第四章正弦波振蕩器

第四章正弦波振蕩器第一頁，共九十三頁，2022年，8月28日高頻電子線路第四章正弦波振蕩器4.1概述第二頁，共九十三頁，2022年，8月28日一、振蕩器與放大器的區(qū)別放大器：對(duì)外加的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。振蕩器：不需外加激勵(lì)信號(hào)，靠電路本身產(chǎn)生具有一定頻率、波形和幅度的交流信號(hào)。第三頁，共九十三頁，2022年，8月28日二、振蕩器的分類⒈按振蕩原理分⑴反饋式振蕩器：依靠外加正反饋而得到的自激振蕩。①RC低頻振蕩器②LC高頻振蕩器⑵負(fù)阻式振蕩器第四頁，共九十三頁，2022年，8月28日二、振蕩器的分類⒉按振蕩的波形分⑴正弦波振蕩器⑵非正弦波振蕩器第五頁，共九十三頁，2022年，8月28日三、本章主要內(nèi)容反饋式振蕩器的工作原理對(duì)基本振蕩器電路以及幾種典型振蕩電路進(jìn)行分析第六頁，共九十三頁，2022年，8月28日高頻電子線路第四章正弦波振蕩器4.2反饋式振蕩器的基本工作原理第七頁，共九十三頁，2022年，8月28日一、從調(diào)諧放大到自激振蕩⒈調(diào)諧放大器分析⒉反饋式振蕩器可以看成是由調(diào)諧放大器演變而來。第八頁，共九十三頁，2022年，8月28日二、反饋式振蕩器的組成反饋振蕩器的基本原理就是利用正反饋方法來獲得等幅的正弦振蕩。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。第九頁，共九十三頁，2022年，8月28日二、反饋式振蕩器的組成第十頁，共九十三頁，2022年，8月28日二、反饋式振蕩器的組成主網(wǎng)絡(luò)一般由放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)組成（可以看成為一個(gè)調(diào)諧放大器），反饋網(wǎng)絡(luò)一般由無源器件組成。第十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日二、反饋式振蕩器的組成第十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日三、自激振蕩的平衡條件⒈相位平衡條件UF和Ui同相，即∑Ф=2nп⒉振幅平衡條件UF=Ui，即AuFu=1(即環(huán)路增益T(jw)=1)第十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日四、起振過程和起振條件起振過程：在剛接通電源時(shí)，電路中存在各種電子的擾動(dòng)，比如接通電源瞬間引起的電流突變，電路中的熱噪聲等等，這些擾動(dòng)均具有很寬的頻譜，包含著各種頻率分量。由于選頻網(wǎng)絡(luò)是由Q值極高的LC并聯(lián)諧振回路組成帶寬極窄，這些擾動(dòng)中只有角頻率為諧振角頻率的分量才能通過反饋產(chǎn)生較大的反饋電壓。第十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日四、起振過程和起振條件若反饋電壓與輸入電壓同相且具有更大的振幅，則經(jīng)過線性放大和反饋的不斷循環(huán)，振蕩電壓振幅就會(huì)不斷增大。起振條件⒈相位起振條件UF和Ui同相，即∑Ф=2nп⒉振幅起振條件UF＞Ui，即AuFu＞1(即環(huán)路增益T(jw)>1)第十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日互感反饋振蕩電路第十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日自激振蕩的建立過程第十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日自激振蕩器的平衡過程為便于起振，必須給晶體管加較大的正向偏置，使放大器開始時(shí)工作在甲類工作狀態(tài)，隨著振幅的增大，放大器由放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，工作于非線性的丙類狀態(tài)，其增益逐漸下降。當(dāng)增益下降到反饋電壓等于輸入電壓時(shí)，振幅的增長過程將停止，振蕩器達(dá)到平衡，進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。第十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日五、平衡狀態(tài)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定條件第十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒈振幅平衡穩(wěn)定條件第二十頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒈振幅平衡穩(wěn)定條件振幅的穩(wěn)定條件是：在平衡點(diǎn)曲線Au~Ubem斜率為負(fù)，即dAu/dUbem

|Au=（1/Fu）＜0或dT(jw)/dU|Ubem=UQ＜0第二十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒉相位平衡穩(wěn)定條件第二十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒉相位平衡穩(wěn)定條件

