反饋振蕩器的工作原理（課堂PPT）

1、第第 3 章正弦波振蕩器章正弦波振蕩器概述概述3.1反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的工作原理3.2LC 正弦波振蕩器正弦波振蕩器3.3LC 振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.4晶體振蕩器晶體振蕩器3.5RC 正弦波振蕩器正弦波振蕩器3.6負阻正弦波振蕩器負阻正弦波振蕩器3.7寄生振蕩、間歇振蕩和頻率占據(jù)寄生振蕩、間歇振蕩和頻率占據(jù)2本章主要討論本章主要討論反饋型正弦波振蕩器的基本工作原理反饋型正弦波振蕩器的基本工作原理 振蕩器的起振條件、平衡條件、穩(wěn)定條件振蕩器的起振條件、平衡條件、穩(wěn)定條件正弦波振蕩器三端電路的判斷準則正弦波振蕩器三端電路的判斷準則正弦波振蕩器的電路特點、頻率穩(wěn)定度等性

2、能指標正弦波振蕩器的電路特點、頻率穩(wěn)定度等性能指標晶體振蕩器、晶體振蕩器、 RC 正弦波振蕩器、負阻正弦波振蕩器正弦波振蕩器、負阻正弦波振蕩器3本章討論的是自激式振蕩器，它是在無需外加激本章討論的是自激式振蕩器，它是在無需外加激勵信號的情況下，能將直流電能轉換成具有一定波形、勵信號的情況下，能將直流電能轉換成具有一定波形、一定頻率和一定幅度的交變能量電路。一定頻率和一定幅度的交變能量電路。振蕩器的分類：振蕩器的分類：按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器按波形分：正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器按工作方式：負阻型振蕩器和反饋型振蕩器按工作方式：負阻型振蕩器和反饋型振蕩器 按選頻網(wǎng)絡所采用的元件分：

3、按選頻網(wǎng)絡所采用的元件分： LC振蕩器、振蕩器、RC振蕩器和晶體振蕩器等類型振蕩器和晶體振蕩器等類型概述概述一、與功放比較一、與功放比較( (從能量角度從能量角度) )1功率放大器功率放大器將直流電源提供的直流能量轉換為按信號規(guī)律變化的交將直流電源提供的直流能量轉換為按信號規(guī)律變化的交變能量。變能量。特點：被動地，需輸入信號控制特點：被動地，需輸入信號控制2正弦波振蕩器正弦波振蕩器( (Sinewave Oscillator) )將直流能量轉換為頻率和振幅特定的正弦交變能量。將直流能量轉換為頻率和振幅特定的正弦交變能量。特點：特點：自動地自動地，無需輸入信號控制。，無需輸入信號控制。二、正弦波

4、振蕩器的應用二、正弦波振蕩器的應用1作信號源作信號源( (本章將討論本章將討論) )載波信號：無線發(fā)射機；本振信號：超外差接收機；載波信號：無線發(fā)射機；本振信號：超外差接收機；正弦波信號源：電子測量儀器；時鐘信號：數(shù)字系統(tǒng)。正弦波信號源：電子測量儀器；時鐘信號：數(shù)字系統(tǒng)。 要求：要求：振蕩頻率和振幅的準確性和穩(wěn)定性。振蕩頻率和振幅的準確性和穩(wěn)定性。 2正弦交變能源正弦交變能源( (本章不討論本章不討論) )用途：高頻加熱設備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能用途：高頻加熱設備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源。源。要求：要求：功率足夠大，高效。功率足夠大，高效。6實際中的反饋振蕩器是由反實際中的反饋振蕩

5、器是由反饋放大器演變而來，如右圖。饋放大器演變而來，如右圖。+vfvoLC+viK12Rb2ReCe+VCCM+自激振蕩建立的物理過程自激振蕩建立的物理過程若開關若開關K撥向撥向“1”時，該電時，該電路則為調(diào)諧放大器，當輸入信號路則為調(diào)諧放大器，當輸入信號為正弦波時，放大器輸出負載互為正弦波時，放大器輸出負載互感耦合變壓器感耦合變壓器L2上的電壓為上的電壓為vf ，調(diào)整互感調(diào)整互感M及同名端以及回路參及同名端以及回路參數(shù)，可以使數(shù)，可以使 vi = vf 。 此時，若將開關此時，若將開關K快速撥向快速撥向“2”點，則集電極電路和基點，則集電極電路和基極電路都維持開關極電路都維持開關K接到接到“

