第6章 正弦波振蕩器

第5章正弦波振蕩器 6 1概述 1 定義 不需外加激勵(lì) 自身將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能 6 1概述 什么是振蕩器 無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào) 能自動(dòng)將直流電源的能量轉(zhuǎn)化為一定波形 一定頻率 一定幅度的交變信號(hào)的電路 高頻的應(yīng)用場(chǎng)合 發(fā)射機(jī)中的載波發(fā)生器 接收機(jī)中的混頻的本地振蕩器 2 振蕩器的分類 正弦波振蕩器 非正弦波振蕩器 振蕩器 波形 產(chǎn)生機(jī)理 反饋式振蕩器 負(fù)阻式振蕩器 反饋型LC振蕩器 反饋型RC振蕩器 本章主要介紹LC振蕩器和石英晶體振蕩器的工作原理 石英晶體振蕩器 6 1概述 6 2LCR回路中的瞬變現(xiàn)象 由于大多數(shù)振蕩器都是利用LC回路來(lái)產(chǎn)生振蕩的 因此應(yīng)首先研究LC回路中如何可以產(chǎn)生振蕩 作為研究振蕩器工作原理的預(yù)備知識(shí) 圖6 2 1LCR自由振蕩電路 所謂 諧振 就能量關(guān)系而言 是指 回路中儲(chǔ)存的能量是不變的 只是在電感與電容之間相互轉(zhuǎn)換 外加電動(dòng)勢(shì)只提供回路電阻所消耗的能量 以維持回路的等幅振蕩 類比圖6 2 5單擺振蕩 6 3LC振蕩器的基本工作原理 1 一套振蕩回路 包含兩個(gè) 或兩個(gè)以上 儲(chǔ)能元件 在這兩個(gè)元件中 當(dāng)一個(gè)釋放能量時(shí) 另一個(gè)就接收能量 釋放與接收能量可以往返進(jìn)行 其頻率決定于元件的數(shù)值 2 一個(gè)能量來(lái)源 補(bǔ)充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失 在晶體管振蕩器中 這個(gè)能源就是直流電源 3 一個(gè)控制設(shè)備 可以使電源功率在正確的時(shí)刻補(bǔ)充電路的能量損失 以維持等幅振蕩 這是由有源器件和正反饋電路完成的 圖6 3 1互感耦合振蕩器原理圖 6 4由正反饋的觀點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件 利用正反饋方法來(lái)獲得等幅的正弦振蕩 這就是反饋振蕩器的基本原理 反饋振蕩器是由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路 其主網(wǎng)絡(luò)一般由放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)組成 反饋網(wǎng)絡(luò)一般由無(wú)源器件組成 F線性無(wú)源網(wǎng)絡(luò) 放大器晶體三極管場(chǎng)效應(yīng)管差分放大器運(yùn)算放大器 選頻網(wǎng)絡(luò)LC并聯(lián)諧振回路RC選頻網(wǎng)絡(luò)晶體濾波器等 反饋網(wǎng)絡(luò)電容分壓電感分壓變壓器耦合電阻分壓 振蕩器四個(gè)組成部分 穩(wěn)幅 頻 環(huán)節(jié) 6 4由正反饋的觀點(diǎn)來(lái)決定振蕩的條件 6 5振蕩器的平衡與穩(wěn)定條件 6 5 1振蕩器的平衡條件 6 5 2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 6 5 1振蕩器的平衡條件 所以等幅振蕩條件為 振幅平衡條件 相位平衡條件 振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò) 無(wú)須輸入信號(hào)就能起振 起振的信號(hào)源來(lái)自何處 接通電源瞬間引起的電壓 電流突變 電路器件內(nèi)部噪聲等 初始信號(hào)中 滿足相位平衡條件的某一頻率 0的信號(hào)應(yīng)該被保留 成為等幅振蕩輸出信號(hào) 從無(wú)到有 然而 一般初始信號(hào)很微弱 很容易被干擾信號(hào)淹沒(méi) 不能形成一定幅度的輸出信號(hào) 因此 起振階段要求 由弱到強(qiáng) 起振條件 6 5 1振蕩器的平衡條件 當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí) 就要限制它繼續(xù)增加 穩(wěn)幅的作用就是 當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí) 使振幅平衡條件從AF 1到AF 1 由增到穩(wěn) 6 5 1振蕩器的平衡條件 6 5 1振蕩器的平衡條件 當(dāng)反饋信號(hào)等于放大器的輸入信號(hào)時(shí) 振蕩電路的輸出電壓不再發(fā)生變化 電路達(dá)到平衡狀態(tài) 振蕩的平衡條件包括振幅平衡條件和相位平衡條件 6 5 1振蕩器的平衡條件 用電路參數(shù)表示 分為三部分管子諧振網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) 其中 電壓的傳輸過(guò)程 6 5 2振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 以上分析了保證振蕩器由弱到強(qiáng)地建立起振蕩的起振條件 