《高頻電子線路》陽昌漢版-第4章-正弦波振蕩器解讀課件

第4章正弦波振蕩器概述反饋型LC振蕩原理反饋型LC振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定原理高穩(wěn)定度的LC振蕩器晶體振蕩電路

1第4章正弦波振蕩器概述14.1概述一、振蕩器的功能在無輸入信號情況下，將電源的直流能量轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號能量輸出。二、振蕩器與放大器的區(qū)別

振蕩器：不需外加激勵信號相同點：直流能量交流能量不同點：放大器：需外加的激勵信號24.1概述一、振蕩器的功能在無輸入信號情況下，振蕩器正弦波非正弦波：反饋型振蕩器負(fù)阻型振蕩器

LC振蕩器晶體振蕩器

RC振蕩器三、振蕩器的分類產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波等負(fù)阻器件+振蕩回路（正反饋原理）3振蕩器正弦波非正弦波：反饋型負(fù)阻型振蕩器LC振蕩器四、正弦波振蕩器的用途高頻加熱設(shè)備醫(yī)療儀器發(fā)射機(jī)(載波頻率fc)接收機(jī)(本地振蕩頻率fL)數(shù)字系統(tǒng)：時鐘信號通信系統(tǒng)：測量儀器：信號源高頻能源：五、主要技術(shù)指標(biāo)振蕩頻率、振蕩波形、振蕩幅度、頻率穩(wěn)定度4四、正弦波振蕩器的用途高頻加熱設(shè)備醫(yī)療儀器發(fā)射機(jī)(載波頻率f4.2反饋型LC振蕩原理定義：從放大器的輸出信號中取出一部分反饋到輸入端作為輸入信號，無需外部提供激勵信號，能產(chǎn)生等幅正弦波輸出稱為反饋型振蕩器。一、反饋型正弦波振蕩器的組成

正反饋網(wǎng)絡(luò)

放大器

（選頻網(wǎng)絡(luò)）54.2反饋型LC振蕩原理定義：從放大器的輸出信號中取出一組成：放大器──是對反饋信號進(jìn)行放大；正反饋網(wǎng)絡(luò)──是將輸出回路中的能量取出一部分加 到放大器的輸入端；選頻網(wǎng)絡(luò)──是獲得單一確定的振蕩頻率；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)──使振蕩的輸出穩(wěn)定。內(nèi)穩(wěn)幅外穩(wěn)幅利用放大器件的非線性6組成：放大器──是對反饋信號進(jìn)行放大；正反饋網(wǎng)絡(luò)──是將輸出二、振蕩的建立與起振條件放大器的電壓增益：反饋系數(shù)：這時調(diào)諧放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了自激振蕩器。環(huán)路增益調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)－＋－＋－＋7二、振蕩的建立與起振條件放大器的電壓增益：反饋系數(shù)：這時調(diào)諧接通電源瞬間引起的電壓、電流突變，電路器件內(nèi)部噪聲電壓等，都可作初始輸入信號，這些電擾動均具有很寬的頻譜，包含著各種頻率分量，經(jīng)選頻網(wǎng)絡(luò)，使得只有某一頻率(W0)的信號能反饋到放大器的輸入端，而其它信號被抑制。無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？

（從無到有）8接通電源瞬間引起的電壓、電流突變，電路－＋－＋調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)9－＋－＋調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)9

然而，一般初始信號很微弱，很容易被干擾信號淹沒，不能形成一定幅度的輸出信號。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uo振幅就會不斷增大。

（由弱到強）因此，起振階段要求……………?10然而，一般初始信號很微弱，很容易被干擾信起振條件：n=0,1,2…振幅起振條件相位起振條件增幅振蕩正反饋－＋－＋調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)11起振條件：n=0,1,2…振幅起振條件相位起振條件增幅振蕩正End當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加。穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，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)。（由增到穩(wěn)）三、振蕩器的平衡條件故平衡條件為………?12End當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它n=0,1,2…振幅平衡條件相位平衡條件平衡條件：等幅振蕩13n=0,1,2…振幅平衡條件相位平衡條件平衡條件：等幅振蕩

