【學(xué)習(xí)課件】第3章正弦波振蕩器

1、第3章 正弦波振蕩器1ppt課件 3.1 概述 3.2 振蕩器的基本工作原理 3.3 LC正弦波振蕩電路 3.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度2ppt課件3.1 概述一.自激振蕩的概念 自激振蕩：是指在沒有外加信號(hào)的作用下，電路能自動(dòng)產(chǎn)生交流信號(hào)的現(xiàn)象。 可以將直流電源的能量自行轉(zhuǎn)換為交流振蕩的能量，不需要外界激勵(lì)就能自動(dòng)的將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率和一定振幅的正弦的交流電能的電路就稱為自激振蕩電路。 3ppt課件二.振蕩器和放大器的異同 共性： 二者都是變直流能為交流能的部件。它們 的輸出交流能量都來自供給晶體管集電極的直流電源。因此，二者都是能量轉(zhuǎn)換器。 不同：放大器需要一個(gè)外來的輸入信號(hào)源激勵(lì)。

2、振蕩器需要的激勵(lì)電壓則取自輸出電壓的 一部分，不靠外界供給。 4ppt課件三.振蕩器的分類 按輸出波形分 按選頻回路元件分 按原理、性質(zhì)分 5ppt課件四.振蕩器的用途 1.在信息傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用在發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生“載波”在接收機(jī)中產(chǎn)生“本地振蕩”2.在各種無線電測量儀器中應(yīng)用正弦波信號(hào)發(fā)生器各種數(shù)字式測量儀定時(shí)系統(tǒng)中用作時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)3.醫(yī)用電療儀中，用高頻加熱 6ppt課件3.2 振蕩器的基本原理自激振蕩的基本原理反饋振蕩原理反饋振蕩器的振蕩條件7ppt課件3.2.1自激振蕩的基本原理LC回路中的振蕩現(xiàn)象等幅振蕩S接“1”：電源E向回路電容C充電S接“2”：電容C通過L放電8ppt課件問題 怎樣

3、才能維持持續(xù)的等幅振蕩呢？采用“負(fù)電阻”；從外部能源中獲取 ：放大器的輸出反饋至輸入； 結(jié)論 內(nèi)因 LC的自由振蕩 外因 采用能量補(bǔ)充的方法，以抵消或補(bǔ) 償回路的損耗9ppt課件3.2.2 反饋振蕩原理通過調(diào)諧放大器的工作過程分析其能量是如何補(bǔ)充的。將放大器改為振蕩器，理解反饋振蕩器的工作原理。10ppt課件反饋振蕩器的組成方框圖3.2.3 反饋振蕩器的振蕩條件 利用正反饋方法獲得等幅的正弦波振蕩，這就是反饋振蕩器的基本原理。反饋振蕩器由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的一個(gè)閉合環(huán)路，如圖。反饋網(wǎng)絡(luò)一般由無源器件組成。 一個(gè)反饋振蕩器必須滿足三個(gè)條件：起振條件（保證接通電源后能建立起振蕩），平衡條件（保證

4、進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)）和穩(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）。11ppt課件一、振蕩的建立過程電路中的初始擾動(dòng)將產(chǎn)生微弱的電信號(hào) ，利用如此周而復(fù)始下去，其過程可以用下列循環(huán)表示反饋，產(chǎn)生的 反送到放大器的輸入端作為新的 ，放大后，主網(wǎng)絡(luò)輸出 ，再經(jīng)過反饋網(wǎng)絡(luò) 放大器12ppt課件當(dāng) 增加到一定值時(shí)，放大器的放大倍數(shù) 降低，從而出現(xiàn)下面的循環(huán)過程晶體管將出現(xiàn)飽和截止，使最終將使 保持恒定不變，從而形成等幅持續(xù)振蕩。13ppt課件 根據(jù)左圖知，各信號(hào)電壓具有如下關(guān)系 所以 環(huán)路增益： 反饋型振蕩器組成框圖14ppt課件二、起振條件 由振蕩建立過程的起振循環(huán)得出，使振

5、幅不斷增長的條件（起振條件）是 即起振條件為：或 或表示為 或 （n=0,1,2,） 15ppt課件三、平衡條件持續(xù)振蕩。所以，維持等幅振蕩的平衡條件為或表示為 當(dāng) 時(shí)（非線性階段），電路維持等幅16ppt課件則必須維持在上，即保證為正反饋。 滿足起振條件和平衡 條件的環(huán)路增益特性 根據(jù)振幅起振條件和平衡條件，環(huán)路增益的模值應(yīng)該具有隨振幅 由于一般放大器的增益特性曲線均具有如圖所示的形狀，所以這一條件很容易得到滿足，只要保證起振時(shí)環(huán)路增益幅值大于即可。而環(huán)路增益的相位 增大而下降的特性, 如圖所示。17ppt課件結(jié)論：振蕩器起振時(shí)， 迅速增長，而后 振蕩建立過程的波形下降， 的增長速度變慢，直

