第3章 振蕩器

1、1第三章 正弦波振蕩器光學(xué)(gungxu)與電子信息工程學(xué)院共五十頁2不需要輸入信號(hào)控制就能自動(dòng)將直流能量(nngling)轉(zhuǎn)換為特點(diǎn)振幅和特定頻率的交變能量的電路。共五十頁33.1 反饋(fnku)振蕩器原理反饋振蕩器：決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)+維持振蕩的正反饋放大器按照(nzho)選頻網(wǎng)絡(luò)所采用元件的不同,分 LC振蕩器 -高頻正弦波 RC振蕩器 -低頻正弦波 晶體振蕩器 -高頻正弦波正反饋放大器既可以由晶體管、場效應(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, 且工作頻率也可以做得更高。本章介紹高頻振蕩器時(shí)以分立器件為主, 介紹低頻振蕩器時(shí)以集成運(yùn)放為主。共

2、五十頁43.1 反饋(fnku)振蕩器原理反饋振蕩器原理(yunl)框圖必須滿足三個(gè)條件： 起振條件（保證接通電源后能逐步建立起振蕩） 平衡條件（保證進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)） 穩(wěn)定條件（保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞）。共五十頁53.1 反饋(fnku)振蕩器原理起振過程(guchng)與起振條件起振過程中, 直流電源補(bǔ)充的能量大于整個(gè)環(huán)路消耗的能量振幅起振條件相位起振條件AF共五十頁63.1 反饋(fnku)振蕩器原理平衡過程與平衡條件隨著振幅的增大, 放大器逐漸由放大區(qū)進(jìn)入非線性區(qū),其增益逐漸下降。當(dāng)放大器增益下降而導(dǎo)致(dozh)環(huán)路增益下降到時(shí), 振幅的增長過程將

3、停止, 振蕩器達(dá)到平衡, 進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。 振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)以后, 直流電源補(bǔ)充的能量剛好抵消整個(gè)環(huán)路消耗的能量。滿足起振和平衡條件的環(huán)路增益特性共五十頁73.1 反饋(fnku)振蕩器原理穩(wěn)定(wndng)條件：振幅穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件 A為穩(wěn)定平衡點(diǎn) B為不穩(wěn)定平衡點(diǎn)在穩(wěn)定平衡點(diǎn)A附近，環(huán)路增益T作為輸入電壓Ui的函數(shù)，應(yīng)具有負(fù)斜率共五十頁83.1 反饋(fnku)振蕩器原理為了(wi le)保證相位穩(wěn)定, 要求振蕩器的相頻特性T()在振蕩頻率點(diǎn)應(yīng)具有阻止相位變化的能力.相位穩(wěn)定條件同時(shí)也是頻率穩(wěn)定條件。 LC并聯(lián)回路阻抗的相頻特性和LC串聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是負(fù)斜率共五十頁93.1

4、反饋(fnku)振蕩器原理反饋振蕩電路判斷判斷一個(gè)反饋振蕩電路能否正常工作, 需考慮的幾點(diǎn)：可變?cè)鲆娣糯笃骷?yīng)有正確的直流偏置, 開始時(shí)應(yīng)工作在甲類狀態(tài), 便于起振;起振時(shí), T應(yīng)大于1。由于反饋網(wǎng)絡(luò)通常由無源器件組成(z chn), 反饋系數(shù)F小于1, 故A必須大于1。共射、共基電路都可以滿足;環(huán)路應(yīng)是正反饋;選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有負(fù)斜率的相頻特性。在振蕩頻率點(diǎn)附近, 可認(rèn)為放大器件本身的相頻特性為常數(shù), 而反饋網(wǎng)絡(luò)通常由變壓器、電阻分壓器或電容分壓器組成, 其相頻特性也可視為常數(shù)。所以相位穩(wěn)定條件應(yīng)該由選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。注意LC并聯(lián)回路阻抗的相頻特性和LC串聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是負(fù)斜率, 而LC并聯(lián)回

