第三章高頻正弦波振蕩器

1、第三章 正弦波振蕩器振振蕩蕩器器非正弦波非正弦波正弦波正弦波反饋型振蕩器反饋型振蕩器負(fù)阻型振蕩器負(fù)阻型振蕩器LC振振蕩器蕩器RC振振蕩器蕩器石英晶體石英晶體振蕩器振蕩器3.1 反饋型正弦波振蕩器的工作原理主網(wǎng)絡(luò)主網(wǎng)絡(luò)反饋反饋網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò))(jA)(jFfViVoViifVjTVjFjAV)()()(iifVjTVjFjAV)()()(一、起振條件一、起振條件二、平衡條件二、平衡條件1)(oscTnoscT2)(1)(oscTnoscT2)()(oivv)(oscT1起振起振平衡平衡必須有非必須有非線性環(huán)節(jié)線性環(huán)節(jié)三、穩(wěn)定條件三、穩(wěn)定條件幅度穩(wěn)幅度穩(wěn)定條件定條件0oscivTT1 增幅增幅頻率穩(wěn)定條

2、件頻率穩(wěn)定條件0oscosc 0，超前，頻率升高，超前，頻率升高四、基本組成及分析方法 組成組成1、放大器、放大器2、反饋網(wǎng)絡(luò)、反饋網(wǎng)絡(luò)環(huán)路增益可變環(huán)路增益可變相移網(wǎng)絡(luò)相移網(wǎng)絡(luò):具有選頻特性具有選頻特性要要求求內(nèi)穩(wěn)幅內(nèi)穩(wěn)幅: 放大管固有的非線性放大管固有的非線性外穩(wěn)幅外穩(wěn)幅: 線性線性+非線性非線性 LC、RC 分析方法分析方法起振時(shí)，小信號(hào)狀態(tài)起振時(shí)，小信號(hào)狀態(tài)T（ ）1用小信號(hào)模型求用小信號(hào)模型求)(jT T（ ）=2n 振蕩頻率振蕩頻率起振的幅度條件起振的幅度條件振蕩電路包括振蕩電路包括: 可變?cè)鲆娣糯笃骺勺冊(cè)鲆娣糯笃?負(fù)斜率變化的相移網(wǎng)絡(luò)負(fù)斜率變化的相移網(wǎng)絡(luò) 正反饋正反饋3.2 LC正

3、弦波振蕩器一、變壓器耦合式一、變壓器耦合式LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器VccR3.LCbTR2R1C注意同名端注意同名端保證正反饋保證正反饋二、三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器電路組成法則電路組成法則與發(fā)射極相接的兩個(gè)元件為同性質(zhì)的與發(fā)射極相接的兩個(gè)元件為同性質(zhì)的電抗元件，第三個(gè)元件電抗性質(zhì)相反電抗元件，第三個(gè)元件電抗性質(zhì)相反該法則與組態(tài)無(wú)關(guān)該法則與組態(tài)無(wú)關(guān)C2TC1LC2C1LTL2TCL1CL2TL1三點(diǎn)式振蕩器的三點(diǎn)式振蕩器的交流通路交流通路實(shí)際電路實(shí)際電路交流通路與直流偏置電路的結(jié)合交流通路與直流偏置電路的結(jié)合當(dāng)交流通路與直流通路發(fā)生矛盾時(shí)，當(dāng)交流通路與直流通路發(fā)生矛盾時(shí)，用用隔直電容隔直電容或

4、或扼流圈扼流圈解決解決C2TC1LC2TC1LRcTCeLCbReC2R1R2VccC1Z1Z3Z2TZ1、Z2為電抗性質(zhì)相同為電抗性質(zhì)相同Z3電抗性質(zhì)與電抗性質(zhì)與Z1、Z2不同不同若若Z1、Z2、Z3為為L(zhǎng)C復(fù)合元件，如何判斷？復(fù)合元件，如何判斷？三點(diǎn)式正弦波振三點(diǎn)式正弦波振蕩器構(gòu)成原則蕩器構(gòu)成原則f01 f02 f03 ，電路是否滿足振蕩器的相位條件？，電路是否滿足振蕩器的相位條件？SZo90o-90o容性容性感性感性純電阻純電阻PZo90o-90o感性感性容容性性純電阻純電阻RLC并并聯(lián)電路聯(lián)電路RLC串串聯(lián)電路聯(lián)電路電容元件電容元件ZCoCCCjZ901190o-90o容容性性90o-

