通信電子線路正弦波振蕩器廖惜春課件

1、1本章基本要求掌握LC正弦波振蕩器的基本原理、起振、平衡和穩(wěn)定的條件，以及晶體振蕩器和壓控振蕩器等的電路組成、工作原理、判別原則;熟悉 VCO、振蕩器的穩(wěn)定性；了解 晶體振蕩器的基本原理。 牛牛文庫(kù)文檔分享24.1 反饋型振蕩器的基本原理與分析方法 4.1.1 從放大器到振蕩器 各種放大器都是在輸入信號(hào)的控制下，將直流電源提供的電能轉(zhuǎn)換成按輸入信號(hào)規(guī)律變化的電信號(hào)，并饋送給負(fù)載。正弦波振蕩器則是一種不需要外加輸入信號(hào)，自動(dòng)將直流電能轉(zhuǎn)換成某一特定頻率和適當(dāng)幅度的正弦波電壓的電路，實(shí)質(zhì)上是由反饋放大器演變而來(lái)。 牛牛文庫(kù)文檔分享3 牛牛文庫(kù)文檔分享44.1.2 振蕩的建立與穩(wěn)定 反饋型振蕩器在接

2、通電源后，振蕩電壓不會(huì)立即建立起來(lái)。其間要經(jīng)歷一段振蕩電壓從無(wú)到有、從小到大逐步增長(zhǎng)的過(guò)程，直到電路進(jìn)入平衡狀態(tài)，電路輸出一個(gè)幅度和頻率保持不變的正弦電壓。 起振過(guò)程電路接通電源瞬間會(huì)產(chǎn)生電流或電壓的突變。根據(jù)頻譜分析的結(jié)論，這些干擾和噪聲具有連續(xù)頻譜，包含了各種頻率的正弦分量。 由于諧振回路的選頻作用，使得只有特定頻率信號(hào)與輸入端的初始信號(hào)保持同相的關(guān)系。 的反饋選頻反饋再放大再選頻再反饋的循環(huán)過(guò)程后，幅度不斷增長(zhǎng)，自激振蕩終于建立起來(lái)。 經(jīng)過(guò)放大 牛牛文庫(kù)文檔分享5 牛牛文庫(kù)文檔分享6正弦波振蕩器的振蕩條件1產(chǎn)生正弦波自激振蕩的平衡條件.正反饋網(wǎng)絡(luò)放大環(huán)節(jié).XoAF.XidXf則可以產(chǎn)生自

3、激振蕩 牛牛文庫(kù)文檔分享7輸入Xid.反饋Xf=FXo.輸出Xo= AXid.放大環(huán)節(jié)A正反饋網(wǎng)絡(luò)F若滿足Xf=Xid.可在輸出端繼續(xù)維持原有的輸出信號(hào)則為正反饋 牛牛文庫(kù)文檔分享8知電路產(chǎn)生自激振蕩的平衡條件為 由.idofAFXFXX=及idfXX=1=AF幅值平衡條件： 相位平衡條件： 牛牛文庫(kù)文檔分享9 穩(wěn)幅過(guò)程 在振蕩建立的過(guò)程中，振蕩信號(hào)幅度不可能無(wú)限增大。由于放大器件的非線性特性的限幅作用，使振蕩幅度達(dá)到某個(gè)值后而穩(wěn)定下來(lái)。許多電路中還采取了穩(wěn)幅措施。 通過(guò)器件固有的非線性特性穩(wěn)幅的，稱為內(nèi)穩(wěn)幅。 通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)反饋系數(shù)，改變放大倍數(shù)，也可通過(guò)其他外部電路實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。這種方法被稱為外穩(wěn)

4、幅。 牛牛文庫(kù)文檔分享10 牛牛文庫(kù)文檔分享114.1.3 振幅平衡條件和相位平衡條件 將圖4-1-1 b中的點(diǎn)斷開(kāi)， 同時(shí)在反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端口電路的環(huán)路增益為 并聯(lián)一個(gè)與諧振放大器輸入阻抗相同的等效阻抗，則通常反饋網(wǎng)絡(luò)與選頻網(wǎng)絡(luò)合而為一。由圖4-1-2及反饋放大器的原理，可得電路的閉環(huán)增益為 牛牛文庫(kù)文檔分享12(4-1-2) 當(dāng)時(shí), 這就意味著即使輸入信號(hào)放大器仍然有輸出電壓，由圖4-1-2可知，此時(shí)有電路已由放大器轉(zhuǎn)變成振蕩器。因此，反饋型振蕩器的振蕩平衡條件為 AF1 振幅平衡條件 AF2n(n=0, 1, 2, .) 相位平衡條件 牛牛文庫(kù)文檔分享13由于初始信號(hào)是電路的干擾和噪聲中