6、到 時(shí)，停止增長，振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)。在相應(yīng)的振幅在 上維持等幅振蕩。如圖所示。18ppt課件四、振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件 平衡狀態(tài)的穩(wěn)定是指當(dāng)平衡條件遭到破壞后，電路能夠在原平衡點(diǎn)附近重新建立起新的平衡。1.振幅穩(wěn)定條件：在平衡點(diǎn)A處， 由A點(diǎn)知 當(dāng)外界因素的影響，使 時(shí)，由圖知， 造成 下降，從而 降低， 滿足起振條件和平衡 條件的環(huán)路增益特性 降低而回到 點(diǎn)。最終19ppt課件所以，得到振蕩器振幅穩(wěn)定的條件是： 即在平衡點(diǎn)附近，環(huán)路增益的幅頻特性具有負(fù)斜率變化的規(guī)律。同理，當(dāng)外界因素的影響，使 時(shí)，由圖知， 造成 增加，從而 升高，最終 增加而回到 點(diǎn)。 滿足起振條件和平衡條件的環(huán)路增益

7、特性20ppt課件2、相位（頻率）穩(wěn)定條件在討論相位穩(wěn)定條件之前，有兩點(diǎn)需要說明： 任何正弦振蕩 的角頻率與相位 的內(nèi)在關(guān)系是： 這就是說，相位變化必然引起頻率變化。在相同時(shí)間內(nèi)，相位超前，意味著頻率必然上升；相位滯后，必然是頻率下降，因此振蕩器的相位穩(wěn)定條件也就是振蕩器的頻率穩(wěn)定條件。 一個(gè)正弦波振蕩器的角頻率 值是根據(jù)其相位平衡條件求出的，也就是說在此頻率 處，經(jīng)過一個(gè)循環(huán)，反饋振蕩器的反饋電壓 與 相位相差 ，環(huán)路增益的相位為 （或者為 , =0,1,2.3）。 21ppt課件 相位（頻率）穩(wěn)定條件是指當(dāng)相位平衡條件遭到破壞時(shí)，電路本身能重建新的平衡的條件。 （1）設(shè)在 處 （2）由于外

8、界因素的影響，使 A、當(dāng) 0時(shí)，說明 超前 一個(gè) 相角，使每次經(jīng)過放大和反饋后， 一次比一次超前 ，振蕩周期縮短振蕩頻率升高。 22ppt課件所以振蕩頻率隨 的變化關(guān)系為： 又知： 本身是頻率的函數(shù)，當(dāng) 變化時(shí)， 變化，若使 隨 的變化具有則可抵消外界因素的影響。 負(fù)斜率變化的特性，即B、當(dāng) 0 時(shí)，說明 一個(gè) 相角，滯后 使每次經(jīng)過放大和反饋后 一次比一次滯后 ，使振蕩周期增長，頻率降低。 特性 滿足相位穩(wěn)定條件的 23ppt課件在振蕩器的平衡條件的分析中，已知 由兩部 分組成：放大器輸出電壓 對(duì)輸入電壓 的相移 放大管產(chǎn)生的相移， 并聯(lián)諧振回路的相移）對(duì) 的相移 ，即 反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電壓

9、24ppt課件其中 和 幾乎不隨頻率而變，所以有因此， 隨 的變化特性可代表 隨 或者說，只要選頻網(wǎng)絡(luò)具有負(fù)斜率變化的相頻特性，即的變化特性。振蕩電路就可滿足相位穩(wěn)定條件。25ppt課件3.3 LC正弦波電路 互感耦合LC振蕩電路 三點(diǎn)式LC振蕩電路 26ppt課件 3.3.1 互感耦合式振蕩電路 LC振蕩器按其反饋網(wǎng)絡(luò)的不同，可分為互感耦合振蕩器、電感反饋式振蕩器和電容反饋式振蕩器三種類型。 互感耦合振蕩器是依靠線圈之間的互感耦合實(shí)現(xiàn)正反饋的，耦合線圈同名端的正確位置的放置，選擇合適的耦合量M，使之滿足振幅起振條件很重要。 互感耦合振蕩器有三種形式：調(diào)基電路、調(diào)集電路和調(diào)發(fā)電路，這是根據(jù)振蕩

