通信電子線路講義

關(guān)于通信電子線路講義第2頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第五章正弦波振蕩器第1節(jié)概述第2節(jié)反饋型LC振蕩原理第3節(jié)反饋型LC振蕩器第4節(jié)振蕩器的頻率穩(wěn)定原理第5節(jié)高穩(wěn)定度的LC振蕩器第6節(jié)晶體振蕩電路第4頁,共57頁，2024年2月25日，星期天教學(xué)基本要求掌握反饋式正弦波振蕩器的基本工作原理。掌握LC振蕩器、晶體振蕩器的電路組成、工作原理和性能特點。了解頻率穩(wěn)定度的概念、影響頻率穩(wěn)定度的因素，掌握改善頻率穩(wěn)定度的措施。第5頁,共57頁，2024年2月25日，星期天振蕩器的應(yīng)用：

載波發(fā)生器（發(fā)射機）本地振蕩器（接收機）測量儀器信號源（時間/頻率標(biāo)準(zhǔn)）5.1概述振蕩器的主要技術(shù)指標(biāo)：

振蕩頻率頻率穩(wěn)定度振蕩幅度振蕩波形第6頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共57頁，2024年2月25日，星期天放大器A(s)反饋網(wǎng)絡(luò)F(s)Σ5.2反饋型LC振蕩原理第8頁,共57頁，2024年2月25日，星期天為了得到自激振蕩的輸出電壓，使振蕩能夠建立起來，需滿足：為振蕩器的起振條件，其中：A0是電源接通時的電壓增益。增幅振蕩

正反饋△振蕩建立的起振條件△

自激振蕩器無輸入信號條件下，滿足維持振蕩條件，振蕩能否建立起來？(a)通電后，集電極電流產(chǎn)生躍變在諧振回路中激起振蕩。

(b)諧振回路選頻作用。

(c)因為：Uc（n+1）=AUi=AUf=AFUc（n）

所以：Uc（n+1）=AFUc（n）數(shù)值很小，不可能得到振蕩輸出電壓。因為：Uc(n+1)

=A0Ui=A0Uf=A0FUc(n)

所以：Uc(n+1)>Uc(n)

起振過程:微小的擾動電壓經(jīng)放大→選頻→反饋→再放大→再選頻→再反饋‥‥如此循環(huán)，振蕩電壓就會增長起來，建立了振蕩。第9頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.振蕩的平衡與平衡條件(1)

起振后，振蕩是否無限增大下去？（A0F>1為增幅震蕩）平衡狀態(tài)（大信號工作）平衡后工作在什么狀態(tài)？平衡時：起振時為小信號放大，A=A0，甲類狀態(tài)，θc=180o，所以A0=gcRp由于晶體管的非線性，振蕩從線性放大進入失真的非線性狀態(tài)。波形失真，其電流的直流分量產(chǎn)生負反饋，使工作點向負變化。A↓，直到AF=1達到等幅震蕩。A0AuBEic第10頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2>A0F>1時，1>γ(θc)>0.5，所以180o>θc>90o，平衡后為甲乙類；A0F=2時，γ(θc)=0.5，所以θc=90o，平衡后為乙類；A0F>2時，γ(θc)<0.5，所以θc<90o，平衡后為丙類；So：振蕩器起振后，由甲類向甲乙類、乙類、丙類過渡，最后工作在什么狀態(tài)完全由A0F來決定。所以：振幅起振條件：相位起振條件： （n=0,1,2…）（4）平衡條件的另一種表示形式由于電路中有源器件、寄生參量及阻隔元件的影響，，為了使電路工作在相位平衡狀態(tài)，需，因此振蕩器的頻率并不等于回路的諧振頻率。回路處于微小失諧狀態(tài)。為簡化問題，通常都近似地認為振蕩頻率就等于回路的諧振頻率。

晶體管

反饋網(wǎng)絡(luò)LC選頻網(wǎng)絡(luò)uiic1uc1uf第11頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

晶體管

反饋網(wǎng)絡(luò)LC選頻網(wǎng)絡(luò)uiic1uc1uf第12頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（1）A0=8，F(xiàn)=0.2時分析：起振時：A0F=1.6>1，滿足起振條件平衡時：AF=A0n(q)F=1

