高頻電子技術(shù)：第三章 正弦波振蕩器

1、3.1 概述概述 3.2 反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的工作原理 3.3 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器 3. 晶體振蕩器晶體振蕩器 第第3章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 3.1 概概 述述 振蕩器振蕩器: 信號發(fā)生器（信號產(chǎn)生電路）信號發(fā)生器（信號產(chǎn)生電路） 實(shí)質(zhì)實(shí)質(zhì): 自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為交流信號能量的電路。自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為交流信號能量的電路。 與放大器的區(qū)別與放大器的區(qū)別：無需外加激勵(lì)信號：無需外加激勵(lì)信號 正弦波振蕩器：產(chǎn)生正弦波正弦波振蕩器：產(chǎn)生正弦波 分類分類 非正弦波振蕩器：產(chǎn)生矩形波、非正弦波振蕩器：產(chǎn)生矩形波、 三角波、三角波、 鋸齒波等。鋸齒波等。 本章僅介

2、紹正弦波振蕩器。本章僅介紹正弦波振蕩器。 3.2 反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的工作原理 主網(wǎng)絡(luò)主網(wǎng)絡(luò) 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò) 反饋振蕩器的組成方框及相應(yīng)電路反饋振蕩器的組成方框及相應(yīng)電路 例：變壓器耦合反饋振蕩器例：變壓器耦合反饋振蕩器(交流通路交流通路)。 反饋振蕩器反饋振蕩器 一、振蕩條件一、振蕩條件 f i f kA V V jT )( ： ： ： ： f f i k A V V 主網(wǎng)絡(luò)增益主網(wǎng)絡(luò)增益 環(huán)路增益：環(huán)路增益： 反饋系數(shù)反饋系數(shù) 輸入電壓輸入電壓 反饋電壓反饋電壓 1.起振條件起振條件 接通電源瞬間引起的接通電源瞬間引起的電流突變電流突變 初始信號的產(chǎn)生：初始信號的產(chǎn)生： 電路

3、中的熱電路中的熱噪聲噪聲 起振過程：起振過程： 經(jīng)過放大和反饋的不斷循環(huán)經(jīng)過放大和反饋的不斷循環(huán)振蕩電壓振幅不斷增大振蕩電壓振幅不斷增大 if VV 使振幅不斷增長的條件是使振幅不斷增長的條件是: 1)( osc T振幅起振條件振幅起振條件 相位起振條件相位起振條件), 2 , 1 , 0(2)(nn oscT 1)j(T osc 平衡條件平衡條件 振蕩器進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)振蕩器進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)-平衡平衡 。 平衡條件平衡條件: 振幅平衡條件振幅平衡條件 相位平衡條件相位平衡條件 1)( osc jT n T oscT osc 2)( 1)( （正反饋）（正反饋） 1)j(T osc 1)( o

4、sc jT 平衡條件平衡條件: 起振條件起振條件 3穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 平衡狀態(tài)平衡狀態(tài) 穩(wěn)定平衡狀態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài) 不穩(wěn)定平衡狀態(tài)不穩(wěn)定平衡狀態(tài) 不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡 穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡 （1）振幅穩(wěn)定條件）振幅穩(wěn)定條件 振蕩器在其平衡點(diǎn)必須振蕩器在其平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力具有阻止振幅變化的能力。 T(osc)隨隨Vi的變化率為負(fù)值。的變化率為負(fù)值。 0 )( iA V i osc V T 具有具有負(fù)斜率負(fù)斜率變化的特性變化的特性 振幅穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定條件 （2）相位（頻率）穩(wěn)定條件）相位（頻率）穩(wěn)定條件 相頻特性相頻特性T（）在）在osc點(diǎn)具有點(diǎn)具有阻止相位變化的能力阻止相位變化的能力

