高頻電子線路ppt講義6正弦波振蕩器

1、 音 頻 放 大 高 頻 振 蕩倍 頻高 頻 放 大調(diào) 制 緩 沖 傳 輸 線 話 筒聲 音 （ 直 流 電 源 未 畫 ） 高頻放大 fs fs 本地振蕩 fo 混頻 fofs=fi fi 低頻放大 檢波 中頻放大 F F 高頻電路高頻電路 1.1.定義定義 高功放高功放 2.2.振蕩器的分類振蕩器的分類 正弦波振蕩器正弦波振蕩器 非正弦波振蕩器非正弦波振蕩器 振蕩器振蕩器 波形波形 產(chǎn)生機理產(chǎn)生機理 反饋式振蕩器反饋式振蕩器 負阻式振蕩器負阻式振蕩器 反饋型反饋型LC振蕩器振蕩器 反饋型反饋型RC振蕩器振蕩器 本章主要介紹反饋型本章主要介紹反饋型RC、LCLC振蕩器和石英晶體振蕩器振蕩器和

2、石英晶體振蕩器 的工作原理。的工作原理。 石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器 所謂所謂“諧振諧振”，就能量關系而，就能量關系而 言，是指：回路中儲存的能量是不言，是指：回路中儲存的能量是不 變的，只是在電感與電容之間相互變的，只是在電感與電容之間相互 轉(zhuǎn)換；外加電動勢只提供回路電阻轉(zhuǎn)換；外加電動勢只提供回路電阻 所消耗的能量，以維持回路的等幅所消耗的能量，以維持回路的等幅 振蕩。振蕩。 1）一套振蕩回路一套振蕩回路，包含兩個（或兩個以上）儲能元件，包含兩個（或兩個以上）儲能元件。在這。在這 兩個元件中，當一個釋放能量時，另一個兩個元件中，當一個釋放能量時，另一個就接收就接收能量。釋放與能量。釋放與

3、接收能量可以往返進行，其接收能量可以往返進行，其頻率決定頻率決定于元件的于元件的數(shù)值。數(shù)值。 2）一個能量來源一個能量來源，補充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量，補充由振蕩回路電阻所產(chǎn)生的能量損失。損失。 在晶體管振蕩器中在晶體管振蕩器中，這個能源，這個能源就是就是直流電源。直流電源。 3）一個控制設備一個控制設備，可以使電源功率在正確的時刻補充電，可以使電源功率在正確的時刻補充電路的路的 能量損失，以維持等幅振蕩。這是由能量損失，以維持等幅振蕩。這是由有源器件有源器件和正反饋電路完和正反饋電路完 成的成的。 利用正反饋方法來獲得等幅的正弦振蕩利用正反饋方法來獲得等幅的正弦振蕩, 這這 就是反饋振蕩

4、器的基本原理。就是反饋振蕩器的基本原理。 反饋振蕩器是反饋振蕩器是 由由主網(wǎng)絡主網(wǎng)絡和和反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡組成的一個閉合環(huán)路。組成的一個閉合環(huán)路。 其其主網(wǎng)絡一般由放大器和選頻網(wǎng)絡組成主網(wǎng)絡一般由放大器和選頻網(wǎng)絡組成, 反饋反饋 網(wǎng)絡一般由無源器件組成網(wǎng)絡一般由無源器件組成。 o f i o U U F U U A , A F 1 2n FA 1|FA 放大器放大器 a.晶體三極管晶體三極管 b.場效應管場效應管 c.差分放大器差分放大器 d.運算放大器運算放大器 選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡 a.LC并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路 b.RC選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡 c.晶體濾波器等晶體濾波器等 反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡 a.電

5、容分壓電容分壓 b.電感分壓電感分壓 c.變壓器耦合變壓器耦合 d.電阻分壓電阻分壓 振蕩器組成振蕩器組成 6.5.1 振蕩器的平衡條件振蕩器的平衡條件 6.5.2 振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 負反饋產(chǎn)生自激振蕩。負反饋產(chǎn)生自激振蕩。 若環(huán)路增益若環(huán)路增益1 FA 則則， fid XX 去掉去掉， i X o X 仍有穩(wěn)定的輸出。仍有穩(wěn)定的輸出。 又又 fafa AFFAFA 所以等幅振蕩條件為所以等幅振蕩條件為 1)()( FA振幅平衡條件振幅平衡條件 2)()( fa n相位平衡條件相位平衡條件 Xo 基本放大基本放大 電路電路 Xid A Xf +Xi 反饋網(wǎng)絡反饋

