第4章正弦波振蕩器ppt課件

1、第4章 正弦波振蕩器. 概述概述. 反響振蕩原理反響振蕩原理. LC振蕩器振蕩器. 改良型電容三點(diǎn)式改良型電容三點(diǎn)式. 頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定問題. 石英晶體諧振器石英晶體諧振器.石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器.章末小結(jié)章末小結(jié)第第4章章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器第4章 正弦波振蕩器4.1 概概 述述 振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能振蕩器是一種能自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)能量的量轉(zhuǎn)換為一定波形的交變振蕩信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于轉(zhuǎn)換電路。它與放大器的區(qū)別在于, 無需無需外加鼓勵(lì)信號(hào)外加鼓勵(lì)信號(hào), 就能產(chǎn)生具有一定頻率、就能產(chǎn)生具有一定頻率、一定波形和一定振幅的

2、交流信號(hào)。一定波形和一定振幅的交流信號(hào)。 根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同根據(jù)所產(chǎn)生的波形不同, 可將振蕩器可將振蕩器分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大分成正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器兩大類。前者能產(chǎn)生正弦波類。前者能產(chǎn)生正弦波, 后者能產(chǎn)生矩形后者能產(chǎn)生矩形波、波、 三角波、三角波、 鋸齒波等。鋸齒波等。 本章僅引見正本章僅引見正弦波振蕩器。弦波振蕩器。 第4章 正弦波振蕩器 常用正弦波振蕩器主要由決議振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)和維持振蕩的正反響放大器組成, 這就是反響振蕩器。按照選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同, 正弦波振蕩器可分為振蕩器、振蕩器和晶體振蕩器等類型。其中振蕩器和晶體振蕩器用于產(chǎn)生高頻正弦波, 振蕩器

3、用于產(chǎn)生低頻正弦波。正反響放大器既可以由晶體管、 場(chǎng)效應(yīng)管等分立器件組成, 也可以由集成電路組成, 但前者的性能可以比后者做得好些, 且任務(wù)頻率也可以做得更高。本章引見高頻振蕩器時(shí)以分立器件為主, 引見低頻振蕩器時(shí)以集成運(yùn)放為主。 另外還有一類負(fù)阻振蕩器, 它是利用負(fù)阻器件所組成的電路來產(chǎn)生正弦波, 主要用在微波波段, 本書不作引見。 第3章 正弦波振蕩器4.2 反響式振蕩的根本原理反響式振蕩的根本原理 圖3.1示出的是一個(gè)反響式放大器的框圖。它由放大器和反響網(wǎng)絡(luò)組成，圖中， 是放大器輸出電壓復(fù)振幅， 是放大器輸入電壓復(fù)振幅， 是反響網(wǎng)絡(luò)輸出反響電壓復(fù)振幅， 是外加電壓復(fù)振幅，放大器的增益 為

4、oUiUfUiUAAojiUAAeU(3.11) 第3章 正弦波振蕩器圖3.1 反響放大器 AFUoUiUiUf第3章 正弦波振蕩器 A為 超前 相角。反響網(wǎng)絡(luò)的反響系數(shù) 為oUiUFFfjoUFF eU(3.12) F為 超前 相角。 圖中， fUoU1ofiUAAUAF(3.13) iifoUUUFU由此可得閉環(huán)的放大器增益 為 fA第3章 正弦波振蕩器 4.2.2 平衡條件 根據(jù)式(3.13)可見，振蕩條件是 ，這是振蕩的必要條件。它是一個(gè)復(fù)數(shù)方程，因此可以寫成兩個(gè)方程，一個(gè)是振幅方程式，稱為振幅平衡條件，可表示為1AF 1A F (3.14a) 另一個(gè)是相位方程式，稱其為相位平衡條件，

5、可表示為 2,0,1,2,AFnn(3.14b) 第3章 正弦波振蕩器 1.振幅平衡條件 振幅平衡條件AF=1中，A=Uo/Ui，即Uo=AUi，Uo與Ui的關(guān)系由放大特性曲線決議，如圖3.2所示。反響系數(shù)F=Uf/Uo，由于反響網(wǎng)絡(luò)常由恒參數(shù)線性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，所以，Uo、Uf的關(guān)系曲線為不斷線，如圖3.3所示。這組曲線稱為反響特性曲線。 根據(jù)A、F表示式，振幅平衡條件又可寫成1ffoioiUUUAFUUU即 fiUU第3章 正弦波振蕩器圖3.2 放大特性曲線Uo0Ui9090第3章 正弦波振蕩器 這就是說，振幅平衡條件是反響電壓的幅值等于放大器輸入電壓幅值。由此將圖3.2、圖3.3畫在一個(gè)坐標(biāo)上

6、，凡是滿足Uf=Ui的點(diǎn)即為滿足振幅平衡條件的平衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)這些點(diǎn)的輸出電壓Uo值，就是振蕩器產(chǎn)生的電壓幅值，如圖3.4所示。 第3章 正弦波振蕩器圖3.3 Uo與Uf的關(guān)系曲線 UfFUo0第3章 正弦波振蕩器圖3.4 振蕩器產(chǎn)生的電壓幅值 UoABC0UicUi UfUi, Uf第3章 正弦波振蕩器 2.相位平衡條件 根據(jù)相位平衡條件A+F=2n，闡明反響電壓 與輸入電壓 同相，即正反響，正反響是經(jīng)過振蕩器電路來保證的。A是 超前 的相位，當(dāng)放大器是一個(gè)非線性任務(wù)的晶體管放大器時(shí)，輸出電壓為fUiUiUoU1cLoUIZ(3.15) 是集電極電流基波分量， 是集電極負(fù)載阻抗，那么1cILZ1

7、YZAcLjjjmLiiUIZAgeZeA eUU(3.16) 第3章 正弦波振蕩器 其中A=Y+Z,Y是晶體管集電極電流基波分量 超前輸入電壓 的相角，Z是負(fù)載的相角，即 超前 的相角。因此相位平衡條件又可寫為0AFYZF1cIiUoU1cI(3.17) 假設(shè)令Y+F=E，那么 ZE (3.18) 第3章 正弦波振蕩器 相位是頻率的函數(shù)，在晶體管的特征頻率fT遠(yuǎn)大于振蕩器任務(wù)頻率時(shí)，可近似以為Y與頻率無關(guān)，且數(shù)值很小。反響網(wǎng)絡(luò)的相移F通常在窄帶范圍內(nèi)也可以為與頻率無關(guān)。負(fù)載的相角Z與負(fù)載的方式有關(guān)，圖3.5LC并聯(lián)振蕩回路負(fù)載相角與頻率的關(guān)系假設(shè)采用LC并聯(lián)振蕩回路，它的相角與頻率的關(guān)系如圖

8、3.5中曲線所示。 第3章 正弦波振蕩器 將E隨頻率變化的曲線同時(shí)畫在一個(gè)坐標(biāo)中，兩條曲線的相交點(diǎn)即滿足相位平衡條件的平衡點(diǎn)，如圖3.5所示，A點(diǎn)即為相位平衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的角頻率g即為振蕩器的任務(wù)頻率，所以，相位平衡條件決議了振蕩器的任務(wù)頻率。為了保證振蕩器的任務(wù)頻率是獨(dú)一的，滿足相位平衡條件的平衡點(diǎn)只能有一個(gè)。第3章 正弦波振蕩器圖3.5 LC并聯(lián)振蕩回路負(fù)載相角與頻率的關(guān)系 EAg0Z第3章 正弦波振蕩器 4.2.3 穩(wěn)定條件 由于振蕩電路中存在各種干擾，如溫度變化、電壓動(dòng)搖、噪聲、外界干擾等，這些干擾會(huì)破壞振蕩的平衡條件，因此，為使振蕩器的平衡形狀可以存在，只需使它成為穩(wěn)定的平衡具有前往原先