5、90o感性感性電感元件電感元件ZLoLLLjZ90RLC并并聯(lián)復(fù)合聯(lián)復(fù)合元件元件ZPo感性感性容性容性純阻性純阻性ZP電抗性質(zhì)線電抗性質(zhì)線PZo90o-90o感性感性容容性性純電阻純電阻RLC并聯(lián)復(fù)合元件并聯(lián)復(fù)合元件ZPo感性感性容性容性純阻性純阻性ZS電抗性質(zhì)線電抗性質(zhì)線RLC串串聯(lián)復(fù)合聯(lián)復(fù)合元件元件ZSSZo90o-90o容性容性感性感性純電阻純電阻RLC串聯(lián)復(fù)合元件串聯(lián)復(fù)合元件ZSo感性感性容性容性純阻性純阻性ZP電抗性質(zhì)線電抗性質(zhì)線(RLC并聯(lián)并聯(lián))o感性感性容性容性純阻性純阻性ZS電抗性質(zhì)線電抗性質(zhì)線(RLC串聯(lián)串聯(lián))S形形Z1Z3Z2TZ1、Z2為電抗性質(zhì)相同為電抗性質(zhì)相同Z3電抗

6、性質(zhì)與電抗性質(zhì)與Z1、Z2不同不同Z1、Z2的電抗性質(zhì)線用實(shí)線畫(huà)的電抗性質(zhì)線用實(shí)線畫(huà)Z3的電抗性質(zhì)線用虛線畫(huà)的電抗性質(zhì)線用虛線畫(huà)兩條兩條實(shí)線在橫軸的同一側(cè)實(shí)線在橫軸的同一側(cè)，且，且虛線在橫軸的另一側(cè)虛線在橫軸的另一側(cè)，則滿足振蕩器的構(gòu)成原則，否則不滿足構(gòu)成原則則滿足振蕩器的構(gòu)成原則，否則不滿足構(gòu)成原則振蕩器構(gòu)成原則振蕩器構(gòu)成原則f01 f02 f03 ，電路是否滿足電路是否滿足振蕩器的相位振蕩器的相位條件？條件？ Z1 Z2 Z3電抗性質(zhì)線電抗性質(zhì)線ff01f02f03Z1Z2Z3只有在只有在f03 f02的頻率范圍，才滿足振蕩器的構(gòu)成原則的頻率范圍，才滿足振蕩器的構(gòu)成原則電路要么不振蕩，一旦

7、振蕩，其電路要么不振蕩，一旦振蕩，其振蕩頻率一定介于振蕩頻率一定介于f03 f02之間之間ff01f02f03Z1Z2Z3電容三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式（共射）（共射）三點(diǎn)式振蕩器電路CC、CB、CE足夠足夠大，視為短路大，視為短路電容三點(diǎn)式的交流電容三點(diǎn)式的交流通路（共射）通路（共射）CB、CC足夠大，足夠大，視為短路視為短路電容三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式（共基）（共基）電容三點(diǎn)式的交流電容三點(diǎn)式的交流通路（共基）通路（共基）保證靜態(tài)（未振蕩）時(shí)，電路工作保證靜態(tài)（未振蕩）時(shí)，電路工作于放大區(qū)，滿足起振的幅度條件于放大區(qū)，滿足起振的幅度條件靜態(tài)偏置電路的作用靜態(tài)偏置電路的作用共射電容三點(diǎn)式共射電容三點(diǎn)式共基電容

8、三點(diǎn)式共基電容三點(diǎn)式自給偏置電路自給偏置電路振蕩幅振蕩幅度增加度增加放大器放大器進(jìn)入非進(jìn)入非線形區(qū)線形區(qū)自給反偏自給反偏壓增加壓增加工作工作點(diǎn)下點(diǎn)下移移放大放大倍數(shù)倍數(shù)降低降低從起振條件轉(zhuǎn)入平衡條件，幅度不再增加從起振條件轉(zhuǎn)入平衡條件，幅度不再增加共射電容三點(diǎn)式共射電容三點(diǎn)式共基電容三點(diǎn)式共基電容三點(diǎn)式振蕩的建立過(guò)程振蕩的建立過(guò)程自給反偏壓效應(yīng)自給反偏壓效應(yīng)利用是否存在自給反偏壓效應(yīng)可用萬(wàn)用利用是否存在自給反偏壓效應(yīng)可用萬(wàn)用表判斷（直流電壓檔）電路是否振蕩表判斷（直流電壓檔）電路是否振蕩正常狀態(tài)下正常狀態(tài)下人為破壞振蕩條件人為破壞振蕩條件（不影響直流通路）（不影響直流通路）分別測(cè)直分別測(cè)直流工

