通信電路知識-正弦波振蕩器-課件

通信電路知識1ppt課件Chapter7正弦波振蕩器§7.1概述§7.2反饋型振蕩器基本工作原理§7.3反饋型LC振蕩器線路§7.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題§7.5石英晶體振蕩器§7.6其他形式的振蕩器2ppt課件§7.1

概述

本章討論的是自激式振蕩器，它是在無需外加激勵(lì)信號的情況下，能將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變能量電路。振蕩器的分類：按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器按工作方式：負(fù)阻型振蕩器和反饋型振蕩器按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的原件分：

LC振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型3ppt課件本章主要討論反饋型正弦波振蕩器的基本工作原理;平衡、穩(wěn)定的條件；電路的判斷準(zhǔn)則；電路特點(diǎn)、性能指標(biāo)等。4ppt課件§7.2反饋型振蕩器基本工作原理

實(shí)際中的反饋振蕩器是由反饋放大器演變而來，如右圖。自激振蕩建立的物理過程若開關(guān)K撥向“1”時(shí)，該電路則為調(diào)諧放大器，當(dāng)輸入信號為正弦波時(shí)，放大器輸出負(fù)載互感耦合變壓器L2上的電壓為，調(diào)整互感M及同名端以及回路參數(shù)，可以使vi=vo

。此時(shí)，若將開關(guān)K快速撥向“2”點(diǎn)，則集電極電路和基極電路都維持開關(guān)K接到“1”點(diǎn)時(shí)的狀態(tài)，即始終維持著與vi相同頻率的正弦信號。這時(shí)，調(diào)諧放大器就變?yōu)樽约ふ袷幤鳌?ppt課件

在電源開關(guān)閉合的瞬間，電流的跳變在集電極LC振蕩電路中激起振蕩。選頻網(wǎng)絡(luò)帶寬極窄，在回路兩端產(chǎn)生正弦波電壓vo，并通過互感耦合變壓器反饋到基級回路，這就是激勵(lì)信號。

由于晶體管特性的非線性，振幅會自動穩(wěn)定到一定的幅度。因此振蕩的幅度不會無限增大。

起始振蕩信號十分微弱，但是由于不斷地對它進(jìn)行放大—選頻—反饋—再放大等多次循環(huán)，于是一個(gè)與振蕩回路固有頻率相同的自激振蕩便由小到大地增長起來。6ppt課件反饋型自激振蕩器的電路構(gòu)成必須由三部分組成：1)包含兩個(gè)(或兩個(gè)以上)儲能元件的振蕩回路。

2)可以補(bǔ)充由振蕩回路電阻產(chǎn)生損耗的能量來源。3)使能量在正確的時(shí)間內(nèi)補(bǔ)充到電路中的控制設(shè)備。7ppt課件振蕩器的起振條件基本反饋環(huán)如右圖：若在某種情況下1-=0時(shí)，此時(shí)即使沒有輸入信號(vi=0)時(shí)，放大器仍有輸出電壓放大器變?yōu)檎袷幤?。要維持一定振幅的振蕩，反饋系數(shù)F應(yīng)設(shè)計(jì)得大一些。一般取這樣就可以使得在＞1時(shí)的情況下起振。8ppt課件由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：>1

其物理意義是：振幅起振條件要求反饋電壓幅度vf要一次比一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋。9ppt課件

放大器增益A與輸出電壓幅度Vo之間的關(guān)系叫振蕩特性，F(xiàn)與Vo之間的關(guān)系叫反饋特性。起振的幅度條件可用右上圖表示。起振條件與平衡條件圖解(軟激勵(lì)起振)

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，振蕩特性可能不是單調(diào)下降的，而如右下圖所示。其靜態(tài)工作點(diǎn)太低，ICQ太小，因而A0太小，以至不滿足。這種振蕩器電路一般不能自行起振，而必須給以一個(gè)較大幅度的初始激勵(lì)，使動態(tài)點(diǎn)越過不穩(wěn)定平衡點(diǎn)B才能起振，這叫硬激勵(lì)起振，設(shè)計(jì)電路要力加避免。硬激勵(lì)起振特性10ppt課件振蕩器的平衡條件所謂平衡條件是指振蕩已經(jīng)建立，為了維持自激振蕩必須滿足的幅度與相位關(guān)系。振蕩器的平衡條件為=1

在平衡條件下，反饋到放大管的輸入信號正好等于放大管維持及所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點(diǎn)電壓的平衡，使振蕩器得以維持。11ppt課件振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件

形成穩(wěn)定平衡點(diǎn)的關(guān)鍵在于在平衡點(diǎn)附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率，即<02)相位平衡的穩(wěn)定條件1)振幅平衡的穩(wěn)定條件