10、回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來區(qū)分的。 本部分內(nèi)容重點(diǎn)介紹不同型式的反饋型LC振蕩器，以三點(diǎn)式振蕩器作為重點(diǎn)。27ppt課件 由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。 調(diào)基電路振蕩頻率在較寬的范圍改變時(shí)，振幅比較平衡。調(diào)基電路(a) 調(diào)基電路28ppt課件調(diào)集電路在高頻輸出方面比其它兩種電路穩(wěn)定，而且幅度較大，諧波成分較小。（b）調(diào)集電路調(diào)集電路29ppt課件 由于基極和發(fā)射極之間的輸入阻抗比較低，為了避免過多地影響回路的Q值，故在調(diào)基和調(diào)發(fā)這兩個(gè)電路中，晶體管與振蕩回路作部分耦合。（c）調(diào)發(fā)電路調(diào)

11、發(fā)電路30ppt課件優(yōu)點(diǎn)：易起振，輸出電壓較大，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)頻方便，且調(diào)頻時(shí)輸出電壓變化不大，常用于收音機(jī)中本振。缺點(diǎn)：互感耦合振蕩器在調(diào)整反饋(改變M)時(shí)，基本上不影響振蕩頻率。由于互感耦合元件分布電容的存在，使高頻時(shí)分布電容影響大，輸出波形不好，頻率穩(wěn)定性差，在頻率較高時(shí)，難于做出穩(wěn)定性高的變壓器。因此，它們的工作頻率不宜過高，一般應(yīng)用于中、短波波段。31ppt課件3.3.2 三點(diǎn)式LC振蕩電路 LC三端式振蕩器組成法則 電感三點(diǎn)式振蕩電路 電容三點(diǎn)式振蕩電路32ppt課件1.LC三端式振蕩器組成法則(相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則)三端式振蕩器的原理電路三端式LC振蕩器是一種反饋式LC振蕩器。當(dāng)

12、回路元件的電阻很小，可以忽略其影響，同時(shí)也忽略三極管的輸入阻抗與輸出阻抗的影響，則電路要振蕩必須滿足條件： xbe+xce+xcb=0電路特點(diǎn)簡言之就是“ce，be同抗件，cb反抗件”。以此準(zhǔn)則可迅速判斷振蕩電路組成是否合理，能否起振。也可用于分析復(fù)雜電路與寄生振蕩現(xiàn)象。33ppt課件 (a) 共發(fā)電感反饋三端式振蕩器電路(b) 等效電路電感三端式振蕩電路由Y參數(shù)等效電路可以推導(dǎo)，電感反饋三端電路的起振條件電感反饋三端電路的振蕩頻率為2.電感反饋三端式振蕩器(哈特萊電路)34ppt課件哈特萊電路的優(yōu)點(diǎn)： 1、L1、L2之間有互感，反饋較強(qiáng)，容易起振；電路的缺點(diǎn)：1、振蕩波形不好，因?yàn)榉答侂妷菏?/p>

13、在電感上獲得， 而電感對(duì)高次諧波呈高阻抗，因此對(duì)高次諧波的 反饋較強(qiáng)，使波形失真大；2、電感反饋三端電路的振蕩頻率不能做得太高，這 是因?yàn)轭l率太高，L太小且分布參數(shù)的影響太 大。2、振蕩頻率調(diào)節(jié)方便，只要調(diào)整電容C的大小即可。3、而且C的改變基本上不影響電路的反饋系數(shù)。35ppt課件3.電容反饋三端振蕩器(考畢茲電路)電容三端式振蕩電路可推導(dǎo)電容反饋三端電路的起振條件電容反饋三端電路的振蕩頻率36ppt課件考畢茲電路的優(yōu)點(diǎn)：1）電容反饋三端電路的優(yōu)點(diǎn)是振蕩波形好。2）電路的頻率穩(wěn)定度較高，適當(dāng)加大回路的電容量，就可 以減小不穩(wěn)定因素對(duì)振蕩頻率的影響。3）電容三端電路的工作頻率可以做得較高，可直

14、接利用振 蕩管的輸出、輸入電容作為回路的振蕩電容。它的工作 頻率可做到幾十MHz到幾百M(fèi)Hz的甚高頻波段范圍。電路的缺點(diǎn)： 調(diào)C1或C2來改變振蕩頻率時(shí)，反饋系數(shù)也將改變。但只要在L兩端并上一個(gè)可變電容器，并令C1與C2為固定電容，則在調(diào)整頻率時(shí)，基本上不會(huì)影響反饋系數(shù)。37ppt課件例1 試判斷下列各圖所示的交流等效電路中，哪些可能產(chǎn)生振蕩？哪些不能產(chǎn)生振蕩？(a)(b)(c)(d)(e)(f)38ppt課件例2 下圖表示三回路振蕩器的交流等效電路，假定有以下六種情況，即： 試問哪幾種情況可能振蕩？等效為哪種類型的振蕩電路？其振蕩頻率與各回路的固有諧振頻率之間有什么關(guān)系？39ppt課件作業(yè)