9、平衡形狀才干的平衡。鑒于此，除了平衡條件外還必需有穩(wěn)定條件。穩(wěn)定條件同樣分成振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件。第3章 正弦波振蕩器 1. 振幅穩(wěn)定條件 從圖3.6可以看出，當(dāng)90時(shí)，放大特性與反響特性有兩個(gè)交點(diǎn)O、A。當(dāng)電源接通瞬間， =0,Ui=0，由于外界電磁感應(yīng)在放大器輸入端感應(yīng)一個(gè)Ui電壓，在此電壓作用下，放大器輸出Uo1電壓，經(jīng)過反響網(wǎng)絡(luò)，反響電壓為Uf1，由于Uf1Ui，振蕩器就會(huì)脫分開原點(diǎn)而振蕩起來。 oU第3章 正弦波振蕩器 圖3.6 90時(shí)的放大特性與反響特性 UoUoAUo3Uo2Uo10(O)UiUf1Uf2Uf3Ui, UfA第3章 正弦波振蕩器 由上面對(duì)平衡點(diǎn)穩(wěn)定性的分析可

10、知，在滿足振幅穩(wěn)定的平衡點(diǎn)P上，都具有放大特性斜率小于反響特性斜率的特點(diǎn)。即11ooppiffoppiofiUUUUUUUUUU第3章 正弦波振蕩器 由于Uf=AFUi，在平衡點(diǎn)P上AF|P=1,那么10PiPiPiiPPiiFAAFU AU FUUFAAFUU當(dāng)F=常數(shù)時(shí)，振幅穩(wěn)定條件為 0iAU第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)此條件可知，要使振幅穩(wěn)定，在穩(wěn)定平衡點(diǎn)上，放大器的增益應(yīng)隨輸入電壓的增大而減小。當(dāng)輸出電壓Uo添加時(shí)，反響電壓Uf添加，由于Uf=Ui,Ui添加，A減小，使Uo減小，恢復(fù)為正常值，到達(dá)穩(wěn)幅。要使放大器增益A隨Ui變化，放大器一定要任務(wù)在非線性形狀。所以說振幅穩(wěn)定是由放大器的

11、非線性任務(wù)保證的，振蕩器必然是非線性電子線路。稱這種振幅穩(wěn)定方式叫內(nèi)穩(wěn)幅方式。當(dāng)A=常數(shù)時(shí)，振幅穩(wěn)定條件為0piFU第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)這個(gè)條件可知，要使振幅穩(wěn)定，在穩(wěn)定平衡點(diǎn)上，反響網(wǎng)絡(luò)的反響系數(shù)應(yīng)隨電壓的增大而減小。當(dāng)Ui添加時(shí)，A=常數(shù)，Uo添加，F(xiàn)減小，Uf減小，由于Uf=Ui，Ui減小，使之恢復(fù)到正常值，到達(dá)振幅穩(wěn)定。反響網(wǎng)絡(luò)的反響系數(shù)F隨電壓Ui變化，反響網(wǎng)絡(luò)只能是非線性網(wǎng)絡(luò)或時(shí)變網(wǎng)絡(luò)。稱這種振幅穩(wěn)定方式叫外穩(wěn)幅方式。 第3章 正弦波振蕩器 4.2.4 起振條件 電源剛一接通的瞬間，振蕩器起始振蕩，起始振蕩的條件應(yīng)為1()2fiA FUUn(3.114a) (3.114b)

12、式(3.114a)為振幅起振條件，式(3.114b)為相位起振條件。由于UfUi，所以在極其微小的電磁感應(yīng)鼓勵(lì)下，經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)就可取出任務(wù)頻率的電壓構(gòu)成增幅振蕩，直至在穩(wěn)定平衡點(diǎn)任務(wù)。 第3章 正弦波振蕩器 根據(jù)振蕩器的振蕩條件，可歸納如下： (1)振幅平衡條件是反響電壓幅值等于輸入電壓幅值。根據(jù)振幅平衡條件，可以確定振蕩幅度的大小并研討振幅的穩(wěn)定。 (2)相位平衡條件是反響電壓與輸入電壓同相，即正反響。根據(jù)相位平衡條件可以確定振蕩器的任務(wù)頻率和頻率的穩(wěn)定。 (3)振蕩幅度的穩(wěn)定是由器件非線性保證的，所以振蕩器是非線性電路。第3章 正弦波振蕩器 (4)振蕩頻率的穩(wěn)定是由相頻特性斜率為負(fù)的網(wǎng)絡(luò)來

13、保證的。 (5)振蕩器的組成必需包含有放大器和反響網(wǎng)絡(luò)，它們必需可以完成選頻、穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的功能。 (6)利用自偏置保證振蕩器能自行起振，并使放大器由甲類任務(wù)形狀轉(zhuǎn)換成丙類任務(wù)形狀。第4章 正弦波振蕩器4.2.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度 1. 頻率穩(wěn)定度定義頻率穩(wěn)定度定義 反響振蕩器假設(shè)滿足起振、平衡、穩(wěn)定三個(gè)條件反響振蕩器假設(shè)滿足起振、平衡、穩(wěn)定三個(gè)條件, 就可以產(chǎn)就可以產(chǎn)生等幅繼續(xù)的振蕩波形。生等幅繼續(xù)的振蕩波形。 當(dāng)遭到外界不穩(wěn)定要素影響時(shí)當(dāng)遭到外界不穩(wěn)定要素影響時(shí), 振蕩振蕩器的相位或振蕩頻率能夠發(fā)生些微變化器的相位或振蕩頻率能夠發(fā)生些微變化, 雖然能自動(dòng)回到平衡形雖然能自

14、動(dòng)回到平衡形狀狀, 但振蕩頻率在平衡點(diǎn)附近隨機(jī)變化這一景象卻是不可防止的。但振蕩頻率在平衡點(diǎn)附近隨機(jī)變化這一景象卻是不可防止的。 為了衡量實(shí)踐振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率為了衡量實(shí)踐振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱振蕩頻率0變化的程度變化的程度, 提出了頻率穩(wěn)定度這一性能目的。提出了頻率穩(wěn)定度這一性能目的。 第4章 正弦波振蕩器 頻率穩(wěn)定度是將振蕩器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入規(guī)定的公式中計(jì)算后得到的。根據(jù)測(cè)試時(shí)間的長(zhǎng)短, 將頻率穩(wěn)定度分生長(zhǎng)期頻穩(wěn)度、 短期頻穩(wěn)度和瞬時(shí)頻穩(wěn)度三種, 測(cè)試時(shí)間分別為一天以上、 一天以內(nèi)和一秒以內(nèi)。時(shí)間劃分并無嚴(yán)厲的界限, 它是按照引起頻率不穩(wěn)定的要素來區(qū)別的。長(zhǎng)期頻穩(wěn)度主要取決于元器件的老化