6、網(wǎng)絡 F 正反饋產(chǎn)生自激振正反饋產(chǎn)生自激振 蕩。（注意與負反饋蕩。（注意與負反饋 方框圖的差別）方框圖的差別） # 振蕩電路是單口網(wǎng)絡，無須輸入信號就能起振，起振的信振蕩電路是單口網(wǎng)絡，無須輸入信號就能起振，起振的信 號源來自何處？號源來自何處？ 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。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。 初始信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率初始信號中，滿足相位平衡條件的某一頻率 0的信號應該的信號應該 被保留，成為等幅振蕩輸出信號。被保留，成為等幅振蕩輸出信號。（從無到有）（從無到有） 然而，一般初始信號很微弱，很容易被干擾信號淹沒，不然而

7、，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。因此，起振階段要求能形成一定幅度的輸出信號。因此，起振階段要求 （由弱到強）（由弱到強） 起振條件起振條件 1)()( 00 FA FA n2)()( 00 End 當輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加。當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，當輸出信號幅值增加到一定程度時，穩(wěn)幅的作用就是，當輸出信號幅值增加到一定程度時， 使振幅平衡條件使振幅平衡條件從從 AF1 到到AF=1 。（由增到穩(wěn)） （由增到穩(wěn)） o f i o U U F U U A , iof UAFUFU 當反

8、饋信號等于放大器的輸入信號時，振蕩電路的輸出當反饋信號等于放大器的輸入信號時，振蕩電路的輸出 電壓不再發(fā)生變化，電路達到電壓不再發(fā)生變化，電路達到平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)。 1)(exp| FA iFAFA 振蕩的平衡條件包括振幅平衡條件和相位平衡條件振蕩的平衡條件包括振幅平衡條件和相位平衡條件 2n FA 1|FA 用電路參數(shù)表示用電路參數(shù)表示: : 1 1 FZy pfe )3 , 2 , 1 , 0(2nn FZY 其中其中: : i c fe V I y 1 1 1 c c p I V Z c f V V F 以上分析了保證振蕩器由弱到強地建立起振蕩的以上分析了保證振蕩器由弱到強地建立起振蕩的

9、 起振條件；保證振蕩器進入平衡狀態(tài)、產(chǎn)生等幅振蕩起振條件；保證振蕩器進入平衡狀態(tài)、產(chǎn)生等幅振蕩 的的平衡條件平衡條件。 實際上，平衡狀態(tài)下的振蕩器仍然受到外界因素實際上，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，還應變化的影響而可能引起幅度和頻率不穩(wěn)。因此，還應 該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受該分析保證振蕩器的平衡狀態(tài)不因外界因素變化而受 到破壞的到破壞的穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件。 穩(wěn)定條件也分為穩(wěn)定條件也分為振幅穩(wěn)定振幅穩(wěn)定與與相位穩(wěn)定相位穩(wěn)定兩種。以兩種。以 下分別討論之。下分別討論之。 1 1）振幅平衡的穩(wěn)定條件）振幅平衡的穩(wěn)定條件 要保證外界

10、因素變化時振幅相對穩(wěn)定，就是要：當振幅變要保證外界因素變化時振幅相對穩(wěn)定，就是要：當振幅變 化時，化時，AF的大小朝反方向變化。的大小朝反方向變化。 0: omQom om VV V A 振幅穩(wěn)定條件 2 2）相位平衡的穩(wěn)定條件）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，相位平衡能重相位穩(wěn)定條件是指相位平衡條件遭到破壞時，相位平衡能重 新建立，且仍能保持相對穩(wěn)定的振蕩頻率。新建立，且仍能保持相對穩(wěn)定的振蕩頻率。 相位平衡點上相位平衡點上 與與 同相同相 iUfU 0 dt td t )( )( 由此可得相位穩(wěn)定條件為由此可得相位穩(wěn)定條件為 ()0 YFZ PPPP 則相位穩(wěn)定

