第3章正弦波振蕩器-2

1、3.2LC 正弦波振蕩器正弦波振蕩器第第 3 章正弦波振蕩器章正弦波振蕩器3.2.1三點式振蕩電路三點式振蕩電路3.2.3舉例舉例3.2LC 正弦波振蕩器正弦波振蕩器LC 正弦波振蕩器：正弦波振蕩器：采用采用 LC 諧振回路作為相移網(wǎng)絡的諧振回路作為相移網(wǎng)絡的振蕩器。振蕩器。 種類：種類：變壓器耦合振蕩電路變壓器耦合振蕩電路 三點式振蕩電路和差分對管振蕩電路。三點式振蕩電路和差分對管振蕩電路。 3.2.1三點式振蕩電路三點式振蕩電路一、電路組成法則一、電路組成法則1電路電路兩種基本類型三點式振兩種基本類型三點式振蕩器的原理電路蕩器的原理電路( (交流通路交流通路) )。 2組成法則組成法則：交

2、流通路中，三極管的三個極與諧振回交流通路中，三極管的三個極與諧振回路的三個引出端相連接。其中，與發(fā)射極相接的為兩個路的三個引出端相連接。其中，與發(fā)射極相接的為兩個同性同性質(zhì)質(zhì)電抗，接在集電抗，接在集-基間的為基間的為異性異性電抗。電抗。 三點式振蕩電路組成法則三點式振蕩電路組成法則:射同基反射同基反可證，此法連接必滿足相位平衡條件，實現(xiàn)正反饋?？勺C，此法連接必滿足相位平衡條件，實現(xiàn)正反饋。 二、三點式振蕩器電路二、三點式振蕩器電路 1電容三點式電容三點式 ( (1) )電路電路 RB1、RB2 和和 RE ：分壓式偏置電阻分壓式偏置電阻； CC、CB、CE ：旁路和隔直流電容旁路和隔直流電容；

3、RC ：集電極直流負載電阻集電極直流負載電阻； RL ：輸出負載電阻輸出負載電阻 ； L、C1、C2 ：并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路。( (2) )組成組成 可變增益器件：三極管可變增益器件：三極管 T；相移網(wǎng)絡：；相移網(wǎng)絡：LC并并聯(lián)諧振。交流通路：聯(lián)諧振。交流通路：發(fā)射極：為兩同性質(zhì)容性電抗；集發(fā)射極：為兩同性質(zhì)容性電抗；集-基：基：感性電抗。（感性電抗。（注意注意：大電容應短路，小電容應留著）：大電容應短路，小電容應留著） 交流通路：交流通路：12osc121,C CCCCLC（后面有推導）（后面有推導）( (3) )討論討論 起振與平衡起振與平衡 T 為可變增益器件，增益隨振幅增大而減小。

4、同時，隨為可變增益器件，增益隨振幅增大而減小。同時，隨 vi 的增大產(chǎn)生的增大產(chǎn)生自給偏置效應自給偏置效應，加速放大器增益的下降。，加速放大器增益的下降。其其直流偏置電路如圖直流偏置電路如圖。剛起振時，發(fā)射結直流偏置為。剛起振時，發(fā)射結直流偏置為靜態(tài)偏置電壓，靜態(tài)偏置電壓，VBE0= VBEQ = VBB - - IBQRB - - IEQRE 反饋反饋 vi vi 一部分進入截止區(qū)一部分進入截止區(qū) iC為為失真的脈沖波，失真的脈沖波，其其平均值平均值 IC0 將將ICQ VBE0 增益增益 平衡平衡所以，振蕩振幅增大時，加在發(fā)射結所以，振蕩振幅增大時，加在發(fā)射結上上的偏置電壓將自靜態(tài)值向截止

5、方向移動，的偏置電壓將自靜態(tài)值向截止方向移動，導致環(huán)路增益進一步下降，從而提高了振導致環(huán)路增益進一步下降，從而提高了振蕩振幅的穩(wěn)定性。蕩振幅的穩(wěn)定性。自給偏置效應自給偏置效應2電感三點式振蕩器電路電感三點式振蕩器電路( (1) )電路組成電路組成 ( (2) )組成法則判斷組成法則判斷 osc121,2LLLMLCL1和和L2通常繞在一個線圈通常繞在一個線圈架，架，M為二者之間的互感為二者之間的互感 3電感三點式與電容三點式的比較電感三點式與電容三點式的比較電感三點式：電感三點式：優(yōu)點：由于優(yōu)點：由于L1和和L2之間之間有互感，有互感，易起振易起振。且改變。且改變C調(diào)整調(diào)整fosc時，基本不影