5、被選頻網(wǎng)絡(luò)所選擇出來(lái)的信號(hào)，幅度比較小，若電路的環(huán)路增益AF1， 則電路輸出信號(hào)的幅度不能達(dá)到所需電平。因此，實(shí)際的反饋振蕩器必須有一個(gè)增幅振蕩的過(guò)程，只有當(dāng)反饋到輸入端的信號(hào)大于初始信號(hào)時(shí)，才能建立起振蕩。于是，可得到電路的起振條件： (n = 0, 1，2， .) 在振蕩建立的過(guò)程中，振蕩電路為時(shí)變參數(shù)電路。 牛牛文庫(kù)文檔分享144.1.4 振蕩器的分析方法 反饋型正弦波振蕩電路是含有電抗元件的非線性電路，采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法比較困難，也沒(méi)有必要。工程設(shè)計(jì)中，采用近似分析法，常用Y參數(shù)等效電路（振蕩頻率不太高時(shí)，也可用H參數(shù)等效電路）來(lái)分析振蕩電路，以確定電路的振蕩頻率和起振條件。 (1

6、)畫出交流通路和Y參數(shù)等效電路，該電路將構(gòu)成一個(gè)反饋電路 (2)自基本放大器的輸入端將反饋環(huán)路拆開(kāi)。拆環(huán)后電路的輸出端口應(yīng)并聯(lián)一個(gè)與放大器輸入阻抗相等的負(fù)載阻抗。 (3)根據(jù)拆環(huán)后的等效電路，寫出環(huán)路增益的表達(dá)式。 (4) 令，確定電路的振蕩頻率 。 (5)根據(jù)起振條件，令時(shí)的確定電路的起振條件。 牛牛文庫(kù)文檔分享15將和反饋線圈等效 (4-1-8) (4-1-9) 圖4-1-3 變壓器耦合振蕩器拆環(huán)變換 牛牛文庫(kù)文檔分享16將式(4-1-9)代入式(4-1-8)，可得： 式中 按圖中的同名端連接方式,F。因此電路的振蕩頻率在諧振頻率處,負(fù)載回路顯純電阻特性,即A()。即LC并聯(lián)回路的諧振頻率

7、： (4-1-14) 牛牛文庫(kù)文檔分享17一般說(shuō)來(lái)，。于是，電路的反饋系數(shù)為： (4-1-15) 放大器的諧振時(shí)的電壓增益為 并聯(lián)回路的諧振阻抗為 (4-1-16) 根據(jù)式(4-1-6)，可得電路的起振條件 牛牛文庫(kù)文檔分享184.2 LC正弦波振蕩器 無(wú)論是哪種振蕩器，在判斷電路是否滿足正反饋?zhàn)约さ臈l件時(shí)，通常根據(jù)電路的結(jié)構(gòu)，利用瞬時(shí)極性法，判斷電路是否滿足正反饋?zhàn)约さ臈l件。 4.2.1 LC三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則 圖4-2-1所示是三點(diǎn)式振蕩器的交流等效電路的一般形式，三極管的三個(gè)電極分別接諧振回路的三個(gè)引出端。為分析方便，設(shè)諧振回路的1、2、3均為純電抗元件。 牛牛文庫(kù)文檔分