相位穩(wěn)定平衡的條件是：在平衡點(diǎn)，Ф~f曲線的斜率為負(fù)，即dФ/df|f=f0＜0第二十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日高頻電子線路第四章正弦波振蕩器4.3LC正弦振蕩電路

4.3.1互感反饋振蕩器第二十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日一、振蕩器的頻率穩(wěn)定度反饋振蕩器如滿足起振、平衡、穩(wěn)定三個(gè)條件，就能夠產(chǎn)生等幅持續(xù)的振蕩波形。當(dāng)受到不穩(wěn)定因素影響時(shí)，振蕩器的相位或振蕩頻率可能發(fā)生些微小變化，雖然能自動(dòng)回到平衡狀態(tài)，但振蕩頻率在平衡點(diǎn)附近隨機(jī)變化這一現(xiàn)象卻不可避免，為了衡量實(shí)際振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率變化的程度，提出了頻率穩(wěn)定度這一性能指標(biāo)。第二十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日

頻率穩(wěn)定度的定義振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指由于外界條件的變化，引起振蕩頻率的變動(dòng)，且在新的平衡點(diǎn)又達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，新的頻率偏離原頻率的程度。（絕對(duì)穩(wěn)定度、相對(duì)穩(wěn)定度）常用的是相對(duì)穩(wěn)定度，用10-n表示，n的值越大，穩(wěn)定度越高。第二十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日

二、互感反饋振蕩器的振蕩原理

⒈基本電路—調(diào)集型共射組態(tài)互感反饋振蕩器

第二十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒉相位平衡條件由互感線圈的同名端來保證，滿足正反饋。判斷晶體管工作組態(tài)及線圈同名端的方法：⑴LC調(diào)諧回路所接端——輸出端⑵反饋線圈所接端——輸入端⑶剩下的端口——公共組態(tài)⑷共e——輸出、輸入反相共c、共b——輸出、輸入同相第二十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日互感反饋振蕩電路的反饋極性第二十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日互感反饋振蕩電路的反饋極性第三十頁，共九十三頁，2022年，8月28日互感反饋振蕩電路的反饋極性第三十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒊起振條件和振蕩頻率起振條件Uo=yfeUiZ0

Z0為諧振阻抗Au=Uo/

Ui=yfeZ0

Fu=jwM（Uo/jwL）/Uo=M/L∴AuFu=yfeZ0M/L＞1即要求yfe↑、M↑振蕩頻率（估算）fo=1/2п√LC

第三十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日三、實(shí)用電路舉例第三十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日四、互感反饋振蕩器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：易起振，輸出電壓較大，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)頻方便，且調(diào)頻時(shí)輸出電壓變化不大，常用于收音機(jī)中本振。缺點(diǎn)：由于互感耦合元件分布電容的存在，使高頻時(shí)分布電容影響大，輸出波形不好，頻率穩(wěn)定性差，只適用于較低頻段。第三十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日小結(jié)振蕩器與放大器的區(qū)別，振蕩器的分類反饋式振蕩器的組成自激振蕩的起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件互感反饋振蕩電路相位平衡的判斷互感反饋振蕩電路振蕩頻率的計(jì)算第三十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日

高頻電子線路

第四章正弦波振蕩器4.3LC正弦振蕩電路

4.3.2三點(diǎn)式振蕩電路第三十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日

一、電容三點(diǎn)式振蕩電路

——考畢茲(Colpitts)振蕩器

晶體管三個(gè)極分別與LC回路的三個(gè)點(diǎn)相聯(lián)接，且反饋元件為電容，故稱為電容三點(diǎn)式振蕩器。第三十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日1。電路組成第三十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日2。相位平衡條件關(guān)鍵在于：從c-e看入，由電容C2和電感L組成的支路呈感性。第三十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日3。起振條件和振蕩頻率起振條件Uo=yfeUiZ0

Z0為諧振阻抗Au=Uo/

Ui=yfeZ0

Fu=UF/Uo=（1/wC2）IL/（1/wC1）IC=C1/C2

∴AuFu=yfeZ0C1/C2＞1即yfe↑、C1↑、C2↓振蕩頻率（估算）fo=1/2∏√LC其中C=C1

C2/（C1+C2）第四十頁，共九十三頁，2022年，8月28日4。主要優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電容作為輸出、反饋元件，它對(duì)諧波呈現(xiàn)的阻抗小，因此輸出波形好，振蕩頻率高。缺點(diǎn)：改變頻率不方便，Co、Ci影響頻率穩(wěn)定度。第四十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日