15、特性, 短期頻穩(wěn)度主要取決于電源電壓和環(huán)境溫度的變化以及電路參數(shù)的變化等等, 而瞬時(shí)頻穩(wěn)度那么與元器件的內(nèi)部噪聲有關(guān)。 第4章 正弦波振蕩器通常所講的頻率穩(wěn)定度普通指短期頻穩(wěn)度, 定義為 niinffffnff12000000)(1lim(4.2.11)其中， (f0)i=|fi-f0|是第次測(cè)試時(shí)的絕對(duì)頻率偏向； 是絕對(duì)頻率偏向的平均值, 也就是絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度。 可見, 頻率穩(wěn)定度是用均方誤差值來表示的相對(duì)頻率偏向程度。 niinffnf100|1lim第4章 正弦波振蕩器 2. 提高提高LC振蕩器頻率穩(wěn)定度的措施振蕩器頻率穩(wěn)定度的措施 反響振蕩器的振蕩頻率通常主要由選頻網(wǎng)絡(luò)中元件的參數(shù)反響

16、振蕩器的振蕩頻率通常主要由選頻網(wǎng)絡(luò)中元件的參數(shù)決議決議, 同時(shí)也和放大器件的參數(shù)有關(guān)。各種環(huán)境要素如溫度、同時(shí)也和放大器件的參數(shù)有關(guān)。各種環(huán)境要素如溫度、 濕度、濕度、 大氣壓力等的變化會(huì)引起回路元件、大氣壓力等的變化會(huì)引起回路元件、 晶體管輸入輸出阻晶體管輸入輸出阻抗以及負(fù)載的微小變化抗以及負(fù)載的微小變化, 從而對(duì)回路值和振蕩頻率產(chǎn)生影響從而對(duì)回路值和振蕩頻率產(chǎn)生影響, 呵斥頻率不穩(wěn)定。針對(duì)這些緣由呵斥頻率不穩(wěn)定。針對(duì)這些緣由, 主要可采取兩類措施來提高主要可采取兩類措施來提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。振蕩器的頻率穩(wěn)定度。 (1) 減小外界要素變化的影響?？梢圆捎梅€(wěn)壓或振蕩器單獨(dú)減小外界要素變化的

17、影響?？梢圆捎梅€(wěn)壓或振蕩器單獨(dú)供電的方法來穩(wěn)定電源電壓供電的方法來穩(wěn)定電源電壓, 或采用恒溫或溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉淼只虿捎煤銣鼗驕囟妊a(bǔ)償?shù)姆椒▉淼窒麥囟茸兓挠绊懴麥囟茸兓挠绊? 還可以預(yù)先將元器件進(jìn)展老化處置還可以預(yù)先將元器件進(jìn)展老化處置, 采取屏采取屏蔽、密封、抽真空方法減弱外界磁場(chǎng)、濕度、壓力變化等等的蔽、密封、抽真空方法減弱外界磁場(chǎng)、濕度、壓力變化等等的影響。影響。 第4章 正弦波振蕩器 (2) 提高電路抗外界要素變化影響的才干。這類措施包括兩個(gè)方面： 一是提高回路的規(guī)范性, 二是選取合理的電路方式。 回路的規(guī)范性是指外界要素變化時(shí), 振蕩回路堅(jiān)持其諧振頻率不變的才干?；芈芬?guī)范性越高,

18、那么頻率穩(wěn)定度越高。采用溫度系數(shù)小或溫度系數(shù)相反的電抗元件組成回路, 留意選擇回路與器件、負(fù)載之間的接入系數(shù), 實(shí)現(xiàn)元器件合理排隊(duì)以盡能夠減小不穩(wěn)定的分布電容和引線電感的影響, 這些措施都有助于提高回路的規(guī)范性。假設(shè)采用回路Q值很高的石英晶體諧振器,那么可組成頻率穩(wěn)定度很高的晶體振蕩器。 選取合理的電路方式或采用自動(dòng)調(diào)整電路來提高頻率穩(wěn)度是一項(xiàng)很重要的技術(shù)措施, 如下一節(jié)引見的改良型電容三點(diǎn)式電路和第7、8章將要引見的自動(dòng)頻率控制和鎖相環(huán)技術(shù)都是普遍運(yùn)用的例子。 第4章 正弦波振蕩器4.3 LC 振振 蕩蕩 器器 4.3.1 互感耦合振蕩器互感耦合振蕩器 圖圖431是常用的一種集電極調(diào)諧型互感

19、耦合振蕩器電路。是常用的一種集電極調(diào)諧型互感耦合振蕩器電路。 此電路采用共發(fā)射極組態(tài)此電路采用共發(fā)射極組態(tài), 回路接在集電極上?；芈方釉诩姌O上。 留意耦合留意耦合電容電容Cb的作用。假設(shè)將的作用。假設(shè)將Cb短路短路, 那么基極將經(jīng)過變壓器次級(jí)直那么基極將經(jīng)過變壓器次級(jí)直流接地流接地, 振蕩電路不能起振。根據(jù)瞬時(shí)極性判別法，此電路可以振蕩電路不能起振。根據(jù)瞬時(shí)極性判別法，此電路可以看成是一個(gè)共射電路與起倒相作用的互感耦合線圈級(jí)聯(lián)而成，看成是一個(gè)共射電路與起倒相作用的互感耦合線圈級(jí)聯(lián)而成，是正反響。是正反響。 讀者可以畫出其高頻等效電路。讀者可以畫出其高頻等效電路。 第4章 正弦波振蕩器圖 4.

20、3.1 集電極調(diào)諧型互感耦合振蕩電路MCeReRb2Rb1CbUCCCL第4章 正弦波振蕩器 互感耦合振蕩器是依托線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反響, 所以, 應(yīng)留意耦合線圈同名端的正確位置。同時(shí), 耦合系數(shù)要選擇適宜, 使之滿足振幅起振條件。 互感耦合振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高, 且由于互感耦合元件分布電容的存在, 限制了振蕩頻率的提高, 所以只適用于較低頻段。 另外，因高次諧波的感抗大，故取自變壓器次級(jí)的反響電壓中高次諧波振幅較大，所以導(dǎo)致輸出振蕩信號(hào)中高次諧波分量較大，波形不理想。 第4章 正弦波振蕩器 【例4.2】 判別圖例4.2所示兩級(jí)互感耦合振蕩電路能否正常任務(wù)。 解: 在V1的發(fā)射極與V2

21、的發(fā)射極之延續(xù)開。從斷開處向左看, 將V1的eb結(jié)作為輸入端, V2的ec結(jié)作為輸出端, 可知這是一個(gè)共基共集反響電路, 振幅條件是可以滿足的, 所以只需相位條件滿足, 就可起振。 利 用 瞬 時(shí) 極 性 判 別 法 , 根 據(jù) 同 名 端 位 置 , 有ue1uc1ub2ue2ue1, 可見是負(fù)反響, 不能起振。 假設(shè)把變壓器次級(jí)同名端位置換一下, 那么可改為正反響。 而變壓器初級(jí)回路是并聯(lián)回路, 作為V1的負(fù)載, 此處應(yīng)思索其阻抗特性， 由于滿足相位穩(wěn)定條件, 因此可以正常任務(wù)。 第4章 正弦波振蕩器圖例4.2C1L1L2V1ReC2L3RLV2第4章 正弦波振蕩器 4.3.2三點(diǎn)式振蕩器