8、享19忽略三極管的電抗效應(yīng)，對(duì)于諧振頻率, 與反相 即設(shè)回路值較高，由圖4-2-1得 圖4-2-1 三點(diǎn)式振蕩器交流等效電路 牛牛文庫(kù)文檔分享20電路諧振時(shí)，回路呈純阻性，在平衡狀態(tài)下，振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率，即能滿足 123= 0 (4-2-2) -X1=23 即有 考慮到 正弦波振蕩的相位條件，也就是1與2為同性質(zhì)電抗。 則當(dāng)F =時(shí)，電路滿足， 牛牛文庫(kù)文檔分享21于是可得到LC三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則： (1) 1與2 為同性質(zhì)電抗； (2) 1、2 與3 為異性質(zhì)電抗。 換句話說(shuō)，與三極管發(fā)射極相連的電抗應(yīng)為同性質(zhì)電抗，接在B-C極之間的電抗與前者互為異性質(zhì)電抗。

9、射同他異 牛牛文庫(kù)文檔分享224.2.2 基本LC三點(diǎn)式振蕩器電路 電感三點(diǎn)式(Hartley)振蕩器 牛牛文庫(kù)文檔分享23圖4-2-2為電感三點(diǎn)式振蕩器的原理電路及交流等效電路。圖中b為耦合電容，c為旁路電容，它們對(duì)振蕩信號(hào)可視為短路。選頻回路由LC構(gòu)成， 為帶抽頭的線圈。在交流等效電路中，線圈的三個(gè)引出端分別接在三極管的三個(gè)電極，其中，抽頭接至發(fā)射極。根據(jù)三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則，可知圖4-2-2所示的電路滿足相位平衡條件。 電路振蕩頻率的工程估算公式為 (4-2-3) 牛牛文庫(kù)文檔分享24將圖4-2-2 自點(diǎn)斷開(kāi)，可以得出圖4-2-3所示的簡(jiǎn)化開(kāi)環(huán)Y參數(shù)等效電路 按功率等效的原

10、理， 將折合到CE之間的 等效電導(dǎo)為諧振電壓增益為 圖4-2-3 圖4-2-2的開(kāi)環(huán)簡(jiǎn)化等效電路 牛牛文庫(kù)文檔分享25其中，由電路的起振條件可得 (4-2-8) 忽略電感線圈的損耗電阻 時(shí)于是起振條件可寫為 (4-2-9) 牛牛文庫(kù)文檔分享26為了滿足起振條件，在實(shí)際電路中，線圈抽頭的選擇一般使在1318之間，即1 與2 的匝數(shù)比約38。必須指出，上述推導(dǎo)中并未考慮振蕩回路本身的損耗和負(fù)載的損耗等。需要考慮這些損耗時(shí)起振條件為 （4-2-10） 牛牛文庫(kù)文檔分享27 電容三點(diǎn)式(Colpitts)振蕩器 牛牛文庫(kù)文檔分享28假定、,且令， 則 整理后，得到： (4-2-12) 牛牛文庫(kù)文檔分享

11、29根據(jù)起振條件有： (4-2-13) （n=0,1,2,） (4-2-14) 考慮相位平衡條件（b = 0），可得到起振條件： 例4-2-1,4-2-2 牛牛文庫(kù)文檔分享304.2.3 改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器 圖4-2-6 克拉潑振蕩器原理圖 牛牛文庫(kù)文檔分享31圖4-2-7 西勒振蕩器 牛牛文庫(kù)文檔分享324.2.4 集成LC正弦波振蕩器 圖4-2-8 CE1648 單片集成振蕩 牛牛文庫(kù)文檔分享334.2.5 壓控振蕩器（VCO） 壓控振蕩器是通過(guò)某一電壓來(lái)控制振蕩器中的可變電抗元件，使其參數(shù)發(fā)生變化，從而改變振蕩頻率或相位。 變?nèi)荻O管VCO的基本原理 變?nèi)荻O管的U特性如圖4-2-1

12、0 a所示。 圖4-2-10 牛牛文庫(kù)文檔分享34回路的諧振頻率為，當(dāng)從變到時(shí)振蕩頻率從變到,這時(shí)有下列關(guān)系成立： (4-2-23) 圖4-2-10 牛牛文庫(kù)文檔分享35圖4-2-11 電視機(jī)本振電路之一 牛牛文庫(kù)文檔分享36 集成電路VCO 圖4-2-14所示電路，是將CE1648接成壓控振蕩器電路。 (4-2-24) 圖4-2-12 CE1648 組成的壓控振蕩器 牛牛文庫(kù)文檔分享374.3 振蕩器的穩(wěn)定性 4.3.1 振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 當(dāng)電路原有的平衡狀態(tài)被破壞時(shí)，振蕩器應(yīng)具有自動(dòng)恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的能力，這就是振蕩器的穩(wěn)定條件。 振幅平衡的穩(wěn)定條件 振幅平衡條件為： 圖4-3-1

