通信電路原理 第8章

第八章正弦波振蕩器

§8-1概述[2]

§8-2振蕩器的基本工作原理[2]

§8-3三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器[1]§8-6石英晶體振蕩器[1]

§8-8壓控振蕩器（VCO）[1]§8-5LC正弦波振蕩器的頻率穩(wěn)定度[2]§8-4差動(dòng)對(duì)管振蕩電路[3]§8-7RC正弦波振蕩器[2]§8-9負(fù)阻振蕩器[3]

§8-10正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)考慮[2]重點(diǎn)：

掌握正弦波振蕩電路的工作原理、電路組成、實(shí)際電路的等效電路畫法、分析與計(jì)算，重點(diǎn)是三點(diǎn)式正弦波振蕩電路的工作原理與實(shí)際電路的分析。難點(diǎn)：正弦波振蕩器的幅度穩(wěn)定條件與頻率穩(wěn)定條件；實(shí)際振蕩電路的分析與計(jì)算。§8-1概述[2]

自激振蕩器功能：

轉(zhuǎn)換為

將直流電能———→交變振蕩能量1.按波形分類：(1)簡諧波振蕩器(產(chǎn)生波形近似為正弦波)

高頻：LC振蕩器

(較穩(wěn)定/10-3~10-4)

石英晶體振蕩器

(最穩(wěn)定/10-5~10-7)

低頻：RC振蕩器

(穩(wěn)定性差/10-2~10-3)(2)張弛振蕩器(產(chǎn)生非正弦波和近似正弦波)2.研究方法

多采用正反饋方法

簡介負(fù)阻方法重點(diǎn)：

正弦波振蕩器工作原理；

起振條件、平衡條件、穩(wěn)定條件；

電路的判別原則?！?-2振蕩器的基本工作原理[2]

一、問題的引入

從調(diào)諧放大器到自激振蕩器(圖8-1p241)

自激振蕩器條件：(圖8-2p242振蕩器模型)1.電路滿足正反饋2.有選頻電路,選出正弦或余弦信號(hào)；

3.有非線性部件,將直流電能轉(zhuǎn)為交流信號(hào)能量。

二、起振條件起振過程:擾動(dòng)→放大→選頻→正反饋→放大

每次正反饋使Vs(Vf>Vs)逐漸增大，幅度達(dá)到一定值時(shí)，放大器進(jìn)入非線性區(qū)(飽和或截止)，增益下降，當(dāng)Vs=Vf時(shí)，進(jìn)入平衡狀態(tài)。起振條件:所以起振過程中:起振條件為:幅度條件:

AvFv>1

相位條件:φa+φf=2nπ(n=0,1,…)幅度平衡條件:

AvFv=1

相位平衡條件:φa+φf=2nπ(n=0,1,…)

此時(shí)Vf起維持振蕩器平衡的作用。三、平衡條件四、穩(wěn)定條件(幅度穩(wěn)定和相位穩(wěn)定)

當(dāng)平衡條件被破壞時(shí),振蕩器應(yīng)具有自動(dòng)恢復(fù)到平衡狀態(tài)的能力。

1．幅度穩(wěn)定條件(圖8-3p243)A點(diǎn):軟激勵(lì)狀態(tài)B點(diǎn):硬激勵(lì)狀態(tài)幅度穩(wěn)定條件為：

且相差越大越好。即：振幅穩(wěn)定是利用放大器的非線性，使Av與振幅的變化成反比。內(nèi)穩(wěn)幅措施：加大放大器的非線性，及自給偏壓效應(yīng)。外穩(wěn)幅措施:放大器為線性時(shí)，另插入非線性環(huán)節(jié)2．相位穩(wěn)定條件(頻率穩(wěn)定性)

當(dāng)相位平衡條件φa+φf=2nπ被破壞時(shí)，振蕩器本身應(yīng)能重新建立起相位穩(wěn)定點(diǎn)。

某原因(溫度、電壓等)引起：

Vf超前Vs

△φ，使周期縮短(f↑)