6、1”點時的狀態(tài)，即始終維持著點時的狀態(tài)，即始終維持著與與vi相同頻率的正弦信號。這時，調(diào)諧放大器就變?yōu)樽约ふ裣嗤l率的正弦信號。這時，調(diào)諧放大器就變?yōu)樽约ふ袷幤鳌Ｊ幤?。L27+vfvoLC+viK12Rb2ReCe+VCCM+8在電源開關閉合的瞬間，電流的跳變在集電極在電源開關閉合的瞬間，電流的跳變在集電極LC振振蕩電路中激起振蕩。選頻網(wǎng)絡帶寬極窄，在回路兩端產(chǎn)蕩電路中激起振蕩。選頻網(wǎng)絡帶寬極窄，在回路兩端產(chǎn)生正弦波電壓生正弦波電壓vo，并通過互感耦合變壓器反饋到基級回，并通過互感耦合變壓器反饋到基級回路，這就是激勵信號。路，這就是激勵信號。 起始振蕩信號十分微弱，但是由于不斷地對它進行起始振

7、蕩信號十分微弱，但是由于不斷地對它進行放大放大選頻選頻反饋反饋再放大再放大等多次循環(huán)，于是一個與振等多次循環(huán)，于是一個與振蕩回路固有頻率相同的自激振蕩便由小到大地增長起來。蕩回路固有頻率相同的自激振蕩便由小到大地增長起來。由于晶體管特性的非線性，振幅會自動穩(wěn)定到一定由于晶體管特性的非線性，振幅會自動穩(wěn)定到一定的幅度。因此振蕩的幅度不會無限增大。的幅度。因此振蕩的幅度不會無限增大。2等幅持續(xù)振蕩的條件等幅持續(xù)振蕩的條件 剛通電時，須經(jīng)歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長剛通電時，須經(jīng)歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長的過程。的過程。 進入平衡狀態(tài)時，振蕩電壓的振幅和頻率要能維持進入平衡狀態(tài)時，振蕩電壓的振

8、幅和頻率要能維持在相應的平衡值上。在相應的平衡值上。 當外界條件不穩(wěn)時，振幅和頻率仍應穩(wěn)定，而不會當外界條件不穩(wěn)時，振幅和頻率仍應穩(wěn)定，而不會產(chǎn)生突變或停止振蕩。產(chǎn)生突變或停止振蕩。閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的三個條件三個條件： 起振條件起振條件接通電源后可從無到有建立起振蕩。接通電源后可從無到有建立起振蕩。 平衡條件平衡條件進入平衡狀態(tài)后可輸出等幅持續(xù)振蕩。進入平衡狀態(tài)后可輸出等幅持續(xù)振蕩。 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素的影響平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素的影響而受到破壞。而受到破壞。基本組成基本組成要產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足要產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩

9、器必須滿足起振、平衡、起振、平衡、穩(wěn)定穩(wěn)定三項條件。三項條件。 1組成組成 可變增益放大器可變增益放大器提供足夠的增益，且其增益隨提供足夠的增益，且其增益隨輸入電壓增大而減小。輸入電壓增大而減小。 相移網(wǎng)絡相移網(wǎng)絡具有負斜率變化的相頻特性，為環(huán)路具有負斜率變化的相頻特性，為環(huán)路提供合適的相移，保證在諧振頻率上的相移為提供合適的相移，保證在諧振頻率上的相移為 2n 。11第第 3 章正弦波振蕩器章正弦波振蕩器3.1 反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的工作原理3.1.1平衡和起振條件平衡和起振條件3.1.2穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件3.1.1平衡和起振條件平衡和起振條件一、起振條件一、起振條件 1分析分析 剛