22、 電路組成法那么 三點(diǎn)式振蕩器是指回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別銜接而組成的一種振蕩器。 三點(diǎn)式振蕩器電路用電容耦合或自耦變壓器耦合替代互感耦合, 可以抑制互感耦合振蕩器振蕩頻率低的缺陷, 是一種廣泛運(yùn)用的振蕩電路, 其任務(wù)頻率可到達(dá)幾百兆赫。 圖432是三點(diǎn)式振蕩器的原理圖。 先分析在滿足正反響相位條件時(shí), 回路中三個(gè)電抗元件應(yīng)具有的性質(zhì)。第4章 正弦波振蕩器 假定回路由純電抗元件組成, 其電抗值分別為ce, be和bc, 同時(shí)不思索晶體管的電抗效應(yīng), 那么當(dāng)回路諧振0時(shí), 回路呈純阻性, 有：ce+bebc=0,因此 cebebc第4章 正弦波振蕩器圖4.3.2 三點(diǎn)式振蕩器的原理電

23、路 iUXbeXcefUcUXbcoU第4章 正弦波振蕩器 由于 是 在bebc支路分配在Xbe上的電壓, 有fUcUccebebcbecbefUXXXXjUjXU)(由于這是一個(gè)正反響反相放大器, 與 同相, 與 反相, 所以 iUfUcUiU0cebeXX 即be與ce必需是同性質(zhì)電抗, 因此Xbc必需是異性質(zhì)電抗。 第4章 正弦波振蕩器 由上面的分析可知, 在三點(diǎn)式電路中, 回路中與發(fā)射極相銜接的兩個(gè)電抗元件必需為同性質(zhì), 另外一個(gè)電抗元件必需為異性質(zhì)。這就是三點(diǎn)式電路組成的相位判據(jù), 或稱為三點(diǎn)式電路的組成法那么。 與發(fā)射極相銜接的兩個(gè)電抗元件同為電容時(shí)的三點(diǎn)式電路, 稱為電容三點(diǎn)式電

24、路, 也稱為考畢茲電路。 與發(fā)射極相銜接的兩個(gè)電抗元件同為電感時(shí)的三點(diǎn)式電路, 稱為電感三點(diǎn)式電路, 也稱為哈特萊電路。 第4章 正弦波振蕩器 電容三點(diǎn)式電路又稱考畢茲電路電容三點(diǎn)式電路又稱考畢茲電路, 圖圖4.3.3是電容三點(diǎn)式電路一種常見方式是電容三點(diǎn)式電路一種常見方式,是其高是其高頻等效電路。圖中頻等效電路。圖中1、2是回路電容是回路電容, 是回路電感是回路電感, b和和c分別是高頻旁路電容和耦合電容。普通來說分別是高頻旁路電容和耦合電容。普通來說, 旁路電容和耦合電旁路電容和耦合電容的電容值至少要比回路電容值大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。有些電路里容的電容值至少要比回路電容值大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。有些

25、電路里還接有高頻扼流圈還接有高頻扼流圈, 其作用是為直流提供通路而又不影響諧振回其作用是為直流提供通路而又不影響諧振回路任務(wù)特性。對(duì)于高頻振蕩信號(hào)路任務(wù)特性。對(duì)于高頻振蕩信號(hào), 旁路電容和耦合電容可近似為旁路電容和耦合電容可近似為短路短路, 高頻扼流圈可近似為開路。高頻扼流圈可近似為開路。 第4章 正弦波振蕩器圖 4.3.3 電容三點(diǎn)式振蕩電路 L0.033CcC1RLC2ReRb2Rb10.033 CbReUCCRe0LC1C2RL(a)(b)第4章 正弦波振蕩器 由于電容三點(diǎn)式電路已滿足反響振蕩器的相位條件, 只需再滿足振幅起振條件就可以正常任務(wù)。由于晶體管放大器的增益隨輸入信號(hào)振幅變化的

26、特性與振蕩的三個(gè)振幅條件一致, 所以只需能起振, 必定滿足平衡和穩(wěn)定條件。 由圖4.3.3可見, 這是一個(gè)共基電路。 利用晶體管共基組態(tài)簡(jiǎn)化等效電路可以將電容三點(diǎn)式電路畫成如圖4.3.4所示的方式, 其中虛線框內(nèi)是晶體管共基組態(tài)簡(jiǎn)化等效電路。 。 晶體管輸出電容未思索。 LeLRRR|0第4章 正弦波振蕩器圖 4.3.4 電容三點(diǎn)式振蕩器的交流等效電路 reiUeebCimUgLRcbLC1C2reReebCfU(a)reiUeebCimUgLRcbLC1(b)erreiUeebCimUgcb(c)fUGjBfU2C第4章 正弦波振蕩器 在圖.中的雙電容耦合電路里, 可把次級(jí)電路元件e、e、b

27、e等效到初級(jí)中, 如圖.所示。其中接入系數(shù)ebCCC22eeeernRrnr221)/(1ffUnU1(由于reRe)第4章 正弦波振蕩器21212121CCCCCCCCCjBGUgUimfffUnU 圖4.3.又可以進(jìn)一步等效為圖4.。 其中等效電導(dǎo)G=gL+g e, 式中， 。等效電納B=C-1(L), /1,/1eeLLrgRg由于第4章 正弦波振蕩器LCjggngjBGngUUTeLmmif1振蕩角頻率LC10由此可求得振幅起振條件為: 1.eLmggng所以環(huán)路增益第4章 正弦波振蕩器即eLeLmnggnggng1)(1其中eebeeLLrrgRRg11,/10本電路的反響系數(shù) 21

28、1CCCnF的取值普通為。 第4章 正弦波振蕩器 由式4.3.1可知, 為了使電容三點(diǎn)式電路易于起振, 應(yīng)選擇跨導(dǎo)m較大、r be較大的晶體管, 其負(fù)載L和回路諧振電阻e0也要大, 而接入系數(shù)要合理選擇。實(shí)際闡明, 假設(shè)選用截止頻率T大于振蕩頻率五倍以上的晶體管作放大器, 負(fù)載L不要太小k以上, 接入系數(shù)取值適宜, 普通都能滿足起振條件。 第4章 正弦波振蕩器 . 電感三點(diǎn)式電路又稱哈特萊電路 圖4.3.5為電感三點(diǎn)式振蕩器電路。其中1, 2是回路電感, 是回路電容, c和e是耦合電容, b是旁路電容, 3和4是高頻扼流圈。圖為其共基組態(tài)交流等效電路。 利用類似于電容三點(diǎn)式振蕩器的分析方法,

29、也可以求得電感三點(diǎn)式振蕩器振幅起振條件和振蕩頻率, 區(qū)別在于這里以自耦變壓器耦合替代了電容耦合。第4章 正弦波振蕩器圖 4.3.5 電感三點(diǎn)式振蕩電路 L3CcRLCReRb2Rb1CbReUCCRe0CL2RL(a)(b)L1312L4Ce312L1L2第4章 正弦波振蕩器振蕩角頻率0=LC1其中L=L1+L2+2M, M為互感系數(shù)起振條件 eLmnggng1其中接入系數(shù)MLLMLNNn22121312LLRg1eerg1第4章 正弦波振蕩器本電路反響系數(shù)的取值普通為。 電容三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器各有其優(yōu)缺陷。 電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是： 反響電壓取自2, 而電容對(duì)晶體管非線性特性產(chǎn)

