高頻電子線路 課件 【ch04】正弦波振蕩器

高頻電子線路正弦波振蕩器第四章12內容提要高頻正弦波振蕩器不存在外加控制輸入信號，在外界環(huán)境存在的電擾動（如熱噪聲、瞬時脈沖等)影響下，通過選頻網絡的選頻作用，振蕩器通過反饋效應或者負阻效應完成由直流信號能量至交流信號能量的轉換。本章主要介紹反饋振蕩器的基本原理，并就LC正弦波振蕩器的一種典型電路，即三點式振蕩器進行詳細論述。此外還將詳細介紹石英晶體振蕩器的基本原理，拓展介紹一些其他類型的振蕩器，最后對振蕩器的穩(wěn)定度評價進行介紹。學習目標理解與掌握反饋振蕩器的基本組成與工作原理。掌握三點式振蕩器的組成法則。掌握振蕩電路能否正常工作的判斷方法。掌握LC正弦波振蕩器的電路組成、工作原理和性能參數(shù)的計算。理解石英晶體振蕩器的電路組成、工作原理和性能參數(shù)的計算。正弦波振蕩器3思政剖析通過本章的學習，應學會利用馬克思主義哲學思想看待電信號。(1)利用物質的客觀存在性原則去認識正弦波振蕩器?？陀^存在性是所有事物的共同特性，事物是紛繁復雜、千差萬別的。物質現(xiàn)象在它們的結構、存在形式、表現(xiàn)方式等方面各不相同，但所有的物質現(xiàn)象都具有共同的屬性，即客觀存在性。自然界中有豐富多彩的宏觀世界，有看得見的有形實體，也有看不見、摸不著的磁場、高頻信號等。(2)利用馬克思主義認識論去看待正弦波振蕩器?？陀^物質世界是可知的。人們不僅能夠認識物質世界的現(xiàn)象，而且可以透過現(xiàn)象認識其本質。認識的辯證法，表現(xiàn)在認識和實踐的關系上，認識來自實踐，又轉過來指導實踐，為實踐服務，人對世界的認識不是一次完成的，而是一個多次反復、無限深化的過程。物質是可以認識的對象。未來，我們會通過現(xiàn)代化技術更詳細地感知、學習物質。正弦波振蕩器01反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的基本原理傳統(tǒng)意義上的反饋振蕩器主要由放大器、反饋網絡和選頻網絡三部分組成。在圖4-1中，電壓放大系數(shù)為A,反饋網絡的電壓傳輸系數(shù)為F。01反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的基本原理在電擾動進入回路后，經過選頻網絡的作用，僅有一定頻率范圍的信號會通過反饋網絡再次進入輸入端。隨著一次又一次地放大與反饋，輸入信號幅值將一步步地增大，并使放大器逐漸進入非線性區(qū)，即增益隨幅值增大而下降。最后，當反饋電壓U與產生輸出電壓U所對應的輸入電壓U恰好相等時，此時振蕩電路的輸出端產生了穩(wěn)定的、所需頻率的正弦輸出信號，即電路進入平衡狀態(tài)。01反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的平衡條件由前面的分析可知，系統(tǒng)只有在保證U1=U成立的條件下，正弦輸出信號才可能以穩(wěn)定的頻率產生。因此，反饋振蕩器的平衡條件為反饋振蕩器的平衡條件包括幅值平衡條件、相位平衡條件兩部分。1)幅值平衡條件式(4-4)說明，開環(huán)增益的模T為1時，U與U的大小相等，反饋振蕩器滿足其平衡條件中的幅值關系。02反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的平衡條件2)相位平衡條件式中，φ為對應復數(shù)的輻角。式(4-5)說明，只有A與F的相位和為2nπ(n=0,1,2,…)時，即開環(huán)增益僅存在實部時，U1與U的相位關系相同，且環(huán)路為正反饋。需要注意的是，為使反饋振蕩器處于平衡條件，幅值平衡條件與相位平衡條件必須同時滿足。其中，幅值平衡條件可用來確定輸出信號的幅值，相位平衡條件可用來確定振蕩頻率。02反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的平衡條件所需要的振蕩信號，需要再考慮兩個問題。(1)振蕩器在平衡位置處產生的信號是否穩(wěn)定？(2)實際上，在初始條件下同樣滿足U=U=0,可認為是一種初始的平衡狀態(tài)。如何在初始狀態(tài)下，通過電擾動穩(wěn)定地起振，并恰好達到可穩(wěn)定輸出正弦信號的平衡位置呢？為了解決這兩個問題，接下來討論反饋振蕩器的穩(wěn)定條件與起振條件。