正弦波振蕩器

關(guān)于正弦波振蕩器第1頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#25.1概述自激式振蕩器：不需外加輸入信號，能自行產(chǎn)生輸出信號的電路。振蕩器的分類：正弦波振蕩器非正弦波振蕩器：方波、三角波等反饋式振蕩器負(fù)阻式振蕩器LC

振蕩器：頻率較高RC

振蕩器：頻率較低晶體振蕩器：頻率較高，穩(wěn)定性好按產(chǎn)生的波形按工作的方式按選頻的元件第2頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#35.2反饋型振蕩器的基本工作原理一、自激振蕩建立的物理過程和電路基本構(gòu)件反饋的概念：先修課程組成放大環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)：正反饋諧振環(huán)節(jié)：選頻分析起振條件平衡條件穩(wěn)定條件第3頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#45.2反饋型振蕩器的基本工作原理二、振蕩器的起振條件開環(huán)增益反饋系數(shù)反饋量起振條件閉環(huán)增益振幅起振條件相位起振條件環(huán)路增益第4頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#55.2反饋型振蕩器的基本工作原理三、振蕩器的平衡條件對于晶體管振蕩器振幅平衡條件相位平衡條件第5頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#65.2反饋型振蕩器的基本工作原理三、振蕩器的平衡條件對于晶體管振蕩器振幅平衡條件相位平衡條件振蕩回路處于微失諧狀態(tài)第6頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#7四、振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件平衡的概念穩(wěn)定的概念振蕩特性

(A~Vom)；反饋特性

(1/F~Vom)

Q：穩(wěn)定平衡點(diǎn)；B：不穩(wěn)定平衡點(diǎn)振幅平衡 穩(wěn)定條件5.2反饋型振蕩器的基本工作原理硬激勵A(yù)1FVomVomQQ軟激勵A(yù)1FVomVomQQB用非線性放大器實(shí)現(xiàn)第7頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#85.2反饋型振蕩器的基本工作原理相位平衡的穩(wěn)定條件振蕩器相位平衡條件：

=Y+Z+F=0：相位穩(wěn)定與頻率穩(wěn)定的實(shí)質(zhì)相同要求：窄帶：結(jié)論：只有當(dāng)諧振回路的相頻特性曲線Z()

在工作頻率附近具有負(fù)的斜率，才能滿足頻率穩(wěn)定條件。

=0外界因素穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定不穩(wěn)定若內(nèi)部電路使之第8頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#95.2反饋型振蕩器的基本工作原理LC并聯(lián)諧振回路的相頻特性就具有負(fù)的斜率并聯(lián)諧振回路不僅決定振蕩頻率，而且保證相位穩(wěn)定外部因素：YF

增加YF

為YF'，導(dǎo)致頻率從01增加諧振回路：頻率從01增加，導(dǎo)致Z沿曲線下降Z

結(jié)果會在01'

點(diǎn)重建相位平衡，此時

|Z

|=|YF|

回路Q值越高，頻率偏差越小Z-YF'-YF0101'0ZYFYF'YF0YF=

YF

+

Z相位穩(wěn)定過程分析第9頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#105.3反饋型LC

振蕩器線路選頻網(wǎng)絡(luò)：采用LC

諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋式振蕩器稱為LC

正弦波振蕩器。反饋網(wǎng)絡(luò)：互感耦合振蕩器電感反饋式振蕩器電容反饋式振蕩器三端式振蕩器第10頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#115.3反饋型LC

振蕩器線路一、互感耦合振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)：互感線圈同名端：決定正反饋耦合量：決定反饋系數(shù)分析方法：直流通路交流通路：振蕩頻率：特點(diǎn)：改變M可調(diào)整反饋，不影響頻率因分布電容影響，頻率不宜過高放大器組態(tài)同名端分析第11頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#125.3反饋型LC

振蕩器線路三種形式：根據(jù)諧振回路的位置調(diào)集電路：工作穩(wěn)定、幅度較大、諧波較小調(diào)基電路：發(fā)射結(jié)輸入阻抗較小，采用部分耦合調(diào)發(fā)電路：發(fā)射結(jié)輸入阻抗較小，采用部分耦合第12頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#135.3反饋型LC