15、利用相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則，判斷下圖所示的三點(diǎn)式振蕩器交流等效電路，哪個(gè)不可能振蕩，哪個(gè)有可能振蕩，屬于哪種類型的振蕩電路，有些電路應(yīng)說明在什么條件下才能振蕩。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)40ppt課件3.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定問題 頻率穩(wěn)定，就是在各種外界條件發(fā)生變化的情況下，要求振蕩器的實(shí)際工作頻率與標(biāo)稱頻率間的偏差及偏差的變化最小。 振蕩器的頻率穩(wěn)定度則是指在一定時(shí)間間隔內(nèi)，由于各種因素變化，引起的振蕩頻率相對(duì)于標(biāo)稱頻率變化的程度。絕對(duì)準(zhǔn)確度相對(duì)準(zhǔn)確度41ppt課件 短期頻率穩(wěn)定度主要與溫度變化、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定性等因素有關(guān)。長期頻率穩(wěn)定度主要取決于有源器件

16、和電路元件及石英晶體的老化特性，與頻率的瞬間變化無關(guān)。而瞬間頻率穩(wěn)定度主要是由于頻率源內(nèi)部噪聲而引起的頻率起伏，它與外界條件和長期頻率穩(wěn)定度無關(guān)。42ppt課件一、影響頻率穩(wěn)定度的因素1. 振蕩回路參數(shù)對(duì)頻率的影響因?yàn)檎袷庮l率其相對(duì)頻率變化量為2. 回路品質(zhì)因素Q值對(duì)頻率的影響如右圖，Q值越高，則相同的相角變化引起頻率偏移越小。43ppt課件3. 有源器件的參數(shù)對(duì)頻率的影響 振蕩管為有源器件，若它的工作狀態(tài)(電源電壓或周圍溫度等)有所改變，則由式 如果晶體管參數(shù)h與hi將發(fā)生變化，即引起振蕩頻率的改變。 另外， 當(dāng)外界因素(如電源電壓、溫度、濕度等)變化時(shí)，這些參數(shù)隨之而來的變化就會(huì)造成振蕩器

17、頻率的變化。44ppt課件二、振蕩器穩(wěn)定頻率的方法1. 減小外因變化，根除“病因”減小溫度的變化，可將振蕩器放在恒溫槽內(nèi)；另使振 蕩器遠(yuǎn)離熱源，如采用正、負(fù)溫度系數(shù)不同的L、C，抵消L、C。減小電源的變化，采用二次穩(wěn)壓電源供電；或者振蕩器采取單獨(dú)供電。3) 減小濕度和大氣壓力的影響，通常將振蕩器密封起來。4) 減小磁場感應(yīng)對(duì)頻率的影響，對(duì)振蕩器進(jìn)行屏蔽。45ppt課件5) 消除機(jī)械振動(dòng)的影響 通?？杉酉鹌|圈作減振器。減小負(fù)載的影響，在振蕩器和下級(jí)電路之間加緩沖 器，提高回路Q值；本級(jí)采用低阻抗輸出，本級(jí)輸出與下一級(jí)采取松耦合；采取克拉潑或西勒電路，減弱晶 體管與振蕩回路之間耦合，使折算到回路

18、內(nèi)的有源器件參數(shù)減小，提高回路標(biāo)準(zhǔn)性，提高頻率穩(wěn)定度。46ppt課件 2. 提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性 所謂回路的標(biāo)準(zhǔn)性即指振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持其固有諧振頻率不變的能力。 要提高回路標(biāo)準(zhǔn)性即要減小L和C，因此可采取優(yōu)質(zhì)材料的電感和電容。 3. 減小相角AF及其變化量AF 為使振蕩器的頻率穩(wěn)定度高，則要求AF的數(shù)值小，且變化量小。 可使振蕩器的工作頻率比晶體管的的特性頻率低很多，即ffT并選用電容三端式振蕩電路，使振蕩波形良好。47ppt課件串聯(lián)型改進(jìn)電容三端式振蕩器(克拉潑電路)（a）克拉潑電路的實(shí)用用電路（b）高平等效電路因?yàn)镃3遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于C1或C2，所以三電容串聯(lián)后的等效電容振蕩角頻率故克拉潑電路的振蕩頻率幾乎與C1、C2無關(guān)。48ppt課件(1)由于Cce、Cbe的接入系數(shù)減小，晶體管與諧振回路是松耦合。(2)調(diào)整C1 C2的值可以改變反饋系數(shù),但對(duì)諧振頻率的影響很小。 由于放大倍數(shù)與頻率的立方成反比，故隨