放大器進(jìn)入平衡的原因?放大器固有的非線性特性平衡時，放大器工作于什么狀態(tài)？結(jié)論：振蕩器起振后由甲類逐漸向甲乙類、乙類或丙類過渡。最后工作于什么狀態(tài)完全由A0.F的值來決定。14放大器進(jìn)入平衡的原因?放大器固有的非線性特性平衡時，放大晶體管反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)平衡條件的另一種表示形式：振幅平衡條件:相位平衡條件:15晶體管反饋網(wǎng)絡(luò)LC選頻網(wǎng)絡(luò)平衡條件的另一種表示形四、振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件1)穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡2)振蕩器的穩(wěn)定平衡因某一外因的變化，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)。滿足這樣條件的平衡稱為穩(wěn)定平衡。16四、振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件1)穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡23）振幅平衡的穩(wěn)定條件UoOA

Q外因變化F1/FQ1AF>1（增幅振蕩）輸出增大Q1點達(dá)到新的平衡外因消失FAF<1（減幅振蕩）輸出減小回到原平衡狀態(tài)Q點1/F穩(wěn)定B點不穩(wěn)定：外因變化AF>1（增幅振蕩）輸出增大Q1點達(dá)到新的平衡F1/FQ1外因消失AF<1（減幅振蕩）輸出減小回到Q點達(dá)到平衡FQ點穩(wěn)定：軟激勵硬激勵振幅的穩(wěn)定條件：（應(yīng)避免）A0173）振幅平衡的穩(wěn)定條件UoOAQ外因變化F1/FQ1AFtui4）相位平衡的穩(wěn)定條件頻率隨相位變化的關(guān)系：頻率與相位的關(guān)系：（頻率的穩(wěn)定條件）信號周期信號頻率信號頻率信號周期18tui4）相位平衡的穩(wěn)定條件頻率隨相位變化的關(guān)系：頻率與相Oωωo0)(<??@?++?\wjwjjjZFZY

相位平衡的穩(wěn)定條件：

即要求選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性曲線在工作頻率附近應(yīng)具有負(fù)斜率。實際中的并聯(lián)LC諧振回路正好具有這種相頻特性。19Oωωo0)(<??@?++?\wjwjjjZFZY相位平總結(jié)1)正弦振蕩器工作條件包括起振條件：平衡條件：穩(wěn)定條件：保證振蕩器從無到有建立起振蕩保證振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)，產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞

振幅穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件20總結(jié)1)正弦振蕩器工作條件包括起振條件：平衡條件：穩(wěn)2)振蕩器的靜態(tài)工作點應(yīng)設(shè)計在軟激勵狀態(tài)4)判斷能否產(chǎn)生正弦振蕩的方法

a)是否可能振蕩——首先看電路供電是否正確；二是看是否滿足相位平衡條件（正反饋）

b)是否起振——看是否滿足振幅起振條件c)是否產(chǎn)生正弦波——看是否有正弦選頻網(wǎng)絡(luò)3)從振蕩到平衡是由晶體管非線性與自給反偏壓共同作用的結(jié)果，稱為內(nèi)穩(wěn)幅；需要外加穩(wěn)幅電路的稱為外穩(wěn)幅212)振蕩器的靜態(tài)工作點應(yīng)設(shè)計在軟激勵狀態(tài)4)判斷能否4.3反饋型LC振蕩器以LC諧振回路作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為LC正弦波振蕩器LC振蕩器互感耦合電感三點式電容三點式224.3反饋型LC振蕩器以LC諧振回路作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振一、互感耦合LC振蕩器互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件很重要。