振蕩器線路二、三端式LC振蕩器分類：電感三端式，又稱哈特萊振蕩器(Hartley)電容三端式，又稱考畢茲振蕩器(Colpitts)串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱克拉潑振蕩器(Clapp)并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式，又稱西勒振蕩器(Sellier)組成：三個電抗元件x1、x2、x3

構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，與晶體管(場效應(yīng)管、運(yùn)放)的三個電極對應(yīng)連接起來，構(gòu)成反饋式正弦振蕩器電路。振蕩頻率：第13頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#145.3反饋型LC

振蕩器線路1.LC

三端式振蕩器組成法則振蕩條件：xbe

+

xce

+

xcb

=

0相位平衡：正反饋瞬時極性分析如圖射同它反－晶體三極管源同它反－場效應(yīng)管同相端相同，反相端相反－運(yùn)算放大器注意：若x

是組合的電抗元件，則 需要根據(jù)頻率確定其電抗性質(zhì)。vivovf要實(shí)現(xiàn)正反饋，必須使xce與xbe為同性質(zhì)電抗為滿足振蕩條件，xcb

須與上兩者電抗性質(zhì)相反必須第14頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#155.3反饋型LC

振蕩器線路2.電感反饋三端式振蕩器(哈特萊電路)反饋系數(shù)：起振條件：振蕩頻率：理想耦合時：ZiFPbe

Zi'第15頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#165.3反饋型LC

振蕩器線路3.電容反饋三端式振蕩器(考畢茲電路)反饋系數(shù)：起振條件：振蕩頻率：第16頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#175.3反饋型LC

振蕩器線路變形三端式振蕩器的分析：設(shè)wg

為實(shí)際工作頻率；w0

為回路諧振頻率LC串聯(lián)：wg>w0

時，呈感性；wg<w0

時，呈容性LC并聯(lián)：wg>w0

時，呈容性；wg<w0

時，呈感性(a)

電容三端式；w02<wg<w01

(b)

不能振蕩；(c)

電感三端式；wg<w01，wg<w02；wg<min(w01,w02)第17頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#185.3反饋型LC

振蕩器線路例：例：已知：L1C1>L2C2>L3C3問能否起振?若可，等效為哪種 類型的振蕩電路，其振蕩頻率與 各回路固有諧振頻率的關(guān)系。L3C3C1C2Rb1Rb2CcCcRcL1CVCCebcReCeC2C3L3C1L1第18頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#195.3反饋型LC

振蕩器線路電容三端式與電感三端式振蕩器的比較：調(diào)整方便：改變C

調(diào)整工作頻率，不影響反饋系數(shù)波形差：輸出和反饋取自電感，對高次諧波阻抗大，高次諧波的反饋電壓大，波形質(zhì)量差。工作頻率低：極間電容與回路電感并聯(lián)，形成多回路電路，高頻時其影響可能破壞相位平衡條件。僅幾十兆Hz頻率穩(wěn)定性差調(diào)整不便：改變C

調(diào)整工作頻率，但反饋系數(shù)也改變波形好：輸出和反饋取自電容，對高次諧波阻抗小，濾除高次諧波的能力強(qiáng)，波形質(zhì)量好。工作頻率高：極間電容

Cb'e、Cce與回路電容并聯(lián)，僅用極間電容做回路電容時，振蕩頻率可達(dá)千兆Hz。頻率穩(wěn)定性好電容三端式電感三端式第19頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#205.3反饋型LC

振蕩器線路4.串聯(lián)改進(jìn)電容三端式振蕩器(克拉潑電路)目的：減小晶體管寄生參量的影響，可以提高穩(wěn)定性手段：加入一個小電容，減小晶體管各端的接入系數(shù)C3C1；C3C2工作頻率：第20頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#215.3反饋型LC

振蕩器線路接入系數(shù)：C3

越小，晶體管各端的接入系數(shù)越小，寄生參量Cbe、Cce

對選頻回路的影響越小，振蕩器穩(wěn)定性越高。調(diào)整

C3

即可改變

0

，對反饋系數(shù)無影響調(diào)整

C1

、C2

可以改變反饋系數(shù)，但對

0

的影響很小。存在的問題：C3愈小，P愈小，但起振條件愈 難滿足。特別是波段工作時，在 高頻端放大器放大倍數(shù)嚴(yán)重下降， 可能停振。故克拉撥電路常用做