02反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件幅值穩(wěn)定條件在振蕩器處于平衡位置時，需要開始考慮關于反饋振蕩器的穩(wěn)定輸出問題。在一定的外在擾動影響下，系統(tǒng)可以自動穩(wěn)定保持在平衡點的數(shù)學前提，即振蕩器的穩(wěn)定條件。下面分別對幅值穩(wěn)定條件與相位穩(wěn)定條件進行分析。若不穩(wěn)定因素使得系統(tǒng)偏離平衡點而導致振蕩振幅減小，則為了使工作點下一時刻回歸平衡點，系統(tǒng)需要讓開環(huán)增益T的模增大進而在下一循環(huán)使得反饋電壓的模高于該循環(huán)的模，從而形成增幅振蕩，直至回歸平衡點。若不穩(wěn)定因素使系統(tǒng)偏離平衡點而導致振蕩振幅增大，則可進行同樣的分析。因此，可得到幅值穩(wěn)定條件即在平衡點P處，開環(huán)增益T相對U模值的變化率小于零。反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件幅值穩(wěn)定條件在圖4-2所示的P點處，U與U的關系可以滿足反饋振蕩器的平衡條件，被認為是平衡點。當平衡點受外界環(huán)境破壞時，若此時輸出振幅驟減，在圖4-2的基礎上，可以獲得圖4-3所示的平衡點破壞后的系統(tǒng)動態(tài)調整過程。反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件幅值穩(wěn)定條件在受到外界環(huán)境破壞后的瞬間，系統(tǒng)工作于M點，此時對應的輸出幅值為U。此處并非平衡狀態(tài)，經過反饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)得到此時刻的反饋輸出幅值U,工作點對應移動。在循環(huán)的下一周期，輸入為此時的反饋值，即U=U2)。在該輸入下，經過放大環(huán)節(jié)后得到U2(M),以此類推，系統(tǒng)會在圖中箭頭的指引下逐漸回歸到平衡點P。同樣地，若平衡點受外界環(huán)境破壞后輸出振幅驟增，該系統(tǒng)也可以回歸平衡點P。

反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件運用同樣的分析思路，來考慮相位偏離平衡點時發(fā)生的調整過程。在平衡點處，已經知道r(f)=0,即在每一輪經過輸出反饋后的反饋電壓與原輸入電壓同相。若某種原因使r(f)>0,則每次反饋后的電壓的相位都將超前于原輸入電壓的相位，這種相位的不斷超前表明振蕩頻率將高于f。反之，若某種原因使r(f)<0,則表明每次反饋后的電壓的相位都將滯后于原輸入電壓的相位，因而振蕩頻率將低于f。因此，與幅值穩(wěn)定條件的分析方法一致，只有a,具有隨f增大而減小的特性才能減小擾動產生的變化，并通過持續(xù)的反饋，最終回到原平衡點。反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件反饋振蕩器的起振條件為了使振蕩器能在接通直流電源之后，輸出電壓能從零增大直至平衡輸出，需要考慮反饋振蕩器的起振條件。為了使輸出電壓在初始階段逐漸增大，必須保證反饋電壓與輸入電壓同相，且開環(huán)增益的模T大于1，這樣才可以保證每一輪循環(huán)的反饋電壓均高于上一循環(huán)的輸入電壓，使輸出幅值可以逐漸增大。反饋震蕩期的工作原理02三點式震蕩期三點式振蕩器傳統(tǒng)意義上的反饋振蕩器主要由放大器、選頻網絡和反饋網絡三部分組成。以LC諧振回路作為選頻網絡的反饋振蕩器被定義為LC正弦波振蕩器。LC正弦波振蕩器通常分為兩類，即變壓器反饋振蕩器與三點式振蕩器。變壓器反饋振蕩器以變壓器耦合電路作為反饋網絡。以變壓器耦合電路作為反饋網絡的理論基礎在于，電路系統(tǒng)設計者可以依靠變壓器的同名端去控制振蕩的相位條件，即輸入與輸出同相。三點式振蕩器三點式振蕩器三點式振蕩器的基本原理三點式振蕩器的命名源于其交流原理電路，如圖4-4所示。三點式振蕩器三點式振蕩器電感三點式振蕩器電感三點式振蕩器也被稱為哈特萊(Hartley)振蕩器，共射型電感三點式振蕩器的原理電路如圖4-5所示。三點式振蕩器三點式振蕩器電感三點式振蕩器在圖4-6中，Rb為Rb1、Rb2的并聯(lián)結果，其承載著輸入電壓U1。