振蕩電路分析

關于振蕩電路分析1第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日21、LC并聯(lián)電路頻率特征CLRuiLici如圖為一LC并聯(lián)回路，R為電路總等效電阻。（1）諧振頻率電路等效電抗通常電路中感抗遠大于電路損耗，即ωL>>R，則第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日3當式中虛部系數(shù)為0時，Z為實數(shù)，電路中電流與電壓同相位。此時電路產(chǎn)生諧振，諧振頻率即為第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日4（2）諧振電抗當電路處于諧振時電抗為：式中，稱為回路品質因數(shù)，是用來評價電路選頻特性的指標。對LC振蕩電路，Z為實常數(shù)，故諧振電抗為純阻抗。第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日5當L越大，C越小，R也越小時，則諧振時Q值越大，Z也越大，即滿足振幅條件。另外，Z還是fo的函數(shù)。諧振時Q值越大，Z的相角隨fo變化也越急劇，即選頻效果越好。第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日6CLRuiLici（3）諧振時C上電流為通常Q>>1，故，即諧振時LC回路的電流比輸入電流大得多，則的影響可以忽略，也就是說外界只需加很小的激勵便會在回路中產(chǎn)生很大響應。第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日7如果將LC并聯(lián)選頻電路加入基本放大電路，并引入正反饋取代輸入信號，則電路將成為正弦波振蕩電路。根據(jù)引入反饋方式的不同可分為變壓器反饋式、電感反饋式、電容反饋式三種形式振蕩電路。2、變壓器反饋式振蕩電路電路如圖，C、N1

為選頻網(wǎng)絡，N2為正反饋電路，正弦波信號由變壓器附邊繞組傳送到負載。第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日8電路的交流通路如圖，LC（N1）回路產(chǎn)生諧振時的諧振頻率為fo，諧振時LC電路呈純阻性，uc與ui反相位?；橥说南辔幌嗤换楫惷说南辔幌喾?。LC振蕩電路起振的幅值條件為：電路為正反饋，滿足振蕩電路相位平衡條件。選擇變壓器原、附邊匝數(shù)比，該條件容易滿足。變壓器上繞組的相位關系：該電路依靠放大電路自身和選頻網(wǎng)絡實現(xiàn)穩(wěn)幅。第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日93、電感反饋式振蕩電路為了克服變壓器反饋中選頻與反饋回路間因磁路耦合造成的工作不穩(wěn)定的缺陷，將電路作適當改進，便形成了電感反饋式振蕩電路，如圖所示。電路中變壓器線圈N1、N2按同一方向繞制，在其中間抽出抽頭，故有始端、尾端、中間抽頭三個端點，稱為電感三點式振蕩電路。三個端點的相位關系為：若電感中間抽頭交流接地，則首、尾端相位相反；若電感首端或尾端交流接地，則另兩端點相位相同。第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日10電路的交流通路如圖，可以看出滿足相位條件；幅值條件在BJT的β及Q值一定條件下容易滿足，故該電路能夠起振。其振蕩頻率為：其中L’為諧振回路等效電感。（M為L1、L2間互感）該電路常用于需經(jīng)常改變振蕩頻率的場合，它可以通過改變電容容量實現(xiàn)頻率的改變。第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日114、電容反饋式振蕩電路由于電感反饋式電路中反饋電壓取自電感，使得輸出波形中高次諧波分量增多，波形變壞。如果將反饋電壓取自電容，則可使輸出波形得到改善（容抗隨頻率升高而減?。?；按該思想設計的電路稱為電容三點式振蕩電路。如圖。該電路是將電感三點式中的電感和電容的位置互換，并增加RC構成。該電路的相位滿足正反饋條件；幅值條件取值合適也容易滿足。故該電路可以振蕩。第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日12該電路振蕩頻率為：由于反饋電壓取自C2，并且諧波量少。輸出波形較好。如果在L回路中串入一小電容C，且C<<C1,C2，可使電路產(chǎn)生大于100MHz的振蕩頻率，并使輸出穩(wěn)定性大大增強。這種電路稱為改進型電容三點式正弦波振蕩電路。分析以共基放大電路為基礎的振蕩電路工作原理。第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日13二、石英晶體正弦波振蕩電路