5、。 0 )( osc T 相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件 )( T OSC 舉舉例：例：說明相位穩(wěn)定條件說明相位穩(wěn)定條件 T( ) 由由兩部分組成：兩部分組成： 即即 T( ) = A( ) + f( ) 反饋網(wǎng)絡(luò)相頻特性反饋網(wǎng)絡(luò)相頻特性 為為常數(shù)常數(shù) 基本放大器的相頻特性基本放大器的相頻特性 由由 并聯(lián)諧振回路的相移并聯(lián)諧振回路的相移 Z( )決定決定 )( A )( f 結(jié)論：結(jié)論： 選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻網(wǎng)絡(luò)的 決定相位穩(wěn)定。決定相位穩(wěn)定。)(Z ） 0 0 (1)(1) 1 ( 1 1 )( jQ R L R CRj R L Cj R jZ 阻抗頻率特性曲線阻抗頻率特性曲線 2 0 0 2 )(1

6、Q R Z )(arctan 0 0 Q Z 并聯(lián)諧振回路的相頻特性曲線并聯(lián)諧振回路的相頻特性曲線 eZ Q 0 0) (2 arctan)( O 0 并聯(lián)諧振回路 相頻特性曲線 )(arctan 0 0 Q Z 二、二、振蕩器基本組成及其分析方法振蕩器基本組成及其分析方法 1組成組成 含有選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路含有選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大電路 2工程近似分析方法工程近似分析方法 定性分析：定性分析：檢查電路結(jié)構(gòu)、正反饋。檢查電路結(jié)構(gòu)、正反饋。 定量分析：定量分析：求出求出振蕩頻率振蕩頻率。 舉例：舉例： 3.3 LC振蕩器振蕩器 一、互感耦合振蕩器一、互感耦合振蕩器 用瞬時(shí)極性法判斷電路是否為

7、正反饋用瞬時(shí)極性法判斷電路是否為正反饋。 交流通路：交流通路： 交流通路交流通路 舉例：舉例： 練習(xí)（練習(xí)（3-5）：）： 二、三點(diǎn)式振蕩器二、三點(diǎn)式振蕩器 電路組成電路組成 (1)電容三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式 (2)電感三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式 三點(diǎn)式振蕩的原理電路三點(diǎn)式振蕩的原理電路 電容三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式 電感三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式 三點(diǎn)式電路的一般形式三點(diǎn)式電路的一般形式 2. 三點(diǎn)式電路的組成法則三點(diǎn)式電路的組成法則 諧振時(shí)回路呈純電阻性諧振時(shí)回路呈純電阻性0 321 XXX 分析相位條件（正反饋）分析相位條件（正反饋） of o f V X X V XXj VjX V 1 2 32 2 )( 結(jié)論：結(jié)論：

8、1與與2必須是必須是同性質(zhì)電抗同性質(zhì)電抗, X3必須是必須是異性質(zhì)電抗異性質(zhì)電抗。 與 反相，為使 與 同相， 則 與 反相 o V i V f V i V f V o V 三點(diǎn)式電路的組成法則：三點(diǎn)式電路的組成法則：“射同基反射同基反” 電容三點(diǎn)式（考畢茲電路）電容三點(diǎn)式（考畢茲電路）電感三點(diǎn)式（哈脫萊電路）電感三點(diǎn)式（哈脫萊電路） 舉例舉例1 舉例舉例2 3 03 1 LC 03 OSC 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 舉例舉例2 3 03 1 LC 03 OSC 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò) 舉例舉例3 ( (a) )( (b) )( (c) ) 電路電路( (a) )及串聯(lián)和并聯(lián)諧振回路的電抗特性曲線及串聯(lián)和并

9、聯(lián)諧振回路的電抗特性曲線 ( (b) () (c) ) 例例 圖為振蕩器交流通路圖為振蕩器交流通路，f01， f02， f03 分別為三個(gè)回路的分別為三個(gè)回路的 固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條件的兩種關(guān)固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條件的兩種關(guān) 系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍內(nèi)。系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍內(nèi)。 解：解：串、并聯(lián)諧振回路電抗特性曲線如圖串、并聯(lián)諧振回路電抗特性曲線如圖 ( (b) )、( (c) )所示。所示。 ( (a) )( (b) )( (c) ) 1若構(gòu)成電容三點(diǎn)式電路若構(gòu)成電容三點(diǎn)式電路 L1C1、L2C2 回路呈回路呈