相位穩(wěn)定條件指相位平衡條件遭到破壞時(shí)，線路本身能重新建立起相位平衡點(diǎn)的條件；若能建立則仍能保持其穩(wěn)定的振蕩。相位穩(wěn)定條件應(yīng)為<0<0或12ppt課件五、偏置電路對振蕩性能的影響本部分內(nèi)容自學(xué)13ppt課件§7.3反饋型LC振蕩器線路

LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種類型。一、互感耦合振蕩器

互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件很重要。

互感耦合振蕩器有三種形式：調(diào)基電路、調(diào)集電路和調(diào)發(fā)電路，這是根據(jù)振蕩回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來區(qū)分的。

本部分內(nèi)容重點(diǎn)介紹不同型式的反饋型LC振蕩器，以三點(diǎn)式振蕩器作為重點(diǎn)。14ppt課件

由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時(shí)，振幅比較平衡。(a)

調(diào)基電路調(diào)基電路15ppt課件調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小。（b）調(diào)集電路16ppt課件

由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。（c）調(diào)發(fā)電路17ppt課件

互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋(改變M)時(shí)，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時(shí)，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一般應(yīng)用于中、短波波段。根據(jù)h參數(shù)等效電路分析可知互感耦合振蕩器的振蕩頻率起振條件：

hf＞其中為L中的損耗電阻，h=h0hf–hfhr顯然，M與hf越大，越容易起振。18ppt課件二、三端式LC振蕩器三端式LC振蕩電路是經(jīng)常被采用的，其工作頻率約在幾MHz到幾百M(fèi)Hz的范圍，頻率穩(wěn)定度也比變壓器耦合振蕩電路高一些，約為10–3~10–4量級，采取一些穩(wěn)頻措施后，還可以再提高一點(diǎn)。三端式LC振蕩器有多種形式，主要有：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(Coplitts)；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(Selier)。LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)19ppt課件

(a)共發(fā)電感反饋三端式振蕩器電路(b)等效電路電感三端式振蕩電路由h參數(shù)等效電路可以推導(dǎo)，電感反饋三端電路的起振條件

hfe＞＞電感反饋三端電路的振蕩頻率為電感反饋三端式振蕩器(哈特萊電路)

20ppt課件哈特萊電路的優(yōu)點(diǎn)：

1、L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；電路的缺點(diǎn)：1、振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏窃陔姼猩汐@得，而電感對高次諧波呈高阻抗，因此對高次諧波的反饋較強(qiáng)，使波形失真大；2、電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這是因?yàn)轭l率太高，L太小且分布參數(shù)的影響太大。2、振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可。3、而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。21ppt課件電容反饋三端振蕩器(考畢茲電路)電容三端式振蕩電路（a）（b）可推導(dǎo)電容反饋三端電路的起振條件

hfe＞＞電容反饋三端電路的振蕩頻率22ppt課件考畢茲電路的優(yōu)點(diǎn)：1）電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可以減小不穩(wěn)定因素對振蕩頻率的影響。3）電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直接利用振蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作頻率可做到幾十MHz到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。電路的缺點(diǎn)：調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會影響反饋系數(shù)。23ppt課件LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)三端式振蕩器的原理電路三端式LC振蕩器是一種反饋式LC振蕩器。當(dāng)回路元件的電阻很小，可以忽略其影響，同時(shí)也忽略三極管的輸入阻抗與輸出阻抗的影響，則電路要振蕩必須滿足條件：xbe+xce+xcb=0電路特點(diǎn)簡言之就是“ce，be同抗件，cb反抗件”。以此準(zhǔn)則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。24ppt課件串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(克拉潑電路)（a）克拉潑電路的實(shí)用用電路（b）高平等效電路因?yàn)镃3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1或C2，所以三電容串聯(lián)后的等效電容振蕩角頻率故克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與C1、C2無關(guān)。25ppt課件(1)由于Cce、Cbe的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路是松耦合。(2)調(diào)整C1C2的值可以改變反饋系數(shù),但對諧振頻率的影響很小。由于放大倍數(shù)與頻率的立方成反比，故隨著放大頻率的升高振蕩的幅度明顯下降，上限頻率受到限制。故:(3)調(diào)整值可以改變系統(tǒng)的諧振頻率,對反饋系數(shù)無影響。(1)克拉潑電路的波段覆蓋的范圍窄。(2)工作波段內(nèi)輸出波形隨著頻率的變化大。克拉潑電路的特點(diǎn):26ppt課件并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(西勒(Seiler)電路)(a)實(shí)際電路(b)高頻等效電路其回路等效電容振蕩頻率27ppt課件工作頻率上升時(shí)放大倍數(shù)線性上升,電流放大倍數(shù)下降。其特點(diǎn)：(1)波段覆蓋率寬。(2)工作波段內(nèi),輸出波形隨頻率變化。28ppt課件§7.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對于標(biāo)稱頻率變化的程度。絕對準(zhǔn)確度相對準(zhǔn)確度29ppt課件

