振蕩頻率調(diào)諧在串聯(lián)諧振頻率處課件

第五章正弦波振蕩器5.1概述5.2反饋振蕩器的工作原理5.3LC正弦振蕩器5.4LC正弦振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.5晶體振蕩器第五章正弦波振蕩器5.1概述1正弦波振蕩器：能自動將直流電能轉(zhuǎn)換成（具有一定頻率和振幅的）正弦交流電能的電路。它與放大器的區(qū)別在于這種轉(zhuǎn)換不需外部信號的控制。振蕩器輸出的信號頻率、波形、幅度完全由電路自身的參數(shù)決定。應用：通信電路中作載波，本振信號；信號源及無線電測量儀表中。

產(chǎn)生方式：反饋式振蕩器和負阻式振蕩器分類：頻率：低頻，高頻，微波振蕩器

輸出波形：正弦振蕩器和非正弦振蕩器要求：輸出功率大，效率高，波形失真小，頻率穩(wěn)定度高5.1概述正弦波振蕩器：能自動將直流電能轉(zhuǎn)換成（具有一定頻率和振幅的）2開關(guān)K接在1端，Uo=AUi。這時將開關(guān)迅速地轉(zhuǎn)換到接于2端，去掉外部輸入，此時Uf=UoF=UiAF若AF=1，則Uf=Ui，沒有輸入也能維持輸出，構(gòu)成了振蕩電路?；貧w比：T=AF為反饋放大器的環(huán)路增益。

T>1：增幅振蕩；T<1：減幅振蕩反饋式振蕩器：

利用正反饋產(chǎn)生自激振蕩5.2反饋振蕩器的工作原理反饋式振蕩器的方框圖A12UiFKU05.2.1基本組成反饋系數(shù)：開環(huán)增益：回歸比：T=AF為反饋放大器的環(huán)路增益。反饋式振蕩器：5.3原始激勵：電源接通瞬間，相當于接入脈沖跳變信號，此外，電路中還有噪聲，它們包含有豐富地頻率成分，但是幅度非常微弱。對于某一頻率ωg的信號若滿足：T(ωg)>1，則每循環(huán)一次，幅度就增大一次，產(chǎn)生增幅振蕩，如圖所示。增幅振蕩等幅振蕩起振和穩(wěn)幅過程T>1T=1AUiUiA0U0QT<1減幅振蕩5.2.2振蕩的建立與振蕩條件一、振蕩的建立與穩(wěn)定1、基本原理振蕩幅度增大，穩(wěn)幅電路使T(ωg)降低，最終使T(ωg)=1，振蕩器進入穩(wěn)幅振蕩狀態(tài)。ωg稱為振蕩頻率，或叫作振蕩器的工作頻率原始激勵：電源接通瞬間，相當于接入脈沖跳變信號42、電路組成：放大器—完成能量轉(zhuǎn)換選頻網(wǎng)絡—完成頻率選擇及濾波反饋網(wǎng)絡—完成正反饋穩(wěn)幅電路—決定振蕩的穩(wěn)態(tài)振幅放大器選頻網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡2、電路組成：放大器選頻網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡52、平衡條件：T=1振幅平衡條件：｜T｜=｜A｜?｜F｜

=1

相位平衡條件：

T（）=φA+φ

F=2n(n=0,1,2,3…)相位平衡條件的含義----建立正反饋滿足振蕩平衡條件時，經(jīng)過穩(wěn)幅過程實現(xiàn)等幅輸出。1、

起振條件：T>1振幅起振條件：｜T｜=｜A｜?｜F｜

>1相位起振條件：

T（）=φA+φ

F=2n(n=0,1,2,3…)二、振蕩條件2、平衡條件：63、振蕩穩(wěn)定條件

當振蕩器受到外部因素的干擾失去平衡后，能自動恢復到原來的平衡狀態(tài)，或能夠在原平衡狀態(tài)附近重建平衡的，稱為穩(wěn)定的平衡。穩(wěn)定條件分為振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件，振幅穩(wěn)定條件是指當外界因素造成振蕩幅度變化后，振蕩器能夠自動恢復原來振蕩幅度所需滿足的條件。相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件被破壞時，電路能夠重新建立相位平衡的條件。相位穩(wěn)定條件同時也是頻率穩(wěn)定條件，因為相位的變化必然引起頻率的變化。3、振蕩穩(wěn)定條件當振蕩器受到外部因素的干擾7綜上所述振幅穩(wěn)定條件：