30、生的高次諧波呈現(xiàn)低阻抗, 所以反響電壓中高次諧波分量很小, 因此輸出波形好, 接近于正弦波。缺陷是：反響系數(shù)因與回路電容有關(guān), 假設(shè)用改動(dòng)回路電容的方法來調(diào)整振蕩頻率, 必將改動(dòng)反響系數(shù), 從而影響起振。 MLLMLnF2212(4.3.5)第4章 正弦波振蕩器 電感三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是便于用改動(dòng)電容的方法來調(diào)整振蕩頻率, 而不會(huì)影響反響系數(shù), 缺陷是反響電壓取自2, 而電感線圈對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗, 所以反響電壓中高次諧波分量較多, 輸出波形較差。 兩種振蕩器共同的缺陷是：晶體管輸入輸出電容分別和兩個(gè)回路電抗元件并聯(lián), 影響回路的等效電抗元件參數(shù), 從而影響振蕩頻率。 由于晶體管輸入輸出電容

31、值隨環(huán)境溫度、電源電壓等要素而變化, 所以三點(diǎn)式電路的頻率穩(wěn)定度不高, 普通在-3量級(jí)。 第4章 正弦波振蕩器 例 4.4 在圖例4.所示電容三點(diǎn)式振蕩電路中, 知.H, 1F, 2F, 3F, Lk, mm, beF, 0, 試求可以起振的頻率范圍。 解: 參照?qǐng)D4.3.4所示交流等效電路, 可求得圖例4.4所示電容三點(diǎn)式電路的有關(guān)參數(shù)。 015. 02033005151211ebCCCCnSgrgmee310301第4章 正弦波振蕩器圖例4. Rb1Rb2LCbReC1C2C3CcRLUCC第4章 正弦波振蕩器(1) 當(dāng)C3=12 pF時(shí), pFCCCCCCCCebeb23.62)(321

32、21SLCQge3612001014. 0105 . 01023.628011又SRgLL33102 . 010511第4章 正弦波振蕩器所以SngggnnggneeleL3333010231030015. 0)1014. 0102 . 0(015. 01)(11根據(jù)振幅起振條件式4.3.1eLmnggng1可見3F時(shí), 電路滿足起振條件, 相應(yīng)的振蕩頻率MHzLCf53.281023.62105 . 021211260第4章 正弦波振蕩器 當(dāng)3pF時(shí), 可求出相應(yīng)參數(shù)33103010341meLgnggn可見這時(shí)電路不滿足振幅起振條件。 第4章 正弦波振蕩器 低頻段滿足起振條件的臨界值為:e

33、LeeLmngggnnggng)(110ge0=n(gm-nge)-gL = 0.015(3010-3-0.0153010-3)-0.210-3 0.2410-3SC=L(Q0ge0)2=0.510-6(800.2410-3)2184pF 對(duì)應(yīng)的總等效電容所以第4章 正弦波振蕩器所以, 振蕩頻率范圍為 。 pFCCCCCCCCebeb1345018420330051)203300(51184)(21213ZMHLCf59.1610184105 . 021211260 對(duì)應(yīng)可變電容值 對(duì)應(yīng)的振蕩頻率第4章 正弦波振蕩器 克拉潑電路 從上面分析可知, 電容三點(diǎn)式電路比電感三點(diǎn)式電路性能要好些, 但

34、如何減小晶體管輸入輸出電容對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響仍是一個(gè)必需處理的問題, 于是出現(xiàn)了改良型的電容三點(diǎn)式電路克拉潑電路。 圖4.3.6是克拉潑電路的適用電路, 是其高頻等效電路。與電容三點(diǎn)式電路比較, 克拉潑電路的特點(diǎn)是在回路中添加了一個(gè)與串聯(lián)的電容3。各電容取值必需滿足：31, 3 2, 這樣可使電路的振蕩頻率近似只與3、有關(guān)。第4章 正弦波振蕩器圖 4.3.6 克拉潑振蕩電路 Rb1Rb2CbReC1C2LC3RLUCCRcAB(a)ReCcbCceCbeC1C2RcC3LABRe0RL(b)第4章 正弦波振蕩器 先不思索晶體管輸入輸出電容的影響。 由于3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1或2, 所以1、2 、3三個(gè)電

35、容串聯(lián)后的等效電容3231333132213211CCCCCCCCCCCCCCCC于是, 振蕩角頻率3011LCLC 由此可見, 克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與1、2無關(guān)。 第4章 正弦波振蕩器 如今分析晶體管結(jié)電容ce、be 對(duì)振蕩頻率的影響。 由圖可以看到, ce與諧振回路的接入系數(shù)2132123231213232321323232132)(CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCcn串串第4章 正弦波振蕩器 和電容三點(diǎn)式電路中ce與諧振回路的接入系數(shù)n=C2(C1+C2)比較, 由于31, 3 2, 所以。 由于ce的接入系數(shù)大大減小, 所以它等效到回路兩端的電容值也大大減小,

36、 對(duì)振蕩頻率的影響也大大減小。 同理,be對(duì)振蕩頻率的影響也極小。 因此, 克拉潑電路的頻率穩(wěn)定度比電容三點(diǎn)式電路要好。 在實(shí)踐電路中, 根據(jù)所需的振蕩頻率決議、3的值, 然后取1、2遠(yuǎn)大于3即可。但是3不能獲得太小,否那么將影響振蕩器的起振。 第4章 正弦波振蕩器 由圖.可以看到, 晶體管、兩端與回路、兩端之間的接入系數(shù) 1)(1213213212131CCCCCCCCCCCnLLLLRRCCCCCRnR1)(122132121 所以, 、兩端的等效電阻RL=RL/Re0, 折算到、兩端后為:第4章 正弦波振蕩器 共基電路的等效負(fù)載, L越小, 那么共基電路的電壓增益越小, 從而環(huán)路增益越小

37、, 越不易起振。對(duì)于考畢茲電路而言, 共基電路的等效負(fù)載就是RL。所以, 克拉潑電路是用犧牲環(huán)路增益的方法來換取回路規(guī)范性的提高。 克拉潑電路的缺陷是不適宜于作波段振蕩器。波段振蕩器要求在一段區(qū)間內(nèi)振蕩頻率可變, 且振蕩幅值堅(jiān)持不變。 由于克拉潑電路在改動(dòng)振蕩頻率時(shí)需調(diào)理3, 根據(jù)式437,當(dāng)3改動(dòng)以后,L將發(fā)生變化, 使環(huán)路增益發(fā)生變化, 從而使振蕩幅值也發(fā)生變化。所以克拉潑電路只適宜于作固定頻率振蕩器或波段復(fù)蓋系數(shù)較小的可變頻率振蕩器。所謂波段復(fù)蓋系數(shù)是指可以在一定波段范圍內(nèi)延續(xù)正常任務(wù)的振蕩器的最高任務(wù)頻率與最低任務(wù)頻率之比。普通克拉潑電路的波段復(fù)蓋系數(shù)為1.21.3。 第4章 正弦波振