固定頻率或窄帶的振蕩器電路。 波段覆蓋系數(shù)?。旱?1頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#225.3反饋型LC

振蕩器線路5.并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(西勒電路)振蕩頻率： C=C1&

C2&

C3+

C4

C

C3+

C4改變C4

可調(diào)整頻率；因C3不變，反饋系數(shù)、接入 系數(shù)不變，從而工作頻率范圍 展寬；在保證起振情況下，取

C3盡量小，穩(wěn)定性得以提高。西勒電路可用作波段振蕩器， 波段覆蓋系數(shù)為：1.6

~

1.8第22頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#235.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題一、頻率穩(wěn)定度定義頻率準(zhǔn)確度：絕對準(zhǔn)確度相對準(zhǔn)確度 實(shí)際頻率f 標(biāo)稱頻率f0頻率穩(wěn)定度：長期頻率穩(wěn)定度：一天以上；衡量時基、標(biāo)準(zhǔn)原因：器件老化短期頻率穩(wěn)定度：一天之內(nèi)；衡量儀器設(shè)備的主振原因：溫度變化、電源電壓變化、電路參數(shù)不穩(wěn)定瞬間頻率穩(wěn)定度：秒、毫秒；頻域指標(biāo)~相位噪聲原因：內(nèi)部噪聲引起的頻率起伏一定時間間隔內(nèi)第23頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#245.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題常見電路的頻率穩(wěn)定度：RC振蕩器：10

-3LC振蕩器：10

-4晶體振蕩器：10

-6銫原子鐘或氫原子鐘：10

-15不同用途對頻率穩(wěn)定度的要求：中波廣播發(fā)射機(jī)：10

-5電視廣播發(fā)射機(jī)：10

-7衛(wèi)星通信發(fā)射機(jī)：10

-9

~10

-11國家時間標(biāo)準(zhǔn)：10

-12普通信號源：10

-4

~10

-5高精度信號源：10

-7

~10

-9第24頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#255.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題二、影響頻率穩(wěn)定度的因素①振蕩回路參數(shù) L，C的影響：②有源器件參數(shù)：h③回路品質(zhì)因數(shù)：r

~

Q三、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法①減小外因變化、根除“病因” 如溫度、濕度、電源電壓、磁場、振動、負(fù)載變化等②提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性(L，C)③減小相角YF

及變化量YF Z

=

-YF,YF

=

Y

+

F,Y

<0F

>0電容三端式F

<0電感三端式第25頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#265.5石英晶體振蕩器一、石英晶體及其特性石英晶體產(chǎn)品：

晶體諧振器、晶振石英諧振器的電特性： 動態(tài)電感Lq

約10-3~102H；動態(tài)電阻rq

約幾十~幾百 動態(tài)電容Cq

約10-4~10–1pF；安裝電容C0

約1~10pF晶體振蕩器：晶振&半導(dǎo)體等晶體濾波器：帶通、帶阻符號基頻等效電路完整等效電路JT第26頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#275.5石英晶體振蕩器品質(zhì)因數(shù)高 可達(dá)104~106接入系數(shù)很小 外電路影響小串聯(lián)諧振頻率 自然諧振頻率并聯(lián)諧振頻率：用途：回路電感、串聯(lián)諧振狀態(tài)、泛音振動狀態(tài)容性容性感性qp0X第27頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#285.5石英晶體振蕩器二、晶體振蕩器電路并聯(lián)型晶體振蕩器：晶體等效為電容三點(diǎn)式中的電感－皮爾斯振蕩電路晶體等效為電感三點(diǎn)式中的電感－密勒振蕩電路串聯(lián)型晶體振蕩器：晶體串聯(lián)諧振時等效為短路線1.皮爾斯(Pierce)

振蕩電路晶體等效為電容三點(diǎn)式中的電感第28頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#295.5石英晶體振蕩器類似于克拉潑振蕩電路振蕩回路與晶體管、負(fù)載的耦合很弱，不受外界影響振蕩頻率穩(wěn)定rp=2/rq極大，等效到放大器負(fù)載阻抗大，易于起振第29頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#305.5石英晶體振蕩器例：一個數(shù)字頻率計晶振電路，分析其工作情況0.01F電容較大，作為高頻旁路電路，V2

