正弦波振蕩器

第

3章

正弦波振蕩器概述3.1

反饋振蕩器的工作原理3.2LC正弦波振蕩器3.3LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.4晶體振蕩器3.5RC正弦波振蕩器概述1.與功放的比較(從能量角度)

(1)功率放大器：在輸入信號(hào)控制下，把直流電源提供的直流能量轉(zhuǎn)換為按信號(hào)規(guī)律變化的交變能量。

(2)

正弦波振蕩器(SinewaveOscillator)：不需要輸入信號(hào)控制，自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為頻率和振幅特定的正弦交變能量。2.

正弦波振蕩器的應(yīng)用

(1)無線發(fā)射機(jī)中的載波信號(hào)源，超外差接收機(jī)中的本振信號(hào)源，電子測量儀器中的正弦波信號(hào)源，數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)源。

要求：振蕩頻率和振幅尤其是振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

(2)

高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源。

要求：高效產(chǎn)生足夠大的正弦交變功率，對振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不作過高要求。本章只討論前一類用途的振蕩器3.分類(按組成原理)反饋振蕩器：利用正反饋原理構(gòu)成，應(yīng)用廣泛。

負(fù)阻振蕩器：利用負(fù)電阻效應(yīng)抵消回路中的損耗，以產(chǎn)生等幅自由振蕩。工作于微波段。二者工作原理是一致的。3.1反饋振蕩器的工作原理1.組成由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉合環(huán)路。

例：變壓器耦合反饋振蕩器(交流通路)

(1)

主網(wǎng)絡(luò)——負(fù)載為諧振回路的諧振放大器(2)

反饋網(wǎng)絡(luò)——與L

相耦合的線圈Lf。

2.工作原理

討論該閉合環(huán)路產(chǎn)生等幅持續(xù)振蕩的條件。

(1)

剛通電時(shí)，須經(jīng)歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長的過程；

(2)進(jìn)入平衡狀態(tài)時(shí)，振蕩電壓的振幅和頻率要能維持在相應(yīng)的平衡值上。

(3)

當(dāng)外界不穩(wěn)時(shí)，振幅和頻率仍應(yīng)穩(wěn)定，而不會(huì)產(chǎn)生突變或停止振蕩。

閉合環(huán)路成為反饋振蕩器(FeedbackOscillator)的三個(gè)條件：

(1)

起振條件——保證接通電源后從無到有地建立起振蕩。

(2)

平衡條件——保證進(jìn)入平衡狀態(tài)后能輸出等幅持續(xù)振蕩。

(3)

穩(wěn)定條件——保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞。3.1.1平衡和起振條件一、平衡條件

將閉合環(huán)路在×處拆開，并按所標(biāo)極性定義它的環(huán)路增益為同相又等幅，即若在某一頻率

上，與，或

(3-1-1)

則當(dāng)環(huán)路閉合后：，角頻率為

(1)主網(wǎng)絡(luò)將輸出正弦振蕩電壓。

因而式(3-1-1)

即為振蕩器的平衡條件。

令

(2)所需輸入電壓全部由反饋電壓提供，無需外加輸入電壓。

則平衡條件改寫為：

(1)

振幅平衡條件：環(huán)路增益的模

(2)

相位平衡條件：環(huán)路增益的相角(n=0，1，2，…)

(1)

在剛接通電源時(shí)，電路中的各部分存在著各種電的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)(電流突變或管子、電路中的固有噪聲)具有很寬的頻譜。

(2)諧振回路具有選頻功能，只有角頻率為osc

的分量(osc

0)才能在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓。(3)

變壓器繞向正確，可保證反饋信號(hào)

與輸入信號(hào)同相，經(jīng)放大和反饋的循環(huán)，振蕩電壓的振幅不斷增長。二、起振條件若說明等幅持續(xù)振蕩能否在接通電源后從無到有地建立起來，還需討論起振條件。以變壓器耦合反饋振蕩器來說明?？梢?，振蕩器接通電源后，能夠從小到大地建立起振蕩的條件是：(1)

振幅起振條件：(2)

相位起振條件：或

(n=0，1，2，…)

這就是反饋振蕩器的起振條件。三、討論1.起振過程作為反饋振蕩器，要滿足起振條件，又要滿足平衡條件。為此：(1)起振時(shí)，迅速增長；

下降，(2)

而后的增長速度變慢；時(shí)，(3)到停止增長，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。即電源接通后，環(huán)路增益的模值必須具有隨振蕩電壓振幅增大而下降的特性(如圖)。而環(huán)路增益的相角

則必須維持在上。

2.實(shí)現(xiàn)方法

環(huán)路中必須包含非線性環(huán)節(jié)，多由主網(wǎng)絡(luò)放大器的非線性放大特性實(shí)現(xiàn)的。

例如：變壓器耦合反饋振蕩器，剛通電時(shí)，Vi很小，放大器小信號(hào)工作，增益較大，相應(yīng)的為大于1的水平線。的增大而下降。符合對當(dāng)增大到一定數(shù)值后，放大器進(jìn)入大信號(hào)工作，由于放大特性非線性，放大器的增益將隨增大而減小，相應(yīng)地也就隨著的要求。3.1.2

穩(wěn)定條件

一、問題的提出1.振蕩電路中存在干擾

(1)