38、蕩器 西勒電路 針對(duì)克拉潑電路的缺陷, 出現(xiàn)了另一種改良型電容三點(diǎn)式電路西勒電路。圖4.3.7是其適用電路, 是其高頻等效電路。 西勒電路是在克拉潑電路根底上, 在電感兩端并聯(lián)了一個(gè)小電容4, 且滿足1 、2遠(yuǎn)大于3 , 1 、2遠(yuǎn)大于4, 所以其回路等效電容434323121321CCCCCCCCCCCCC第4章 正弦波振蕩器圖 4.3.7 西勒振蕩電路 Rb1Rb2CbReC1C2UCCRc(a)C3C4LC1C2C3C4L(b)第4章 正弦波振蕩器所以, 振蕩頻率 )(2121430CCLLCf 在西勒電路中, 由于4 與并聯(lián), 所以4的大小不影響回路的接入系數(shù), 其共基電路等效負(fù)載RL

39、仍同式.所示。 假設(shè)使3固定, 經(jīng)過變化4來改動(dòng)振蕩頻率, 那么RL在振蕩頻率變化時(shí)根本堅(jiān)持不變, 從而使輸出振幅穩(wěn)定。因此, 西勒電路可用作波段振蕩器, 其波段覆蓋系數(shù)為.左右。 第4章 正弦波振蕩器 小結(jié) 以上所引見的五種振蕩器均是采用元件作為選頻網(wǎng)絡(luò)。由于元件的規(guī)范性較差, 因此諧振回路的值較低, 空載值普通不超越, 有載值就更低, 所以振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高, 普通為-3量級(jí), 即使是克拉潑電路和西勒電路也只能到達(dá)-4-5量級(jí)。假設(shè)需求頻率穩(wěn)定度更高的振蕩器, 可以采用晶體振蕩器。 第4章 正弦波振蕩器4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定問題 4.5.1 振蕩器頻率的技術(shù)參量 絕對(duì)靜止的、固定的事物

40、在宇宙中是不存在的。一個(gè)頻率等于1kHz，振幅等于5V的正弦波振蕩電壓u=5sin2103t在實(shí)踐生活中是不存在的。實(shí)踐生活中存在的是 u=Um+(t)sin0t+(t)第4章 正弦波振蕩器 式中，Um是電壓振幅的數(shù)學(xué)期望值，即統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是振幅抖動(dòng)值，0是角頻率的統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是相位抖動(dòng)值。相位的微分等于角頻率。所以該信號(hào)的角頻率00( )( )dttdt ( )dtdt 式中，Um是電壓振幅的數(shù)學(xué)期望值，即統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是振幅抖動(dòng)值，0是角頻率的統(tǒng)計(jì)平均值，(t)是相位抖動(dòng)值。相位的微分等于角頻率。所以該信號(hào)的角頻率第4章 正弦波振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定度 1.絕對(duì)頻率穩(wěn)定度

41、它是指一定條件下實(shí)踐振蕩頻率f與規(guī)范頻率f0的偏向 f=f-f0 絕對(duì)頻率穩(wěn)定度 常用相對(duì)頻率的穩(wěn)定度稱為頻率穩(wěn)定度 f/f 一定的時(shí)間范圍才有效第4章 正弦波振蕩器4.5.2呵斥頻率不穩(wěn)定的要素 1.LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定 2.晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定第4章 正弦波振蕩器4.5.3穩(wěn)頻的措施 1.減小溫度的影響 2.穩(wěn)定電源電壓 3.減少負(fù)載的影響 4.晶體管與回路間的銜接采用松耦合 5.提高回路的質(zhì)量因數(shù) 6.使振蕩頻率接近諧振回路的諧振頻率 7.屏蔽，遠(yuǎn)離熱源第4章 正弦波振蕩器第4章 正弦波振蕩器4.4.1 石英晶體及其特性石英晶體及其特性 石英晶體具有壓電效應(yīng)。當(dāng)交流電壓加在晶體兩端石英晶體

42、具有壓電效應(yīng)。當(dāng)交流電壓加在晶體兩端, 晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變晶體先隨電壓變化產(chǎn)生應(yīng)變, 然后機(jī)械振動(dòng)又使晶體外然后機(jī)械振動(dòng)又使晶體外表產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何尺寸和構(gòu)造一定時(shí)表產(chǎn)生交變電荷。當(dāng)晶體幾何尺寸和構(gòu)造一定時(shí), 它本它本身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻身有一個(gè)固有的機(jī)械振動(dòng)頻率。當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí)率等于晶體的固有頻率時(shí), 晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大晶體片的機(jī)械振動(dòng)最大, 晶晶體外表電荷量最多體外表電荷量最多, 外電路中的交流電流最強(qiáng)外電路中的交流電流最強(qiáng), 于是產(chǎn)于是產(chǎn)生了諧振。生了諧振。 因此因此, 將石英晶體按一定方位切割成片將石英晶體按一定方位切

43、割成片, 兩兩邊敷以電極邊敷以電極, 焊上引線焊上引線, 再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)再用金屬或玻璃外殼封裝即構(gòu)成石英晶體諧振器簡(jiǎn)稱石英晶振。成石英晶體諧振器簡(jiǎn)稱石英晶振。 4.4晶晶 體體 振振 蕩蕩 器器第4章 正弦波振蕩器 石英晶振的固有頻率非常穩(wěn)定, 它的溫度系數(shù)溫度變化所引起的固有頻率相對(duì)變化量在-6以下。另外, 石英晶振的振動(dòng)具有多諧性, 即除了基頻振動(dòng)外, 還有奇次諧波泛音振動(dòng)。 對(duì)于石英晶振, 既可利用其基頻振動(dòng), 也可利用其泛音振動(dòng)。 前者稱為基頻晶體, 后者稱為泛音晶體。晶片厚度與振動(dòng)頻率成反比, 任務(wù)頻率越高, 要求晶片越薄, 因此機(jī)械強(qiáng)度越差, 加工越困難, 運(yùn)用中也易損

44、壞。 由此可見, 在同樣的任務(wù)頻率上, 泛音晶體的切片可以做得比基頻晶體的切片厚一些。所以在任務(wù)頻率較高時(shí), 常采用泛音晶體。 通常在任務(wù)頻率小于20MHz時(shí)采用基頻晶體, 大于20 MHz時(shí)采用泛音晶體。 第4章 正弦波振蕩器圖 4.4.1 石英晶體諧振器(a) 符號(hào)； (b) 基頻等效電路； (c) 完好等效電路 C0Cq1Lq1rq1Cq3Lq3rq3Cq5Lq5rq5CqkLqkrqk(c)(b)C0CqLqrq(a)第4章 正弦波振蕩器 圖4.1是石英晶振的符號(hào)和等效電路。其中： 安裝電容C0約pFF 動(dòng)態(tài)電感Lq約10-3H102 H 動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF10-1pF 動(dòng)態(tài)電

45、阻rq約幾十歐到幾百歐 由以上參數(shù)可以看到： 石英晶振的值和特性阻抗都非常高。值可達(dá)幾萬到幾百萬, 由于qqqqCLrQ1第4章 正弦波振蕩器 2 由于石英晶振的接入系數(shù)n=Cq(C0+Cq)很小, 所以外接元器件參數(shù)對(duì)石英晶振的影響很小。 綜合以上兩點(diǎn), 不難了解石英晶振的頻率穩(wěn)定度是非常高的。 由圖4.可以看到, 石英晶振可以等效為一個(gè)串聯(lián)諧振回路和一個(gè)并聯(lián)諧振回路。假設(shè)忽略q, 那么晶振兩端呈現(xiàn)純電抗, 其電抗頻率特性曲線如圖4.中兩條實(shí)線所示。 串聯(lián)諧振頻率qqsCLf21第4章 正弦波振蕩器并聯(lián)諧振頻率00000121CCfCCCfCCCCLfqsqsqqqp 由于CqC0很小, 所

