高頻電子技術(shù)-朱小祥課件第4章 正弦波振蕩器

知識(shí)目標(biāo)

通過本章學(xué)習(xí)，掌握正弦波產(chǎn)生原理，起振條件和平衡條件；了解變壓器反饋振蕩器的電路原理；掌握三點(diǎn)式振蕩器的組成法規(guī)及電感三點(diǎn)式，電容三點(diǎn)式和兩種改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器的電路形式，工作原理，振蕩頻率計(jì)算；掌握并聯(lián)型和串聯(lián)型晶體振蕩器的工作原理和晶體在電路中的作用；了解頻率穩(wěn)定度概念和穩(wěn)定頻率的措施；了解RC橋式振蕩器和RC移相振蕩器的電路形式和工作原理及振蕩頻率計(jì)算。

能力目標(biāo)

能力目標(biāo)知識(shí)要點(diǎn)相關(guān)知識(shí)權(quán)重自測(cè)分?jǐn)?shù)正弦波振蕩器組成與分類正弦波振蕩器的定義、組成和分類振蕩器的概念、用途、分類與要求10%正弦波振蕩條件正弦波振蕩器的組成框圖及發(fā)生振蕩器的條件振蕩器的建立過程和起振條件、平衡條件30%各種振蕩器典型電路、工作原理、特點(diǎn)及頻率計(jì)算各種振蕩器的工作原理分析及計(jì)算各種振蕩器的原理圖及實(shí)際應(yīng)用60%（a）晶振外觀一（b）晶振在U盤中的應(yīng)用圖4-1晶振及其應(yīng)用

4.1

概述4.2

反饋型自激振蕩器的工作原理4.2.1

產(chǎn)生振蕩的基本原理1．正弦波振蕩電路組成1）放大電路2）反饋、選頻網(wǎng)絡(luò)3）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)

圖4-2正弦波振蕩電路組成框圖2.正弦波振蕩器指標(biāo)高頻電子技術(shù)中主要通過以下三個(gè)指標(biāo)來衡量正弦波振蕩電路的優(yōu)劣。

1）振蕩頻率2）振蕩頻率的穩(wěn)定度3）振蕩頻率的可調(diào)節(jié)性4.2.2

反饋振蕩器的平衡條件、振蕩條件與穩(wěn)定條件1.平衡和起振條件放大器反饋網(wǎng)絡(luò)

上式稱為正弦波振蕩的平衡條件，表明正弦波振蕩電路形成穩(wěn)定輸出后，放大電路的放大倍數(shù)和反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)的乘積等于1。

表明平衡時(shí)反饋系數(shù)和放大倍數(shù)幅值的乘積應(yīng)等于1，這一式子稱為幅值平衡條件。（n為正整數(shù)）

此式稱為振蕩電路的相位平衡條件。

起振過程中，輸出電壓不斷升高，這時(shí)反饋系數(shù)和放大倍數(shù)幅值的乘積就不能等于1，而應(yīng)該大于1，即

否則振蕩電路輸出電壓就不可能逐漸變大。起振時(shí)應(yīng)滿足的上式稱為振蕩電路的起振條件。由電阻、電容和電感組成的反饋網(wǎng)絡(luò)沒有放大功能，因此反饋系數(shù)F的幅值一定小于1，根據(jù)上式，放大倍數(shù)A的幅值就一定要大于1。例如一個(gè)振蕩電路的F值等于1/3，該放大倍數(shù)A就應(yīng)該大于3。不同的振蕩電路，反饋系數(shù)大小不等，所要求的放大電路的放大倍數(shù)也不同，因此就有不同的起振條件。

2．穩(wěn)定條件1）振幅穩(wěn)定條件圖4-3振幅穩(wěn)定條件

2）相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定平衡的條件是：隨著頻率的提高，相位減小?；蛘哒f，相頻特性的斜率是負(fù)值。