6、響電路的反饋系數(shù)，時，基本不影響電路的反饋系數(shù)，較方便較方便。缺點：反饋支路為感性支路，對高次諧波呈高阻抗，即缺點：反饋支路為感性支路，對高次諧波呈高阻抗，即高次諧波反饋較強，高次諧波反饋較強，波形失真較大波形失真較大。工作頻率較高時工作頻率較高時，因為電感上的分布電容和晶體管的極間電容并聯(lián)于因為電感上的分布電容和晶體管的極間電容并聯(lián)于L1和和L2兩端兩端，分布參數(shù)影響嚴重，甚至使反饋系數(shù)下降到，分布參數(shù)影響嚴重，甚至使反饋系數(shù)下降到無無法起振法起振。 電容三點式：電容三點式：優(yōu)點：反饋支路為容性支路，對高次諧波呈低阻抗，即優(yōu)點：反饋支路為容性支路，對高次諧波呈低阻抗，即高次諧波反饋較弱，高次

7、諧波反饋較弱，波形較好。波形較好。電路中的分布電容都是電路中的分布電容都是與與C1、C2并聯(lián)，因此可適當加大回路電容，以減弱不穩(wěn)并聯(lián)，因此可適當加大回路電容，以減弱不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響，從而提高頻穩(wěn)度。當工作頻定因素對振蕩頻率的影響，從而提高頻穩(wěn)度。當工作頻率較高時，甚至可以只利用器件的極間電容作為回路電率較高時，甚至可以只利用器件的極間電容作為回路電容。所以容。所以適用于較高工作頻率適用于較高工作頻率。缺點：缺點：不易起振。調(diào)不易起振。調(diào)C1或或C2來改變振蕩頻率時，反饋系來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)會改變。數(shù)會改變。 Clapp，Seiler電路電路。三、電容三點式振蕩電路的起振條件三

8、、電容三點式振蕩電路的起振條件( (相位與振幅相位與振幅) )1等效電路等效電路( (以以 3-2-2b 為例為例) ) 推導環(huán)路增益推導環(huán)路增益 T( (j ) ) 時，應將閉合環(huán)路斷開。時，應將閉合環(huán)路斷開。( (1) )改畫電路改畫電路 斷點左面加環(huán)路的輸入電壓斷點左面加環(huán)路的輸入電壓 Vi(j )斷點右邊斷點右邊( (與與C2 并聯(lián)并聯(lián)) )接入自斷點向左看進去的阻抗接入自斷點向左看進去的阻抗 Zi Re0 ： L、C1、C2 并聯(lián)諧振回路的固有諧振電阻并聯(lián)諧振回路的固有諧振電阻。e000LRLQrCQ0：固有品質(zhì)因數(shù)。固有品質(zhì)因數(shù)。( (2) )用混合用混合 型等效電路表示型等效電路

9、表示設設 fosc 1 (gm A)可求得三點式振蕩器的相位可求得三點式振蕩器的相位起振條件起振條件為為0Li21212osc - - - - - gLgCCCLC (3-2-3)振幅振幅起振條件起振條件為為)11()1(12osci12LmLCgCCgg - - (3-2-4)討論：討論：1振蕩角頻率振蕩角頻率 osc 振蕩頻率振蕩頻率 osc 由相位起振條件決定，解由相位起振條件決定，解( (3) )求得求得2120Li021Liosc11CCggCCggLC (3-2-5)式中，式中， 2121CCCCC ：LC 回路總電容回路總電容， LC10 ：固有諧振角頻率。固有諧振角頻率。 os

10、c 與與 0 (LC) 有關，還與有關，還與 gi (Ri)、g L ( Re0、 RL) 有關，有關，且且 osc 0 。Li2120ggCC 在實際電路中，一般在實際電路中，一般滿足滿足 工程估算時，工程估算時， osc 0 = (3-2-6)LC12振幅起振條件振幅起振條件 工程估算時，令工程估算時，令 = osc 0 ，代入，代入( (4) )式，即：式，即：)11()1(12osci12LmLCgCCgg - - (3-2-4)211i121LmCCCgCCCgg 振幅起振條件可簡化為：振幅起振條件可簡化為：設設211CCCn (3-2-7)n 為電容分壓比，上式改寫為為電容分壓比，