10、通電時，電路中存在電的擾動剛通電時，電路中存在電的擾動( (電流突變或管子、電流突變或管子、電路中的固有噪聲電路中的固有噪聲) )，具有，具有很寬的頻譜很寬的頻譜。 諧振回路的選頻功能，只允許角頻率為諧振回路的選頻功能，只允許角頻率為 osc 的分量的分量( ( osc 0) )在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓。在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓。fViV 變壓器繞向正確，可保證反饋信號變壓器繞向正確，可保證反饋信號 與輸入信號與輸入信號 同相，經(jīng)放大和反饋的循環(huán)，使振蕩電壓的振幅不斷增長。同相，經(jīng)放大和反饋的循環(huán)，使振蕩電壓的振幅不斷增長。2起振條件起振條件)(j)(j)(jfofioif kAVVV

11、VVVT ( (1) )振幅起振條件振幅起振條件環(huán)路增益環(huán)路增益1)(osc T( (2) )相位起振條件相位起振條件物理意義：振幅起振條件要求反饋電壓幅度物理意義：振幅起振條件要求反饋電壓幅度vf要一次比要一次比一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持一次大，而相位起振條件則要求環(huán)路保持正反饋正反饋。 T( osc) = A( osc) + f( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) ) 二、平衡條件二、平衡條件1分析分析ifVV 同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一頻率若在某一頻率 osc 上，上，fV與與iV當當環(huán)路閉合環(huán)路閉合后：后：osc oV 主網(wǎng)絡將輸出正弦振蕩電壓主網(wǎng)絡將輸

12、出正弦振蕩電壓 ，角頻率為，角頻率為 。 所需輸入電壓所需輸入電壓 全部由反饋電壓全部由反饋電壓 提供，無需外提供，無需外加輸入電壓。加輸入電壓。 iVfV2平衡條件平衡條件)(joscoscosce )()j ( TTT 由由則：則： 振幅平衡條件：振幅平衡條件：環(huán)路增益的模環(huán)路增益的模 T( osc) = 1 相位平衡條件：相位平衡條件：環(huán)路增益的相角環(huán)路增益的相角 T( osc) = 2n (n 0，1，2，) 3討論討論反饋振蕩器需同時滿足起振條件與平衡條件：反饋振蕩器需同時滿足起振條件與平衡條件： 起振時，起振時，T( osc) 1，Vi 迅速增長；迅速增長； 隨后，隨后，T( os

13、c)下降，下降，Vi 的增長速度變慢；的增長速度變慢； 到到 T( osc) = 1 時，時，Vi 停止增長，振蕩器進入平衡狀停止增長，振蕩器進入平衡狀態(tài)，在相應的平衡振幅態(tài)，在相應的平衡振幅 ViA 上維持等幅振蕩。上維持等幅振蕩。環(huán)路增益環(huán)路增益 特性特性如圖如圖 3- -1- -3 所示所示。 而環(huán)路增益的相角而環(huán)路增益的相角 T( osc) 則必須維持在則必須維持在 2n 上。上。 平衡條件平衡條件多利用多利用放大放大器的非線性器的非線性實現(xiàn)。實現(xiàn)。 例例:變壓器耦合反饋振蕩器：變壓器耦合反饋振蕩器：剛通電時，剛通電時，Vi 很小，放大器小信號工作，增益較大，很小，放大器小信號工作，增

14、益較大，相應的相應的 T( osc) 為大于為大于 1 的水平線。的水平線。當當 Vi 增大到一定數(shù)值后，放大器進入大信號工作，由增大到一定數(shù)值后，放大器進入大信號工作，由于放大特性非線性，放大器的增益將隨于放大特性非線性，放大器的增益將隨 Vi 增大而減小，相增大而減小，相應地應地 T( osc) 也就隨著也就隨著 Vi 的增大而下降。的增大而下降。 符合起振與平衡條件對符合起振與平衡條件對 T( osc) 的要求。的要求。 osc()T A ViA Vi 1 3.1.2穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件一、問題的提出一、問題的提出1振蕩電路中存在干擾振蕩電路中存在干擾 外部：外部：電源電壓、溫度、濕度的變化