圖中A、B均為平衡點，其中A點為穩(wěn)定平衡點，當某中擾動使電路離開A點（T≠1）時，電路會自動回到A點；B點是非穩(wěn)定平衡點，受到擾動時電路會停振（左移）或過渡到A點（右移）。上圖的電路中起始擾動電壓必須大于UiB，稱為硬激勵；下圖的電路開機即可振蕩，稱為軟激勵。振蕩電路應避免硬激勵狀態(tài)。ABUiTUiBUiA1硬激勵T1AUiUiA軟激勵（1）振幅穩(wěn)定條件綜上所述振幅穩(wěn)定條件：圖中A、B均為平衡點，其中8相位穩(wěn)定條件：負載回路相頻特性：增大，

T

減小相位條件的穩(wěn)定是靠增大，

T降低來實現(xiàn)的回路Q值越高穩(wěn)定性越好

AφT(ω)0A'Bω0φT(ω)（2）相位穩(wěn)定條件圖中A點為穩(wěn)定平衡點，B點為非穩(wěn)定平衡點。相位穩(wěn)定條件：負載回路相頻特性：增大，T減小相位條9互感耦合反饋式振蕩電路

利用互感耦合實現(xiàn)反饋振蕩5.3LC正弦波振蕩器改變同名端的位置，則反饋極性改變5.3.1互感耦合振蕩器互感耦合反饋式振蕩電路利用互感耦合實現(xiàn)反饋振蕩5.310發(fā)射極調(diào)諧R1R2ReCeCbCLUCCM集電極調(diào)諧MCbR2R1CLCcReUCCMR2UCCCLReCeR1基極調(diào)諧Cb根據(jù)LC回路與三極管不同電極的連接方式分為集電極調(diào)諧型、發(fā)射極調(diào)諧型和基極調(diào)諧型電路，如圖所示三種電路相比較，集電極調(diào)諧型電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且輸出幅度大，諧波成分小。而基極調(diào)諧型電路的振蕩頻率可以在較寬的范圍內(nèi)變化，仍能保持振蕩幅度平穩(wěn)?；ジ旭詈险袷幤饕话愎ぷ饔诠ぷ黝l率不太高的中、短波波段。發(fā)射極調(diào)諧R1R2ReCeCbCLUCCM集電極調(diào)諧MCbR115.3.2三端式振蕩器一、三端式振蕩器構(gòu)成原則：構(gòu)成原則：射同它反，即與發(fā)射極相連的兩電抗X1、X2性質(zhì)相同；X3與X1、X2的電抗性質(zhì)相反。若為場效應管，則管腳對應關(guān)系為：bec

gsdX1、X2、X3組成諧振回路諧振時：X1+X2+X3=0回路電流處處相同＝I∴構(gòu)成正反饋：X1、X2為同性質(zhì)電抗X1X2X3ufu0Iui5.3.2三端式振蕩器構(gòu)成原則：射同它反，即與發(fā)射極12兩種典型的三端式振蕩器的簡化電路：左圖：電容三端式電路，又稱為考畢茲電路，它的反饋電壓取自C1和C2組成的分壓器；右圖：電感三端式電路，又稱為哈特萊電路，它的反饋電壓取自L1和L2組成的分壓器。X1X2X3ufu0IuiX1X2X3ufu0Iui兩種典型的三端式振蕩器的簡化電路：X1X2X3ufu0Iui13二、電容三端式振蕩器R1、R2、Re為直流偏置電阻；振蕩產(chǎn)生后作為自偏壓電阻，穩(wěn)幅作用。Lc高頻扼流圈，防止電源旁路Ce旁路電容、Cb

