Chapter6-正弦波振蕩器分析課件

Chapter6

正弦波振蕩器§6.1概述§6.2反饋型振蕩器基本工作原理§6.3反饋型LC振蕩器線路§6.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題§6.5石英晶體振蕩器§6.6RC振蕩器Chapter6正弦波振蕩器§6.1概述2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.2自激式振蕩器：在無需外加激勵信號的情況下，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。一、振蕩器的分類：按波形分按工作方式按選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的元件分§6.1

概述正弦波振蕩器非正弦波振蕩器負(fù)阻型振蕩器反饋型振蕩器LC振蕩器RC振蕩器晶體振蕩器二、振蕩電路的主要技術(shù)指標(biāo)：振蕩頻率頻率穩(wěn)定度振蕩幅度振蕩波形2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.3§6.2反饋型振蕩器基本工作原理由KVL：微分，得：其中：——回路的衰減系數(shù)——回路的固有角頻率一、并聯(lián)諧振回路中的自由振蕩現(xiàn)象2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.4可以推導(dǎo)出：⑴——過阻尼，不產(chǎn)生振蕩⑵——臨介阻尼，仍不產(chǎn)生振蕩⑶——自由振蕩衰減振蕩等幅振蕩增幅振蕩2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.5為了獲得等幅振蕩，就必須設(shè)法使LC回路中的電阻等于“0”。由于實際的LC回路本身總是有正電阻的，因此必須人為的引入一個負(fù)電阻，將回路本身的正電阻完全抵消，以獲得等幅振蕩。負(fù)電阻產(chǎn)生的方法①引入正反饋②利用有源器件的負(fù)阻特性2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.6振蕩器必須由三部分組成：①包含兩個(或兩個以上)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使能量在正確的時間內(nèi)補(bǔ)充到電路中的控制設(shè)備。二、振蕩過程與振蕩條件2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.7自激振蕩建立的物理過程1.振蕩過程與振蕩條件產(chǎn)生振蕩時：故振蕩條件為：反饋系數(shù)或反饋放大器的閉環(huán)增益為：時，當(dāng)放大器變成了振蕩器。

2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.8由上分析知，反饋型正弦波振蕩器的起振條件是：2.平衡過程與平衡條件即振蕩器的平衡條件為

在平衡條件下，反饋到放大器的輸入信號正好等于放大器維持其所需要的輸入電壓，從而保持反饋環(huán)路各點電壓的平衡，使振蕩器得以維持。即2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.93.振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件

形成穩(wěn)定平衡點的關(guān)鍵在于在平衡點附近，放大倍數(shù)隨振幅的變化特性具有負(fù)的斜率，即②相位平衡的穩(wěn)定條件①振幅平衡的穩(wěn)定條件相位平衡條件遭到破壞時，線路本身能重新建立起相位平衡點的條件；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)為或軟自激的振蕩特性硬自激的振蕩特性正向傳輸導(dǎo)納相角回路基波諧振阻抗相角反饋系數(shù)相角2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.10

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。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現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端正確位置的放置、選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件，這些都是很重要的?！?.3反饋型LC振蕩器線路

互感耦合振蕩器的三種形式調(diào)基電路調(diào)集電路調(diào)發(fā)電路進(jìn)入2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.11

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，振幅比較平衡。(a)調(diào)基電路（b）調(diào)發(fā)電路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.12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。（c）調(diào)集電路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.13二、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，若采取一些穩(wěn)頻措施，還可以再提高一點。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)2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.14(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振蕩頻率為:電感反饋三端式振蕩器(Hartley電路)2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.15Hartley電路的優(yōu)點：①L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；缺點：①振蕩波形不好，因為反饋電壓是在電感上獲得,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，這是因為頻率太高，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)。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.16電容反饋三端振蕩器(Coplitts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電容反饋三端電路的振蕩頻率2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.17Coplitts電路的優(yōu)點：①電容反饋三端電路的優(yōu)點是振蕩波形好。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。缺點：調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時，基本上不會影響反饋系數(shù)。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.18串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(Clapp電路)（a）Clapp電路的實際電路（b）高頻等效電路因為C3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Clapp電路的振蕩頻率幾乎與C1、C2無關(guān)。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.19①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C3的值可以改變系統(tǒng)的諧振頻率,對反饋系數(shù)無影響。①Clapp電路的波段覆蓋的范圍窄。②工作波段內(nèi)輸出波形隨頻率變化大。Clapp電路的特點:缺點：2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.20并聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(