（a）不穩(wěn)定平衡（b）穩(wěn)定平衡圖4-4相位穩(wěn)定條件

4.3

LC正弦波振蕩電路選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC諧振回路的反饋式正弦波振蕩器，稱為LC正弦波振蕩器，按照反饋耦合網(wǎng)絡(luò)的不同，LC振蕩器可分為互感反饋式振蕩器和三點(diǎn)式振蕩器。

4.3.1

互感耦合LC振蕩電路圖4-5互感反饋式振蕩器

并聯(lián)諧振回路的諧振頻率：

4.3.2

三點(diǎn)式LC振蕩電路圖4-6三點(diǎn)式振蕩器的組成

（a）（b）圖4-7電容和電感三點(diǎn)式振蕩器

1．電感三點(diǎn)式振蕩器（Hartley）（a）原理圖（b）交流等效電路圖4-8電感三點(diǎn)式振蕩器及其等效電路

≈

2.電容三點(diǎn)式振蕩器（Colpitts）（a）原理圖（b）交流等效電路圖4-9電容三點(diǎn)式振蕩器及其等效電路

≈

3.改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器是一種性能優(yōu)良的振蕩電路。但它有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：其一是頻率調(diào)整范圍窄；其二是振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高。為了克服這兩個(gè)缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器。1）串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（Clapp）（a）原理圖（b）交流等效電路圖4-10克拉潑振蕩器及其等效電路

≈

2）并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（Seiler）（a）原理圖（b）等效交流電路圖4-11西勒振蕩器及其等效電路

≈

4.3.3LC振蕩器應(yīng)用1．高頻頭本振電路圖4-12高頻頭本振電路

（a）L頻段（b）H頻段圖4-13本振交流等效電路

2．單邊帶頻率合成電路圖4-1455～65MHz壓控振蕩器電路3．掃頻振蕩器電路圖4-1555～65MHz壓控振蕩器電路

4.4

振蕩器的頻率穩(wěn)定度4.4.1

頻率穩(wěn)定度的定義1．頻率穩(wěn)定度的含義1）絕對(duì)穩(wěn)定度絕對(duì)穩(wěn)定度是指實(shí)際振蕩頻率f與標(biāo)稱振蕩頻率fo之差值Δf，即

Δf=fo—f2）相對(duì)穩(wěn)定度相對(duì)穩(wěn)定度是指頻率偏差Δf與標(biāo)稱頻率fo的比值，即

2．振蕩器頻率變化的原因影響振蕩器頻率變化的原因有：一是振蕩回路參數(shù)，如L和C的變化。二是晶體管參數(shù)，如晶體管輸入、輸出電阻和電容的變化。

3．振蕩器的幅度穩(wěn)定在一些高精密測(cè)量儀器設(shè)備中，不僅要求振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定度，而且還要有比較穩(wěn)定的振幅。在一般的通信設(shè)備中，對(duì)振幅的穩(wěn)定度不像對(duì)頻率穩(wěn)定度要求那么嚴(yán)格，但由于非線性器件的存在。振幅的變動(dòng)必然引起電路中相移的變化，這也會(huì)影響頻率穩(wěn)定度，因此必須予以重視。

4.4.2

振蕩器的穩(wěn)頻措施1．減少外界因素變化的影響2．提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性1）采用參數(shù)穩(wěn)定的電感和電容2）采用溫度補(bǔ)償法3）改進(jìn)安裝工藝4）采用固體諧振器5）減弱振蕩管與振蕩回路的耦合4.5

晶體振蕩器4.5.1

石英晶體諧振器概述1.石英晶體的結(jié)構(gòu)圖4-16石英晶體諧振器結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)2.壓電效應(yīng)及等效電路（a）交流等效電路（b）振蕩頻率附近等效電路圖4-17石英晶體的等效電路

圖4-18石英晶體的電抗頻率特性曲線石英晶體串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率：4.5.2