11、上式改寫為gm iL1nggn (3-2-8a)或或 1i2Lm gnggn(3-2-8b)2C 若若 gi 11i2Lm gnggni2/R n討論：討論：為滿足振幅起振條件，應增大為滿足振幅起振條件，應增大 Av( 0) 和和 kfv 。 增大增大 kfv (= n) ，n2gi 增大，增大，Av( 0) 減?。粶p小減??；減小 kfv ，雖提高雖提高 Av( 0)，但回路增益但回路增益 T( 0) 受限。受限。故故 n 取值應適中。取值應適中。 提高提高 ICQ，可以增大，可以增大 gm，從而提高，從而提高 Av( 0) ，但不宜，但不宜過大，否則，過大，否則，gi( ( 1/re = g

12、m/ ) )會過大，造成回路有載品質(zhì)會過大，造成回路有載品質(zhì)因數(shù)下降，影響頻率穩(wěn)定性。因數(shù)下降，影響頻率穩(wěn)定性。ICQ 一般取一般取( (1 5) )mA。結論：結論：若振蕩管若振蕩管 fT 5fosc，RL 又不太小又不太小( ( 1 k ) )，且，且 n( (兩電容兩電容) )取值適中，一般都滿足起振條件。取值適中，一般都滿足起振條件。 四、用工程估算法求起振條件四、用工程估算法求起振條件 1將閉合環(huán)路斷開，畫出開環(huán)等效電路。將閉合環(huán)路斷開，畫出開環(huán)等效電路。 2求出固有諧振頻率求出固有諧振頻率 0，并令，并令 osc 0。 3將諧振回路的電導折算到集電極上，求放大器回路將諧振回路的電導

13、折算到集電極上，求放大器回路諧振時的增益和反饋系數(shù)，便可確定振幅起振條件。諧振時的增益和反饋系數(shù)，便可確定振幅起振條件。 3.2.3舉例舉例例例 1：判斷圖示交流通路判斷圖示交流通路能否滿足相位平衡條件？能否滿足相位平衡條件？解：解：若若 L、C3 串聯(lián)支路呈串聯(lián)支路呈感性，則感性，則符合相位平衡條件符合相位平衡條件條件：條件：當當 osc 時時， L、C3串聯(lián)支路呈感性串聯(lián)支路呈感性。331LC 感性感性容性容性純阻純阻 例例 2：求例求例1電路的振幅起振條件。電路的振幅起振條件。例例 3：圖為三回路振蕩器交流通路，圖為三回路振蕩器交流通路，f01， f02， f03分別為分別為三個回路的固

14、有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條三個回路的固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條件的兩種關系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍件的兩種關系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍內(nèi)。內(nèi)。解：解：已知串、并聯(lián)諧振回路電抗特性曲線如圖已知串、并聯(lián)諧振回路電抗特性曲線如圖(b)、(c)串聯(lián)串聯(lián)中，中， 0，X 0，呈呈感性；感性； 0，X 0，X 0，呈呈容性；容性； 0，呈呈感性感性1若構成電容三點式電路若構成電容三點式電路L1C1、L2C2 回路呈回路呈容性失諧容性失諧，L3C3 回路回路呈呈感性失諧感性失諧。容性失諧容性失諧：fosc f02；感性失諧感性失諧：fosc f0

15、1， fosc f030103osc02,ffff第第 3 章正弦波振蕩器章正弦波振蕩器3.3LC 振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.3.1提高頻穩(wěn)度的基本措施提高頻穩(wěn)度的基本措施3.3.2電容三點式電容三點式振蕩電路的改進電路振蕩電路的改進電路3.3LC 振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度一、定義：頻率穩(wěn)定度又稱頻穩(wěn)度，為振蕩器最重要定義：頻率穩(wěn)定度又稱頻穩(wěn)度，為振蕩器最重要的指標，指的指標，指在規(guī)定時間內(nèi)在規(guī)定時間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)，等變化范圍內(nèi)，振蕩頻率的相對變化量振蕩頻率的相對變化量。二、種類二、種類 按規(guī)定按規(guī)定時間的長短時