5、路導(dǎo)納的相頻特性和LC串聯(lián)回路阻抗的相頻特性是正斜率。 共五十頁103.1 反饋(fnku)振蕩器原理例：判斷下列各反饋(fnku)振蕩電路（交流等效電路）能否正常工作。解: 1、共射電路或共基電路 2、正反饋, 3、選頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有負(fù)斜率特性 共五十頁113.1 反饋(fnku)振蕩器原理 (a)圖由兩級(jí)共射反饋電路組成, 其瞬時(shí)極性如圖中所標(biāo)注, 所以是正反饋。 LC并聯(lián)回路(hul)同時(shí)擔(dān)負(fù)選頻和反饋?zhàn)饔? 且在諧振頻率點(diǎn)反饋電壓最強(qiáng)。 LC并聯(lián)回路輸入是V2管ic2, 輸出是反饋到V1管be兩端的電壓ube1, 所以應(yīng)采用其阻抗特性,滿足相位條件。 (b)圖共基-共集兩級(jí)反饋組成, 根據(jù)

6、瞬時(shí)極性判斷法, 如把LC并聯(lián)回路作為一個(gè)電阻看待, 則為正反饋。但并聯(lián)回路在諧振頻率點(diǎn)阻抗最大, 正反饋?zhàn)钊酢?LC并聯(lián)回路輸入是電阻Re2上的電壓, 輸出是電流, 所以應(yīng)采用導(dǎo)納特性。 由于并聯(lián)回路導(dǎo)納的相頻特性是正斜率, 所以不滿足相位穩(wěn)定條件。共五十頁123.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器根據(jù)瞬時(shí)極性判斷法，是正反饋。注意耦合電容Cb的作用。如果將Cb短路, 則基極將通過(tnggu)變壓器次級(jí)直流接地, 振蕩電路不能起振?；ジ旭詈闲蚅C振蕩器：共五十頁133.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器共五十頁143.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器三點(diǎn)式振蕩電路

7、(dinl)的原理電路(dinl)（交流電路(dinl)）電容三點(diǎn)式電路圖(a)電感三點(diǎn)式電路圖(b)共五十頁153.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器電路組成法則三個(gè)電抗元件X1，X2，X3分別(fnbi)與三極管的發(fā)射級(jí)、基極和集電極相連如果忽略三極管輸入阻抗和輸出阻抗，且回路品質(zhì)因數(shù)足夠高為滿足相位條件，Vf，V0必須反相所以， X1，X2同性質(zhì)電抗，X3為異性質(zhì)電抗共五十頁163.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器三點(diǎn)式振蕩器實(shí)際(shj)電路 起振相位條件：三點(diǎn)式電路保證 振幅起振條件：受靜態(tài)工作點(diǎn)影響，與管子參數(shù)相關(guān)，也與負(fù)載，反饋系數(shù)相關(guān)共五十頁173.2 反饋(

8、fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器共五十頁183.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器電感(din n)反饋振蕩器共五十頁193.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器電容(dinrng)三點(diǎn)式與電感三點(diǎn)式振蕩器各有優(yōu)缺點(diǎn)。線路簡單，易起振。電容三點(diǎn)式優(yōu)點(diǎn)：反饋電壓取自C2, 而電容對(duì)高次諧波呈現(xiàn)低阻抗, 所以反饋電壓中高次諧波分量很小, 因而輸出波形好, 接近于正弦波。缺點(diǎn)：反饋系數(shù)因與回路電容有關(guān), 如果用改變回路電容的方法來調(diào)整振蕩頻率, 必將改變反饋系數(shù), 從而影響起振。 電感三點(diǎn)式優(yōu)點(diǎn)：便于用改變電容的方法來調(diào)整振蕩頻率, 而不會(huì)影響反饋系數(shù) 缺點(diǎn)：反饋電壓取自L2, 而電感

9、線圈對(duì)高次諧波呈現(xiàn)高阻抗, 所以反饋電壓中高次諧波分量較多, 輸出波形較差。共五十頁203.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器例：如圖所示為三回路振蕩器的交流回路，f01，f02，f03為三個(gè)回路的固有諧振頻率。寫出它們(t men)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)。解串聯(lián)諧振的電抗特性曲線并聯(lián)諧振的電抗特性曲線共五十頁213.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器1.構(gòu)成(guchng)電容三點(diǎn)式振蕩電路共五十頁223.2 反饋(fnku)振蕩器LC正弦波振蕩器例：圖中是諧振回路多于三個(gè)電抗元件構(gòu)成的三點(diǎn)式LC振蕩電路的交流電路，判斷是