46、以p與s間隔很小, 因此在sp感性區(qū)間, 石英晶振具有峻峭的電抗頻率特性, 曲線斜率大, 利于穩(wěn)頻。假設(shè)外部要素使諧振頻率增大, 那么根據(jù)晶振電抗特性, 必然使等效電感增大, 但由于振蕩頻率與的平方根成反比, 所以又促使諧振頻率下降, 趨近于原來的值。 第4章 正弦波振蕩器 石英晶振產(chǎn)品還有一個(gè)標(biāo)稱頻率N。N的值位于s與p之間, 這是指石英晶振兩端并接某一規(guī)定負(fù)載電容L時(shí)石英晶振的振蕩頻率。CL的電抗頻率曲線如圖4.4.2中虛線所示。 負(fù)載電容CL的值載于消費(fèi)廠家的產(chǎn)品闡明書中, 通常為30pF(高頻晶體), 或100pF(低頻晶體), 或標(biāo)示為(指無需外接負(fù)載電容, 常用于串聯(lián)型晶體振蕩器)

47、。 第4章 正弦波振蕩器圖 4.4.2 石英晶振的電抗頻率特性 X0fsfNfpCL的電抗曲線f第4章 正弦波振蕩器4.4.2晶體振蕩器電路晶體振蕩器電路 將石英晶振作為高值諧振回路元件接入正反將石英晶振作為高值諧振回路元件接入正反響電路中響電路中, 就組成了晶體振蕩器。根據(jù)石英晶振在振就組成了晶體振蕩器。根據(jù)石英晶振在振蕩器中的作用原理蕩器中的作用原理, 晶體振蕩器可分成兩類。一類是晶體振蕩器可分成兩類。一類是將其作為等效電感元件用在三點(diǎn)式電路中將其作為等效電感元件用在三點(diǎn)式電路中, 任務(wù)在感任務(wù)在感性區(qū)性區(qū), 稱為并聯(lián)型晶體振蕩器；稱為并聯(lián)型晶體振蕩器； 另一類是將其作為一另一類是將其作為

48、一個(gè)短路元件串接于正反響支路上個(gè)短路元件串接于正反響支路上, 任務(wù)在它的串聯(lián)諧任務(wù)在它的串聯(lián)諧振頻率上振頻率上, 稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。稱為串聯(lián)型晶體振蕩器。 第4章 正弦波振蕩器 . 皮爾斯振蕩電路皮爾斯振蕩電路 并聯(lián)型晶體振蕩器的任務(wù)原理和三點(diǎn)式振蕩器一樣并聯(lián)型晶體振蕩器的任務(wù)原理和三點(diǎn)式振蕩器一樣, 只是只是將其中一個(gè)電感元件換成石英晶振。石英晶振可接在晶體管將其中一個(gè)電感元件換成石英晶振。石英晶振可接在晶體管、極之間或、極之間、極之間或、極之間, 所組成的電路分別稱為皮爾斯所組成的電路分別稱為皮爾斯振蕩電路和密勒振蕩電路。振蕩電路和密勒振蕩電路。 皮爾斯電路是最常用的振蕩電路之一。皮爾

49、斯電路是最常用的振蕩電路之一。 圖圖443是皮爾斯電路是皮爾斯電路, 是其高頻等效電路是其高頻等效電路, 其中虛線框內(nèi)是石英其中虛線框內(nèi)是石英晶振的等效電路。晶振的等效電路。第4章 正弦波振蕩器 由圖4.可以看出, 皮爾斯電路類似于克拉潑電路, 但由于石英晶振中q極小, q極高, 所以皮爾斯電路具有以下一些特點(diǎn)： 振蕩回路與晶體管、負(fù)載之間的耦合很弱。晶體管、端, 、端和、端的接入系數(shù)分別是:21210CCCCCCCCCnLLqqcbcbcenCCCn212cbebnCCCn211 以上三個(gè)接入系數(shù)普通均小于-3-4, 所以外電路中的不穩(wěn)定參數(shù)對(duì)振蕩回路影響很小, 提高了回路的規(guī)范性。 第4章

50、 正弦波振蕩器圖 4.4.3 皮爾斯振蕩電路 Rb1Rb2CbReC1C2UCCLc(a)(b)CcRLLqCqrqRe晶 體RLC1C2C0第4章 正弦波振蕩器 振蕩頻率幾乎由石英晶振的參數(shù)決議, 而石英晶振本身的參數(shù)具有高度的穩(wěn)定性。 振蕩頻率 LqsLqLqqCCCfCCCCCCLf00001)(21其中L是和晶振兩端并聯(lián)的外電路各電容的等效值, 即根據(jù)產(chǎn)品要求的負(fù)載電容。在適用時(shí), 普通需參與微調(diào)電容, 用以微調(diào)回路的諧振頻率, 保證電路任務(wù)在晶振外殼上所注明的標(biāo)稱頻率N上。第4章 正弦波振蕩器 由于振蕩頻率0普通調(diào)諧在標(biāo)稱頻率N上, 位于晶振的感性區(qū)內(nèi), 電抗曲線峻峭, 穩(wěn)頻性能極好

51、。 由于晶振的值和特性阻抗 都很高, 所以晶振的諧振電阻也很高, 普通可達(dá)10以上。這樣即使外電路接入系數(shù)很小, 此諧振電阻等效到晶體管輸出端的阻抗仍很大, 使晶體管的電壓增益能滿足振幅起振條件的要求。 qqCL /第4章 正弦波振蕩器 例 4.5 圖例4.是一個(gè)數(shù)字頻率計(jì)晶振電路, 試分析其任務(wù)情況。 解: 先畫出V1管高頻交流等效電路, 如圖例4.所示, .F電容較大, 作為高頻旁路電路, V2管作射隨器。 由高頻交流等效電路可以看到, V1管的c、e極之間有一個(gè)回路, 其諧振頻率為:MHzf0 . 410330107 . 4211260第4章 正弦波振蕩器 所以在晶振任務(wù)頻率MHz處,

52、此回路等效為一個(gè)電容?？梢? 這是一個(gè)皮爾斯振蕩電路, 晶振等效為電感, 容量為pFpF的可變電容起微調(diào)作用, 使振蕩器任務(wù)在晶振的標(biāo)稱頻率MHz上。 第4章 正弦波振蕩器圖例4.5 20 kC5 MHz5.6 k20 p535 p200 p330 p0.01 4.7 2.7 kV11.5 kV2UCC20 p535 p200 pV1330 p4.7 (a)(b)第4章 正弦波振蕩器 . 密勒振蕩電路 圖4.4.4是場(chǎng)效應(yīng)管密勒振蕩電路。 石英晶體作為電感元件銜接在柵極和源極之間, 并聯(lián)回路在振蕩頻率點(diǎn)等效為電感, 作為另一電感元件銜接在漏極和源極之間, 極間電容gd作為構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路中的

