CH7正弦波振蕩器高頻

會計學(xué)1CH7正弦波振蕩器高頻7.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題7.8石英晶體振蕩器7.9負(fù)阻振蕩器7.10幾種特殊振蕩現(xiàn)象7.11集成電路振蕩器7.12RC振蕩器第1頁/共56頁7.1概述1.自激振蕩：指沒有外加信號的作用下，電路能自動產(chǎn)生交流信號的一種現(xiàn)象。不需外界激勵就能自動地將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能的電路，就是自激振蕩電路。2.振蕩器的分類正弦波振蕩器非正弦波振蕩器振蕩器波形產(chǎn)生機理反饋式振蕩器負(fù)阻式振蕩器反饋型LC振蕩器RC振蕩器石英晶體振蕩器從頻率上分高頻振蕩器低頻振蕩器微波振蕩器RC橋式RC移相變壓器反饋式振蕩器三點式電容三點式電感三點式第2頁/共56頁3、振蕩器和放大器的異同4、振蕩器的用途1）信息傳輸系統(tǒng)的各種發(fā)射機中；2）在超外差式的各種接收機中；3）電子測試儀器中；如：高頻信號發(fā)生器、音頻信號發(fā)生器、Q表、數(shù)字式測量儀表等。4）工業(yè)方面如：高頻加熱設(shè)備、超聲波焊接、感應(yīng)加熱、介質(zhì)加熱。共性：都是能量轉(zhuǎn)換器，都將晶體管集電板直流電源供給能量轉(zhuǎn)換成交流能量輸出。異性：放大器需外來輸入信號激勵源——

他激振蕩器；振蕩器所需電壓取自輸出電壓的一部分——

自激振蕩器。第3頁/共56頁7.2LRC回路中的瞬變現(xiàn)象二、電磁振蕩

所謂“諧振”，就能量關(guān)系而言，是指：回路中儲存的能量是不變的，只是在電感與電容之間相互轉(zhuǎn)換；外加電動勢只提供回路電阻所消耗的能量，以維持回路的等幅振蕩。

由于大多數(shù)振蕩器都是利用LC回路來產(chǎn)生振蕩的，因此應(yīng)首先研究LC回路中如何可以產(chǎn)生振蕩，作為研究振蕩器工作原理的預(yù)備知識。一、機械振蕩位能與動能之間的相互轉(zhuǎn)換。運動中不受阻力-----等幅振蕩運動中受阻力-----衰減振蕩第4頁/共56頁

可見，i沒有出現(xiàn)振蕩，說明電容在整個過程中一直在釋放存儲的能量。it0it0CLRCLR電能→磁能磁能→電能第5頁/共56頁若LC回路無損耗，則電磁之間轉(zhuǎn)換就形成等幅振蕩。

但實質(zhì)LC回路中有損耗，故轉(zhuǎn)換過程中，一部分能量被損耗電阻所消耗，因而產(chǎn)生的是衰減振蕩，若無能量補充，振蕩會衰減至0，即停止。第6頁/共56頁三、等幅振蕩的措施與條件1）采用“負(fù)電阻”來抵消回路損耗R的“正電阻”。方法：a.引入負(fù)電阻，如隧道二極管，——負(fù)阻振蕩器

b.引入正反饋

c.利用有源器件本身的負(fù)阻特性。

2）從外界能源取得一定能量，在適當(dāng)條件下補償回路損耗。在實際電路中，將放大器的輸出信號，經(jīng)正反饋電路到輸入端進行能量補充，

從而產(chǎn)生等幅持續(xù)振蕩?！答佌袷幤?、措施2、條件1）含有兩個（或兩個以上）儲能元件。2）一個能量來源。3）一個控制設(shè)備（由電子管、晶體管、IC等）和正反饋電路實現(xiàn)。第7頁/共56頁四、結(jié)論1、LC回路自由振蕩是產(chǎn)生等幅振蕩的根據(jù)

——內(nèi)因2、采用能量補充的方法抵消或補償回路損耗，維持等幅振蕩——外因第8頁/共56頁7.3LC振蕩器的基本組成1、K接點“1”，則vs經(jīng)耦合電容CB加到三極管的基極。（諧振放大器）

1）

vs正半周時，T導(dǎo)電，ic給C充電

2）vs負(fù)半周時，T截止，C通過L放電

3）

vs作用下，LC回路獲能量產(chǎn)生振蕩注：T

每導(dǎo)通一次，則LC回路可維持等幅振蕩，回路的諧頻必須調(diào)諧在vs的頻率上，才能使回路獲得能量補充的時間與回路的振蕩“合拍”ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-2KT第9頁/共56頁2、K接點“2”，使vf=vs