10、否(sh fu)滿足起振所需的相位條件。共五十頁233.3 反饋(fnku)振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定度影響頻率穩(wěn)定(wndng)的因素改善頻穩(wěn)度的措施長期、短期穩(wěn)定度、 瞬時(shí)穩(wěn)定度。減小外界因素的變化 提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性 選用參數(shù)高度穩(wěn)定的LC元件 減小不穩(wěn)定的寄生參量減少晶體管對(duì)振蕩頻率的影響 減小與回路之間的耦合穩(wěn)頻的主要措施有：共五十頁243.3 反饋(fnku)振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定度改進(jìn)型的電容三點(diǎn)式電路(dinl)：克拉潑（clapp）電路osc主要由C3決定。與C1、C2并聯(lián)的極間電容Cce、Cbe、Ccb對(duì)osc的影響大大減小，振蕩器的頻率穩(wěn)定性提高。共五十頁253.3 反饋(

11、fnku)振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定度 負(fù)載減小，放大器的開環(huán)增益相應(yīng)減小，而反饋系數(shù)保持不變，則環(huán)路(hun l)增益可能太小，而不能起振。 晶體管各端與回路的接入系數(shù)均小于1。晶體管寄生參量對(duì)選頻回路的影響大大減小。C3越小，接入系數(shù)越小，這種影響越小。 隨C3的減小，克拉撥電路的穩(wěn)定性提高，但起振條件越來越難滿足。 克拉撥電路常用做固定頻率或窄帶的振蕩器電路 接入C3，反饋系數(shù)不變， 但負(fù)載接在AB兩端共五十頁263.3 反饋(fnku)振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定度西勒振蕩器(Seiler)振蕩器工作頻率的改變通過調(diào)整C4實(shí)現(xiàn)。C4改變，C3不變，接入系數(shù)不變，對(duì)環(huán)路增益影響不大。展寬(zhn

12、kun)了振蕩器的工作頻段，穩(wěn)定性也得以提高。C4C3共五十頁273.3 反饋(fnku)振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定度小結(jié)以上介紹的LC振蕩器均是采用LC元件作為選頻網(wǎng)絡(luò)。由于LC元件的標(biāo)準(zhǔn)性較差, 因而諧振回路的Q值較低，空載Q值一般不超過300，有載Q值就更低,，所以LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高,，一般為10-3量級(jí)，即使(jsh)是克拉潑電路和西勒電路也只能達(dá)到10-4 10-5量級(jí)。如果需要頻率穩(wěn)定度更高的振蕩器, 可采用晶體振蕩器。 共五十頁283.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器石英晶振用石英晶體作為諧振回路元件接入振蕩電路固有頻率十分穩(wěn)定，Q值高，達(dá)幾千以上(yshng)振動(dòng)具

13、有多諧性, 即除了基頻振動(dòng)外, 還有奇次諧波泛音振動(dòng)基頻晶體泛音晶體通常在工作頻率大于20MHz時(shí)采用泛音晶體共五十頁293.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器頻率(pnl)穩(wěn)定度高：石英晶體諧振器2) 接入系數(shù) 很小, 外接元器件參數(shù)對(duì)石英晶振的影響很小。安裝電容C0約1pF10pF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)電阻 rq約幾十到幾百共五十頁303.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器石英(shyng)晶體諧振器基頻等效電路石英晶振電抗頻率特性 共五十頁313.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器標(biāo)稱(bio chn)頻率fN fN

14、的值位于fS與fp之間,是指石英晶振兩端并接某一規(guī)定負(fù)載電容CL時(shí)石英晶振的振蕩頻率。 CL的電抗頻率曲線如圖虛線所示。 負(fù)載電容CL的值載于生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書中, 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) 在實(shí)用時(shí), 一般需加入微調(diào)電容, 用以微調(diào)回路的諧振頻率, 保證電路工作在晶振外殼上所注明的標(biāo)稱頻率fN上。共五十頁323.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器并聯(lián)型晶體(jngt)振蕩電路（Parallel-Mode Crystal Oscillator）當(dāng)振蕩器的振蕩頻率在晶體的fS與fp之間時(shí)，晶體呈感性