互感耦合振蕩器有三種形式：調(diào)基電路、調(diào)集電路和調(diào)射電路，這是根據(jù)振蕩回路是在基極電路、集電極電路和發(fā)射極電路來區(qū)分的。判斷相位平衡條件是否滿足的方法：通常采用瞬時極性法。23一、互感耦合LC振蕩器互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感共基調(diào)集型bce高頻旁路電容1)判斷是否可能振蕩的基本準(zhǔn)則：是否是正反饋。正反饋系數(shù):振蕩頻率:2)是否能起振：取決于變壓器是否有足夠的耦合量M方法：瞬時極性法思考：若同名端改變，是否能產(chǎn)生振蕩？24共基調(diào)集型bce高頻旁路電容1)判斷是否可能振蕩的基本準(zhǔn)則共e調(diào)b型bce高頻旁路電容－共b調(diào)e型高頻旁路電容ebc－－互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋(改變M)時，基本上不影響振蕩頻率。但由于分布電容的存在，在頻率較高時，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一般應(yīng)用于中、短波波段。25共e調(diào)b型bce高頻旁路電容－共b調(diào)e型高頻旁路電容ebc－二、電容反饋式振蕩器(考畢茲電路)1、電路結(jié)構(gòu)直流通路交流等效電路電容三點式振蕩器becC1C2L反饋信號取自C2兩端26二、電容反饋式振蕩器(考畢茲電路)1、電路結(jié)構(gòu)直流通路交流等2、相位平衡條件用矢量法分析其交流通路是否滿足相位平衡條件，即分析電路是否為正反饋。+--++-272、相位平衡條件用矢量法分析其交流通路是否滿足相位3、起振條件分析起振條件時可以利用高頻小信號放大器的分析法。

（1）電壓增益283、起振條件分析起振條件時可以利用高頻小信號放大器的分析法。

（2）反饋系數(shù)（忽略各個g的影響）（3）起振條件

①滿足起振條件是選取晶體管的

②從輸出電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)的影響看，F(xiàn)越大越容易起振，從輸入電導(dǎo)看，F(xiàn)不能太大。因而兼顧二者，F(xiàn)一般選取0.1-0.5。29（2）反饋系數(shù)（忽略各個g的影響）（3）起振條件①滿4、振蕩頻率振蕩頻率一般可以利用相位平衡條件求解。在忽略、、等的影響，可得近似式為若忽略晶體管輸入電容和輸出電容的影響304、振蕩頻率振蕩頻率一般可以利用相位平衡條件求解。三、電感反饋式振蕩器(哈特萊電路)1、電路結(jié)構(gòu)電感三點式振蕩器becCbceeL2L1b反饋信號取自L2兩端..31三、電感反饋式振蕩器(哈特萊電路)1、電路結(jié)構(gòu)電感三點式振蕩becL2L1C2、相位平衡條件+--++-3、起振條件反饋系數(shù):若忽略互感M的影響則有：4、振蕩頻率..32becL2L1C2、相位平衡條件+--++-3、起振條件反饋四、電感三點式與電容三點式的比較頻率不易調(diào)（調(diào)L，調(diào)節(jié)范圍?。┤秉c：優(yōu)點：(1)高次諧波成分小，輸出波形好(2)振蕩頻率可以做得很高缺點：(2)振蕩頻率不能太高（1）輸出波形差優(yōu)點：頻率易調(diào)（調(diào)C）33四、電感三點式與電容三點式的比較頻率不易調(diào)（調(diào)L，調(diào)節(jié)范圍小五、LC三點式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則bce(1)Xbe、Xce應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件；(2)Xcb

與Xce、Xbe的電抗性質(zhì)相反。結(jié)論：射同集（基）反(3)對于振蕩頻率，應(yīng)滿足：34五、LC三點式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則bce(1)Xb例1判斷下圖電路能否振蕩，能振蕩的屬于哪種類型振蕩器。35例1判斷下圖電路能否振蕩，能振蕩的屬于哪種類型振蕩器。35分析：36分析：363737(e)經(jīng)判斷滿足相位平衡條件，故可能振蕩，為共基調(diào)射型互感耦合振蕩器。⊕○1⊕○2○3○45⊕(f)經(jīng)判斷滿足相位平衡條件，故可能振蕩，為共射調(diào)基型互感耦合振蕩器。⊕⊕⊕⊕38(e)經(jīng)判斷滿足相位平衡條件，故可能振蕩，為共基調(diào)射型互感耦例239例239例3z90o-90o0o0LC40例3z90o-90o0o0LC40z90o-90o0o0LC41z90o-90o0o0LC414.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理一、頻率穩(wěn)定度的定義