隔直流電容L、C1、C2構(gòu)成諧振回路，決定振蕩頻率：CbR2R1R2ReCeC1C2LLCUCC二、電容三端式振蕩器R1、R2、Re為直流偏置電阻；振蕩14Rb包含在gie中；yfe=gm忽略晶體管內(nèi)部反饋：yre=0Cie、Coe包含在C1、C2；gL'是集電極等效負載;Zce為三極管c、e端的等效阻抗；RbC1C2LRieC1C2LgiegoegL'gieUiUfU0gmUiZce拆環(huán)等效電路拆環(huán)：將閉合反饋環(huán)路的輸入端斷開，考慮到輸入回路對輸出回路的影響，在輸出端加入gie。一般?。篎=0.1～0.5，起振時T=3～5Rb包含在gie中；yfe=gmRbC1C2LRieC1C215電容三端式振蕩器的特點：優(yōu)點：輸出波形較好，工作頻率較高，主要是由于其反饋支路采用了電容元件，高頻時電抗小，能較好的濾除高次諧波。若直接采用極間電容代替回路電容，工作頻率可以提高很多。缺點：頻率不易調(diào)整，因為改變回路電容會同時改變反饋系數(shù)，甚至可能造成回路停振。電容三端式振蕩器的特點：16三、電感三端式振蕩器緊耦合時，反饋系數(shù)為線圈匝數(shù)比L1L2Cu0uiCL2L1giegoegL'gieUiUfU0gmUiZce拆環(huán)等效電路通過改變回路電容調(diào)整頻率時，基本不影響F；但產(chǎn)生信號的頻率較低；由于反饋電壓取自L2，使輸出含有較大的諧波電壓。三、電感三端式振蕩器緊耦合時，反饋系數(shù)為線圈匝數(shù)比L1L2C17兩種振蕩器的比較電容三點式電感三點式改變C1、C2比值來改變F能夠振蕩的最高頻率較高：極間電容與C1、C2并聯(lián)。輸出電壓波形好：c、e間接C2，高次諧波阻抗小，諧波電壓小。改變抽頭位置來改變F能夠振蕩的最高頻率較低：極間電容與L1、L2并聯(lián),高頻時會改變電抗性質(zhì)。輸出電壓波形差：c、e間接L2，高次諧波阻抗大，諧波電壓大。兩種振蕩器的比較電容三點式電感三點式改變C1、C2比值來改185.3.3兩種改進型電容反饋式振蕩器引入：晶體管各個電極與電抗元件并聯(lián)，極間電容對振蕩器的影響很大，為提高頻率穩(wěn)定性，要盡量減小晶體管與回路的耦合。一、克拉潑振蕩器晶體管以部分接入方式與回路連接C3小，C主要由C3決定，C3小，頻率可調(diào)范圍小。C1C2C3LR1R2ReLRCUCCC1C2C3Cb5.3.3兩種改進型電容反饋式振蕩器引入：晶體管各個19CbR1R2ReLRCUCCC1C2C4C3二、西勒振蕩器振蕩頻率主要C4由決定，可調(diào)范圍大。C4的變化對三極管對回路接入系數(shù)n1和F都不改變，展寬了工作頻帶，常用于頻率可調(diào)的振蕩器。接入系數(shù)與克拉潑電路相同CbR1R2ReLRCUCCC1C2C4C3二、西勒振蕩器振20RL+UCCRbRbCbCc2CLCc1C1C2Luiu0uf-UBBI0VT1VT25.3.4其它LC振蕩器簡介一、差分對振蕩器RL+UCCRbRbCbCc2CLCc1C1C2Luiu0u21二、集成LC振蕩器VT14VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT7VT8VT9VT10VT11VT12VT13VD2VD1LCCbUCC輸圖是CE1648單片集成振蕩器的內(nèi)部電路。由VT10~VT14組成直流饋電電路；VT7、VT8、VT9及外接的LC并聯(lián)回路構(gòu)成差分振蕩器；VT4、VT5組成共射—共基放大器，對VT8的集電極輸出電壓進行放大，VT2、VT3組成第二級差分放大，最后經(jīng)射隨器VT1輸出。二、集成LC振蕩器VT14VT1VT2VT3VT4VT5VT22