Seiler電路)(a)實際電路(b)高頻等效電路其回路等效電容振蕩頻率特點：①容易起振；②波段覆蓋率寬，且在波段內(nèi)幅度較均勻。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.21例6.1某振蕩器電路如下圖所示。1)試說明各元件的作用；2)當(dāng)回路電感L=1.5μH時，要使振蕩頻率為49.5MHz，則C4=?解：Rc:集電極偏置電阻;Re,RΦ:發(fā)射極偏置電阻；Rb1,

Rb2:基極偏置電阻；Cb:旁路電容；Cp:耦合電容；ZL:高頻扼流圈；C1~C4:振蕩回路電容

L

:振蕩回路電感Seiler振蕩電路而2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.22LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)振蕩器的等效三端電路三端式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電路特點簡言之就是“射同它異”。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。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.23例6.2下圖是一個三回路振蕩器的等效電路，現(xiàn)有以下四種情況：(1)L1C1>L2C2>L3C3(2)L1C1<L2C2<L3C3(3)L1C1=L2C2>L3C3(4)L1C1<L2C2=L3C3試分析上述四種情況是否都能振蕩，振蕩頻率f1與回路諧振頻率有何關(guān)系？屬于何種類型的振蕩器？分析：該電路要能振蕩，三個回路的諧振頻率必須滿足：解：(1)故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：屬于電感反饋振蕩器；(2)(3)故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：屬于電容反饋振蕩器；(4)故電路不可能振蕩。故電路可能振蕩，可能振蕩的頻率f1為：屬于電容反饋振蕩器；2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.24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§6.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.25根據(jù)所指定的時間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為：長期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度瞬間頻率穩(wěn)定度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)。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)。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)。頻率穩(wěn)定度2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.26一、影響頻率穩(wěn)定度的因素1.振蕩回路參數(shù)L與C對頻率的影響因為振蕩頻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Q值越高，則相同的相角變化引起頻率偏移越小。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.273.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，這些參數(shù)隨之而來的變化就會造成振蕩器頻率的變化。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.28二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法1.減小外因變化，根除“病因”①減小溫度的變化。②減小電源的變化。③減小濕度和大氣壓力的影響。④減小磁場感應(yīng)對頻率的影響。將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；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。采用二次穩(wěn)壓電源供電；或振蕩器采取單獨供電。將振蕩器密封起來。對振蕩器進(jìn)行屏蔽。溫度補(bǔ)償法2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.29⑤消除機(jī)械振動的影響。⑥減小負(fù)載的影響。通?？杉酉鹌|圈作減振器。采取Clapp或Seiler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)性和頻率穩(wěn)定度。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；2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.30

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?？墒拐袷幤鞯墓ぷ黝l率比振蕩管的特征頻率低很多，即f<<fT，并選用電容三端式振蕩電路，使振蕩波形良好。2023/10/6Copyrightsyaoping.A