11、條件為則相位穩(wěn)定條件為 0 Z P 保證相位的穩(wěn)定必須有一個相頻特性斜率為保證相位的穩(wěn)定必須有一個相頻特性斜率為負負的網(wǎng)絡。的網(wǎng)絡。 ZFZY ,而而 12 QQ 2 2）相位平衡的穩(wěn)定條件）相位平衡的穩(wěn)定條件 0 0 1 1 L 0 jQ AA vv 0 0 arctanQ 6.6.1 互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器 6.6.2 電感反饋式三端振蕩器電感反饋式三端振蕩器 ( (哈特萊振蕩器哈特萊振蕩器) ) 6.6.3 電容反饋式三端振蕩器電容反饋式三端振蕩器 ( (考畢茲振蕩器考畢茲振蕩器) ) 6.6.4 LC三端式振蕩器相位平衡條件三端式振蕩器相位平衡條件 的判斷準則的判斷準則 放大器與

12、振蕩器本質(zhì)上都是將直流電能轉(zhuǎn)化為交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，流電能，不同之處在于不同之處在于：放大器需要外加控制信號而：放大器需要外加控制信號而 振蕩器不需要。因此，如果將放大器的輸出正反回輸振蕩器不需要。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，就可能形成振蕩入端，以提供控制能量轉(zhuǎn)換的信號，就可能形成振蕩 器。器。 如果由如果由LCLC諧振回路通過互感耦合將輸出信號送諧振回路通過互感耦合將輸出信號送 回輸入回路，所形成的是回輸入回路，所形成的是互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器。 由互感耦合同名端定義可判知，反饋網(wǎng)絡形成由互感耦合同名端定義可判知，

13、反饋網(wǎng)絡形成 正反饋，滿足相位平衡條件。如果再滿足起振條件，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。就符合基本原理。射基射基(集集)同名同名 三極管，三極管，LCLC諧振回路諧振回路 變壓器變壓器 如果正反饋網(wǎng)絡由如果正反饋網(wǎng)絡由LCLC諧振回路中的諧振回路中的電感分壓電路電感分壓電路將輸出信號將輸出信號 送回輸入回路，所形成的是電感反饋式三端振蕩器。送回輸入回路，所形成的是電感反饋式三端振蕩器。 (+) (-) (+)(+) ML ML F 1 2 L1L2 C 電路的特點電路的特點: : 4 容易起振容易起振 F A 1 變電容而不影響變電容而不影響F。 4調(diào)整頻率

14、方便 調(diào)整頻率方便 4振蕩波形不夠好 振蕩波形不夠好 高次諧波反饋較強，高次諧波反饋較強， 波形失真較大。波形失真較大。 4不適于很高頻率工作 不適于很高頻率工作 分布電容和極間電容并聯(lián)于分布電容和極間電容并聯(lián)于L1與與 L2兩端，兩端，F(xiàn)隨頻率變化而改變。隨頻率變化而改變。 ie C oe C L1L2 C o V f V End (+) (-) (+) (+) Cp I 2 1 C C F 如果正反饋網(wǎng)絡由如果正反饋網(wǎng)絡由LCLC諧振回路中的諧振回路中的電容分壓電路電容分壓電路將輸出信將輸出信 號送回輸入回路，所形成的是電容反饋式三端振蕩器。號送回輸入回路，所形成的是電容反饋式三端振蕩器。

15、 C1C2 L C1C2 L 電路的特點電路的特點: : ie C oe C o V f V End 變電容影響變電容影響F，變電感不便。，變電感不便。 4調(diào)整頻率不太方便 調(diào)整頻率不太方便 4輸出波形較好 輸出波形較好 高次諧波反饋較弱，高次諧波反饋較弱， 波形接近正弦波。波形接近正弦波。 4頻率穩(wěn)定度較好 頻率穩(wěn)定度較好 分布電容和極間電容并聯(lián)于分布電容和極間電容并聯(lián)于C1與與 C2兩端，被較大兩端，被較大C1與與C2 吸收。吸收。 4 適用于較高的工作頻率適用于較高的工作頻率 甚至可只利用器件的輸入電容甚至可只利用器件的輸入電容 和輸出電容做回路電容。和輸出電容做回路電容。 克拉潑(Cl