15、，引起管子和電源電壓、溫度、濕度的變化，引起管子和回路參數(shù)的變化?；芈穮?shù)的變化。 內(nèi)部：內(nèi)部：存在固有噪聲存在固有噪聲( (起振時的原始輸入電壓起振時的原始輸入電壓, ,進入進入平衡后與輸入電壓疊加引起波動平衡后與輸入電壓疊加引起波動) )。 均造成均造成 T( osc) 和和 T( osc) 的變化，破壞平衡條件。的變化，破壞平衡條件。2干擾對平衡狀態(tài)的影響干擾對平衡狀態(tài)的影響( (兩種兩種) )通過放大和反饋的反復循環(huán)：通過放大和反饋的反復循環(huán)： 振蕩器離開原平衡狀態(tài)，導致振蕩器離開原平衡狀態(tài)，導致停振停振或或突變突變到到新的平新的平衡狀態(tài)衡狀態(tài)。說明原平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的，應避免。說明原

16、平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的，應避免。 振蕩器有回到平衡狀態(tài)的振蕩器有回到平衡狀態(tài)的趨勢趨勢。當干擾消失后，能。當干擾消失后，能回到平衡狀態(tài)。則原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的?；氐狡胶鉅顟B(tài)。則原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。必必須討論穩(wěn)定條件，保證振蕩器所處平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。須討論穩(wěn)定條件，保證振蕩器所處平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。二、振幅穩(wěn)定條件二、振幅穩(wěn)定條件 圖圖 3- -1- -3 所示所示環(huán)路增益特環(huán)路增益特性，還滿足振幅穩(wěn)定條件。性，還滿足振幅穩(wěn)定條件。 1穩(wěn)定過程穩(wěn)定過程 ,iAiVV 1)(osc T若若，干擾使：，干擾使：iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 環(huán)路特性環(huán)路特性 最后在新的最后在新的 上重新滿

17、足平衡條件上重新滿足平衡條件 T( osc) = 1iAV最后達到新的平衡。最后達到新的平衡。iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 環(huán)路特性環(huán)路特性 osc()T A ViA Vi 1 2環(huán)路增益存在兩個平衡點的情況環(huán)路增益存在兩個平衡點的情況圖圖 3- -1- -3如圖如圖 3- -1- -5 所示所示，振蕩器存在著兩個，振蕩器存在著兩個平衡點平衡點 A 和和 B，其中其中 A 是穩(wěn)定的，是穩(wěn)定的，B 點點是否穩(wěn)定？是否穩(wěn)定？分析：分析：若使若使 Vi ViB ，則，則 T( osc) 隨之增大，導致隨之增大，導致 Vi 進進一步增大，從而更遠離一步增大，從而更遠離平衡點平衡點

18、B。最后到達。最后到達平衡點平衡點 A。 iV反之反之，若，若iBiVV )(osc T ，直到停止振蕩。直到停止振蕩?？梢姡@種振蕩器不滿足振幅起可見，這種振蕩器不滿足振幅起振條件，必須加大的電沖擊，產(chǎn)生大振條件，必須加大的電沖擊，產(chǎn)生大于于ViB 的起始擾動電壓，的起始擾動電壓，才能進入才能進入平衡平衡點點 A，產(chǎn)生持續(xù)等幅振蕩。，產(chǎn)生持續(xù)等幅振蕩。硬激勵：硬激勵：靠外加沖擊而產(chǎn)生振蕩的方式?？客饧記_擊而產(chǎn)生振蕩的方式。軟激勵：軟激勵：接通電源后自動進入穩(wěn)定平衡狀態(tài)接通電源后自動進入穩(wěn)定平衡狀態(tài)的方式的方式。3振幅穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定條件 可見，要使平衡點穩(wěn)定，可見，要使平衡點穩(wěn)定，T( os