二、電感三點(diǎn)式振蕩電路

——哈特萊(Hartley)振蕩器

晶體管三個(gè)極分別與LC回路的三個(gè)點(diǎn)相聯(lián)接，且反饋元件為電感，故稱為電感三點(diǎn)式振蕩器。第四十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日1。電路組成第四十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日2。相位平衡條件關(guān)鍵在于：從c-e看入，由電容C和電感L2組成的支路呈容性。第四十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日3。起振條件和振蕩頻率起振條件Uo=yfeUiZ0

Z0為諧振阻抗Au=Uo/

Ui=yfeZ0

Fu=UF/Uo=（wL2IC）/（wL1IL）=L2/L1

∴AuFu=yfeZ0L2/L1＞1即yfe↑、L2↑、L1↓振蕩頻率（估算）fo=1/2∏√LC其中L=L1+L2若考慮互感則L=L1+L2+2M第四十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日4。主要優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：易起振、輸出電壓幅度大，調(diào)節(jié)頻率方便（在較寬的頻段內(nèi)）。缺點(diǎn)：電感作為輸出、反饋元件，輸出波形不理想、振蕩頻率不高。第四十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日三、三點(diǎn)式振蕩電路的判別法則第四十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日三、三點(diǎn)式振蕩電路的判別法則Xce、Xbe電抗性質(zhì)相同，Xcb與它們電抗性質(zhì)相反。（射同基反）第四十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日四、三點(diǎn)式振蕩電路判別舉例第四十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日

高頻電子線路

4.3.3改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路第五十頁，共九十三頁，2022年，8月28日一、電容反饋三點(diǎn)式電路的兩個(gè)主要缺點(diǎn)調(diào)節(jié)頻率時(shí)，同時(shí)改變反饋量。Co、Ci影響頻率穩(wěn)定度。第五十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日二、串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式電路——克拉潑(Clapp)電路第五十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日?qǐng)D中C3<<C1,C3<<C2克拉潑電路振蕩回路的總電容

C∑=（C1//Co）+（C2//Ci）+C3≈C3振蕩頻率fo=1/2∏√LC∑≈1/2∏√LC3注意：C3不能太小，否則影響fo的調(diào)節(jié)范圍。第五十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日三、并聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式電路——西勒(Seiler)電路第五十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日

西勒電路振蕩回路的總電容

C∑=（C1+C2+C3）//C4≈C3+C4

振蕩頻率fo=1/2∏√LC∑≈1/2∏√L（C3+C4）

西勒電路的優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高，振蕩頻率高，覆蓋寬，振幅平穩(wěn)，輸出波形好。第五十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日四、本節(jié)要求相位條件的判斷振蕩頻率的計(jì)算振蕩器的類型判別熟練掌握考畢茲及哈特萊振蕩電路并能畫出交流等效電路圖第五十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日五、作業(yè)(補(bǔ)充)在西勒振蕩電路中,C1=C2=100pF,C3=10pF,L=5uH,fo=10~15MHz,求C4值應(yīng)為多大范圍?考畢茲振蕩器的fo=45MHz,L=0.2uH,Fu=0.3,若忽略晶體管輸入、輸出阻抗的影響,計(jì)算C1和C2的值.第五十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日高頻電子線路第四章正弦波振蕩器4.4石英晶體振蕩器第五十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日一、石英晶體的結(jié)構(gòu)和特性⒈結(jié)構(gòu)

石英晶體俗稱水晶，是一種化學(xué)成分為SiO2兩端呈角錐的六棱柱結(jié)晶體。按一定的方位角將晶體切成薄片稱石英晶片（正方形、長方形、圓形），不同方位的切片有不同程度的頻率特性，即石英晶片尺寸、厚度決定頻率。第五十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒈結(jié)構(gòu)第六十頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒉特性壓電特性反壓電特性正是因?yàn)閴弘娞匦院头磯弘娞匦?，石英晶片可以做成諧振器。第六十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日二、石英諧振器的等效電路

與電抗特性曲線⒈等效電路與符號(hào)第六十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒈等效電路與符號(hào)其中：C0—金屬板及支架構(gòu)成的電容，約1~10pFCq—壓電諧振等效電容，約10-4~10-1pFLq—壓電諧振等效電感，約10-3~102Hrq—摩擦損耗電阻，約幾十~幾百歐姆C∑=C0