16、間的長短不同，頻穩(wěn)度可分：不同，頻穩(wěn)度可分： 長期頻穩(wěn)度：長期頻穩(wěn)度：一天以上乃至幾個月內(nèi)因元器件老化而引一天以上乃至幾個月內(nèi)因元器件老化而引起的頻率相對變化量。起的頻率相對變化量。 短期頻穩(wěn)度：短期頻穩(wěn)度：一天內(nèi)因溫度、電源電壓等外界因素變化一天內(nèi)因溫度、電源電壓等外界因素變化而引起的頻率相對變化量。而引起的頻率相對變化量。 瞬時瞬時( (秒級秒級) )頻穩(wěn)度：頻穩(wěn)度：電路內(nèi)部噪聲引起頻率相對變化量。電路內(nèi)部噪聲引起頻率相對變化量。 常用常用 三、三、表達式表達式 絕對準確度：絕對準確度：oscoscfff- - fosc：標稱頻率：標稱頻率 相對準確度：相對準確度：oscoscoscosc

17、fffff- - f：實測的振蕩頻率實測的振蕩頻率將規(guī)定時間劃分為將規(guī)定時間劃分為 n 個等間隔，各間隔內(nèi)實測的振蕩頻個等間隔，各間隔內(nèi)實測的振蕩頻率為率為 fi，短期頻穩(wěn)度的定義：短期頻穩(wěn)度的定義：2oscoscoscosc1oscosc)(1limffffnffinin- - 式中，式中， ，第，第 i 個間隔內(nèi)實測的絕對準確度；個間隔內(nèi)實測的絕對準確度； osciosc)(fffi- - 為絕對準確度的平均值，為絕對準確度的平均值， 越小，越小，頻率準確度就越高。頻率準確度就越高。 )(1limosci1oscffnfnin- - oscf四、對頻穩(wěn)度的不同要求四、對頻穩(wěn)度的不同要求 高

18、精度信號高精度信號 發(fā)生器發(fā)生器510- -710- -541010- - - -971010- - - -用用 途途中波電臺中波電臺電視發(fā)射機電視發(fā)射機信號發(fā)生器信號發(fā)生器頻穩(wěn)度頻穩(wěn)度3.3.1提高頻穩(wěn)度的基本措施提高頻穩(wěn)度的基本措施首先分析外界因素對振蕩頻率變化的影響。首先分析外界因素對振蕩頻率變化的影響。一、頻穩(wěn)度的定性分析一、頻穩(wěn)度的定性分析 1振蕩頻率的圖解振蕩頻率的圖解由相位平衡條件由相位平衡條件 T( osc) = 0即即0)()()()(foscZoscfoscAoscT 說明：說明：( (1) ) A( ) 主要取決于并聯(lián)諧振回路的相移主要取決于并聯(lián)諧振回路的相移 z( )

19、，它在諧振頻率附近隨它在諧振頻率附近隨 的變化十分劇烈；的變化十分劇烈； ( (2) ) f( ) 隨隨 的變化相對地要緩慢的多，可近似認為它的變化相對地要緩慢的多，可近似認為它與頻率無關的常數(shù)，用與頻率無關的常數(shù)，用 f 表示。表示。得：得： Z( osc) = - - f故：故： z( ) 曲線與高度為曲線與高度為 - - f 水平線相交點上所對應的角頻水平線相交點上所對應的角頻率率振蕩角頻率振蕩角頻率 osc 。 2影響振蕩頻率影響振蕩頻率 osc 的參數(shù)的參數(shù) 由由 00eoscZ)(2arctan)( - - - Q知：知：影響振蕩頻率影響振蕩頻率 osc 的參數(shù)是的參數(shù)是 0 0、

20、Qe 和和 f 。故討論頻穩(wěn)度。故討論頻穩(wěn)度就是分析外界因素通過這三個參數(shù)對振蕩頻率變化的影響。就是分析外界因素通過這三個參數(shù)對振蕩頻率變化的影響。 ( (1) )諧振頻率諧振頻率 0 0 變化變化若若 L 、C 變化，變化， 0 0 產(chǎn)生產(chǎn)生 0 0 的變化，的變化，則則 z z( ( ) )曲線沿橫坐標平移曲線沿橫坐標平移 0 0，曲線形，曲線形狀不變。狀不變。圖圖( (a) )( (2) )Qe 變化變化 若若負載和管子參數(shù)變化，使諧負載和管子參數(shù)變化，使諧振回路振回路 Qe增加增加 Qe，則，則 z z( ( ) )曲線曲線變陡。變陡。 Qe 引起振蕩頻率的變化量引起振蕩頻率的變化量與