，通過Cb加到T的基極，使放大器自身輸出電壓取代vs，由于要求vf=vs,且同相，則此反饋為正反饋。（反饋放大器）ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-2TK第10頁/共56頁由以上分析可知，振蕩電路具備幾大環(huán)節(jié)：1）放大電路：由非線性有源器件組成，具有一定的功率增益，能維持振蕩回路不可避免的功率損耗。2）選頻回路：選擇滿足相位條件的一個頻率，常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。3）反饋網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)正反饋，一般可以通過互感（變壓器）電感及電容等獲得正反饋電壓。4）非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：從AF>1回到AF=1，實現(xiàn)穩(wěn)幅振蕩。5）穩(wěn)定環(huán)節(jié)：幅度穩(wěn)定、相位穩(wěn)定。放大電路選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)ReRb1Rb2CeVCC1CBL1Cvs+-L2vf+-2TK第11頁/共56頁反饋振蕩器的三大條件為：3）保證得到穩(wěn)定的穩(wěn)定條件

反饋振蕩電路必須在一個外加信號激勵下，電路才能正常振蕩，這顯然不符合實際要求，那么在沒有外加信號的條件下，電路是否能起振？放大電路AV選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)Fvs+-21ViVfV0

振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？放大電路AV選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FViVfV0

1）振蕩從弱到強建立起來的起振條件：

2）維持等幅持續(xù)振蕩的平衡條件：7.47.5振蕩電路的條件第12頁/共56頁放大電路AV選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FViVfV0（從無到有）

（由弱到強）起振條件：2）初始信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的信號經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)后被保留。然而，這個頻率信號很微弱，很容易被干擾信號淹沒，不能形成一定幅度的輸出信號。因此，起振階段要求3）當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加。（由增到穩(wěn)）1）接通電源瞬間引起的電壓、電流突變，電路器件內(nèi)部噪聲等。平衡條件：第13頁/共56頁

穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定與相位穩(wěn)定兩種。

穩(wěn)定平衡：是指在外因作用下，振蕩器在平衡點附近可重建新的平衡狀態(tài)。一旦外因消失，它即能自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。

不穩(wěn)定平衡：是指振蕩回路不斷偏離原平衡狀態(tài)，導(dǎo)致環(huán)路停振或突變到新的平衡點。4）振蕩的穩(wěn)定。a）振幅穩(wěn)定條件b）相位穩(wěn)定條件穩(wěn)定的平衡第14頁/共56頁7.6反饋型LC振蕩器線路7.6.1互感耦合振蕩器7.6.2電感反饋式三端振蕩器

(哈特萊振蕩器)7.6.3電容反饋式三端振蕩器

(考畢茲振蕩器)7.6.4LC三端式振蕩器相位平衡條件 的判斷準(zhǔn)則第15頁/共56頁7.6.1互感耦合振蕩器3.判斷是否滿足相位條件：瞬時極性法（正反饋）1）判斷組態(tài)（變壓器與三極管相接，不接極為組態(tài)）；2）假定輸入信號的極性為‘+’，逐級分析有關(guān)點的極性；原則：a）極性相反的情況有，共射組態(tài)的b與c，變壓器的異名端；b）極性相同的情況有，共射組態(tài)的b與e，共c共b組態(tài)的各極間，電阻、電容、電感、導(dǎo)通的二極管、變壓器的同名端都不改變極性。c）對于繞組有一端接地，其中間抽頭的相位與不接地的繞組端相位相同。1.定義：采用互感耦合電路作為反饋網(wǎng)絡(luò)，即通過變壓器互感耦合將輸出信號送回輸入回路（形成正反饋），所形成的電路是互感耦合振蕩器。2.分類：根據(jù)LC選頻網(wǎng)絡(luò)接于晶體管電極的不同，分為c極調(diào)諧型(調(diào)集)、e極調(diào)諧型(調(diào)發(fā))和b極調(diào)諧振型(調(diào)基)電路。第16頁/共56頁正反饋反饋信號反饋信號＋－vovi-負(fù)反饋負(fù)反饋-正反饋反饋信號反饋信號vi正反饋-負(fù)反饋負(fù)反饋-正反饋3）根據(jù)反饋回輸入端的信號與輸入信號比較，判斷正負(fù)反饋。如果反饋信號與輸入信號接同一端，反饋回的極性為‘－’，為負(fù)反饋，否則為正反饋；如果反饋信號與輸入信號不接同一端，反饋回的極性為‘＋’，為負(fù)反饋，否則為正反饋。第17頁/共56頁1）c極調(diào)諧型(調(diào)集)電路3）e極調(diào)諧型(調(diào)發(fā)集)電路2）b極調(diào)諧振型(調(diào)基)電路振蕩頻率：優(yōu)點：在調(diào)整反饋（改變M時），不影響振蕩頻率。缺點：工作頻率不宜過高，一般用于中、短波。由于三極管結(jié)電容和其它分布電容的存在，在頻率較高而LC回路電容較小時，將影響穩(wěn)定性。+++++-+++++++第18頁/共56頁三點式振蕩器：從LC振蕩回路引出三個端點分別和晶體管三個電極相連接采用電感分壓式反饋網(wǎng)絡(luò)的電路——電感三點式，又稱哈托萊振蕩器。采用電容分壓式反饋網(wǎng)絡(luò)的電路——電容三點式，又稱考皮茲振蕩器。7.6三端式振蕩電路1.三端式振蕩電路的判斷方法判斷是否滿足相位條件：瞬時極性法（正反饋）+--++++--++第19頁/共56頁2.三端式振蕩電路的振蕩頻率第20頁/共56頁1）畫等效電路原則：a.電阻不畫，晶體管保留。