作業(yè)：

6-56-11作業(yè)：2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.32一、概述1.石英晶體諧振器頻率穩(wěn)定度高的原因§6.5石英晶體振蕩器①石英晶體的等效諧振回路有很高的標(biāo)準(zhǔn)性；②具有正反壓電效應(yīng)，而且在諧振頻率附近，晶體的等效參數(shù)Lq很大、Cq很小，rq也不高，故晶體的Q值可高達(dá)數(shù)百萬數(shù)量級；③對頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.332.使用時的注意事項：①采用恒溫措施；②石英諧振器都規(guī)定接有一定的負(fù)載電容CL，用來補(bǔ)償生產(chǎn)中晶體的頻率誤差和晶體的老化，達(dá)到標(biāo)稱頻率。為適應(yīng)高頻、低頻的不同場合，CL一般采用微調(diào)電容;③在振蕩電路中，必須注意不能超過晶體的額定激勵電平，并盡量保持激勵電平的穩(wěn)定；④石英諧振器或者工作于感性區(qū)，或者工作于串聯(lián)諧振頻率上，決不能使用容性區(qū)。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.34二、晶體振蕩器電路并聯(lián)諧振型晶體振蕩器串聯(lián)諧振型晶體振蕩器1.并聯(lián)諧振型晶體振蕩器把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中，作為一個感性元件，并與其他回路元件按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成的三端振蕩器。(a)PierceCircuit(b)MillerCircuit并聯(lián)諧振型晶體振蕩器的兩種基本形式2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.35(1)皮爾斯(Pierce)振蕩電路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.36(2)密勒(Miller)振蕩電路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.37(3)Pierce電路與Miller電路的比較Miller電路的輸出信號較大，L1C1回路還可以抑制其他諧波，但頻率的穩(wěn)定度不如Pierce電路。因為Miller電路中，石英晶體接在輸入阻抗低的b-e之間，降低了石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性；而Pierce電路中的石英晶體則接在阻抗很高的b-c之間，石英晶體的標(biāo)準(zhǔn)性受影響很小。(a)PierceCircuit(b)MillerCircuit在頻率穩(wěn)定度要求較高的電路幾乎都采用Pierce電路。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.38

2.串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶振用于正反饋支路中，利用其串聯(lián)諧振時等效為短路元件，電路反饋作用最強(qiáng)，滿足振幅起振條件，使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率fq上起振。這種振蕩器與三點式振蕩器基本類似，只不過在正反饋支路上增加了一個晶振。串聯(lián)諧振型正弦波晶振電路2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.39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。

3.泛音晶體振電路為解決該問題，可以令晶體工作于它的泛音(overtone)頻率上，構(gòu)成泛音晶體振蕩器。泛音：指石英片振動的機(jī)械諧波，與基頻不成整數(shù)倍關(guān)系，只是在基頻奇數(shù)倍附近，且與基波不能同時存在。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.40§6.6RC振蕩器較低的振蕩頻率一般都采用RC振蕩器來完成。RC振蕩器主要優(yōu)點：構(gòu)造較簡單，經(jīng)濟(jì)方便RC振蕩器振幅和相位平衡條件：RC振蕩器的分類(根據(jù)RC網(wǎng)絡(luò)的不同形狀分):相移振蕩器橋式振蕩器RC振蕩器2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.411.RC相移振蕩器由超前移相或滯后移相電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的RC振蕩器。(a)相位超前的相移網(wǎng)絡(luò)(b)相位滯后的相移網(wǎng)絡(luò)圖(a)中，傳輸系數(shù)模相角超前相移網(wǎng)絡(luò)圖(b)中，傳輸系數(shù)模相角滯后相移網(wǎng)絡(luò)2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.42兩種相移網(wǎng)絡(luò)的共同特點：①φ隨頻率的變化而變化，且0<φ<90o②輸出電壓幅度也隨頻率的變化而變化，但Vo<Vi，且相移愈大，Vo愈?。划?dāng)相移90o時，輸出趨近于0。因此，為了保證相移網(wǎng)絡(luò)倒相180o，至少需要用三節(jié)移相網(wǎng)絡(luò)。此時，其振蕩頻率為起振條件為2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.Allrightsreserved.432.文氏電橋振蕩器由放大器、RC并聯(lián)正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路組成。文氏電橋振蕩器原理圖圖中，紅框內(nèi)為完成正反饋作用的串并聯(lián)RC選頻網(wǎng)絡(luò)，右邊為具有負(fù)反饋作用的同相放大器。Z1Z2低頻等效圖高頻等效圖可以推知：RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在某一頻率上，其輸出電壓幅度具有最大值，此時相位角為0。2023/10/6Copyrightsyaoping.A2023/10/6Copyrightsyaoping.