21、與 f f 大小有關大小有關 。圖圖(b)oscosc ( (3) )若若 f f 產(chǎn)生產(chǎn)生 f f，則，則 z z( ( ) )曲線曲線形狀不變，而交點移動。形狀不變，而交點移動。 f f 引起振蕩頻率的變化與引起振蕩頻率的變化與 f f( (同同條曲線條曲線) ) 、Qe 的大小有關。的大小有關。3討論討論 提高提高 LC 振蕩器頻穩(wěn)度的基本措施：振蕩器頻穩(wěn)度的基本措施： 減小減小 0、 Qe 和和 f，故應減小，故應減小外界因素變化引起外界因素變化引起 0、Qe 和和 f 的變化。的變化。 減小減小 f 和增大和增大 Qe ，以減小由，以減小由 Qe、 f 引起的振蕩引起的振蕩頻率變化量

22、。頻率變化量。 二、提高頻穩(wěn)度的基本措施二、提高頻穩(wěn)度的基本措施1減小外界因素的變化減小外界因素的變化 外界因素：外界因素：溫度、濕度、大氣壓、電源電壓、周圍磁場、溫度、濕度、大氣壓、電源電壓、周圍磁場、機械振動及負載變化等，其中尤以機械振動及負載變化等，其中尤以溫度的影響最嚴重溫度的影響最嚴重。 措施：措施：減振、恒溫、密封減振、恒溫、密封( (濕度、大氣壓濕度、大氣壓) )、高穩(wěn)定度電、高穩(wěn)定度電源、屏蔽罩、振蕩器與負載間播入跟隨器。源、屏蔽罩、振蕩器與負載間播入跟隨器。 2提高振蕩回路標準性提高振蕩回路標準性( (1) )標準性：標準性：振蕩回路在外界因素變化時保持固有諧振振蕩回路在外界

23、因素變化時保持固有諧振頻率不變的能力。頻率不變的能力。標準性越高，標準性越高， 0 0 就越小。就越小。( (2) ) 0 0 與與 L、 C 的關系的關系)1)(1(1)(1000CCLLCCLL 將此式展開，忽略高階小量，化簡化為將此式展開，忽略高階小量，化簡化為 00 CCLLCCLL2121)21)(21(0000 - - - - - - ）（CCLL2100 - - ( (3) )分析分析 可見，可見，為提高回路標準性，須減小為提高回路標準性，須減小 L、 C 的相對的相對變化變化量。量。措施：措施： 溫度補償。電感和部分寄生參量有正值的溫度系數(shù)，溫度補償。電感和部分寄生參量有正值的

24、溫度系數(shù)，選用有負溫度系數(shù)的陶瓷電容器，且數(shù)值合適，正負可補償。選用有負溫度系數(shù)的陶瓷電容器，且數(shù)值合適，正負可補償。 縮短引線，采用貼片元器件，減小分布參數(shù)?？s短引線，采用貼片元器件，減小分布參數(shù)。 使用高穩(wěn)定度的外接集總電容、電感，減小不穩(wěn)定使用高穩(wěn)定度的外接集總電容、電感，減小不穩(wěn)定的寄生量及其在的寄生量及其在 L、C 中的比重。中的比重。 ( (4) )討論討論fosc= = (LC)- -1/2一一定時，定時，C（減小分布電容在總電容中的比（減小分布電容在總電容中的比重）重）L Q0 Qe 頻穩(wěn)度頻穩(wěn)度所以，增加總電容是有限度的。因此一般都串聯(lián)電容，所以，增加總電容是有限度的。因此一般都串聯(lián)電容，減小管子與回路間耦合的方法。減小管子與回路間耦合的方法。如：如：clapp 電路電路3.3.2電容三點式振蕩電路的改進電路電容三點式振蕩電路的改進電路一一Clapp電路電路 2特點特點 為為電容三點式振蕩器的改進型電容三點式振蕩器的改進型電路，其差別：與電路，其差別：與 C1、C2 串聯(lián)的電串聯(lián)的電容容 C3。且。且C3