則：n(q)=0.625=

(1-cosqc)a1(qc)

則：qc=101.5o

則：平衡時放大器工作在甲乙類狀態(tài)第13頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（1）A0=10，F(xiàn)=0.2時分析：起振時：A0F=2>1，滿足起振條件平衡時：AF=A0n(q)F=1

則：n(q)=0.5=

(1-cosqc)a1(qc)

則：qc=90o

則：平衡時放大器工作在乙類狀態(tài)（1）A0=20，F(xiàn)=0.2時分析：起振時：A0F=4>1，滿足起振條件平衡時：AF=A0n(q)F=1

則：n(q)=0.25=

(1-cosqc)a1(qc)

則：qc=66.3o

則：平衡時放大器工作在丙類狀態(tài)第14頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3.振蕩平衡的穩(wěn)定條件（1）穩(wěn)定平衡定義：指某一外因的變化使振蕩的原平衡條件遭到破壞，振蕩器能在新的條件下建立新的平衡。當(dāng)外因去掉后，電路能自動返回原平衡狀態(tài)。振幅穩(wěn)定條件:包括：振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件：ωcω’cω0ΦYFΦ’YFΦzΦYFωUcUcA0A0AAQ2QQ1UcQ2UcQ1UcQ1/FQQ1B1/F第15頁,共57頁，2024年2月25日，星期天4.振蕩電路分析實例VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)+ui-ic-uo++uf-ibuiuoA1/F可見起振初期是一個增幅的振蕩過程

第16頁,共57頁，2024年2月25日，星期天總結(jié)起振條件平衡條件平衡的穩(wěn)定條件第17頁,共57頁，2024年2月25日，星期天5.3反饋型LC振蕩器

電源有源器件

選頻網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)第18頁,共57頁，2024年2月25日，星期天1.互感耦合振蕩電路共基調(diào)集利用L1和L2之間的互感來實現(xiàn)正反饋，適用于短波段以下。優(yōu)點：互感耦合振蕩電路在調(diào)整反饋（改變M）時，基本不影響振蕩頻率判斷是否可能振蕩的方法，以能否滿足相位平衡條件，即是否構(gòu)成正反饋為判斷準(zhǔn)則。瞬時極性法來判斷是否為正反饋。振蕩頻率的估算：＋＋＋＋共基放大電路為同向放大。

L1和L2的同名端接法決定是否滿足正反饋的要求。第19頁,共57頁，2024年2月25日，星期天共射調(diào)基共基調(diào)射注意：L1和L2的同名端接法，從而滿足相位平衡條件；由于輸入阻抗低，采用部分接入法，不影響Q值。其它電路形式+++-+++-+-⊕第20頁,共57頁，2024年2月25日，星期天C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc2.電容反饋振蕩電路(ColpittsOscillators)+uce-+ube-LECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc第21頁,共57頁，2024年2月25日，星期天三點式振蕩器的原理電路假定LC回路由純電抗元件組成,其電抗值分別為Ｘce,Ｘbe和Ｘbc,同時不考慮晶體管的電抗效應(yīng),則當(dāng)回路諧振(ω=ω0)時,回路呈純阻性,有：Ｘce+Ｘbe＋Ｘbc=0，因此：

－Ｘce＝Ｘbe＋Ｘbc

由于是在ΧbeΧbc支路分配在Xbe上的電壓,有因要求是一個正反饋反相放大器,與同相,與反相,所以即Χbe與Χce必須是同性質(zhì)電抗,因而Xbc必須是異性質(zhì)電抗。

第22頁,共57頁，2024年2月25日，星期天振蕩器的等效電路電壓向量圖第23頁,共57頁，2024年2月25日，星期天C1C2LC'2C'1Lgieg'Lgoegmube+uce-+ube-iC'1Lgieg'Lgmubegoe+u'be-i+uce-C'2+uce-C'2LC'1g'Lgoegmubep2gie+u'be-i電壓增益起振條件得第24頁,共57頁，2024年2月25日，星期天總結(jié)：（1）滿足起振條件是選取晶體管的 （2）晶體管一旦選定(參數(shù)一定)可以改變F和來保證起振。F一般選取0.1-0.5。即適當(dāng)選擇C1和C2的值（5）振蕩頻率的估算其中：第25頁,共57頁，2024年2月25日，星期天ECL1L2CRb1Rb2CbCeReL1L2C3.電感三點式振蕩電路(HartlyOscillators)L2L1Cg'Lgoegmubep2gie+u'be-+uce-+uce-+u'be