LC振蕩電路雖可以產(chǎn)生較高頻率正弦波和較好的穩(wěn)定度，但其值有時會受到溫度影響和制造工藝的限制。在實際通信電路和數(shù)字電路中要求高頻率和高穩(wěn)定性的振蕩器，此時一般采用石英晶體振蕩器。石英晶體振蕩電路是用石英晶體取代LC振蕩電路中的L、C元件組成的正弦波振蕩電路，其頻率穩(wěn)定度達10-9~10-11。石英晶體的穩(wěn)定性來自于所采用的石英晶體，其成分是SiO2單晶體，在其兩對應表面敷銀并接上電極，封裝后便形成石英晶體元件。第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日141、壓電效應和壓電振蕩如果在極板間施加交變電場，則晶體就會產(chǎn)生機械振動，同時機械振動又會產(chǎn)生交變電場，但其振幅都非常小。當外加交變電場的頻率為某一特定值時，振幅會驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率（由晶體尺寸決定），也稱諧振頻率。石英晶體之所以能做振蕩電路是源于它的壓電效應。在石英晶體兩個極板間施加電場時，它將會產(chǎn)生一定的機械變形，而這種機械變形又會產(chǎn)生電場，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日152、等效電路和頻率特性石英晶體的等效電路如圖所示。當石英晶體不振動時，可等效為一個平板電容Co，稱為靜態(tài)電容；其值決定于晶片的幾何尺寸和電極面積，一般約為幾到幾十皮法。當晶片振動時，機械振動的慣性等效為電感L，其值為幾毫亨到幾十毫亨。晶片的彈性等效為電容C，其值僅為0．01到0．1pF，因此C<<Co。晶片的摩擦損耗等效為電阻R，其值約為100Ω，理想情況下R=0。第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日16當?shù)刃щ娐分械腖、C、R支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時，該支路呈純阻性，等效電阻為R，諧振頻率諧振頻率下整個網(wǎng)絡的電抗等于R并聯(lián)Co的容抗，因R<<ωoCo，故可以近似認為石英晶體也呈純阻性，等效電阻為R。當f<fs時，Co和C電抗較大，起主導作用，石英晶體呈容性。

當f>fs

時，L、C、R支路呈感性，將與Co產(chǎn)生并聯(lián)諧振，石英晶體又呈純阻性，諧振頻率：第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日17由于C<<Co，所以fp≈fs。當f>fp時，電抗主要決定于Co，石英晶體又呈容性。因此，石英晶體電抗的頻率特性如圖所示，只有在fs<f<fp的情況下，石英晶體才呈感性；并且C和Co的容量相差愈懸殊，fs和fp愈接近，石英晶體呈感性的頻帶愈狹窄。根據(jù)品質因數(shù)的表達式：由于C和R的數(shù)值都很小，L數(shù)值很大，所以Q值高達104～106。第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日18因為振蕩頻率幾乎僅決定于晶片的尺寸，所以其穩(wěn)定度△f／fo可達10-6~10-8，一些產(chǎn)品甚至高達10-10～10-11。而即使最好的LC振蕩電路，Q值也只能達到幾百，振蕩頻率的穩(wěn)定度也只能達到10-3。因此，石英晶體的選頻特性是其它選頻網(wǎng)絡不能比擬的。電容C1和C2與石英晶體中的Co并聯(lián)，總容量大于Co，當然遠大于石英晶體中的C，所以電路的振蕩頻率等于石英晶體的并聯(lián)諧振頻率fp。3、石英晶體正弦波振蕩電路1）并聯(lián)型石英晶體正弦波振蕩器第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日19若斷開反饋，給放大電路加輸入電壓，極性上“+”下“-”；則T1管集電極動態(tài)電位為“+”，T2管的發(fā)射極動態(tài)電位也為“+”。只有在石英晶體呈純阻性，即產(chǎn)生串聯(lián)諧振時，反饋電壓才與輸入電壓同相，電路才滿足正弦波振蕩的相位平衡條件。所以電路的振蕩頻率為石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs。調(diào)整Rf的阻值，可使電路滿足正弦波振蕩的幅值平衡條件。2）串聯(lián)型石英晶體振蕩電路如圖所示為串聯(lián)型石英晶體振蕩電路。電容C1為旁路電容，對交流信號可視為短路。電路的第一級為共基放大電路，第二級為共集放大電路。第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日20CLRuiLici例1:LC并聯(lián)諧振電路中,L=1mH,C=0.1F,R=10，U=1V。求諧振時的f0、I0、IC、IL。=15924Hz=1000I0=U/Z0=1/1000=1mAIC=U/ZC=10mA1CZC==100

IL=U/ZLR=9.95mA結論:并聯(lián)諧振電路中

IC

IL>>I0諧振信號通過互感線圈引出LC并聯(lián)諧振時回路阻抗最大第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日21例1：++–+正反饋

LC正弦波振蕩器舉例判斷是否是正反饋:用瞬時極性法判斷振蕩頻率:–+UCCCC1Luo利用1：晶體管共射極放大器，集電極電位變化與基極反相，發(fā)射極與基極同相。利用2：互感線圈的同極性端電位變化相位相同。電感反饋式振蕩電路第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日22+UCCCC1L1L2例2：+––++正反饋–反相+振蕩頻率:M為兩線圈的互感(L+L+2M)Cfp210?12uo電感三點式振蕩電路第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日23+UCCC1C1LC2+––+反相例3：正反饋振蕩頻率:其中：C=C1C2C1+C2電容三點式振蕩電路第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日24例2：正反饋頻率由C、

L1、

L2諧振網(wǎng)絡決定。+UCCCC1L1L2C2uL1uL2uC設uBuCuDuBuL2

ubeuL1

D第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日25例3：正反饋設uBuCuC1

uC2

uB頻率由L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡決定。+UCCC1LC2ABC+––+uLuC1

uC1減小時，uC2如何變化？