Vf滯后Vs

-△φ，使周期加大(f↓)LC回路(穩(wěn)頻機(jī)構(gòu))可抵消引入的相位變化：

f↑，(容性)產(chǎn)生-△φLC

f↓，(感性)產(chǎn)生+△φLC例:(圖8-4p245)某原因引起：

Vf超前Vs

△φ，使周期縮短(f↑)。

f↑，(容性)產(chǎn)生-△φLC。

①若擾動(dòng)保持，系統(tǒng)穩(wěn)定在f02(B點(diǎn))，頻率穩(wěn)定度下降；②若擾動(dòng)消除，返回f01(A點(diǎn))。則相位穩(wěn)定

條件為：

負(fù)斜率，且斜率越大越好。

注意：①相頻曲線負(fù)斜率越大，f02偏離f01越小，頻率穩(wěn)定度越高。提高回路Q值可加大負(fù)斜率，石英晶體Q

值極高，故頻率穩(wěn)定性好；②使固有φLC→0，即原f01接近f0五、偏置電路對(duì)振蕩性能的影響1.自給偏壓效應(yīng)(圖8-5p246)初始工作點(diǎn)VBEQ,正反饋使工作點(diǎn)左移(甲→甲乙→丙)→VBE0

2.自給偏壓電路引起的間歇振蕩

(圖8-6p246)

原因：(1)CbRb,CeRe時(shí)間常數(shù)過大,導(dǎo)通時(shí)間↓,回路得不到足夠的能量補(bǔ)充；(2)回路Q值低,能量損耗大。

提供的能量=回路能量損耗,電路可維持振蕩。六、晶體管變壓器耦合振蕩電路

(圖8-7p247)共基組態(tài)變頻器電路(單管同時(shí)完成振蕩和混頻功能)§8-3三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器[1]一、三點(diǎn)式振蕩器的組成原則

一般形式(圖8-8p248)負(fù)號(hào)表示產(chǎn)生180o相移,與Vbe和Vce間的180o相移合成為360o相移,滿足正反饋條件。

為此，Xce與X

eb必為同名電抗,而Xcb須是其異名電抗。電感三點(diǎn)式振蕩器（哈特萊電路）(圖8-9p249)

等效過程電感三點(diǎn)式振蕩器優(yōu)點(diǎn)：易起振，易調(diào)整(調(diào)C基本上不影響Fv)缺點(diǎn)：①波形差；②工作頻率低：

f↑,L1和L2的匝數(shù)↓，L2不能<1匝，一般

f工作<幾十MHz。電容三點(diǎn)式振蕩器（考畢滋電路）(P251圖8-10)考畢滋電路優(yōu)點(diǎn)：①波形好；②頻率穩(wěn)定度高；③工作頻率高。缺點(diǎn)：頻率不易調(diào)整，改變C1、

C2時(shí)會(huì)改變Fv

,改進(jìn)方法之一(圖8-10c,d

p251)。

(圖8-10c,d

p251)(共基電路）串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器

(克拉潑電路)(圖8-12p253)(共基電路）fH/fL=1.2~1.3并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器

(西勒電路)

(圖8-13p253)（共集電極電路）fH/fL=1.6~1.8并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器

(西勒電路)

(p254)（共集電極電路實(shí)例）§8-6石英晶體振蕩器[1]

Q值：LC

幾十~200

晶體

105~106一、石英諧振器1.電抗特性：(圖3-19p96)2.等效電路：(圖8-21p263)參數(shù)表(表8-1p264)3.石英諧振器在電路中的應(yīng)用(1)等效電感元件作用：fo在fs與fp之間(2)等效短路元件作用：fo=fs(串連諧振)

電抗特性：等效電路：(圖3-19p96)(圖8-21p263)二、石英晶體振蕩電路1．并聯(lián)型晶體振蕩電路(圖8-22p265)

石英諧振器等效為電感元件(1)電容三點(diǎn)式(圖8-22a,b)設(shè)：圖中C1L回路的諧振頻率為f1

要求：f1<fo

(抑制低次泛音)即:

C1L回路對(duì)fo容性失諧，等效為電容C1’。要求回路的f0與fp(fs)

一致。

(2)電感三點(diǎn)式(圖8-22c,d)要求：f1

>fo

即:C1L回路對(duì)fo感性失諧，等效為電感。要求回路的f0與fp(fs)一致。

2．串聯(lián)型晶體振蕩電路(圖8-23p266)石英諧振器等效為短路元件,要求LC回路的f0與fs一致。3．泛音晶體振蕩電路

一般f>20MHz時(shí)采用，頻率穩(wěn)定度好，七次泛音以上較少應(yīng)用。實(shí)際工作中，并電感使晶體工作于泛音的fs（fp）。三、晶體振蕩電路舉例1.