-iig'L=gL+g'O|yfe|=gm第26頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（4）振蕩頻率的估算其中：L2L1Cg'Lgoegmubep2gie+u'be-+uce-i要求 ，忽略、的影響，可得：g'L=gL+g'O|yfe|=gm第27頁,共57頁，2024年2月25日，星期天注意：（1）電感三點式與電容三點式振蕩電路的比較電容三點式電感三點式波形較好較差頻率較高較低頻率穩(wěn)定度較好較差起振、調(diào)節(jié)較難較易這是用來判斷三點式振蕩器有沒有可能振蕩的基本原則（2）LC三點式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則

Xce與Xbe的電抗性質(zhì)相同；

Xcb與Xce、Xbe的電抗性質(zhì)相反；對于振蕩頻率，滿足Xce+Xbe+Xcb=0。第28頁,共57頁，2024年2月25日，星期天§5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定性短波發(fā)射機：10-4~10-5軍用大型通信：10-8第29頁,共57頁，2024年2月25日，星期天

放大器LC選頻

反饋網(wǎng)絡(luò)uiic1ZLuouf?第30頁,共57頁，2024年2月25日，星期天第31頁,共57頁，2024年2月25日，星期天其中：且：<<ω0ω0ω0第32頁,共57頁，2024年2月25日，星期天??????Q??第33頁,共57頁，2024年2月25日，星期天（1）減小外因的變化溫度變化可以采用恒溫措施；濕度變化采用將電感線圈密封或固化；電源電壓變化采用穩(wěn)壓電源；機械振動采用減震措施；負載變化采用射隨器隔離。（2）提高電路參數(shù)抗外因變化的能力①選用正溫度系數(shù)的電感和負溫度系數(shù)的電容組成諧振回路進行溫度補償。②減小晶體管極間電容不穩(wěn)定量、對回路總電容的影響，可采用部分接入方式的克拉潑電路、西勒電路和晶體振蕩器。③選用高Q的元件。

選用小的電容三點式振蕩電路形式。第34頁,共57頁，2024年2月25日，星期天§5.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器1.一般電容三點式振蕩電路頻率穩(wěn)定性的分析當(dāng)、沒變化時，回路總電容對應(yīng)振蕩頻率為:第35頁,共57頁，2024年2月25日，星期天而、與晶體管工作狀態(tài)和外界條件有關(guān)。當(dāng)變化ΔCo，變化ΔCi時，總電容的增量:

結(jié)論：一般電容三點式振蕩電路p1

、p2

不可能同時減小，故頻率穩(wěn)定度不可能做得較高。第36頁,共57頁，2024年2月25日，星期天2.克拉潑（Clapp）振蕩電路①在電感支路串接小電容C3②滿足C3<<C1，C3<<C2

③回路總電容為：(1)電路特點(2)相位平衡條件（正反饋）為容抗，為容抗同性質(zhì)?？傻刃楦锌梗c、反性質(zhì)。滿足電容三點式振蕩器相位平衡條件判斷準(zhǔn)則，為電容三點式振蕩電路。第37頁,共57頁，2024年2月25日，星期天(3)振蕩頻率因為所以振蕩頻率為：(4)穩(wěn)頻原理總的電容增量為：其中①p1

、p2可以同時減小，可很小，故頻率穩(wěn)定度比一般電容三點式高。結(jié)論：②p1

、p2的減小受到電路起振條件的限制，頻率穩(wěn)定度不可能很高。③克拉潑電路主要用作固定頻率振蕩器。第38頁,共57頁，2024年2月25日，星期天3.西勒（Siler）振蕩電路第39頁,共57頁，2024年2月25日，星期天(2)相位平衡條件（正反饋）為容抗，為容抗同性質(zhì)?？傻刃楦锌?，與、反性質(zhì)。滿足電容三點式振蕩器的相位平衡條件判斷準(zhǔn)則，為電容三點式振蕩電路。(3)振蕩頻率(1)電路特點：西勒電路是在克拉潑電路基礎(chǔ)上，在電感L兩端并聯(lián)一個電容。電路條件仍是C3<<C1，C3<<C2，與同數(shù)量級?；芈房傠娙轂椋?4)總結(jié)