外部：電源電壓、溫度、濕度的變化，引起管子和回路參數(shù)的變化。

(2)內(nèi)部：振蕩電路內(nèi)部存在固有噪聲(起振時(shí)的原始輸入電壓,進(jìn)入平衡后與輸入電壓疊加引起波動(dòng))。均造成和的變化，破壞已維持的平衡條件。2.干擾對平衡狀態(tài)的影響——兩種

(1)通過放大和反饋的反復(fù)循環(huán)，振蕩器離開原平衡狀態(tài)，導(dǎo)致停振或突變到新的平衡狀態(tài)。原平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。

(2)

通過放大和反饋的反復(fù)循環(huán)，振蕩器能夠產(chǎn)生回到平衡狀態(tài)的趨勢。當(dāng)干擾消失后，能回到平衡狀態(tài)。原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。在穩(wěn)定的平衡狀態(tài)下，振蕩器的振蕩振幅和頻率雖會(huì)受到干擾的影響而稍有變化，但不會(huì)導(dǎo)致停振或突變。所以，為了產(chǎn)生等幅持續(xù)振蕩，振蕩器還必須滿足穩(wěn)定條件，保證所處平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。二、振幅穩(wěn)定條件

圖示增益特性環(huán)路，不僅滿足起振和振幅平衡條件，而且還滿足振幅穩(wěn)定條件。1.穩(wěn)定過程

在，外因使T

的增量與內(nèi)因使

T

的減量相等，重新平衡情況1：

最后在新的平衡值上重新滿足平衡條件

情況2：

最后達(dá)到新的平衡。2.環(huán)路增益存在兩個(gè)平衡點(diǎn)的情況

如右圖所示，振蕩器存在著兩個(gè)平衡點(diǎn)A

和B，其中A

是穩(wěn)定的，B

點(diǎn)是否穩(wěn)定呢？分析：若使，則隨之增大，導(dǎo)致進(jìn)一步增大，從而更遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)B。最后到達(dá)平衡點(diǎn)A。反之，若直到停止振蕩?？梢?，這種振蕩器不滿足振幅起振條件，須加大的電沖擊，產(chǎn)生大于的起始擾動(dòng)電壓，才能進(jìn)入平衡點(diǎn)A，產(chǎn)生持續(xù)等幅振蕩。硬激勵(lì)：靠外加沖擊而產(chǎn)生振蕩。軟激勵(lì)：接通電源后自動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定平衡狀態(tài)。3.振幅穩(wěn)定條件要使平衡點(diǎn)穩(wěn)定，必須在附近具有負(fù)斜率變化，即隨增大而下降的特性：

＜0

斜率越陡，則的變化而產(chǎn)生的變化越大，系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。

三、相位(頻率)穩(wěn)定條件1．的偏移對振蕩頻率的影響(1)相位平衡條件

(n=0，1，2，…)，表明每次放大和反饋的電壓與原輸入電壓同相。

)，因此，這種相位的不斷超前表明振蕩器的角頻率將高于(2)

若某種原因使

＞0，則通過每次放大和反饋后的電壓相位都將超前于原輸入電壓相位。由于正弦電壓的角頻率是瞬時(shí)相位對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)(。(3)反之，若某種原因使

＜0，則由于每次放大和反饋后的電壓相位都要滯后于原輸入電壓相位，因而振蕩頻率將低于。2.相位(頻率)穩(wěn)定的討論如果具有隨

增加而減小的特性(如右圖)，則必將阻止由外界因素引起的頻率變化。

由于(1)若某種原因使

＞0，導(dǎo)致振蕩頻率

＞

原振蕩頻率

osc，隨之減小，的超前勢必受到阻止，兩種情況都通過不斷的放大和反饋，最后都在原振蕩頻率附近達(dá)到新的平衡，使。(2)

若某種原因使，導(dǎo)致振蕩頻率

隨之增大，滯后勢必受阻。＜原振蕩頻率

osc，3.平衡過程：4.相位穩(wěn)定條件相角在附近有負(fù)斜率變化，斜率越陡，

說明很小的振蕩頻率變化就可抵消干擾引起的=0，

＜0，

反復(fù)循環(huán)，

=0＞0達(dá)新的平衡。干擾消失后，

=0，復(fù)原。的變化，干擾引起的頻率波動(dòng)就越小。

5.例：說明變壓器耦合振蕩電路滿足相位平衡條件的相移(1)放大器輸出電壓

對輸入電壓

如果隨頻率的增大而增大，說明加劇振蕩頻率的變化，無法實(shí)現(xiàn)新的相位平衡。

的相移(2)

反饋網(wǎng)絡(luò)反饋電壓對

由兩部分組成：

即

除放大管相移外，主要是并聯(lián)諧振回路的相移，它在諧振頻率附近隨

的變化較快，相比之下，

隨

的變化十分緩慢，可認(rèn)為它與

無關(guān)。故隨

變化的特性可代表隨

變化的特性。并聯(lián)諧振回路，其相頻特性：——諧振頻率

——有載品質(zhì)因數(shù)

可見在實(shí)際振蕩電路中，是依靠具有負(fù)斜率相頻特性的諧振回路來滿足相位穩(wěn)定條件的，且，隨

的變化斜率越大，頻率穩(wěn)定度越高。

3.1.3

基本組成及其分析方法

總之，要產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件，缺一不可。1.閉合環(huán)路組成

(1)

可變增益放大器——提供足夠的增益，且其增益隨輸入電壓增大而減小。

(2)相移網(wǎng)絡(luò)——具有負(fù)斜率變化的相頻特性，為環(huán)路提供合適的相移，保證在諧振頻率上的