VT6組成直流負反饋電路，當VT8輸出電壓增大時，VT6集電極直流電壓減小，使差分振蕩器恒流源I0減小，跨導gm減小，限制輸出電壓的增大，提高輸出振幅的穩(wěn)定性。振蕩器的工作頻率：

Ci是CE1648第10、12腳間的輸入電容，典型值為6pF。當fg=100MHz時，C1取值為1~7pF，L1取值約0.22

H；當fg=10MHz時，C1取值為15~150pF，L1取值約2.72

H。

外部連接電路。如圖所示1234567891011121314+5V+9VLC0.1

0.1

輸出CE1468VT6組成直流負反饋電路，當VT8輸出電壓增大235.4LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度設實際工作頻率為f1，標稱頻率為f0絕對頻率偏差：相對頻率偏差：頻率穩(wěn)定度：在一定時間間隔內(nèi)振蕩頻率的相對變化量，即頻率穩(wěn)定度是振蕩器最重要的性能指標之一。頻率穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定是指當外界條件發(fā)生變化時，振蕩器的實際工作頻率與標稱頻率間的偏差盡可能小。5.4.1頻率穩(wěn)定度的概念5.4LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度設實際工作頻率為f1，標24

對頻率穩(wěn)定度的要求視用途而異，一般的短波、超短波發(fā)射機的相對頻穩(wěn)度為10-4~10-5數(shù)量級；電視發(fā)射機為10-7數(shù)量級；衛(wèi)星通信發(fā)射機為10-9~10-11數(shù)量級。普通信號發(fā)生器為10-4~10-5數(shù)量級，高精度信號發(fā)生器為10-7~10-9數(shù)量級。用于國家時間標準的頻率源，要求在10-12數(shù)量級。對頻率穩(wěn)定度的要求視用途而異，一般的短波、超255.4.2LC振蕩器的頻率穩(wěn)定分析其中，φfe是BJT正向傳輸導納Yfe(ω)的相移，φF是反饋系數(shù)F(ω)的相移C1C2LRbRieU0Uf電容三端式振蕩器交流通路Ui決定,振蕩器的振蕩頻率由相位平衡條件

以圖所示電容三端式振蕩電路為例來分析頻率穩(wěn)定程度與元件參數(shù)的關(guān)系。

由電路可得到：凡能引起φz、φfe和φF變化的因素都會引起振蕩頻率的變化

因為在諧振頻率附近，φfe和φF隨ω的變化遠小于Φz

(ω)的變化，在分析時將φF+φfe近似為一個常數(shù)，這樣相位條件就變?yōu)椋?.4.2LC振蕩器的頻率穩(wěn)定分析其中，φfe是BJ26－

f

Z()

0

g

已知LC并聯(lián)諧振回路的等效阻抗的幅角φz(ω）為：代入相位平衡條件式，得φz(ω）與－φf的交點就是相位平衡點，交點處對應的頻率就是振蕩頻率ωg。

－fZ()0g已知LC并聯(lián)諧振回路的等效阻抗的27外界因素通過改變ω0、Qe和φf來影響ωg。其變化用全微分表示：從公式可以看出，增大Qe和減小φf，可以減弱Δω0、ΔQe和Δφf造成的頻率偏移。外界因素通過改變ω0、Qe和φf來影響ωg28-φf

Z()ω(a)

0變化的影響

0

0+

0

g

g+

g

Z()－φf

0

g

g+

gQeQe+

Q(b)Qe變化的影響ω－φf

Z()