短期頻率穩(wěn)定度主要與溫度變化、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。長期頻率穩(wěn)定度主要取決于有源器件和電路元件及石英晶體和老化特性，與頻率的瞬間變化無關(guān)。而瞬間頻率穩(wěn)定度主要是由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的頻率起伏，它與外界條件和長期頻率穩(wěn)定度無關(guān)。30ppt課件一、影響頻率穩(wěn)定度的因素1.振蕩回路參數(shù)對頻率的影響因?yàn)檎袷庮l率其相對頻率變化量為2.回路品質(zhì)因素Q值對頻率的影響如右圖，Q值越高，則相同的相角變化引起頻率偏移越小。31ppt課件3.有源器件的參數(shù)對頻率的影響振蕩管為有源器件，若它的工作狀態(tài)(電源電壓或周圍溫度等)有所改變，則由式如果晶體管參數(shù)h與hi將發(fā)生變化，即引起振蕩頻率的改變。另外，當(dāng)外界因素(如電源電壓、溫度、濕度等)變化時(shí)，這些參數(shù)隨之而來的變化就會造成振蕩器頻率的變化。32ppt課件二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法1.減小外因變化，根除“病因”減小溫度的變化，可將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；另使振蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采用正、負(fù)溫度系數(shù)不同的L、C，抵消L、C。減小電源的變化，采用二次穩(wěn)壓電源供電；或者振蕩器采取單獨(dú)供電。3)減小濕度和大氣壓力的影響，通常將振蕩器密封起來。4)減小磁場感應(yīng)對頻率的影響，對振蕩器進(jìn)行屏蔽。33ppt課件5)消除機(jī)械振動的影響通?？杉酉鹌|圈作減振器。減小負(fù)載的影響，在振蕩器和下級電路之間加緩沖器，提高回路Q值；本級采用低阻抗輸出，本級輸出與下一級采取松耦合；采取克拉潑或西勒電路，減弱晶體管與振蕩回路之間耦合，使折算到回路內(nèi)的有源器件參數(shù)減小，提高回路標(biāo)準(zhǔn)性，提高頻率穩(wěn)定度。34ppt課件

2.提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性

所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性即指振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持其固有諧振頻率不變的能力。要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小L和C，因此可采取優(yōu)質(zhì)材料的電感和電容。

3.減小相角YF及其變化量YF

為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求YF的數(shù)值小，且變化量小。可使振蕩器的工作頻率比振蕩管的的特性頻率低很多，即f<<fT并選用電容三端式振蕩電路，使振蕩波形良好。35ppt課件§7.5石英晶體振蕩器一、石英晶體及其特性石英晶體具有正反壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)，晶體片的機(jī)械振動最大，晶體表面電荷量最多，外電路中的交流電流最強(qiáng)，于是產(chǎn)生了諧振。1.石英晶體諧振器36ppt課件石英晶振的固有頻率十分穩(wěn)定，它的溫度系數(shù)（溫度變化1℃所引起的固有頻率相對變化量）在10–6以下。石英晶振的振動具有多諧性有基頻振動外和奇次諧波泛音振動。前者稱為基頻晶體，后者稱為泛音晶體。晶體厚度與振動頻率成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄。機(jī)械強(qiáng)度越差，加工越困難，使用中也易損壞。37ppt課件2.石英晶體的阻抗頻率特性符號基頻等效電路完整等效電路

石英晶體諧振器如上圖：安裝電容C0

約1~10pF動態(tài)電感Lq

約10–3~102H動態(tài)電容Cq

約10–4~10–1pF動態(tài)電感rq

約幾十~幾百38ppt課件由以上參數(shù)可以看到石英晶振的Q值和特性阻抗都非常高。Q值可達(dá)幾萬到幾百萬。（2）由于石英晶振的接入系數(shù)P=Cq/(C0+Cq)很小，所以外接元器件參數(shù)對石英晶振的影響很小。因?yàn)槎鳯q較大，Cq與rq很?。?）上圖(b)可以看到，石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路和一個(gè)并聯(lián)諧振回路。若忽略q，則晶振兩端呈現(xiàn)純電抗。串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率39ppt課件二、晶體振蕩器電路1.皮爾斯(Pierce)振蕩電路皮爾斯(Pierce)振蕩電路振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。(2)振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決定，而石英