三點式振蕩器電容三點式振蕩器經典的電容三點式振蕩器也稱為考比次(Colpitts)振蕩器，其分析方法與電感三點式振蕩器類似，因此僅給出了共射型電容三點式振蕩器原理電路的交流通路，如圖4-7所示。三點式振蕩器改進型電容三點式振蕩器克拉潑振蕩器在圖4-9中，Cbe與Cce分別為晶體管b、e極與c、e極之間的極間電容，它們與C1、C2并聯(lián)在一起。C3即串聯(lián)小電容，其取值遠小于C1、C2。三點式振蕩器改進型電容三點式振蕩器克拉潑振蕩器串聯(lián)小電容C3的引入，盡管使得振蕩頻率的穩(wěn)定度得到了大大提高，但依然留存一定的問題。一方面，由于C3的取值遠小于C1、C2的值，振蕩頻率必然處于更高的高頻帶；另一方面，由于C3的值過小會導致系統(tǒng)不滿足起振條件，這也間接導致系統(tǒng)通過C3的可調頻率范圍也比較窄。對于克拉潑振蕩器，晶體管與諧振回路的耦合較弱，晶體管寄生電容影響小，頻率穩(wěn)定度高。另外，其頻率調節(jié)范圍窄，調節(jié)頻率時幅度會產生變化。改進型電容三點式振蕩器西勒振蕩器為了進一步解決克拉潑振蕩器電路存在的問題，在其結構基礎上，在電感線圈L上再次并聯(lián)一個可變電容，這稱為西勒(Seiler)振蕩器，其交流通路如圖4-10所示。

三點式振蕩器改進型電容三點式振蕩器例4-2圖4-11所示為一種三諧振回路振蕩器的交流通路。三點式振蕩器改進型電容三點式振蕩器同樣畫出三個LC回路的相頻特性曲線，如圖4-13所示。三點式振蕩器03石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器區(qū)別于LC正弦波振蕩器，用石英晶體諧振器替代LC諧振回路作為選頻網絡的反饋振蕩器稱為石英晶體振蕩器。石英是一種各向異性的結晶體，其化學成分為二氧化硅(SiO2)。在一個石英晶體中，按一定的方位角切下的薄片即石英晶片。通過特定加工方式，在石英晶片的對應表面上，涂抹銀層后作為電極，并安裝一對金屬塊密封作為極板，便構成了石英晶體諧振器。石英晶片及其壓電效應石英晶體震蕩器石英晶片及其壓電效應當外加交變電壓的頻率和晶片的固有機械振動頻率相等時，便會產生共振現(xiàn)象。此時，機械振動的振幅急劇增加，晶片兩端產生的交變電場能量也變大，這種現(xiàn)象被稱為晶片達到了壓片諧振，晶片的固有機械振動頻率也即諧振頻率。Cn、Lqn與Rqn(其中n=1,3,5,…)分別是晶體的等效電容、等效電感與等效電阻。其中C的容抗很小，遠低于C,R的阻抗很小甚至可忽略，L數(shù)值相對較大，故石英晶體諧振器的品質因數(shù)很高，性能穩(wěn)定，有比較高的回路標準性。石英晶體諧振器石英晶體震蕩器石英晶體諧振器由于其特定的等效電路結構，在外加交變電壓的影響下，存在多個串聯(lián)LC諧振回路可計算不同的串聯(lián)諧振頻率。其中C1、Ll與R所對應的機械振動被稱為基音，其余等效電容、等效電感與等效電阻對應的機械振動稱為泛音。該等效電路具有兩個諧振頻率，分別為Cl、Lql與R1串聯(lián)支路的串聯(lián)諧振頻率f及Cq1Lq、Rq1與Co的并聯(lián)諧振頻率f,分別用下列表達式表示為石英晶體諧振器石英晶體震蕩器石英晶體諧振器石英體諧振器石英晶體諧振器的阻抗頻率特性曲線如圖4-16所示。

石英晶體震蕩器石英晶體諧振器并聯(lián)型石英晶體振蕩器圖4-17所示為一種簡單的并聯(lián)型石英晶體振蕩器的交流等效電路。石英晶體震蕩器石英晶體諧振器并聯(lián)型石英晶體振蕩器可利用泛音頻率構建圖4-18所示的并聯(lián)型泛音石英晶體振蕩器的交流等效電路。石英晶體震蕩器石英晶體諧振器并聯(lián)型石英晶體振蕩器不妨進一步思考，若改變L1C1回路的參數(shù)，則改變后的L1C1回路的阻抗頻率特性曲線如圖4-20所示。石英晶體諧振器串聯(lián)型石英晶體振蕩器由于本章已經多次給出了共射型振蕩器的交流通路，所以此處僅給出兩種同樣的共基型串聯(lián)型石英晶體振蕩器交流通路的常用電路布局形式，如圖4-21所示。石英晶體震蕩器石英晶體諧振器串聯(lián)型石英晶體振蕩器對于每一個電子設備、每一個獨立運用的計算機單片機，都需要石英晶體振蕩器提供時鐘信號，若石英晶體振蕩器失效則設備無法繼續(xù)工作。在軍事方面，當前石英晶體振蕩器已被廣泛用于國家軍事和航空航天領域，如導航系統(tǒng)、電子信息戰(zhàn)等。