0

g

g+

g(c)

f變化的影響－φf+?φfω右圖形象的表示了ω0、Qe和φf分別變化時ωg相應的變化過程。-φfZ()ω(a)0變化的影響00+295.4.3提高頻率穩(wěn)定度的措施二、提高振蕩回路的標準性一、減小外界因素的變化采用恒溫槽減小溫度變化的影響；采用屏蔽措施減小磁場變化的影響；加入減振裝置減小機械振動的影響；采用隔離電路減小負載變化的影響等。選用參數(shù)高度穩(wěn)定的L、C元件，如用石英晶體替代諧振回路的L，或者采用溫度補償來減小溫度變化對元件帶來的影響。已知：與諧振回路元件參數(shù)L、C的關(guān)系為：，則5.4.3提高頻率穩(wěn)定度的措施二、提高振蕩回路的標準性一30三、減小晶體管對振蕩頻率的影響采用加大回路總電容的方法可以減小極間電容的相對影響，但是大電容會使頻率調(diào)諧范圍變窄，使振蕩變?nèi)?；減弱三極管與回路之間的耦合，也就是將三極管以部分接入方式接入回路，也可以減小極間電容對諧振回路的影響；通過穩(wěn)定晶體管的工作點可以減小gm的變化，從而減小φf的變化，也能夠穩(wěn)定振蕩頻率等方法。三、減小晶體管對振蕩頻率的影響采用加大回路總315.5晶體振蕩器優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度高。缺點：單頻工作——標稱頻率。串聯(lián)諧振頻率：并聯(lián)諧振頻率：(Cq<<C0)

q

0X0感性容性容性C0Cq1Lq1Rq1iu~+-JT5.5.1石英晶體諧振特性5.5晶體振蕩器優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度高。串聯(lián)諧振頻率：并聯(lián)32并聯(lián)型晶體振蕩器：含有石英晶體的電容三端式振蕩器，也稱為皮爾斯振蕩器，如圖所示。振蕩器的振蕩頻率在晶體的串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振頻率之間，晶體等效為一個非線性電感。5.5.2晶體振蕩器R1RcR2C1C2JTRLCcUCCCb(a)皮爾斯振蕩器ReReC1C2RLL(b)等效交流通路一、并聯(lián)型晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器：含有石英晶體的電容三端式振蕩33密勒振蕩器：屬于電感三端式電路。晶體和L1C1回路均等效為電感，因此要求振蕩器工作頻率

g低于L1C1回路的固有諧振頻率

01。輸出波形較好，但有載Qe值低，與皮爾斯振蕩器相比，頻率穩(wěn)定度較低，為了減少三極管輸入電阻對石英晶體的影響，可以采用場效應管代替三極管構(gòu)成振蕩電路。R1R2JTReCeL1C1UCC(a)密勒振蕩器C2L1C1C2JT(b)等效交流通路密勒振蕩器：R1R2JTReCeL1C1UCC344.7

H200pF3~10PF20PF5MHZUCC0.010.120330pF20K5.6Kuo4.7

H330pF200pF3~10pF20pF5MHz15MHzUCCC16.6

HL1220pF430pF20pF3~15pF6.6

H430pF220pF3~15pF20pF泛音晶體振蕩器4.7H200pF3~10PF20PF5MHZUCC0.35串聯(lián)型晶體振蕩器：電路通過晶體形成正反饋，振蕩器的振蕩頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率，即

o≈

s，晶體等效為選頻開關(guān)（一小電阻或近似短路線）。晶體工作于fs附近，呈現(xiàn)低阻抗，這時反饋最強且不帶來附加相移，因此在這個頻率上產(chǎn)生振蕩。二、串聯(lián)型晶體振蕩器12V0.01F0.03FC1C2C3R1RcLReCbR2JT圖所示電路，是一個電容三端式振蕩器，在諧振回路與三極管之間的反饋支路中接入了一個具有選頻能力的晶體。L、C1、C2、C3組成并聯(lián)諧振回路，振蕩頻率調(diào)諧在串聯(lián)諧振頻率處，石英諧振器阻抗最小為，相移為0，形成正反饋，滿足振幅和相位條件，產(chǎn)生振蕩。串聯(lián)型晶體振蕩器：電路通過晶體形成正反饋，振蕩36+24V2.4k2k1.5k2k3.9k4.3k2.4k680JT100pF10