這種電路保持了克拉潑電路中晶體管與回路耦合弱的特點，頻率穩(wěn)定度高。調(diào)頻時，輸出振蕩電壓幅度基本平穩(wěn)，可作為變頻振蕩器。第40頁,共57頁，2024年2月25日，星期天CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg§5.6晶體振蕩器(CrystalOscillator)第41頁,共57頁，2024年2月25日，星期天CoCqLqRqSo：≥（12500～25000）

如：國產(chǎn)B451MHz中等精度晶體的等效參數(shù)：Lq=4.00H，Cq=0.0063pF，

rq≤100～200Ω，Co=2～3pF。因而晶體的品質(zhì)因數(shù)Qq很大，一般為幾萬至幾百萬。第42頁,共57頁，2024年2月25日，星期天CoCqLqrqfqfp電容性電容性電感性fXeO忽略rq時：①當(dāng)和時，

，晶體等效為電容；②當(dāng)時，，晶體等效為短路；③當(dāng)時，，晶體等效為電感；④當(dāng)時，，晶體為并聯(lián)諧振?？偨Y(jié)：晶體使用的兩種模式：時，晶體短路線時，晶體電感第43頁,共57頁，2024年2月25日，星期天CLJTC1C2JT3.并聯(lián)型晶體振蕩器(Parallel

ofCrystalOscillators)第44頁,共57頁，2024年2月25日，星期天ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc晶體C1C2JTC3第45頁,共57頁，2024年2月25日，星期天LqCqrqCoC1C2C3電路的諧振頻率的估算:第46頁,共57頁，2024年2月25日，星期天C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JT第47頁,共57頁，2024年2月25日，星期天C1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc4.串聯(lián)型晶體振蕩器(Series

ofCrystalOscillators)第48頁,共57頁，2024年2月25日，星期天CoCgCoCg5Cg3Cg3LgLg3Lg5Lg3Rg35.泛音晶振電路實際應(yīng)用時：在三點式振蕩電路中,用一選頻回路來代替某一支路上的電抗元件，使該支路在基頻和低次泛音上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)不滿足三點式振蕩器的組成法則，不能起振；而在所需要的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足組成法則，達到起振。

泛音——石英片振動的機械諧波第49頁,共57頁，2024年2月25日，星期天設(shè)泛音晶振為五次泛音，標(biāo)稱頻率5MHz，基頻1MHz，則LC1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。這樣在5MHz頻率上，LC1回路呈容性，振蕩電路滿足組成法則。對于基頻和三次泛音頻率來說，LC1回路呈感性，電路不符合組成法則，不能起振。在七次及以上泛音頻率，LC1回路雖呈容性，但等效容抗減小，從而使電壓放大倍數(shù)減小，環(huán)路增益小于1，不滿足振幅起振條件。

圖中：第50頁,共57頁，2024年2月25日，星期天6.石英晶體使用注意事項(1)石英晶體諧振器的標(biāo)稱頻率都是在出廠前，石英晶體諧振器上并接一定負載電容條件下測定的，實際使用時也必須外加負載電容，并經(jīng)微調(diào)后才能獲得標(biāo)稱頻率。

(2)石英晶體諧振器的激勵電平應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)。(3)在并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體起等效電感的作用，若作為容抗，則在石英晶片失效時，石英諧振器的支架電容還存在，線路仍可能滿足振蕩條件而振蕩，石英晶體諧振器失去了穩(wěn)頻作用。(4)晶體振蕩器中一塊晶體只能穩(wěn)定一個頻率，當(dāng)要求在波段中得到可選擇的許多頻率時，就要采取別的電路措施，如頻率合成器，它是用一塊晶體得到許多穩(wěn)定頻率，頻率合成器的有關(guān)內(nèi)容將在第8章介紹。第51頁,共57頁，2024年2月25日，星期天本章小結(jié)

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