b.電容（旁路電容、耦合電容、去耦電容）視為短路；振蕩電容保留。

c.電感（高頻扼流圈）視為開路；振蕩電感保留。

d.直流電源視為零（電壓源短路，電流源開路）。區(qū)分旁路電容、耦合電容、去耦電容、振蕩電容方法：根據(jù)電容所處的位置或電容數(shù)值的大小來判別。旁路電容：直流偏置下的放大管將有一個電極交流接地，則該極上接的電容為旁路電容。耦合電容：在電源或負(fù)載的接入端，為避免直流電位受到破壞，則該處串接的電容可判為耦合電容。另外，從電容標(biāo)的數(shù)值來判斷，由于振蕩電容相對為小電容，因而那些大電容一般可視為旁路、耦合或去耦電容。

方法：只畫晶體管和諧振回路，其余的不畫。3.三端式振蕩電路的反饋系數(shù)X2X3X1第21頁/共56頁2）求反饋系數(shù)X2Vf+-X3X1-+V0Vf+--+V0X2X3X1射同基反或源同柵反：與射極（源極）相接的電抗為同性電抗，而與基極（柵極）極和集電極（漏極）相接的電抗為異性電抗。第22頁/共56頁Vf-+V0+-CL1L2Vf-+V0+-LC1C2第23頁/共56頁4.三端式振蕩電路的優(yōu)缺點1）容易起振；變電容而不影響F。2）調(diào)整頻率方便；1）振蕩波形不夠好；

高次諧波反饋較強，波形失真較大。2）不適于很高頻率工作；分布電容和極間電容并聯(lián)于L1與L2兩端，F(xiàn)隨頻率變化而改變。優(yōu)點：缺點：第24頁/共56頁優(yōu)點：缺點：變電容影響F，變電感不便。1）調(diào)整頻率不太方便。2）輸出波形較好。

高次諧波反饋較弱，波形接近正弦波。1）頻率穩(wěn)定度較好。分布電容和極間電容并聯(lián)于C1與C2兩端，被較大C1與C2

吸收。2）適用于較高的工作頻率。甚至可只利用器件的輸入電容和輸出電容。第25頁/共56頁

若要提高電容反饋式振蕩電路的振蕩頻率，則勢必要減小C1與C2的容量和L的電感量。實際上當(dāng)C1與C2

減小到一定的程度時，晶體管的極間電容和電路中的雜散電容將影響振蕩頻率。這些電容等效為放大電路的輸入電容Ci和輸出電容C0，它們分別與C1和C2并聯(lián)。如圖所示。CiC0C3---克拉潑振蕩器電路

由于晶體管的極間電容受溫度的影響，雜散電容又難于確定，因此電路的振蕩頻率不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定頻率，可以在電感支路串聯(lián)一個小電容C3，而且C3<<C1，C3<<C2，此時振蕩頻率幾乎與C1、C2無關(guān)，當(dāng)然也就幾乎與極間電容和雜散電容無關(guān)了。這電路稱克拉潑電路。

