等效效到到振振蕩蕩回回路路為為三三極極管管跨跨導導，ngggiLm另外，將晶體管用混合另外，將晶體管用混合II型等效電路表示時，型等效電路表示時，F(xiàn)通常選得較小，一般在通常選得較小，一般在0.010.5之間。之間。將以上結(jié)果代入起振條件得：將以上結(jié)果代入起振條件得：iibbibcioRRRIRIRIRIUUK .由相位起振條件（忽略由相位起振條件（忽略 對電容的旁路作用），在圖對電容的旁路作用），在圖4-9b中，當電路諧振時中，當電路諧振時siRR、021 CCL

13、XXX2.2.求振蕩頻率求振蕩頻率的精確表示為：的精確表示為：CLCCCCLf 2121212100fisRRCCLCf2101121 01120100 CjCjLj 可求振蕩頻率：可求振蕩頻率：三、電感三點式振蕩電路三、電感三點式振蕩電路若考慮若考慮 的振蕩頻率：的振蕩頻率：其中：其中： 21112LLLnLLF ，F(xiàn)RnRFRsi )11(02 CLCMLLf21)2(21210siRR、isRRMLLLCf2210121 振蕩頻率：振蕩頻率：利用與電容三點式相似的分析方法可求利用與電容三點式相似的分析方法可求 原理圖與等效電路圖原理圖與等效電路圖起振條件起振條件四、兩種三點式振蕩電路的比

14、較（四、兩種三點式振蕩電路的比較（P99）u電容三點式振蕩器反饋電壓取自反饋電容電容三點式振蕩器反饋電壓取自反饋電容C2，而電容對高次諧波呈低阻抗，濾出諧波能力強，而電容對高次諧波呈低阻抗，濾出諧波能力強，振蕩波形更接近于正弦波。振蕩波形更接近于正弦波。u電感三點式振蕩器反饋電壓取自反饋電感電感三點式振蕩器反饋電壓取自反饋電感L2，對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，不易濾去高次諧波，對高次諧波呈現(xiàn)高阻抗，不易濾去高次諧波，輸出波形不好，振蕩頻率不是很高，輸出波形不好，振蕩頻率不是很高，舉例：判斷下圖所示交流通路能否滿足相位平衡條件舉例：判斷下圖所示交流通路能否滿足相位平衡條件工程估算時，其角頻率近似為：工

15、程估算時，其角頻率近似為：C3C1C2LRRELVCLosc 10 解：若解：若LC3串聯(lián)支路呈現(xiàn)感性（串聯(lián)支路呈現(xiàn)感性（ ），則該電路符合三），則該電路符合三點式電路組成法則。點式電路組成法則。03ffosc 的串聯(lián)值的串聯(lián)值、為為321CCCCXX0000串聯(lián)串聯(lián) 容容 阻阻 感感并聯(lián)并聯(lián) 感感 阻阻 容容0補充：補充：LC串聯(lián)和并聯(lián)諧振回路的電抗特性曲線串聯(lián)和并聯(lián)諧振回路的電抗特性曲線在上面的例題中，在上面的例題中，拉拉潑潑電電路路，這這就就是是下下面面介介紹紹得得克克，則則、呈呈感感性性，若若，3213303CCCCCLCffosc 4.4 改進型電容三點式改進型電容三點式LC振蕩器振

16、蕩器三、幾種三點式振蕩器的比較（三、幾種三點式振蕩器的比較（P103表表4-2）iiCCCCCCCCL021201)(1二、并聯(lián)改進型電容三點式電路（二、并聯(lián)改進型電容三點式電路（Seiler電路）電路）一、串聯(lián)改進型電容三點式電路（一、串聯(lián)改進型電容三點式電路（Clapp電路）電路）為提高穩(wěn)定度為提高穩(wěn)定度: LC振蕩器的振蕩頻率不僅與諧振回路的振蕩器的振蕩頻率不僅與諧振回路的LC元件的值有關(guān)，元件的值有關(guān)，還與晶體管的輸入輸出電容有關(guān)。還與晶體管的輸入輸出電容有關(guān)。例如：一個振蕩頻率為例如：一個振蕩頻率為1MHz的振蕩器，實際工作在的振蕩器，實際工作在0.99999MHz時，它的頻穩(wěn)度時，