頻率穩(wěn)定度的定義：424.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理一、頻率穩(wěn)定度的定義頻率穩(wěn)定按照時間間隔長短的不同，頻率穩(wěn)定度分為一天以上乃至幾個月內(nèi)振蕩頻率相對變化量主要由于器件老化。一天之內(nèi)振蕩頻率的相對變化量主要由于溫度、電源電壓等外界因素變化長期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度瞬時頻率穩(wěn)定度秒或毫秒內(nèi)振蕩頻率的相對變化量由電路內(nèi)部噪聲或突發(fā)性干擾引起。中波廣播電臺發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為電視發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為~43按照時間間隔長短的不同，頻率穩(wěn)定度分為一天以上乃至幾個月內(nèi)振?二、頻率不穩(wěn)定的原因

晶體管反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)uiic1uc1uf44?二、頻率不穩(wěn)定的原因晶體管反饋網(wǎng)絡(luò)LC選頻網(wǎng)?二、頻率不穩(wěn)定的原因

晶體管反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)uiic1uc1uf振蕩頻率：并聯(lián)諧振回路的相角：、45?二、頻率不穩(wěn)定的原因晶體管反饋網(wǎng)絡(luò)LC選頻網(wǎng)具體分析導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定的因素：(3)負(fù)載變化——影響回路Q值（1）LC回路參數(shù)不穩(wěn)定溫度機(jī)械振動（2）晶體管參數(shù)不穩(wěn)定溫度電源電壓46具體分析導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定的因素：(3)負(fù)載變化——影響回三、振蕩器的穩(wěn)頻措施2、提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性1、減小外界因素變化的影響溫度的影響采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源采用金屬屏蔽罩采用減震器在振蕩器和負(fù)載之間加緩沖器電壓的影響負(fù)載的影響電磁場的影響振動的影響將振蕩回路或整個振蕩器置于恒溫槽47三、振蕩器的穩(wěn)頻措施2、提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性1、減小外界三、振蕩器的穩(wěn)頻措施3、提高回路的品質(zhì)因數(shù)4、選用高穩(wěn)定度的振蕩電路據(jù)LC回路的特性,Q值越大,相頻特性曲線越陡峭,相位越穩(wěn)定。如克拉波振蕩電路、西勒振蕩電路、石英晶體振蕩電路。48三、振蕩器的穩(wěn)頻措施3、提高回路的品質(zhì)因數(shù)4、選用高穩(wěn)定度4.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器一、頻率穩(wěn)定度的定義

頻率穩(wěn)定度的定義：494.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器一、頻率穩(wěn)定度的定義頻率穩(wěn)定按照時間間隔長短的不同，頻率穩(wěn)定度分為一天以上乃至幾個月內(nèi)振蕩頻率相對變化量主要由于器件老化。一天之內(nèi)振蕩頻率的相對變化量主要由于溫度、電源電壓等外界因素變化長期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度瞬時頻率穩(wěn)定度秒或毫秒內(nèi)振蕩頻率的相對變化量由電路內(nèi)部噪聲或突發(fā)性干擾引起。中波廣播電臺發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為電視發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為~50按照時間間隔長短的不同，頻率穩(wěn)定度分為一天以上乃至幾個月內(nèi)振一、一般電容三點式振蕩電路的穩(wěn)定性分析工作狀態(tài)和外界條件的變化都會改變Cie和Coe的值，從而改變振蕩頻率f0，導(dǎo)致f0不穩(wěn)定。51一、一般電容三點式振蕩電路的穩(wěn)定性分析工作狀態(tài)和外二、串聯(lián)改進(jìn)型電容三點式振蕩器（克拉潑振蕩器CLAPP）C3<<C1，C3<<C2

振蕩頻率：優(yōu)點：頻率可調(diào)52二、串聯(lián)改進(jìn)型電容三點式振蕩器（克拉潑振蕩器CLAPP）C克拉潑振蕩器的缺點：

波段范圍不寬，波段內(nèi)輸出幅度不平穩(wěn)，改變C3可以調(diào)節(jié)頻率，但對電路不利,實際中常用于固定頻率振蕩器。

.CLAPP電路的主要缺點是：頻率不能太高，53克拉潑振蕩器的缺點：波段范圍不寬，波段內(nèi)輸出幅度不平穩(wěn)，改三、并聯(lián)改進(jìn)型電容三點式振蕩器（西勒振蕩器Seiler）C3<<C1，C3<<C2振蕩頻率：bce54三、并聯(lián)改進(jìn)型電容三點式振蕩器（西勒振蕩器Seiler）C改進(jìn)：克拉潑電路中是改變C3來調(diào)節(jié)頻率，而C3的改變會影響接入系數(shù)P，從而可能導(dǎo)致停振。但西勒電路中，改變C4來調(diào)節(jié)頻率，而C4的改變不會影響接入系數(shù)P。相對克拉潑振蕩器的改進(jìn)之處：