保證振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài) 產(chǎn)生等幅振蕩的平衡條件 實(shí)際上 平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn) 因此 還應(yīng)該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受到破壞的穩(wěn)定條件 穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定與相位 頻率 穩(wěn)定兩種 以下分別討論之 圖6 5 1兩種平衡狀態(tài)B點(diǎn)和Q點(diǎn) 1 振幅平衡的穩(wěn)定條件 要保證外界因素變化時(shí)振幅相對(duì)穩(wěn)定 就是要 當(dāng)振幅變化時(shí) AF的大小朝相反方向變化 一般F保持不變 圖6 5 2軟自激的振蕩特性 無(wú)需外加激勵(lì) 圖6 5 3硬自激的振蕩特性 需外加激勵(lì)達(dá)到Q點(diǎn) 6 5 2振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件 晶體管可自動(dòng)穩(wěn)幅 2 相位平衡的穩(wěn)定條件 相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件遭到破壞時(shí) 相位平衡能重新建立 且仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的振蕩頻率 6 5 2振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件 相位平衡點(diǎn)上與同相 由此可得相位穩(wěn)定條件為 則相位穩(wěn)定條件為 保證相位的穩(wěn)定必須有一個(gè)相頻特性斜率為負(fù)的網(wǎng)絡(luò) 而 圖6 5 4并聯(lián)諧振回路的相頻特性 6 5 2振蕩器平衡狀態(tài)和穩(wěn)定條件 6 6反饋型LC振蕩器線路 6 6 1互感耦合振蕩器 6 6 2電感反饋式三端振蕩器 哈特萊振蕩器 6 6 3電容反饋式三端振蕩器 考畢茲振蕩器 6 6 4LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則 6 6 1互感耦合振蕩器 放大器與振蕩器本質(zhì)上都是將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電能 不同之處在于 放大器需要外加控制信號(hào)而振蕩器不需要 因此 如果將放大器的輸出正反回輸入端 以提供控制能量轉(zhuǎn)換的信號(hào) 就可能形成振蕩器 如果由LC諧振回路通過(guò)互感耦合將輸出信號(hào)送回輸入回路 所形成的是互感耦合振蕩器 由互感耦合同名端定義可判知 反饋網(wǎng)絡(luò)形成正反饋 滿足相位平衡條件 如果再滿足起振條件 就符合基本原理 三極管 LC諧振回路 變壓器耦合 P262圖6 6 1調(diào)基調(diào)射振蕩器電路 6 6 2電感反饋式三端振蕩器 哈特萊振蕩器 如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電感分壓電路將輸出信號(hào)送回輸入回路 所形成的是電感反饋式三端振蕩器 圖6 6 2電感反饋式三端振蕩器 電路的特點(diǎn) 容易起振 變電容而不影響F 調(diào)整頻率方便 振蕩波形不夠好 高次諧波反饋較強(qiáng) 波形失真較大 不適于很高頻率工作 分布電容和極間電容并聯(lián)于L1與L2兩端 F隨頻率變化而改變 6 6 2電感反饋式三端振蕩器 哈特萊振蕩器 6 6 3電容反饋式三端振蕩器 考畢茲振蕩器 圖7 6 3電容反饋式三端振蕩器 如果正反饋網(wǎng)絡(luò)由LC諧振回路中的電容分壓電路將輸出信號(hào)送回輸入回路 所形成的是電容反饋式三端振蕩器 電路的特點(diǎn) 變電容影響F 變電感不便 調(diào)整頻率不太方便 輸出波形較好 高次諧波反饋較弱 波形接近正弦波 頻率穩(wěn)定度較好 分布電容和極間電容并聯(lián)于C1與C2兩端 被較大C1與C2吸收 適用于較高的工作頻率 甚至可只利用器件的輸入電容和輸出電容做回路電容 6 6 3電容反饋式三端振蕩器 考畢茲振蕩器 克拉潑 Clapp 振蕩器 6 6 3電容反饋式三端振蕩器 考畢茲振蕩器 電容三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式振蕩器比較 電容三點(diǎn)式振蕩器輸出波形好 工作頻率比較高缺點(diǎn)是調(diào)整困難 起振困難電感三點(diǎn)式振蕩器起振容易 調(diào)整方便缺點(diǎn)是輸出波形不好 6 6 3電容反饋式三端振蕩器 考畢茲振蕩器 6 6 4LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則 射同基 集 反射同余異 在三點(diǎn)式電路中 回路中與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件必須為同性質(zhì) 另外一個(gè)電抗元件必須為異性質(zhì) 這就是三點(diǎn)式電路組成的相位判據(jù) 或稱為三點(diǎn)式電路的組成法則 與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三點(diǎn)式電路 