15、，滿足電容三點(diǎn)式電路。共五十頁333.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器例：下圖是一個(gè)(y )數(shù)字頻率計(jì)晶振電路, 試分析其工作情況。 解: V1管高頻交流等效電路, 0.01F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)LC回路, 其諧振頻率為:共五十頁343.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器晶振工作頻率5MHz處, 此LC回路等效為一個(gè)電容(dinrng)?？梢? 這是一個(gè)皮爾斯振蕩電路, 晶振等效為電感, 容量為3pF10pF的可變電容起微調(diào)作用, 使振蕩器工作在晶振的標(biāo)稱頻率5MHz上。 共五十頁353.3 反

16、饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器串聯(lián)(chunlin)型晶體管振蕩電路（Series-Mode Crystal Oscillator） C1C3、C2、L構(gòu)成普通的電容三端式振蕩器，晶體接入反饋支路。 C1C3、C2、L組成并聯(lián)諧振回路，并調(diào)諧在晶體串聯(lián)諧振頻率fs。 石英晶體諧振阻抗最小，相移為0，形成正反饋，滿足幅度和相位條件，產(chǎn)成振蕩。共五十頁363.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器共五十頁37解3.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器共五十頁383.3 反饋(fnku)振蕩器石英晶體振蕩器共五十頁3.2 反饋(fnku)振蕩器正弦波振蕩器39LC振蕩(zhndng)工作頻

17、率為10.7MHz，晶振為10.245 MHz共五十頁403.4 反饋(fnku)振蕩器RC正弦波振蕩器RC振蕩器適用于振蕩頻率較低采用電阻和電容(dinrng)構(gòu)成選頻反饋網(wǎng)絡(luò)，其選頻特點(diǎn)是靠RC移相來滿足相位平衡條件而實(shí)現(xiàn)的振蕩器。RC振蕩器特點(diǎn)構(gòu)造簡單，經(jīng)濟(jì)方便，但頻率穩(wěn)定度較差，RC振蕩器的頻率范圍較低，為幾十KHz共五十頁413.4 反饋(fnku)振蕩器RC正弦波振蕩器RC 移相網(wǎng)絡(luò)(wnglu)RC導(dǎo)前移相網(wǎng)絡(luò)RC串聯(lián)導(dǎo)前網(wǎng)絡(luò)頻率特性該電路可實(shí)現(xiàn)090之間的相移，不同頻率對(duì)應(yīng)不同的相移值。截止頻率c 對(duì)應(yīng)的 相移(c )=45共五十頁423.4 反饋(fnku)振蕩器RC正弦波振

18、蕩器采用RC導(dǎo)前電路構(gòu)成(guchng)的RC振蕩電路如下：共五十頁433.4 反饋(fnku)振蕩器RC正弦波振蕩器RC滯后(zh hu)移相網(wǎng)絡(luò)RC滯后移相電路RC串聯(lián)滯后網(wǎng)絡(luò)頻率特性該電路可實(shí)現(xiàn)090之間的相移，不同頻率對(duì)應(yīng)不同的相移值。截止頻率c 對(duì)應(yīng)的 相移(c )=45共五十頁443.4 反饋(fnku)振蕩器RC正弦波振蕩器RC選頻網(wǎng)絡(luò)(wnglu)RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)RC串并聯(lián)選頻電路這種電路與LC諧振電路相比，品質(zhì)因數(shù)很低(Q1/3) ，帶寬很寬，選頻特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于LC選頻網(wǎng)絡(luò)。這是RC網(wǎng)絡(luò)共有的特點(diǎn)，所以利用RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩器波形質(zhì)量差。共五十頁453.4 反饋(fnku)振蕩器RC正弦波振蕩器串并聯(lián)RC振蕩電路(zhn dn din l)集成運(yùn)放接成同相放大器，RC串并聯(lián)提供零相移，環(huán)路才能滿足相位平衡條件：共五十頁463.4 反饋(fnku)振蕩器RC正弦波振蕩器共五十頁473.4 反饋(fnku)振蕩器RC正弦波振蕩器例