16、app)振蕩器 3231 ,CCCC 32013 11111 CCCCCCC i 3 0 11 LCLC 西勒(Seiler)振蕩器 3231 ,CCCC )( 11 43 0 CCLLC 434 2013 111 1 CCC CCCCC C i 電容三點式與電感三點式電容三點式與電感三點式 振蕩器比較振蕩器比較 電容三點式振蕩器輸出波形好，工作頻率電容三點式振蕩器輸出波形好，工作頻率 比較高比較高 缺點是調(diào)整困難，起振困難缺點是調(diào)整困難，起振困難 電感三點式振蕩器起振容易，調(diào)整方便電感三點式振蕩器起振容易，調(diào)整方便 缺點是輸出波形不好缺點是輸出波形不好 )( 0 32 2 321 XXj j

17、X UU XXX of 1 2 X X U U F o f 射同基（集）反射同基（集）反 在三點式電路中在三點式電路中, , 回路中與發(fā)射回路中與發(fā)射 極相連接的兩個電抗元件必須為同性質(zhì)極相連接的兩個電抗元件必須為同性質(zhì), , 另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)。另外一個電抗元件必須為異性質(zhì)。這就是這就是 三點式電路組成的相位判據(jù)三點式電路組成的相位判據(jù), , 或稱為或稱為三點三點 式電路的組成法則。式電路的組成法則。 與發(fā)射極相連接的兩個電抗元件同為與發(fā)射極相連接的兩個電抗元件同為 電容時的三點式電路電容時的三點式電路, , 稱為稱為電容三點式電電容三點式電 路路, , 也稱為考畢茲也稱為考畢茲(

18、Colpitts(Colpitts) )電路。電路。 與發(fā)射極相連接的兩個電抗元件同為與發(fā)射極相連接的兩個電抗元件同為 電感時的三點式電路電感時的三點式電路, , 稱為稱為電感三點式電電感三點式電 路路, , 也稱為哈特萊也稱為哈特萊(Hartley)(Hartley)電路。電路。 End 舉例舉例: : 振蕩器的振蕩頻率應低于振蕩器的振蕩頻率應低于L1和和C1支路的串聯(lián)諧振頻率，此支路的串聯(lián)諧振頻率，此 時，該支路呈容性，整個回路滿足電容三端的相位條件。時，該支路呈容性，整個回路滿足電容三端的相位條件。 振蕩器的振蕩頻率振蕩器的振蕩頻率 21 21 21 0 )( 1 CC CC LL 評價

19、振蕩器頻率的主要指標有兩個，即：評價振蕩器頻率的主要指標有兩個，即：準確度與穩(wěn)定準確度與穩(wěn)定 度度。振蕩器實際工作頻率。振蕩器實際工作頻率f與標稱頻率與標稱頻率 f 0之間的偏差，稱為之間的偏差，稱為 振蕩頻率準確度。振蕩頻率準確度。 通常分為絕對頻率準確度與相對頻率準確度兩種，其表通常分為絕對頻率準確度與相對頻率準確度兩種，其表 達式為達式為 振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指振蕩器的頻率穩(wěn)定度是指在一定時間間隔內(nèi)在一定時間間隔內(nèi)，頻率準確，頻率準確 度的變化。度的變化。 根據(jù)所指定的時間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長期根據(jù)所指定的時間間隔不同，頻率穩(wěn)定度可分為長期 頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬間頻率穩(wěn)

20、定度三種。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：影響振蕩頻率的有如下三種因素： ）振蕩回路參數(shù)）振蕩回路參數(shù)與與; ）回路電阻）回路電阻；（）；（） ）有源器件的參數(shù)。）有源器件的參數(shù)。 克拉潑(Clapp)振蕩器 3231 ,CCCC 32013 11111 CCCCCCC i 3 0 11 LCLC 西勒(Seiler)振蕩器 3231 ,CCCC )( 11 43 0 CCLLC 434 2013 111 1 CCC CCCCC C i 6.8.1 并聯(lián)諧振型晶體振蕩器并聯(lián)諧振型晶體振蕩器 6.8.2 串聯(lián)諧振型晶體振蕩器串聯(lián)諧振型晶體振蕩器 6

21、.8.3 泛音晶體振蕩器泛音晶體振蕩器 一般一般LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度f /f0只能達到只能達到10-3 10-5。若。若 要求頻率穩(wěn)定度超過要求頻率穩(wěn)定度超過10-5，需用石英晶體振蕩器。，需用石英晶體振蕩器。 ）石英晶體的物理和化學性能都十分穩(wěn)定；）石英晶體的物理和化學性能都十分穩(wěn)定； ）晶體的）晶體的值可高達數(shù)百萬數(shù)量級；值可高達數(shù)百萬數(shù)量級； ）在串、并聯(lián)諧振頻率之間很狹窄的工作頻帶內(nèi)，）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，因而對頻率變化具有極具有極陡峭的電抗特性曲線，因而對頻率變化具有極 靈敏的補償能力。靈敏的補償能力。 1. 石英