9、作點(diǎn)流工作點(diǎn)有差異有差異電路已振蕩電路已振蕩無(wú)差異無(wú)差異電路已停振電路已停振自給偏置電路能夠起到穩(wěn)定幅度的作用自給偏置電路能夠起到穩(wěn)定幅度的作用平衡時(shí)平衡時(shí) TAF1若振幅發(fā)若振幅發(fā)生波動(dòng)生波動(dòng)Vo非線性非線性自給反偏壓自給反偏壓工作點(diǎn)降低工作點(diǎn)降低AT1nCCCVVFof211iLmiognggVVA2iLmnggng112iLmgnggn1、關(guān)于振蕩頻率、關(guān)于振蕩頻率討 論021201211iLiLoscg gg gLCC CC C 嚴(yán)格計(jì)算嚴(yán)格計(jì)算 工程估算：工程估算：LCoosc1nCCCF211iLmgnggA2提高反饋系數(shù)并不一定能夠提高環(huán)路增益提高反饋系數(shù)并不一定能夠提高環(huán)路增益

10、AF提高工作點(diǎn)電流（提高工作點(diǎn)電流（gm加大）可提高環(huán)路增益，但加大）可提高環(huán)路增益，但過(guò)高的工作點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的工作點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致LC回路回路Q值降低，使波形失真值降低，使波形失真2、關(guān)于起振的幅度條件、關(guān)于起振的幅度條件小結(jié)：用工程估算法（近似計(jì)算）小結(jié)：用工程估算法（近似計(jì)算） 求起振條件求起振條件畫(huà)交流通路畫(huà)交流通路畫(huà)小信號(hào)等效電路畫(huà)小信號(hào)等效電路斷開(kāi)環(huán)路（要考慮放大器輸入阻抗的影響）斷開(kāi)環(huán)路（要考慮放大器輸入阻抗的影響）高高Q條件下，忽略反饋電路中電阻的影響，認(rèn)為條件下，忽略反饋電路中電阻的影響，認(rèn)為 反饋系數(shù)近似為電抗元件的分壓比反饋系數(shù)近似為電抗元件的分壓比經(jīng)等效變換，將放大器的經(jīng)等效變

11、換，將放大器的LC回路等效為純粹的并回路等效為純粹的并聯(lián)（串聯(lián)）電路，假設(shè)聯(lián)（串聯(lián)）電路，假設(shè) 其諧振，放大器的負(fù)載即為其諧振，放大器的負(fù)載即為L(zhǎng)C回路的諧振阻抗（純電阻），據(jù)此可求放大倍數(shù)回路的諧振阻抗（純電阻），據(jù)此可求放大倍數(shù)畫(huà)直流通路，求畫(huà)直流通路，求IEQ差分對(duì)管振蕩電路 （索尼振蕩電路Sony Oscillator）集成電路中廣泛使用集成電路中廣泛使用交流交流通路通路舉例一判斷圖示振蕩電路（交流通路）判斷圖示振蕩電路（交流通路）能否滿足相位平衡條件能否滿足相位平衡條件LC3串聯(lián)呈感性即可串聯(lián)呈感性即可舉例二舉例二試求圖示電路的振幅起振條件試求圖示電路的振幅起振條件解：解：開(kāi)開(kāi)環(huán)環(huán)電

12、電路路增加了一個(gè)極小的電容增加了一個(gè)極小的電容C3C2=C2+Cbe ri=RE/re RL=RL/Reo高高Q條件下條件下222 /nRRnrrLLii12332211CCCnCCCnC2=C2+Cbe ri=RE/re RL=RL/ReoiLmLimgnnggRrgA222/ ) /(Fn1/ 222ngnnggAFTiLm222 /nRRnrrLLii12332211CCCnCCCniLmLimgnnggRrgA222/ ) /(Fn1/ 222ngnnggAFTiLm12332211CCCnCCCn增加了一個(gè)極小的電容增加了一個(gè)極小的電容C31因此，增加了一個(gè)極小的電容因此，增加了一個(gè)

13、極小的電容C3后，整個(gè)環(huán)路的增益后，整個(gè)環(huán)路的增益T會(huì)下降會(huì)下降舉例三舉例三振蕩器交流通路如圖，振蕩器交流通路如圖，f01、f02、f03分別為三個(gè)回路的分別為三個(gè)回路的諧振頻率、試寫(xiě)出他們之諧振頻率、試寫(xiě)出他們之間能夠滿足相位平衡條件間能夠滿足相位平衡條件的關(guān)系式，并指出振蕩頻的關(guān)系式，并指出振蕩頻率處在什么范圍。率處在什么范圍。解：解： f01、f02、f03之間的大小關(guān)系有六種情況之間的大小關(guān)系有六種情況 Z1Z2Z3f01 f02 f03ff01 f03 f02 f不能振蕩不能振蕩f01 f03 fosc f02 能振蕩能振蕩f02 f01 f03ff02 f03 f01 ff02 f