1MHz場(chǎng)效應(yīng)管密勒電路

(圖8-24p267)晶體為電感元件2.串連型晶體振蕩器

(圖8-25p267)晶體為短路元件CMOS微功耗晶體振蕩器

(圖8-26p267)晶體為電感元件§8-8壓控振蕩器（VCO）[1]以電壓變化控制頻率(相位)變化的振蕩器，用于直接FM、PLL、AFC等。變?nèi)荻O管特性(圖8-31p271)一、變?nèi)荻O管壓控振蕩器(圖8-30p270)

可見：Cj(小)串C4(隔直/很大),C

j起主要作用則:C總=Cj+(C1串C2串C3)=Cj+C'直接調(diào)頻示意例：電視甚高頻段VHFfmin=52.5MHz(1頻道的fo)fmax=219MHz(12頻道的fo)令：C'=0Kf2=fmax2/fmin2=Cjmax/Cjmin=17.4

顯然Cj難以實(shí)現(xiàn)。為此：分為兩段

VHF-L(1~5頻道)

Kf2=2.81

VHF-H(6~12頻道)Kf2=1.64直接調(diào)頻示意二、應(yīng)用實(shí)例1.電視接收機(jī)VHF本振(圖8-32p272)

2.集成運(yùn)放VCO(圖8-33p272)等效過程§8-5LC波振蕩器的頻率穩(wěn)定度[3]

一、頻率穩(wěn)定度概述長期：

一天~幾個(gè)月，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)短期：

幾小時(shí)~一天，通信機(jī)、儀器的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)

(長期、短期不穩(wěn)定為元器件老化引起)

瞬時(shí)：ms~s，瞬時(shí)無規(guī)則變化。

(瞬時(shí)不穩(wěn)定為溫度、電源、元器件參數(shù)變化引起)設(shè)：標(biāo)稱頻率fo,實(shí)際工作頻率f

絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度：△f=f-fo

相對(duì)頻率準(zhǔn)確度：△f/fo=(f-fo)/fo

(加時(shí)間限定后為頻率穩(wěn)定度)例：

工作頻率fo=1MHz,

一天內(nèi)最大偏差fomax=1.0006MHz

則頻率穩(wěn)定度為：

△f/fo=(1.0006-1)/1=6×10-4/日一般情況下：LC振蕩器：10-2~10-5/日晶體振蕩器：10-4~10-11/日

常溫：10-4~10-7/日

恒溫：10-8~10-11/日(其它措施)

中波臺(tái)：2×10-5/日

電視臺(tái)：5×10-7/日

一般信號(hào)源：10-4~10-5/日

高精度信號(hào)源：10-7~10-8/日

宇宙通信：10-11/日二、頻率不穩(wěn)定的分析

(頻率變化直接與相位變化相關(guān))相位平衡條件：φa+φf=2nπ∵φa=φfe+φLC∴φfe+φLC+φf=2nπ即：

φfe、φLC、φf的變化均可使頻率發(fā)生變化。

相頻曲線

(圖8-20p261)可見：①由于固有的φfe≠0,φf≠0,

即：φLC=-(φfe+φf)≠0，則實(shí)際工作為

f01；②+△φ(f↑)變化后,

LC回路容性,產(chǎn)生-△φLC在f02處重新達(dá)到新的相位平衡；③Q↑，f01、f02更接近f01.回路參數(shù)變化的影響

△ωo/ωo=-1/2(△L/L+△C/C)

(負(fù)號(hào)表示L、C增加時(shí)，△ωo下降)2.溫度變化的影響①引起L、C變化(L,△C);②工作點(diǎn)偏移(△φfe)；3.