稱為電容三點(diǎn)式電路 也稱為考畢茲 Colpitts 電路 與發(fā)射極相連接的兩個(gè)電抗元件同為電感時(shí)的三點(diǎn)式電路 稱為電感三點(diǎn)式電路 也稱為哈特萊 Hartley 電路 6 6 4LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則 P264例6 6 1 振蕩器的振蕩頻率應(yīng)低于L1和C1支路的串聯(lián)諧振頻率 此時(shí) 該支路呈容性 整個(gè)回路滿足電容三端的相位條件 振蕩器的振蕩頻率 6 6 4LC三端式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則 6 7振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題 評(píng)價(jià)振蕩器頻率的主要指標(biāo)有兩個(gè) 即 準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度 振蕩器實(shí)際工作頻率f與標(biāo)稱頻率f0之間的偏差 稱為振蕩頻率準(zhǔn)確度 通常分為絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度與相對(duì)頻率準(zhǔn)確度兩種 其表達(dá)式為 振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定時(shí)間間隔內(nèi) 頻率準(zhǔn)確度的變化 穩(wěn)定度對(duì)空間通信的影響P268 根據(jù)所指定的時(shí)間間隔不同 頻率穩(wěn)定度可分為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度 短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)定度三種 影響振蕩頻率的有如下三種因素 振蕩回路參數(shù) 與 回路電阻 高加緩沖級(jí)P7圖1 2 8 有源器件的參數(shù) P270克拉潑電路的原理 6 7振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題 6 8石英晶體振蕩器 6 8 1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器 6 8 2串聯(lián)諧振型晶體振蕩器 一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度 f f0只能達(dá)到10 3 10 5 若要求頻率穩(wěn)定度超過(guò)10 5 需用石英晶體振蕩器 石英晶體的物理和化學(xué)性能都十分穩(wěn)定 晶體的 值可高達(dá)數(shù)百萬(wàn)數(shù)量級(jí) 在串 并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi) 具有極陡峭的電抗特性曲線 因而對(duì)頻率變化具有極靈敏的補(bǔ)償能力 1 石英晶體濾波器的特點(diǎn) 因此 用石英晶體作為振蕩回路元件 就能使振蕩器的頻率穩(wěn)定度大大提高 6 8石英晶體振蕩器 2 石英晶體濾波器的應(yīng)用 因此 振蕩電路可分為兩類 一類是作為等效電感元件 稱為并聯(lián)諧振型晶體振蕩器 另一類是作為串聯(lián)諧振元件 稱為串聯(lián)諧振型晶體振蕩器 6 8石英晶體振蕩器 6 8 1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器 這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相同 只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡(luò)的振蕩回路之中 作為一個(gè)感性元件 并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準(zhǔn)則組成三端振蕩器 根據(jù)這種原理 在理論上可以構(gòu)成三種類型基本電路 圖6 8 1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器的兩種基本形式 圖6 8 2并聯(lián)諧振型晶體 型振蕩器電路 6 8 1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器 圖6 8 3并聯(lián)諧振型晶體b e型振蕩器電路 6 8 1并聯(lián)諧振型晶體振蕩器 6 8 2串聯(lián)諧振型晶體振蕩器 圖6 8 4串聯(lián)諧振型正弦波晶體振蕩器電路 6 12RC振蕩器 較低的振蕩頻率一般都采用構(gòu)造較簡(jiǎn)單 經(jīng)濟(jì)方便的RC振蕩器來(lái)產(chǎn)生 RC振蕩器的工作原理和LC振蕩器一樣 也是由放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分所構(gòu)成 區(qū)別僅在于用RC選頻網(wǎng)絡(luò)電路代替LC回路 根據(jù)所采用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)