10、容性失諧容性失諧，L3C3 回路回路呈呈感性失諧感性失諧。 容性失諧容性失諧：fosc f02 ；感性失諧感性失諧：fosc f01， fosc f03 。 練習(xí)練習(xí)1 在振蕩器交流等效電路中在振蕩器交流等效電路中, 三個(gè)三個(gè)并聯(lián)回路的諧振頻率分并聯(lián)回路的諧振頻率分 別是：別是：1、2、3 。試問。試問1、2、3滿足什么條件滿足什么條件時(shí)該時(shí)該 振蕩器能正常工作？且相應(yīng)的振蕩頻率的范圍？振蕩器能正常工作？且相應(yīng)的振蕩頻率的范圍？ 3 3、三點(diǎn)式振蕩器直流偏置電路、三點(diǎn)式振蕩器直流偏置電路 電容三點(diǎn)式振器電路電容三點(diǎn)式振器電路 舉例：改錯(cuò)舉例：改錯(cuò) 電容三點(diǎn)電容三點(diǎn) 電感三點(diǎn)電感三點(diǎn) 畫交流等效

11、電路畫交流等效電路 求求振蕩頻率振蕩頻率： 21 21 11 CC CC L LC osc 求求反饋系數(shù)反饋系數(shù)： 21 1 21 2 11 1 CC C CjCj Cj V V k o f f 4. 電容電容 三點(diǎn)式振蕩器電路分析三點(diǎn)式振蕩器電路分析 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好輸出波形好 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：用改變電容的方法來：用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率不方便。調(diào)整振蕩頻率不方便。 對電容三點(diǎn)式、電感三點(diǎn)式的評價(jià)對電容三點(diǎn)式、電感三點(diǎn)式的評價(jià) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 便于調(diào)整振蕩頻率便于調(diào)整振蕩頻率 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 輸出波形較差輸出波形較差 電感三點(diǎn)式：電感三點(diǎn)式： 電容三點(diǎn)式：電容三點(diǎn)式： 5 電容三點(diǎn)式改進(jìn)電路電

12、容三點(diǎn)式改進(jìn)電路 克拉潑（克拉潑（Clapp）振蕩電路）振蕩電路 改進(jìn)目的：改進(jìn)目的： 減小晶體管輸入輸出電容對頻率穩(wěn)定度的影響減小晶體管輸入輸出電容對頻率穩(wěn)定度的影響 (b) 克拉潑電路的特點(diǎn)：克拉潑電路的特點(diǎn)：在回路中增加了一個(gè)與串聯(lián)的電容在回路中增加了一個(gè)與串聯(lián)的電容3 交流通路：交流通路： 3取值原則：取值原則：31, 3 2 3 321 111 1 , 1 C CCC C LC osc 3 1 LC osc 電路的振蕩頻率只與電路的振蕩頻率只與3、有關(guān)。有關(guān)。 (b) 克拉潑電路頻率穩(wěn)定度提高了克拉潑電路頻率穩(wěn)定度提高了 3.4晶體振蕩器晶體振蕩器 頻穩(wěn)度頻穩(wěn)度 晶體振蕩器：超過晶體

13、振蕩器：超過 10 5 LC 振蕩器：振蕩器：10 3 10 5 晶體振蕩器：晶體振蕩器：用石英諧振器用石英諧振器控制和穩(wěn)定控制和穩(wěn)定振蕩頻率。振蕩頻率。 采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路 3.4.1石英諧振器的電特性石英諧振器的電特性 利用石英晶體的利用石英晶體的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。制成的一種諧振器件。 壓電效應(yīng)：壓電效應(yīng)： 機(jī)械形變機(jī)械形變 電荷電荷 機(jī)械振動(dòng)使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。機(jī)械振動(dòng)使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。 壓電諧振壓電諧振：當(dāng)交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)當(dāng)交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí), 晶晶 片的機(jī)械振動(dòng)最大片的機(jī)械振動(dòng)最大, 晶體