Q值的變化

負(fù)載和參數(shù)變化,工作點(diǎn)偏移；4.電源不穩(wěn)定

工作點(diǎn)偏移。三、提高頻率穩(wěn)定度的措施1.恒溫、電磁屏蔽、高穩(wěn)定電源、射隨緩沖、減小機(jī)械振動(dòng)；2.提高LC回路的標(biāo)準(zhǔn)性

L、C的穩(wěn)定性，以提高Q值，安裝的結(jié)構(gòu)工藝(緊固、短引線(鍍銀))，減小Ri、Ro對(duì)LC回路的影響(部分接入等)；3.減小φfe：選f工作<<fT，

降低回路的損耗；4.補(bǔ)償法

若：△C/C=-△L/L

則：△ωo/ωo=0

即L均為正溫度系數(shù)，可選負(fù)溫度系數(shù)的C?！?-4差動(dòng)對(duì)管振蕩電路[3]

一、變壓器耦合式差動(dòng)對(duì)管振蕩電路(圖8-17p257)(a)雙回路變壓器耦合

(b)單回路單臂變壓器耦合二、雙穩(wěn)態(tài)式差動(dòng)對(duì)管振蕩電路

(圖8-18p258)特點(diǎn)：易起振，波形好，頻率穩(wěn)定度高。三、場(chǎng)效應(yīng)管振蕩電路(圖8-19p258)特點(diǎn)：

對(duì)振蕩回路影響小(高Q)，工作穩(wěn)定,fH高?！?-7RC正弦波振蕩器[2]

以RC選頻網(wǎng)絡(luò)為負(fù)載的振蕩器,幾Hz~幾百KHz。模型框圖：(圖8-27p268)一、RC選頻網(wǎng)絡(luò)(圖8-28p269)

1.網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)

令：R1=R2=R

C1=

C2=C

當(dāng)ω=ωo(諧振頻率)=1/RC時(shí),Fv=1/3(φf=0)2.幅頻特性曲線(圖8-28p269)

由上式：ω=ωo時(shí)：Fv=1/3(最大)ω<ωo時(shí)：當(dāng)ω→0，F(xiàn)v(ω)→0ω>ωo時(shí)：當(dāng)ω→∞，F(xiàn)v(ω)→03.相頻特性曲線(圖8-28p269)

(1)ω<ωo時(shí)(ω減小)

Xc1>>R1,C1與R1串聯(lián)→Xc1

Xc2>>R2,C2與R2并聯(lián)→R2則：vo超前vs相位φ

(ω→0時(shí),φ→+π/2)(2)ω>ωo時(shí)(ω增大)

Xc1<<R1,C1與R1串聯(lián)→R1

Xc2<<R2,C2與R2并聯(lián)→Xc2則：vo滯后vs相位-φ(ω→∞時(shí),φ→-π/2)(3)ω=ωo時(shí)，vo與vs同相二、文氏電橋振蕩電路

(圖8-29p269)

(1)正反饋支路→運(yùn)放+端ω=ωo=1/RC時(shí)，相位平衡(φf=0)

由振幅平衡條件：AvFv=1

已知：Fv'=F+=1/3,故要求:Av≥3

(2)負(fù)反饋支路→運(yùn)放-端作用：改善波形,穩(wěn)定振幅,Rt(熱敏電阻)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

F-=R1/(Rt+R1)(3)總反饋系數(shù)

幾Hz~幾MHz可調(diào)范圍寬，電路簡單易調(diào)整，波形失真系數(shù)為千分之幾。注意：運(yùn)放的Ri、Ro均與RC網(wǎng)絡(luò)并接，對(duì)網(wǎng)絡(luò)有影響。(3)總反饋系數(shù)§8-9負(fù)阻振蕩器[3]

一、概述

1.負(fù)阻特性和負(fù)阻器件(圖8-35p273)2.負(fù)阻等效電路和原理(圖8-34p273)

串聯(lián)型

并聯(lián)型起振條件：

Rs

>RL

Rp<Re平衡條件：

-1/Rp+1/Re+jωoC-1/jωoL=0

-Rs+RL+jωoL+1/jωoC=0諧振頻率：

Rs

=RL

和Rp=Re

時(shí)：二、用負(fù)阻觀點(diǎn)討論LC反饋振蕩器

(圖8-35p275)起振條件:R>R1+R2§8-10正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)考慮[2]

一、選擇振蕩電路(表8-2p276)二