10

0.04

10

20F20FL

下圖是某通信機用的9kHz串聯(lián)晶體振蕩器。9kHz石英諧振器串接在兩級放大器的反饋支路上，只有在晶體和負載電容CL所決定的串聯(lián)諧振頻率上，正反饋最強，才產(chǎn)生振蕩。第一級放大器采用諧振回路作負載，利用它的選頻作用，輸出端可以得到波形較好的正弦波。

+24V2.4k2k1.5k2k3.9k4.3k2.4k6837三、集成晶體振蕩器下圖是用E1648組成的100MHz晶體振蕩器，晶體標稱頻率為100MHz，LC回路應調(diào)諧于晶體標稱頻率處，不過回路諧振頻率與標稱頻率偏差10%時仍能工作，但頻率穩(wěn)定度會受影響。實測此振蕩器的頻率穩(wěn)定度為10-5，輸出電壓峰—峰值不小于750mV。0.22

3300p2-10p0.1

JT+5V輸出3300p1k1k0.1

47p86

10

0.1

100MHz1234567891011121314三、集成晶體振蕩器下圖是用E1648組成的100385.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象在實際振蕩電路中，由于各種原因，還可能產(chǎn)生一些特殊的振蕩現(xiàn)象。如寄生振蕩，間歇振蕩，頻率占據(jù)，頻率拖曳等。這些振蕩現(xiàn)象一般應盡量避免，但有時也可以利用間歇振蕩和頻率占據(jù)現(xiàn)象來實現(xiàn)某些功能。5.6.1寄生振蕩

寄生振蕩是指某些特定頻率上，由電路中某些集總參數(shù)和分布參數(shù)構(gòu)成的閉合環(huán)路，滿足振蕩條件而產(chǎn)生的自激振蕩，一般是疊加在正常振蕩的波形上，引起振蕩波形的畸變。低頻寄生振蕩——由電路中的電感量較大的高頻扼流圈、電容量較大的隔直流電容或旁路電容所引起。超高頻寄生振蕩——分布參數(shù)（如引線電感、管子極間電容）所引起。5.6振蕩器中的幾種現(xiàn)象在實際振蕩電路39RbCbCeReLCUBBUCCUfUbU0(a)t1t2UBBubtt(b)5.6.2間歇振蕩如果振蕩電路中某些元件參數(shù)選擇不當，就會產(chǎn)生間歇振蕩，這時輸出電壓的波形如下圖(b)所示。電源接通后，振蕩建立速度快，振蕩電壓迅速增加，管子進入非線性區(qū)域，實現(xiàn)穩(wěn)幅，振蕩很容易趨于穩(wěn)定（圖b的t1~t2時間段內(nèi)）。如果在t2時刻，UBB繼續(xù)變負，振蕩幅度會有所減小，A也隨之下降，造成環(huán)路增益小于1，若在此期間偏壓不能迅速建立，則振蕩迅速衰減到零，停振，直到偏壓又增加到起振時的電壓，開始新一輪振蕩。

為防止間歇振蕩的產(chǎn)生，偏置電壓的變化速度必須跟上振蕩振幅的變化速度。為此，可以通過增大回路的值來減小振蕩振幅的變化速度，同時要減小偏置電路中Cb、Ce取值來加快偏壓建立的瞬態(tài)過程。

RbCbCeReLCUBBUCCUfUbU0(a)t1t2U40R1R2CbCeReLCUCCUs

f1

f2

f3

f4f’1=f1|fs–f’1|

f|fs–f1|45

5.6.3頻率占據(jù)若從外部引入一個頻率為的信號，當接近振蕩器的振蕩頻率時，振蕩器受外加信號的影響，會向fs附近變化，甚至就等于fs，產(chǎn)生強迫同步。 發(fā)生頻率占據(jù)的fs范圍稱為占據(jù)頻帶，用Δf表示：Δf=Δf3-Δf2