可見，通過調(diào)節(jié)C3來改變振蕩頻率w0時，并未影響F。說明調(diào)節(jié)頻率方便。Vf-+V0+-5.其他形式的三端式振蕩電路第26頁/共56頁共基極克拉潑電路ReRb1Rb2C2VCCC1LC3CBRc+++C2C1LC3Vf-+V0+-第27頁/共56頁---西勒振蕩電路ReRb1Rb2C2VCCC1LCBRcC4C3C2C1LC4C3Vf-+V0+-其他形式的三端式振蕩電路第28頁/共56頁7.7振蕩器的頻率穩(wěn)定問題1.頻率不穩(wěn)定的危害1）信號源的振蕩頻率不穩(wěn)定，給測量工作帶來誤差；2）作為時間標(biāo)準(zhǔn)和頻率標(biāo)準(zhǔn)的振蕩器頻率不穩(wěn)定，會使這些標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度降低；3）在無線電廣播，電視及各種通訊系統(tǒng)中，如果振蕩頻率不穩(wěn)定，將造成廣播、通訊的相互干擾，影響廣播、通訊的可靠性。2.頻率穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)1）中波廣播發(fā)射機要求的穩(wěn)定度為10-5；2）電視發(fā)射機要求為10-7；3）頻率標(biāo)準(zhǔn)的振蕩器要求為10-8~10-9；4）火星通訊的頻率穩(wěn)定度要求為10-11；5）金星定位（距地球5600萬公里）的頻率穩(wěn)定度要求為10-12。第29頁/共56頁1）準(zhǔn)確度：振蕩器實際工作頻率f與標(biāo)稱頻率f

0之間的偏差，稱為振蕩頻率準(zhǔn)確度。a）絕對頻率準(zhǔn)確度2）頻率穩(wěn)定度：是指在一定時間間隔內(nèi)，頻率準(zhǔn)確度的變化。3.頻率穩(wěn)定的性能指標(biāo)b）相對頻率準(zhǔn)確度

根據(jù)所指定的時間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種。

長期穩(wěn)定度：一般指幾天或幾個月

短期穩(wěn)定度：指一天內(nèi)，以小時、分、秒計

瞬時穩(wěn)定度：一般以秒或毫秒計第30頁/共56頁影響振蕩頻率的有如下三種因素：１）振蕩回路參數(shù)Ｌ與Ｃ;２）回路電阻ｒ；３）有源器件的參數(shù)。4.影響振蕩頻率的因素以集電極振蕩器的振蕩頻率為例：5.穩(wěn)定頻率的方法１）穩(wěn)定Ｌ與Ｃ２）回路電阻ｒa）選取標(biāo)準(zhǔn)性高，不易發(fā)生機械變形的元件;b）維持振蕩的環(huán)境溫度恒定;c）溫度補償法。３）穩(wěn)定△hb和△hiba）在振蕩器和下級電路之間加緩沖器（射極跟隨器）起隔離作用；b）本級采用低阻抗輸出（射極輸出）。第31頁/共56頁

由上面的分析可知，影響頻率穩(wěn)定度的一個重要因素就是Q，Q值越高，選頻特性就越好，其振蕩頻率的穩(wěn)定度就越高，而

但是，由于電感不可避免的有電阻，電容有漏電，這就使一般的LC諧振回路總會有損耗，它們的Q值難做得很高（LC型濾波器的品質(zhì)因數(shù)一般在100～200范圍內(nèi)）

，頻率的穩(wěn)定度也就難以做得很高，大約只能做到10-4~10-5，要進一步提高振蕩器的穩(wěn)定性，用LC振蕩器就難以實現(xiàn)，而需要采用品質(zhì)因數(shù)更高的選頻網(wǎng)絡(luò)，如石英晶振，品質(zhì)因數(shù)Ｑ可達幾萬甚至幾百萬，因而可以構(gòu)成工作頻率穩(wěn)定度極高，采用中精度的晶體，頻率穩(wěn)定度可達10-6數(shù)量級，若加單層恒溫控制，則可提高到10-7~10-8數(shù)量級，采用高溫精度晶體，可采用雙層恒溫控制，可達10-9~10-11數(shù)量級。

一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度Δf/f0只能達到10-3

～10-5。若要求頻率穩(wěn)定度超過10-5，需用石英晶體振蕩器。第32頁/共56頁7.8石英晶體振蕩器7.8.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器7.8.2串聯(lián)諧振型晶體振蕩器第33頁/共56頁石英晶體振蕩器（晶振）第34頁/共56頁石英晶體的優(yōu)點鐘、手表、計算機、微處理器、彩電、遙控器、各種振蕩電路、頻率發(fā)生器等。石英晶體的用途石英晶體的缺點單頻性，即每塊晶體只能提供一個穩(wěn)定的振蕩頻率，因而不能直接用于波段振蕩器。１）石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定；２）晶體的Ｑ值可高達數(shù)百萬數(shù)量級；３）在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對頻率變化具有極靈敏的補償能力。第35頁/共56頁1、石英晶體結(jié)構(gòu)：單晶體結(jié)構(gòu)。3.6.2石英晶體外型：規(guī)則的幾何形狀,六棱柱,兩端是六棱錐?；瘜W(xué)成分：SiO2(二氧化硅)2、石英晶片