53、電容元件。由于gd又稱為密勒電容, 故此電路有密勒振蕩電路之稱。 密勒振蕩電路通常不采用晶體管, 緣由是正向偏置時(shí)高頻晶體管發(fā)射結(jié)電阻太小, 雖然晶振與發(fā)射結(jié)的耦合很弱, 但也會(huì)在一定程度上降低回路的規(guī)范性和頻率的穩(wěn)定性, 所以采用輸入阻抗高的場(chǎng)效應(yīng)管。 第4章 正弦波振蕩器圖4.4.4 密勒振蕩電路 300 pUCC61122 Cgd1 MHz10 M2.2 k0.02 第4章 正弦波振蕩器 . 泛音晶振電路 從圖4.4.1(c)中可以看到, 在石英晶振的完好等效電路中, 不僅包含了基頻串聯(lián)諧振支路, 還包括了其它奇次諧波的串聯(lián)諧振支路, 這就是前面所說的石英晶振的多諧性。但泛音晶體所任務(wù)的

54、奇次諧波頻率越高, 能夠獲得的機(jī)械振蕩和相應(yīng)的電振蕩越弱。 在任務(wù)頻率較高的晶體振蕩器中, 多采用泛音晶體振蕩電路。泛音晶振電路與基頻晶振電路有些不同。在泛音晶振電路中, 為了保證振蕩器能準(zhǔn)確地振蕩在所需求的奇次泛音上, 不但必需有效地抑制掉基頻和低次泛音上的寄生振蕩, 而且必需正確地調(diào)理電路的環(huán)路增益, 使其在任務(wù)泛音頻率上略大于1, 滿足起振條件, 而在更高的泛音頻率上都小于1, 不滿足起振條件。 第4章 正弦波振蕩器 在實(shí)踐運(yùn)用時(shí), 可在三點(diǎn)式振蕩電路中, 用一選頻回路來替代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)式振蕩器的組成法那么, 不能起振； 而

55、在所需求的泛音頻率上呈現(xiàn)的電抗性質(zhì)恰好滿足組成法那么, 到達(dá)起振。 圖4.4.5給出了一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路。 假設(shè)泛音晶振為五次泛音, 標(biāo)稱頻率為MHz, 基頻為MHz, 那么1回路必需調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間。這樣, 在 MHz 頻率上, 1回路呈容性, 振蕩電路滿足組成法那么。對(duì)于基頻和三次泛音頻率來說, 1回路呈感性, 電路不符合組成法那么, 不能起振。 第4章 正弦波振蕩器圖 4.4.5 并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路及LC1回路的電抗特性(a) 并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路； (b) LC1回路的電抗特性 C2C1LC3X01234567f / MHz(a)(b)第4章 正弦波振蕩器 串

56、聯(lián)型晶體振蕩器 串聯(lián)型晶體振蕩器是將石英晶振用于正反響支路中, 利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件, 電路反響作用最強(qiáng), 滿足振幅起振條件, 使振蕩器在晶振串聯(lián)諧振頻率s上起振。圖4.4.6給出了一種串聯(lián)型單管晶體振蕩器電路, 是其高頻等效電路。 這種振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器根本類似, 只不過在正反響支路上添加了一個(gè)晶振。, 1 , 2和3組成并聯(lián)諧振回路而且調(diào)諧在振蕩頻率上。 第4章 正弦波振蕩器圖4.4.6 串聯(lián)型晶體振蕩電路 Rb1CbReC1C2UCCR(a)Cc20 kRb22.2 kC3300 pL3.8 1600 p680C1C2C3L(b)ReC第4章 正弦波振蕩器4.5.1變?nèi)荻O管

57、變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管是利用結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變?nèi)荻O管是利用結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓變化這一特性制成的一種壓控電抗元件。變?nèi)荻O變化這一特性制成的一種壓控電抗元件。變?nèi)荻O管的符號(hào)和結(jié)電容變化曲線如圖管的符號(hào)和結(jié)電容變化曲線如圖4.5.1所示。所示。 變?nèi)荻O管結(jié)電容可表示為變?nèi)荻O管結(jié)電容可表示為:nBjjUuCC1)0(4.5 壓壓 控控 振振 蕩蕩 器器(4.5.1)第4章 正弦波振蕩器其中為變?nèi)葜笖?shù), 其值隨半導(dǎo)體摻雜濃度和結(jié)的構(gòu)造不同而變化, j0為外加電壓u時(shí)的結(jié)電容值, UB為結(jié)的內(nèi)建電位差。 變?nèi)荻O管必需任務(wù)在反向偏壓形狀, 所以任務(wù)時(shí)需加負(fù)的靜態(tài)直流偏壓UQ。假設(shè)交流控制電

58、壓u為正弦信號(hào), 變?nèi)莨苌系碾妷簽? u=-(UQ+u)=-(UQ+U m cost)第4章 正弦波振蕩器圖 4.5.1 變?nèi)荻O管 (a) 符號(hào)； (b) 結(jié)電容-電壓曲線 t0u u00CjCj(t)Cj(0)CjQUQUmt(a)(b)第4章 正弦波振蕩器代入式(4.5.1), 那么有:njQnQBjQjtmCUUuCC)cos1 (1其中靜態(tài)構(gòu)造電容nBQjjQUUCC1)0(結(jié)電容調(diào)制度1QBmUUUm第4章 正弦波振蕩器 4.5.2變?nèi)荻O管壓控振蕩器 將變?nèi)荻O管作為壓控電容接入振蕩器中, 就組成了壓控振蕩器。普通可采用各種方式的三點(diǎn)式電路。 需求留意的是, 為了使變?nèi)荻O管能正

59、常任務(wù), 必需正確地給其提供靜態(tài)負(fù)偏壓和交流控制電壓, 而且要抑制高頻振蕩信號(hào)對(duì)直流偏壓和低頻控制電壓的干擾, 所以, 在電路設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)采用高頻扼流圈、旁路電容、隔直流電容等。 無論是分析振蕩器還是壓控振蕩器都必需正確畫出振蕩器的直流通路和高頻振蕩回路。對(duì)于后者, 還須畫出變?nèi)荻O管的直流偏置電路與低頻控制回路。 例4.6闡明了詳細(xì)方法與步驟。 第4章 正弦波振蕩器 例 4.6 畫出圖例4.6(a)所示中心頻率為360MHz的變?nèi)荻O管壓控振蕩器中晶體管的直流通路和高頻振蕩回路, 變?nèi)荻O管的直流偏置電路和低頻控制回路。 解: 畫晶體管直流通路, 只需將一切電容開路、 電感短路即可, 變?nèi)荻?/p>

60、極管也應(yīng)開路, 由于它任務(wù)在反偏形狀, 如圖(b)所示。 畫變?nèi)荻O管直流偏置電路, 需將與變?nèi)荻O管有關(guān)的電容開路, 電感短路, 晶體管的作用可用一個(gè)等效電阻表示。 由于變?nèi)荻O管的反向電阻很大, 可以將其它和它相連的電阻作近似處置。如本例中變?nèi)荻O管的負(fù)端可直接與15 V電源相接, 見圖(c)。 第4章 正弦波振蕩器1000 pC41 pC1R41000 pC3R347015 V0.5 pC2Cj1000 pC5R2R110 Vu15 V(a)15 VR4R315 V(b)15 V10 VR1R2LCjC2C1(c)(d )Cju(e)LCjR4圖例4.6 第4章 正弦波振蕩器 畫高頻振蕩