14、表面電荷量最多晶體表面電荷量最多, 通過晶片的交流電流通過晶片的交流電流 最強(qiáng)最強(qiáng)串聯(lián)諧振。串聯(lián)諧振。 C0：靜態(tài)電容和支架引線分布電容之和；靜態(tài)電容和支架引線分布電容之和； Lq、Cq、rq：晶體基頻等效電路；晶體基頻等效電路； 2.等效電路等效電路 等效電路中：等效電路中： C0約約pFF Lq約約10-3H102 H（大大） Cq約約10-4pF10-1pF（小?。?rq約幾十歐到幾百歐（約幾十歐到幾百歐（小小） 結(jié)論：結(jié)論： ） 石英晶振的石英晶振的值非常高值非常高。 值可達(dá)幾萬到幾百萬值可達(dá)幾萬到幾百萬 q q q q C L r Q 1 2） ，所以外接元器件參數(shù)對石英晶振的影響很

15、小。，所以外接元器件參數(shù)對石英晶振的影響很小。 綜合以上兩點(diǎn)綜合以上兩點(diǎn), 石英晶振的石英晶振的頻率穩(wěn)定度非常高頻率穩(wěn)定度非常高。 q CC 0 5 10以上以上 3電抗特性電抗特性 忽略忽略 rq ，晶體兩端呈現(xiàn)純電抗，晶體兩端呈現(xiàn)純電抗 串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率 并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率 ) 2 1 1 (1 00 0 0 C C C C CC C q s q s q s p 結(jié)論：結(jié)論： 與與 的間隔很小。的間隔很小。 p f q q q p CC CC 0 0 L 1 qq s CL 1 電抗曲線的特點(diǎn)電抗曲線的特點(diǎn) ： sp區(qū)間呈感性區(qū)間呈感性。 晶體在晶體在s 上相當(dāng)于短路。上相當(dāng)

16、于短路。 石英諧振器電抗頻率特性曲線石英諧振器電抗頻率特性曲線 晶體的阻抗曲線晶體的阻抗曲線 1）并并 聯(lián)型晶體振蕩器聯(lián)型晶體振蕩器：將晶體作為電感元件用在三點(diǎn)式電：將晶體作為電感元件用在三點(diǎn)式電 路中路中, 工作在工作在sp感性區(qū)；感性區(qū)； 2）串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器：將晶體作為短路元件串接于正反饋：將晶體作為短路元件串接于正反饋 支路上支路上, 工作在串聯(lián)諧振頻率工作在串聯(lián)諧振頻率s上。上。 二、晶體振蕩器電路二、晶體振蕩器電路 將晶體用在振蕩器中，將晶體用在振蕩器中， 就組成了晶體振蕩器。就組成了晶體振蕩器。 晶體的阻抗曲線晶體的阻抗曲線 1 并聯(lián)型晶體振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩電

17、路 三點(diǎn)式振蕩器中三點(diǎn)式振蕩器中, 晶體作為電感元件。晶體作為電感元件。 ( (a) )實(shí)際電路實(shí)際電路( (b) )交流通路交流通路 皮爾斯振蕩電路皮爾斯振蕩電路 頻率準(zhǔn)確度微調(diào)頻率準(zhǔn)確度微調(diào) 采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路 L C 0 C q L q r ) 2 1 1 ( 0L q sNp CC C fff 晶體標(biāo)稱頻率晶體標(biāo)稱頻率 晶體加負(fù)載電容晶體加負(fù)載電容 2 串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器 將石英晶振用于正反饋支路中將石英晶振用于正反饋支路中, 串聯(lián)諧振時(shí)等效為串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件短路元件, 振蕩頻率振蕩頻率取決于取決于晶體的串聯(lián)諧振頻率晶體的串聯(lián)諧振頻率。 交流通路交流通路 集成晶體振蕩電路集成晶體振蕩電路 解解: 畫出畫出T1管交流等效電路，管交流等效電路，0.01F電容較大電容較大,