壓電石英是一種各向異性的結(jié)晶體。振蕩器中所用的石英片或石英棒都是按一定的方位從石英晶體中切割出來的。垂直于X軸而沿Y軸切割的，稱X切型。垂直于Y軸，而沿X軸切割的，稱為Y切型。除此外還有AT、BT、CT、DT、ET、GT等切型。AT切型常用。雙面鍍銀并封裝第36頁/共56頁

當(dāng)機械力作用于晶體時，晶體兩面將產(chǎn)生電荷——正電效應(yīng)：機械能→電能，反之，當(dāng)晶體兩面加不同極性電壓時，晶體尺寸將壓縮或伸張——負(fù)電效應(yīng)：電能→機械能。

當(dāng)晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比。當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。3、石英晶片的基本特征---壓電效應(yīng)當(dāng)交變電壓加于晶體兩端時，首先晶片將隨交變信號變化產(chǎn)生機械振動，然后機械振動又反過來在晶片表面產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶片的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本身具有一固有機械振動頻率，如外加交變電壓的頻率與晶片固有振頻相等時，晶片機械振幅最大——共振，電極上產(chǎn)生的交變電流也最大，通過石英片的交變電流也最大，產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，壓電振蕩。第37頁/共56頁4、石英晶體的符號和等效電路

當(dāng)石英晶體不振動時，可等效為一個平板電容C0，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～幾十pF。

當(dāng)晶片產(chǎn)生振動時，機械振動的慣性等效為電感Lq，其值為幾mH～幾十H。

晶片的彈性等效為電容Cq，為0.01～0.1pF，因此Cq

<<C0

。

晶片的摩擦損耗等效為電阻rq，約為100Ω，理想情況下rq=0。brqLqCqCoa1）Lq非常大，Cq和rq非常小，由，可知Q

極高，其值高達105~107數(shù)量級，故頻率穩(wěn)定度很高。特點：2）Co>>Cq，故接入系數(shù)

很小，一般為0.002~0.003，因而當(dāng)石英諧振器接入電路時，電路的其它元件對諧振器的f和Q值影響很小，故頻率穩(wěn)定度高。第38頁/共56頁fsfp電容性電容性電感性fXeO5、石英晶體的電抗特性Xe由于Cq<<C0，所以f

s≈f

p。第39頁/共56頁

當(dāng)?shù)刃щ娐分械腖q、Cq、rq支路產(chǎn)生串聯(lián)諧振時，該支路呈純阻性，由于R<<C0的容抗，故可近似認(rèn)為整體也呈純阻性。1）當(dāng)f<

f

s時，石英晶體呈容性。4）當(dāng)f>f

p時，C0容抗最大，起主導(dǎo)作用，石英晶體又呈容性。2）當(dāng)f=

f

s時，石英晶體呈阻性。3）當(dāng)f

s<f<f

p時，石英晶體呈感性。fsfp電容性電容性電感性

XqO第40頁/共56頁6、石英晶體的應(yīng)用

O

容性

容性

感性

因此，振蕩電路可分為兩類：一類是作為等效電感元件，稱為并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；另一類是作為串聯(lián)諧振元件，稱為串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。

由于晶體在靜態(tài)時是呈電容性的，所以如果振蕩器的電路是設(shè)計在晶體呈現(xiàn)電容性時產(chǎn)生振蕩，那么就無法判斷晶體是否在工作。故石英晶體要么工作在感性區(qū)或工作在串聯(lián)諧振頻率上，決不能工作在容性區(qū)。

當(dāng)石英晶體工作在感性區(qū)時（并聯(lián)諧振回路），電路諧振時的諧振頻率一般不能正好等于石英諧振器產(chǎn)品指標(biāo)給出的標(biāo)稱頻率（指石英晶振兩端并接某一規(guī)定負(fù)載電容CL時石英晶振的頻率），有一個很小的差別。需要負(fù)載電容校正。負(fù)載電容CL的值載于生產(chǎn)廠家的說明書中，通常為30PF(高頻晶體）或100PF（低頻晶體）或標(biāo)∞（指無需外接負(fù)載電容，常用于串聯(lián)型晶體振蕩。第41頁/共56頁7.8.1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器

這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相同，只要把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個感性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器。第4