19、c) 必須在必須在 ViA 附近具有附近具有隨隨 Vi 增大而下降增大而下降( (負斜率變化負斜率變化) )的的特性特性，即，即0)(iAiosc VVT 斜率越陡，則斜率越陡，則 Vi 的變化而產(chǎn)生的的變化而產(chǎn)生的 T( osc) 變化越大，變化越大，系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)的時間越短，調(diào)節(jié)能力越強。系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)的時間越短，調(diào)節(jié)能力越強。 工作于非線性狀態(tài)的有源器件工作于非線性狀態(tài)的有源器件(晶體管、電子管等晶體管、電子管等)正正好具有這一性能，因而它們具有穩(wěn)定振幅的功能。好具有這一性能，因而它們具有穩(wěn)定振幅的功能。20三、相位三、相位(頻率頻率)穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 必須強調(diào)指出：相位穩(wěn)定條件和頻率穩(wěn)定條

20、件實質上必須強調(diào)指出：相位穩(wěn)定條件和頻率穩(wěn)定條件實質上是一回事。因為振蕩的角頻率就是相位的變化率，所以當是一回事。因為振蕩的角頻率就是相位的變化率，所以當振蕩器的相位變化時，頻率也必然發(fā)生變化。振蕩器的相位變化時，頻率也必然發(fā)生變化。 如果由于某種原因，相位平衡遭到破壞，產(chǎn)生了如果由于某種原因，相位平衡遭到破壞，產(chǎn)生了一個很小的相位增量一個很小的相位增量+，這就意味著反饋電壓超前于，這就意味著反饋電壓超前于原有輸入電壓一個相角原有輸入電壓一個相角,相位超前就意味著周期縮短相位超前就意味著周期縮短,頻頻率不斷地提高。反之，如果率不斷地提高。反之，如果為負，即滯后于原輸入為負，即滯后于原輸入電壓電

21、壓,同理將導致頻率的不斷降低。同理將導致頻率的不斷降低。 從以上分析可知，外因引起的相位變化與頻率的從以上分析可知，外因引起的相位變化與頻率的關系是：關系是：相位超前導致頻率升高，相位滯后導致頻率相位超前導致頻率升高，相位滯后導致頻率降低，頻率隨相位的變化關系可表示為降低，頻率隨相位的變化關系可表示為 ()ddtT( )00)(oscT 相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件斜率越陡，斜率越陡，則穩(wěn)定性越靈敏。則穩(wěn)定性越靈敏。圖圖 3- -1- -6 為了保持振蕩器相位平衡點穩(wěn)定，振蕩器本身應該具有為了保持振蕩器相位平衡點穩(wěn)定，振蕩器本身應該具有恢復相位平衡的能力。換句話說，就是在振蕩頻率發(fā)生變化恢復相位平

22、衡的能力。換句話說，就是在振蕩頻率發(fā)生變化的同時，振蕩電路中能夠產(chǎn)生一個新的相位變化，以抵消由的同時，振蕩電路中能夠產(chǎn)生一個新的相位變化，以抵消由外因引起的外因引起的變化，因而這二者的符號應該相反，亦即相位變化，因而這二者的符號應該相反，亦即相位穩(wěn)定條件應為穩(wěn)定條件應為T( )0225、利用自己偏置保證振蕩器能自行起振，并使放大器由甲、利用自己偏置保證振蕩器能自行起振，并使放大器由甲類工作狀態(tài)轉換成丙類工作狀態(tài)。類工作狀態(tài)轉換成丙類工作狀態(tài)。根據(jù)振蕩器的振蕩條件，可歸納如下：根據(jù)振蕩器的振蕩條件，可歸納如下：1、振幅平衡條件是反饋電壓幅值等于輸入電壓幅值振幅平衡條件是反饋電壓幅值等于輸入電壓幅值。根。根據(jù)振幅平衡條件，可以確定振蕩幅度的大小并研究振幅據(jù)振幅平衡條件，可以確定振蕩幅度的大小并研究振幅的穩(wěn)定。的穩(wěn)定。2、相位平衡條件是反饋電壓與輸入電壓同相，即正反饋相位平衡條件是反饋電壓與輸入電壓同相，即正反饋。根據(jù)相位平衡條件可以確定振蕩器的工作頻率和頻率的穩(wěn)根據(jù)相位平衡條件可以確定振蕩器的工作頻率和頻率的穩(wěn)定。定。3、振蕩幅度的穩(wěn)定是由器件非線性保證的振蕩幅度的穩(wěn)定是由器