故西勒電路的優(yōu)點：振蕩頻率可以很高，且在波段內(nèi)振幅比較穩(wěn)定，調(diào)諧范圍比較寬，實際中常用于波段振蕩器。55改進(jìn)：克拉潑電路中是改變C3來調(diào)節(jié)頻率，而C3的改變會影響接例：-+-+分析：本題是一個西勒電路。56例：-+-+分析：本題是一個西勒電路。5657574.6晶體振蕩電路以石英諧振器作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為石英晶體振蕩器其頻率穩(wěn)定度可達(dá)~，而LC回路的一般不超過因為石英諧振器具有極高的Q值和良好的穩(wěn)定性584.6晶體振蕩電路以石英諧振器作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱一、石英晶體及其特性從一塊晶體上按一定的方位角切割成的薄片稱為晶片化學(xué)成分：SiO21.石英晶體的結(jié)構(gòu)和基本特性基本特性：壓電效應(yīng)極板間加電場晶體產(chǎn)生機(jī)械變形反壓電效應(yīng)：正壓電效應(yīng)：極板間加機(jī)械力晶體產(chǎn)生電場交變電壓機(jī)械振動交變電壓當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時，振幅最大。壓電諧振當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時，它本身有一固定的機(jī)械振動頻率。59一、石英晶體及其特性從一塊晶體上按一定化學(xué)2.石英晶體的等效電路

Lq:動態(tài)電感,表征質(zhì)量幾十mH

～幾百Hrq:動態(tài)電阻,表征摩擦損耗幾～幾百歐JT符號等效電路

C0:靜態(tài)電容,約2～5PF故晶體Q值很高，一般為幾萬至幾百萬

Cq:動態(tài)電容,表征彈性602.石英晶體的等效電路Lq:動態(tài)電感,表征質(zhì)量幾十mJT符號等效電路串聯(lián)諧振頻率:并聯(lián)諧振頻率：通常所以61JT符號等效電路串聯(lián)諧振頻率:并聯(lián)諧振頻率：通常所以613.石英晶體的電抗特性fXfPfq容性容性感性忽略時，總阻抗為呈感性呈容性相當(dāng)于短路X=0相當(dāng)于開路X<0X>0623.石英晶體的電抗特性fXfPfq容性容性感性忽略4、石英晶體的使用注意事項標(biāo)稱頻率fNJTCL負(fù)載電容:外接一定的負(fù)載電容CL時所對應(yīng)的頻率634、石英晶體的使用注意事項標(biāo)稱頻率fNJTCL負(fù)載電容:外二、晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器

fq<f<

fp，晶體作電感元件使用f=fq，晶體作短路元件使用64二、晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器fq<1、并聯(lián)型晶體振蕩器皮爾斯密勒兩種基本類型電路651、并聯(lián)型晶體振蕩器皮爾斯密勒兩種基本類型電路65典型皮爾斯電路負(fù)載電容CL回路總電容調(diào)節(jié)C3可使其工作在標(biāo)稱頻率上66典型皮爾斯電路負(fù)載電容CL回路總電容調(diào)節(jié)C3可使其工作在標(biāo)稱2、串聯(lián)型晶體振蕩器JT672、串聯(lián)型晶體振蕩器JT67舉例：68舉例：68機(jī)械振動的諧波稱為泛音。利用基頻振動稱為基頻晶體，利于泛音振動稱為泛音晶體。石英晶體基頻越高，晶片越薄，加工難并易碎，故要求頻率高時使用泛音頻率。多用三次和五次的。奇次3、泛音晶體振蕩器晶體完整的等效電路69機(jī)械振動的諧波稱為泛音。L1C1回路電抗曲線CL3、泛音晶體振蕩器（1）對基頻和三次泛音，回路呈感性，使電路不滿足振蕩的相位條件，不能產(chǎn)生振蕩。要構(gòu)成5MHz五次泛音晶體振蕩器