22、晶體濾波器的特點石英晶體濾波器的特點 因此，用石英晶體作為振蕩回路元件，就能使振蕩器的因此，用石英晶體作為振蕩回路元件，就能使振蕩器的頻頻 率穩(wěn)定度大大提高率穩(wěn)定度大大提高。 2. 石英晶體濾波器的應用石英晶體濾波器的應用 4 作電感用作電感用 4 工作于串聯(lián)諧振狀態(tài)工作于串聯(lián)諧振狀態(tài) O X 容性容性 容性容性 感感 性 性 s f p f 因此，振蕩電路可分為兩類：一類是作為等效因此，振蕩電路可分為兩類：一類是作為等效電感元件電感元件，稱，稱 為并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；另一類是作為為并聯(lián)諧振型晶體振蕩器；另一類是作為串聯(lián)諧振元件串聯(lián)諧振元件，稱為，稱為 串聯(lián)諧振型晶體振蕩器。串聯(lián)諧振型晶體振

23、蕩器。 C0 (a) (b) Cq Lq rq 2. 石英晶體濾波器的應用石英晶體濾波器的應用 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c) 石英晶體諧振器 (a) 符號 (b) 基頻等效電路 (c) 完整等效電路 除了以上基頻振動模式外，石英片的振動還會產(chǎn)生除了以上基頻振動模式外，石英片的振動還會產(chǎn)生奇次奇次 （2n-1）諧波的泛音振動）諧波的泛音振動。基頻振動模式時，產(chǎn)生奇次諧波諧基頻振動模式時，產(chǎn)生奇次諧波諧 振的支路因阻抗較高可忽略。振的支路因阻抗較高可忽略。 4 奇次諧波的泛音振動

24、奇次諧波的泛音振動 這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式這類晶體振蕩器的振蕩原理和一般反饋式LC振蕩器相振蕩器相 同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡的振蕩回路之中，同，只是把晶體置于反饋網(wǎng)絡的振蕩回路之中，作為一個感作為一個感 性元件性元件，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準則組，并與其他回路元件一起按照三端電路的基本準則組 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?；倦娐?。 End 石英晶體的基頻越高，晶片的厚度越薄。頻率太高時，晶石英晶體的基頻越高，晶片的厚度越薄。頻率太高時，晶 片的厚度太薄，加工困難，且易振碎。因

25、此在要求更高頻率工片的厚度太薄，加工困難，且易振碎。因此在要求更高頻率工 作時，可以在晶體振蕩器后面加作時，可以在晶體振蕩器后面加倍頻器倍頻器。另一個辦法就是令晶。另一個辦法就是令晶 體工作于它的泛音頻率上，構(gòu)成體工作于它的泛音頻率上，構(gòu)成泛音晶體振蕩器泛音晶體振蕩器。 所謂泛音，是指石英片振動的機械諧波所謂泛音，是指石英片振動的機械諧波。它與電氣諧波。它與電氣諧波 的主要區(qū)別是：電氣諧波與基波是整數(shù)倍關系，且諧波與基波的主要區(qū)別是：電氣諧波與基波是整數(shù)倍關系，且諧波與基波 同時并存；泛音則與基頻不成整數(shù)倍關系，只是在基頻同時并存；泛音則與基頻不成整數(shù)倍關系，只是在基頻奇數(shù)倍奇數(shù)倍 附近附近，且兩者不能同時存在。由于晶體片實際上是一個具有分，且兩者不能同時存在。由于晶體片實際上是一個具有分 布參數(shù)的三維系統(tǒng)，它的固有頻率從理論上來說有無限多個。布參數(shù)的三維系統(tǒng)，它的固有頻率從理論上來說有無限多個。 End 若泛音晶體的標稱泛音次數(shù)為若泛音晶體的標稱泛音次數(shù)為5，相應的標稱頻率為，相應的標稱頻率為 5MHz，則，則LC諧振回路應調(diào)諧在諧振回路應調(diào)諧在35次泛音頻率之間，如次泛音頻率之間，如 3.5MHz。在。在5MHz, LC諧振回路呈容性，滿足相