17、它的頻穩(wěn)度 越小，頻率越小，頻率穩(wěn)定度穩(wěn)定度 越高。越高。00ff 500101 ff4.5 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)定度頻率穩(wěn)定度是振蕩器的重要性能指標。是振蕩器的重要性能指標。0000fffff 定義：在規(guī)定時間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范定義：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量。即圍內(nèi)振蕩頻率的相對變化量。即一、振蕩器的頻率穩(wěn)定度一、振蕩器的頻率穩(wěn)定度頻穩(wěn)度按時間長短可分為以下幾種情況：頻穩(wěn)度按時間長短可分為以下幾種情況：頻率穩(wěn)定度視用途而異，如：頻率穩(wěn)定度視用途而異，如： 中波廣播電臺發(fā)射機中波廣播電臺發(fā)射機 數(shù)量級

18、數(shù)量級 電視發(fā)射機電視發(fā)射機 普通信號發(fā)生器普通信號發(fā)生器 高精度信號發(fā)生器高精度信號發(fā)生器541010 510 971010 710 長期穩(wěn)定度長期穩(wěn)定度（指一天以上乃至幾個月的相對頻率變化的最大值）（指一天以上乃至幾個月的相對頻率變化的最大值） 瞬間穩(wěn)定度瞬間穩(wěn)定度（指秒和毫秒內(nèi)隨機頻率變化）（指秒和毫秒內(nèi)隨機頻率變化） 短期穩(wěn)定度短期穩(wěn)定度（指一天以內(nèi)頻率的相對變化最大值）（指一天以內(nèi)頻率的相對變化最大值）二、造成頻率不穩(wěn)定的因數(shù)二、造成頻率不穩(wěn)定的因數(shù)u 晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定u LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定回路參數(shù)的不穩(wěn)定溫度變化是使溫度變化是使LC回路參數(shù)不穩(wěn)定的主要因素?；?/p>

19、路參數(shù)不穩(wěn)定的主要因素。溫度變化或電源變化時，必定引起靜態(tài)工作點和晶溫度變化或電源變化時，必定引起靜態(tài)工作點和晶體管結(jié)電容的改變，從而使振蕩頻率不穩(wěn)。體管結(jié)電容的改變，從而使振蕩頻率不穩(wěn)。三、提高頻穩(wěn)度的基本措施三、提高頻穩(wěn)度的基本措施1）減小外界因數(shù)的變化）減小外界因數(shù)的變化減振裝置減振裝置高穩(wěn)定電壓源高穩(wěn)定電壓源恒溫槽恒溫槽屏蔽罩屏蔽罩密封工藝密封工藝2）提高振蕩回路標準性）提高振蕩回路標準性總結(jié)：總結(jié)： 提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù)提高諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q 穩(wěn)定晶體管的參數(shù)穩(wěn)定晶體管的參數(shù) 晶體管與諧振回路采用弱耦合晶體管與諧振回路采用弱耦合 減小負載對諧振回路的影響減小負載對諧振回路的影響2

20、1000)1)(1()(1CCLLCCLL CL 10 CCLL 000002121 )(2100CCLL 增增大大。減減小小時時，或或減減小小；當當增增加加時時，或或負負號號表表明明，當當00 CLCL4.6 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器一、石英晶體的物理特性一、石英晶體的物理特性1.1.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 自然石英晶體是一個自然石英晶體是一個六角錐體，如圖六角錐體，如圖 (a)(a)圖圖所示所示, ,圖圖(b)(b)是其橫斷面。是其橫斷面。(a) (b)等效電路等效電路: :石英晶體的石英晶體的壓電效應壓電效應: : 電軸電軸 機械軸機械軸 加交變電場加交變電場 機械運動機械運動 電場電場 施加張力

21、施加張力 電能電能 機械能機械能定義三個幾何軸：定義三個幾何軸：u連接兩個角錐頂點連接兩個角錐頂點 Z ZZZ軸軸光軸光軸u與光軸垂直與光軸垂直 X-XX-X軸軸電軸電軸u與光軸垂直與光軸垂直 Y-YY-Y軸軸機械軸機械軸這種機和電的相互轉(zhuǎn)換效應稱為這種機和電的相互轉(zhuǎn)換效應稱為壓電效應壓電效應。對石英片施加外力對石英片施加外力 機械變形（伸張或壓縮）機械變形（伸張或壓縮） 兩兩電極產(chǎn)生電荷電極產(chǎn)生電荷反之：對兩電極施加電壓反之：對兩電極施加電壓 機械振動機械振動1. 壓電效應壓電效應二、石英諧振器的電特性二、石英諧振器的電特性2.2.諧振特性諧振特性 在諧振頻率換能效率最高，其諧振頻率取決于在