管是射隨器。V1

管的c、e

極之間有一LC

回路，諧振頻率為4MHz，在晶振工作頻率5MHz處，此回路等效為一個電容。共集電極皮爾斯振蕩器：晶振等效為電感，調(diào)整微調(diào)電容3~10pF，使電路工作在晶振的標(biāo)稱頻率5MHz上。C+VCC20k5.6k20p10/3p330p5MHz200pV14.7H20p10/3p200pV1330p4.7HCL0.012.7k1.5kV2第30頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#315.5石英晶體振蕩器2.米勒(Miller)

振蕩電路石英晶體作為電感三端式的電感元件極間電容

Cgd

作為振蕩電路的電容因

Cgd

又稱米勒電容，故此稱為米勒振蕩電路LC

并聯(lián)回路等效為電感采用輸入阻抗高的場效應(yīng)管 減小對晶體的影響Cgd300p61~122mH0.02m2.2kVDD10MW1MHz第31頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#325.5石英晶體振蕩器3.泛音晶體振蕩電路采用選頻回路代替某電抗元件：①使基頻和低次泛音不滿足三端式振蕩條件；②且使更高次泛音不滿足起振條件。例：五次泛音晶振，標(biāo)稱頻率：5MHz，基頻：1MHz，使

L1C1

回路調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。第32頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#335.5石英晶體振蕩器3.泛音晶體振蕩電路采用選頻回路代替某電抗元件：①使基頻和低次泛音不滿足三端式振蕩條件；②且使更高次泛音不滿足起振條件。例：五次泛音晶振，標(biāo)稱頻率：5MHz，基頻：1MHz，使

L1C1

回路調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。在5MHz頻率，L1C1

呈容性，構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩器。在七次及其以上泛音頻率，L1C1回路雖呈現(xiàn)容性，但等效容抗減小，使電路的電壓放大倍數(shù)減小，環(huán)路增益小于1，不滿足振幅起振條件。對于基頻和三次泛音頻率，L1C1回路呈感性，不符合三端式組成法則，不能起振。第33頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#345.5石英晶體振蕩器4.串聯(lián)型晶體振蕩器Cb、C

為交流旁路電容。L、C1、C2

和C3

并聯(lián)諧振回路調(diào)諧在工作頻率g

上當(dāng)工作頻率g=q

時，晶體的阻抗近似為零；當(dāng)頻率偏離q

時，晶體的阻抗驟然增加，近乎開路。只有等于q

的分量才有反饋，形成g=q

的振蕩。g=q第34頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#355.6其他形式的振蕩器一、壓控振蕩器(VCO)VCO:VoltageControlledOscillator1.變?nèi)荻O管壓控振蕩器的基本工作原理隔直流第35頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#365.6其他形式的振蕩器2.VCO的實(shí)際電路彩色電視接收機(jī)VHF調(diào)諧器中6~12頻段的本振電路屬于西勒振蕩電路，振蕩管呈共集電極組態(tài)電調(diào)諧：控制電壓

VC為

0.5~30V振蕩頻率約為170~220MHz18pF6pFL47pFCj15pF6pFD1.5pF47pF1000pF5.6kW15pF18pF1.2kW15kWL47kWVc0.5~30V+VCCL第36頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#375.6其他形式的振蕩器二、集成電路振蕩器外接元件少、穩(wěn)定性高、可靠性好、調(diào)整使用方便最高工作頻率、電壓和功率達(dá)不到分立元件的水平1.差分對管振蕩電路E1648共集－共基反饋電路第37頁，講稿共46頁，2023年5月2日，星期三通信電子線路第5章正弦波振蕩器Page#385.6其他形式的振蕩器2.運(yùn)放振蕩器同相端相同，反相端相反1)運(yùn)放皮爾斯振蕩電路2)運(yùn)放電感三端式電路3)運(yùn)放壓控振蕩器晶體作為電感晶體作為短路元件變?nèi)荻O管作為壓控器件，改變輸出頻率。Ld、Cj諧振在晶體