14、osc f01 f03能振蕩能振蕩f02 fosc f03 f01 能振蕩能振蕩f03 f01 f02ff03 f02 f01 ff03 f01 fosc f02 能振蕩能振蕩不能振蕩不能振蕩f01 f03 fosc f02 能振蕩能振蕩f02 fosc f01 f03能振蕩能振蕩f02 fosc f03 f01 能振蕩能振蕩f03 f01 foscCq, ,外電路對(duì)晶體電特外電路對(duì)晶體電特性的影響便顯著減小。如同性的影響便顯著減小。如同上述克拉潑電路中上述克拉潑電路中C3C3小來(lái)減小來(lái)減小晶體管結(jié)電容對(duì)回路諧振小晶體管結(jié)電容對(duì)回路諧振頻率的影響頻率的影響Q=WLq/rq值很大，參數(shù)穩(wěn)定值很大

15、，參數(shù)穩(wěn)定石英晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度（可達(dá)石英晶體振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度（可達(dá)109）Lq很大很大rq很小很小Cq很小很小C0很大很大rq很小，近似為很小，近似為022/1/11)(psocrcrCjjXjZLq很大很大rq很小很小Cq很小很小oqoqqCCCCL1qqsCL122/1/11)(psocrcrCjjXjZ1sqqL C1qoqqoC CLCC并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率qqsCL1soqsoqoqqCCCCCCL11容容性性容容性性感感性性 s與與 p之間為感性區(qū)，該區(qū)域很窄之間為感性區(qū)，該區(qū)域很窄并聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率串聯(lián)諧振頻率

16、容容性性容容性性感感性性在每次泛音頻率處都有一個(gè)很窄的感性區(qū)在每次泛音頻率處都有一個(gè)很窄的感性區(qū)補(bǔ)充：石英晶體的電抗性質(zhì)線補(bǔ)充：石英晶體的電抗性質(zhì)線 s p 33s55s 033p55pqqsCL1oqsCC1晶體并聯(lián)電容晶體并聯(lián)電容CL（負(fù)載電容）（負(fù)載電容）并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振頻率變?yōu)轭l率變?yōu)長(zhǎng)oqsNCCC1晶體并聯(lián)電容晶體并聯(lián)電容CL（負(fù)載電容）（負(fù)載電容）并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振頻率變?yōu)轭l率變?yōu)長(zhǎng)oqsNCCC1fN 晶體的晶體的標(biāo)稱頻率標(biāo)稱頻率，介于，介于fs與與fp之間之間改變改變CL可微調(diào)振蕩頻率可微調(diào)振蕩頻率通過(guò)與晶體串聯(lián)電容也可微調(diào)振蕩頻率通過(guò)與晶體串聯(lián)電容也可微調(diào)振蕩頻率晶體振蕩電路

17、晶體振蕩電路并聯(lián)型晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器晶體工作于串聯(lián)諧振頻晶體工作于串聯(lián)諧振頻率，接入正反饋電路中率，接入正反饋電路中（晶體只能工作在（晶體只能工作在Ws的頻率點(diǎn)上，的頻率點(diǎn)上，作為高選擇性的短路元件作為高選擇性的短路元件 ）晶體工作于感性區(qū)，替晶體工作于感性區(qū)，替代代 LC振蕩器中的電感振蕩器中的電感（晶體工作在（晶體工作在Ws Wp的感性頻段的感性頻段 ）晶體呈感性才能振蕩晶體呈感性才能振蕩,因此，因此，晶體應(yīng)工作在晶體應(yīng)工作在Ws Wp的感性頻段的感性頻段 并聯(lián)型晶體振蕩器交流通路交流通路石英晶體在基頻及泛音頻率石英晶體在基頻及泛音頻率都呈感性，滿足

18、都呈感性，滿足相位條件相位條件基頻振蕩基頻振蕩幅度最大，滿足起振的幅度條件幅度最大，滿足起振的幅度條件泛音振蕩泛音振蕩幅度逐步減小，不滿足起振的幅度條件幅度逐步減小，不滿足起振的幅度條件泛音晶體振蕩器獲得更高的振蕩頻率獲得更高的振蕩頻率必須破壞基頻及低次泛音的相位振蕩條件必須破壞基頻及低次泛音的相位振蕩條件f N3 3 f N5 5 f N f07 7 f N f 01五次泛音振蕩器：五次泛音振蕩器： 3 3 f N f 01 geo幅度平衡條件幅度平衡條件：要求：要求a a為為0，等幅振蕩，等幅振蕩gn (av) geo起振條件：起振條件： gn (av)產(chǎn)生的功率大于產(chǎn)生的功率大于geo消耗的功率消耗的功率平衡條件：平衡條件： gn (av)產(chǎn)生的功率等于產(chǎn)生的功率等于geo消耗的功率消耗的功率電壓控制型負(fù)阻振蕩器為例，電壓控制型負(fù)阻振蕩器為例， 討論振蕩條件討論振蕩條件()0n avmgV起振時(shí)，振蕩頻率為起振時(shí)，振蕩頻率為平衡時(shí)，振蕩頻率為平衡時(shí)，