Cq/（C0+Cq）≈CqQ=√Lq/Cq/rq可達(dá)幾萬到幾百萬第六十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒉電抗曲線（取rq=0）第六十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒉電抗曲線串聯(lián)諧振頻率fs

=1/2∏√Lq

Cq

并聯(lián)諧振頻率fp

=1/2∏√LqC∑故只在fs~fp很窄的范圍內(nèi)，石英諧振器等效一特殊電感，其余頻率均等效于電容。另外，石英晶振產(chǎn)品還有一個(gè)標(biāo)稱頻率fN。fN的值位于fs與fp之間，這是指石英晶振兩端并接一規(guī)定負(fù)載電容CL時(shí)石英晶振的諧振頻率。

第六十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日三、石英諧振器頻率穩(wěn)定度

高的原因Q值高，利于穩(wěn)頻在fs~fp之間等效為一特殊電感（斜率陡、利于穩(wěn)頻）接入系數(shù)小第六十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日四、晶體振蕩器電路⒈串聯(lián)型晶體振蕩器⒉并聯(lián)型晶體振蕩器⒊泛音晶體振蕩器第六十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒈串聯(lián)型晶體振蕩器將晶體作為一個(gè)短路元件串接在正反饋支路中，工作在晶體的串聯(lián)諧振頻率上，稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。第六十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒈串聯(lián)型晶體振蕩器第六十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒉并聯(lián)型晶體振蕩器將晶體作為等效電感元件用在三點(diǎn)式電路中，工作在感性區(qū)，稱為并聯(lián)型晶體振蕩器。第七十頁，共九十三頁，2022年，8月28日皮爾斯電路（類似考比茲）第七十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日皮爾斯電路的特點(diǎn)振蕩頻率幾乎由晶振的參數(shù)決定，具有高度的穩(wěn)定性。振蕩頻率

f0=1/2∏√LqCq（C0+CL）/（Cq+C0+CL）=fs√1+

Cq/（

C0+

CL）其中CL是和晶振兩端并聯(lián)的外電路各電容的等效值，即產(chǎn)品要求的負(fù)載電容。振蕩頻率一般調(diào)諧在標(biāo)稱頻率fN上，位于晶振的感性區(qū)，電抗曲線陡，穩(wěn)頻性好。第七十二頁，共九十三頁，2022年，8月28日實(shí)用的并聯(lián)型晶體振蕩器電路第七十三頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒊泛音晶體振蕩器在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體振蕩電路。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可在三點(diǎn)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，使這一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(diǎn)式振蕩電路的判別法則，而在所需的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足法則，達(dá)到起振條件。第七十四頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒊泛音晶體振蕩器第七十五頁，共九十三頁，2022年，8月28日五、石英晶體振蕩器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：頻率穩(wěn)定度高缺點(diǎn)：單頻性、加工困難第七十六頁，共九十三頁，2022年，8月28日高頻電子線路補(bǔ)充RC振蕩器第七十七頁，共九十三頁，2022年，8月28日一、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性第七十八頁，共九十三頁，2022年，8月28日一、RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的選頻特性串聯(lián)阻抗Z1=R1+1/jwC1并聯(lián)阻抗Z2=R2/（1+jwR2C2）網(wǎng)絡(luò)傳輸系數(shù)K=Uo/Ui=Z2/（Z1+Z2）設(shè)R1=R2=R，C1=C2=C

K=1/[3+j（wRC－1/wRC）]K=1/√9+（wRC－1/wRC）2第七十九頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒈幅頻特性（選頻特性差）f=fo=1/（2∏RC）時(shí)諧振，Uo最大，此時(shí)K=1/3f＜fo、f＞fo時(shí)K＜1/3第八十頁，共九十三頁，2022年，8月28日⒉相頻特性f很低時(shí)，Z1≈1/jwC，Z2≈R，Ф≈п/2，相位超前型，相當(dāng)于高通濾波器。f=f0時(shí)，純阻抗，Ф=0，選頻點(diǎn)。f很高時(shí)，Z1≈R，Z2≈1/jwC，Ф≈-п/2，相位滯后型，相當(dāng)于低通濾波器。第八十一頁，共九十三頁，2022年，8月28日低、高頻時(shí)等效電路第八十二頁，共九十三頁，2022年，8月