在航空電子設備中，機載計算機、慣性導航系統(tǒng)、通信、電源模塊等均無法離開石英晶體振蕩器。在民用方面，當前世界各國都在大力發(fā)展5G網絡建設，5G技術將滲透至各個角落，并催生一系列應用場景。而作為基礎電子元件的石英晶體振蕩器，將會廣泛適用于各種應用場景的新設備鏈接；作為物聯(lián)網的上游行業(yè)，物聯(lián)網時代新增的各種設備也都將會帶來對基礎電子元件石英晶體振蕩器需求的擴大。石英晶體震蕩器04其他振蕩器其他諧振器在前面幾節(jié)中，主要學習了以LC諧振回路為選頻網絡的LC正弦波振蕩器，重點學習了三點式振蕩器及其改進型振蕩器。負阻振蕩器一般可應用于100MHz以上的超高頻段，甚至可高至幾十吉赫茲。相比于其他振蕩器，負阻振蕩器引入了負阻器件，這也是其可作用于超高頻的原因之一。一般如耿氏器件、雪崩晶體管、隧道二極管等均能作為基本的負阻器件。負阻振蕩器石英晶體震蕩器石英晶體諧振器串聯(lián)型石英晶體振蕩器由圖4-22可知，伏安特性曲線的A一B段曲線的無限延長線有通過第二、四象限的趨勢，換句話說，此時的增量電阻為負值。因此，該段曲線對應的負阻器件呈現(xiàn)負阻效應。石英晶體震蕩器石英晶體諧振器串聯(lián)型石英晶體振蕩器基于以上思路，給出負阻振蕩器的交流等效通路，如圖4-23所示。

石英晶體震蕩器05振蕩器的頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度在對各種振蕩器的介紹過程中，振蕩器從起振狀態(tài)達到平衡狀態(tài)后，輸出正弦信號的穩(wěn)定性一直是一項非常受關注的指標點。本節(jié)對振蕩器輸出信號的頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度兩項性能指標進行介紹。頻率穩(wěn)定度指在一定的時間內，在規(guī)定的外界各種環(huán)境（包括溫度、機械振動、磁場、電源電壓等)變化下，振蕩頻率的絕對偏差與標稱輸出頻率的比值。根據(jù)規(guī)定時間的長短，頻率穩(wěn)定度一般分為瞬時（一般以秒或毫秒計）頻率穩(wěn)定度、短期（一般指一天內）頻率穩(wěn)定度與長期（一般以多天或多月計）頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度石英晶體震蕩器頻率穩(wěn)定度△f是在一定的時間△t內測量的結果，一般需反復多次測量并取測量結果絕對值的最大值?！鱢的絕對值越小，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度越高。(1)盡量減少系統(tǒng)所在外界環(huán)境的變化。在實際生產中，可通過恒溫環(huán)境、金屬屏蔽罩、直流穩(wěn)壓電源、減震器的設置等，來減少溫度、外界磁場、電源電壓、機械振動等的變化。(2)提高諧振回路的標準性。頻率穩(wěn)定度石英晶體震蕩器頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度諧振回路的標準性是指在外界環(huán)境變化的情況下，諧振回路保持其振蕩頻率不變的能力。標準性的提高會使頻率穩(wěn)定度也增強。為了提高諧振回路的標準性，可采用以下措施。(1)選用高質量的、參數(shù)穩(wěn)定的回路電感器和電容器。(2)選用具有不同溫度系數(shù)的電感和電容構成諧振回路。溫度變化會使電感與電容受穩(wěn)定影響的變化相互抵消，從而使回路振蕩頻率的變化減小。(3)改進安裝工藝，縮短引線、加強引線機械強度，如此可減小分布電容、電感及其變化量。

石英晶體震蕩器振幅穩(wěn)定度振幅穩(wěn)定度為了評價系統(tǒng)的穩(wěn)幅性能，引入了振幅穩(wěn)定度這一指標。振幅穩(wěn)定度的定義方式與頻率穩(wěn)定度的定義方式幾乎一致，同樣為相對比值，無單位。參照頻率穩(wěn)定度的定義方式，振幅穩(wěn)定度為式中，U為標稱輸出信號幅值；U為實際輸出信號最大幅值；△U為輸出信號幅值的絕對偏差。提高振幅穩(wěn)定度的方法同樣很多，包括內穩(wěn)幅、外穩(wěn)幅、采用直流穩(wěn)壓電源、減小負載與振蕩器的耦合等方法。石英晶體震蕩器難點釋疑本章的難點大概分為如下兩個。(1)三點式振蕩器。傳統(tǒng)意義上的反饋振蕩器主要由放大器、反饋網絡和選頻網絡三部分組成。而對于三點式振蕩器，LC諧振回路既作為選頻網