晶體振蕩器電路1．并聯(lián)型晶體振蕩器（a）原理圖（b）交流等效電路圖4-19石英晶體振蕩電路

（a）原理圖（b）交流等效電路圖4-20密勒振蕩電路2．串聯(lián)型晶體振蕩器圖4-21串聯(lián)型非正弦波晶體振蕩器（a）原理圖（b）交流等效電路圖4-22串聯(lián)型正弦波晶體振蕩器

3．泛音晶體振蕩器(a)交流等效電路(b)并聯(lián)諧振回路的電抗特性圖4-23并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路

4．使用石英諧振器注意事項(xiàng)1）石英晶體標(biāo)稱頻率2）串聯(lián)諧振頻率3）石英諧振器激勵(lì)電平4）石英諧振器頻率穩(wěn)定度4.6壓控振蕩器1．變?nèi)荻O管壓控振蕩器的基本工作原理圖4-24壓控振蕩器電路對(duì)于不同的的Cj，所對(duì)應(yīng)的的振蕩頻率為：（VR為最大）

（VR為最?。?/p>

2．VCO的實(shí)際電路

(a)原理圖（b）交流等效電路圖4-26電視接收機(jī)VHF本振電路

4.7

RC振蕩器一般LC振蕩器適用于較高頻率。頻率較低時(shí)常用以電阻、電容為選頻網(wǎng)絡(luò)的RC振蕩器。RC振蕩器的工作原理同LC振蕩器一樣，都是依靠放大器的正反饋，使電路滿足振蕩的相位條件和振幅條件。常用的RC振蕩器有相移式、橋式和雙T式。RC振蕩器也是反饋式振蕩器，它是用電阻和電容組成的選頻網(wǎng)絡(luò)，而不用電感元件，因而既經(jīng)濟(jì)實(shí)用，又便于做成集成電路。但是由于RC選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性較差，因此RC振蕩器的輸出波形和頻率穩(wěn)定度較差。根據(jù)采用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)的不同，RC振蕩器可分為RC移相網(wǎng)絡(luò)振蕩器、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩器和雙T選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩器。4.7.1

RC移相振蕩器圖4-27RC移相振蕩器

該振蕩器的振蕩頻率f0和振幅起振條件分別為：

4.7.2

文氏電橋振蕩器1．RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)（a）RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)（b）低頻等效電路（c）高頻等效電路圖4-28RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)及其低、高頻等效電路由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)可得其電壓傳輸系數(shù)（或反饋系數(shù)）為：

由于

可以得到

令,上式可簡化為：

根據(jù)上邊推導(dǎo)，可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性和相頻特性的表達(dá)式為：

（a）幅頻特性曲線（b）相頻特性曲線圖4-29RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的頻率特性

2．文氏電橋振蕩器（a）文氏電橋振蕩電路（b）改畫成文氏電橋形式的電路圖4-30RC文氏電橋振蕩器

由運(yùn)放基本理論可知，同相放大器的閉環(huán)增益為：

根據(jù)AF>1和AF=1,可得該振蕩器的起振條件和振幅平衡條件分別為：

Rf2>2Rf1

Rf2=2Rf1

3．RC橋式振蕩器的應(yīng)用舉例圖4-31集成運(yùn)放RC橋式振蕩器實(shí)用電路圖4-32振蕩頻率可調(diào)的RC振蕩器

4.8負(fù)阻正弦波振蕩器負(fù)阻正弦波振蕩器是利用負(fù)阻器件與LC諧振回路構(gòu)成的另一類正弦波振蕩器，主要工作在100MHz以上的超高頻段，甚至可達(dá)幾十吉赫(GHz)。

4.8.1

負(fù)阻器件的基本特性（a）電壓控制型（b）電流控制型圖4-33負(fù)阻器件的伏安特性

4.8.2

負(fù)阻振蕩電路

1．負(fù)阻正弦波振蕩器的類型