22、諧振頻率換能效率最高，其諧振頻率取決于晶體切型、尺寸和形狀。由機電類比得到等效電路晶體切型、尺寸和形狀。由機電類比得到等效電路如圖（如圖（C)C)。圖（。圖（b)b)是石英晶是石英晶體的符號。實用的晶體體的符號。實用的晶體是在一片晶片的兩面敷是在一片晶片的兩面敷上一層導電物質(zhì)，上一層導電物質(zhì)，然后然后引出線固定在管角上，引出線固定在管角上，(a) (b) (c)(a) (b) (c)C0 0: :支架電容（幾幾十支架電容（幾幾十pF）Lq: : 慣性（幾十幾百慣性（幾十幾百mH）Cq: : 彈性（彈性（0.00020.00020.10.1pF）Rq: : 損耗（幾幾百損耗（幾幾百） 所以所以:

23、 : a. a.石英晶體石英晶體Q值特別高值特別高( (104106),),選擇性很好。選擇性很好。 b.b.頻率穩(wěn)定性很高。頻率穩(wěn)定性很高。u 頻率特性頻率特性 忽略忽略Rq(Rq=0)，石英晶體的等效電抗為：石英晶體的等效電抗為：如圖如圖u 等效電路參數(shù)：等效電路參數(shù)：001111)(CCqCqCabqqLLX 由由Xab=0，得串聯(lián)諧振頻率，得串聯(lián)諧振頻率: :qqCLq1 由由Xab=，得并聯(lián)諧振頻率得并聯(lián)諧振頻率: :00001101CCCCCCLCCCCLqqqqqqqqp 頻率特性頻率特性3. 等效電路等效電路Co：靜態(tài)電容和支架、引線等分布電容之和：靜態(tài)電容和支架、引線等分布電

24、容之和Lq：動態(tài)電感（石英片的質(zhì)量）：動態(tài)電感（石英片的質(zhì)量）Cq：動態(tài)電容（石英片的彈性）：動態(tài)電容（石英片的彈性）rq：動態(tài)電阻（石英片的摩擦損耗）：動態(tài)電阻（石英片的摩擦損耗）CLJTrC0qqq等效電路等效電路符號符號石英諧振器的最大特點：石英諧振器的最大特點：Lq大、大、Q值高，頻穩(wěn)度高值高，頻穩(wěn)度高將石英晶片類比于電系統(tǒng)，可得下圖所示的等效電路將石英晶片類比于電系統(tǒng)，可得下圖所示的等效電路qqqCLrQ1 三、石英晶體的阻抗特性三、石英晶體的阻抗特性時時當當10CCq)21(0CCffqsp 相隔很近相隔很近與與spffqqqpCCCCLf 0021 2.并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率q

25、qsCLf211.串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率3.電抗特性電抗特性忽略忽略rq的電抗特性：的電抗特性：CLC0qqrq=00fffspX容性容性感性實際應用時，選石英晶體工作于電感區(qū)域?qū)嶋H應用時，選石英晶體工作于電感區(qū)域四、石英晶體振蕩電路四、石英晶體振蕩電路串聯(lián)晶振電路串聯(lián)晶振電路 晶體工作在串聯(lián)諧振頻率附近，阻抗呈現(xiàn)短路，晶體工作在串聯(lián)諧振頻率附近，阻抗呈現(xiàn)短路，構(gòu)成正反饋產(chǎn)生振蕩。構(gòu)成正反饋產(chǎn)生振蕩。并聯(lián)晶振電路并聯(lián)晶振電路 晶體工作在并聯(lián)諧振頻率附近，等效為電感，與晶體工作在并聯(lián)諧振頻率附近，等效為電感，與外接電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。外接電容構(gòu)成并聯(lián)諧振回路。五、五、 泛音晶體振蕩器泛音晶體振蕩器u 采用采用AT切割石英片的基頻頻率一般都限制在切割石英片的基頻頻率一般都限制在20MHz以下。以下。因為此時石英片的厚度僅有因為此時石英片的厚度僅有0041mm，頻率