13、 a可以看到，諧振時(shí)由于正反饋的作用 牛牛文庫(kù)文檔分享38振蕩器的穩(wěn)定AF太小omU0imUim3Uim2Uim1Uo1Uo2Uo3UoAUimQU圖4-3-1 牛牛文庫(kù)文檔分享39振幅平衡的穩(wěn)定條件是：在振蕩平衡點(diǎn)附近相位平衡的穩(wěn)定條件是 圖4-3-1 牛牛文庫(kù)文檔分享404.3.2 頻率穩(wěn)定度及穩(wěn)定頻率的措施 頻率穩(wěn)定度的概念 頻率穩(wěn)定度是振蕩器最重要的性能指標(biāo)之一，其定義是：在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)或規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓的變化范圍內(nèi)，振蕩頻率的相對(duì)變化量。 長(zhǎng)期頻穩(wěn)度是指一天以上乃至幾個(gè)月因元器件老化引起的頻率相對(duì)變化的最大值。它主要用來(lái)評(píng)價(jià)天文臺(tái)或計(jì)量單位的高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)設(shè)備的穩(wěn)定指

14、標(biāo)。 短期頻穩(wěn)度是指一天以內(nèi)頻率相對(duì)變化的最大值。一般說(shuō)來(lái)，外界因素引起的頻率變化屬于此類，通常稱之為頻率漂移。短期頻穩(wěn)度一般多用來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量?jī)x器和通訊設(shè)備中主振器的頻率穩(wěn)定指標(biāo)。 牛牛文庫(kù)文檔分享41瞬時(shí)頻穩(wěn)度，指時(shí)間在秒或毫秒內(nèi)的隨機(jī)頻率變化，通常稱之為振蕩器的相位抖動(dòng)或相位噪聲。產(chǎn)生這種變化的主要原因是電路的內(nèi)部噪聲，與外界條件和長(zhǎng)期頻率漂移無(wú)關(guān)。通常所講的頻穩(wěn)度，一般指短期頻穩(wěn)度。其定量表示方法一般采用建立在大量測(cè)量基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)值來(lái)表征。常用的方法之一是均方根值法，其表達(dá)式為 (4-3-4) n為測(cè)量次數(shù)；為第i次測(cè)得的頻率穩(wěn)定度；數(shù)據(jù)的平均值。 為n個(gè)測(cè)量 牛牛文庫(kù)文檔分享42 提高頻

15、率穩(wěn)定度的基本措施 提高振蕩器振蕩頻率的穩(wěn)定度，所采取的措施不外乎從元器件、電路和外部條件三個(gè)方面著手。(1)提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性 (2)減小外界因素的變化 (3)采用溫度補(bǔ)償技術(shù) 牛牛文庫(kù)文檔分享434.4 石英晶體振蕩器 石英晶體振蕩器的頻穩(wěn)度可達(dá)到10-11 10-5 圖1-2-3 牛牛文庫(kù)文檔分享44用石英晶體諧振器組成的正弦波振蕩器，按石英晶體在振蕩電路中的連接方式不同，分為并聯(lián)型電路和串聯(lián)型電路兩類。石英晶體工作在略高于的感性區(qū)內(nèi)，作為三點(diǎn)式振蕩電路中的諧振回路的電感，所構(gòu)成的振蕩電路被稱為并聯(lián)型晶體振蕩電路；石英晶體工作在串聯(lián)諧振頻率，晶體本身以低阻抗接入電路，作為正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，所構(gòu)成的振蕩電路稱為串聯(lián)型晶體振蕩電路。 牛牛文庫(kù)文檔分享45 4.4.1 并聯(lián)型晶體振蕩電路 圖4-4-1所示是一個(gè)典型的皮爾斯晶體振蕩電路 圖4-4-1 皮爾斯振蕩器 牛牛文庫(kù)文檔分享464.4.2 串聯(lián)型晶體振蕩電路 圖4-4