高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章-正弦波振蕩器

第4章正弦波振蕩器

概述反饋型LC振蕩原理反饋型LC振蕩器振蕩器的頻率穩(wěn)定原理高穩(wěn)定度的LC振蕩器晶體振蕩電路

RC正弦波振蕩器

1高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器4.1概述一、振蕩器的功能在無(wú)輸入信號(hào)情況下，將電源的直流能量轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定波形和一定振幅的交流信號(hào)能量輸出。二、振蕩器與放大器的區(qū)別振蕩器：不需外加激勵(lì)信號(hào)相同點(diǎn)：直流能量交流能量不同點(diǎn)：放大器：需外加的激勵(lì)信號(hào)2高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器振蕩器正弦波非正弦波：反饋型振蕩器負(fù)阻型振蕩器

LC振蕩器

晶體振蕩器

RC振蕩器三、振蕩器的分類(lèi)產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波等負(fù)阻器件+振蕩回路（正反饋原理）3高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器四、正弦波振蕩器的用途高頻加熱設(shè)備醫(yī)療儀器發(fā)射機(jī)(載波頻率fc)接收機(jī)(本地振蕩頻率fL)數(shù)字系統(tǒng)：時(shí)鐘信號(hào)通信系統(tǒng)：測(cè)量?jī)x器：信號(hào)源高頻能源：五、主要技術(shù)指標(biāo)振蕩頻率、振蕩波形、振蕩幅度、頻率穩(wěn)定度4高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器4.2反饋型LC振蕩原理定義：從放大器的輸出信號(hào)中取出一部分反饋到輸入端作為輸入信號(hào)，無(wú)需外部提供激勵(lì)信號(hào)，能產(chǎn)生等幅正弦波輸出稱(chēng)為反饋型振蕩器。一、反饋型正弦波振蕩器的組成

正反饋網(wǎng)絡(luò)

放大器

（選頻網(wǎng)絡(luò)）5高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器組成：放大器──是對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行放大；正反饋網(wǎng)絡(luò)──是將輸出回路中的能量取出一部分加 到放大器的輸入端；選頻網(wǎng)絡(luò)──是獲得單一確定的振蕩頻率；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)──使振蕩的輸出穩(wěn)定。內(nèi)穩(wěn)幅外穩(wěn)幅利用放大器件的非線性6高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器二、振蕩的建立與起振條件放大器的電壓增益：反饋系數(shù)：這時(shí)調(diào)諧放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了自激振蕩器。環(huán)路增益調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)－＋－＋－＋7高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器起振條件：n=0,1,2…振幅起振條件相位起振條件增幅振蕩正反饋－＋－＋調(diào)諧放大器反饋網(wǎng)絡(luò)8高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器三、振蕩的平衡條件剛起振時(shí)，起始偏壓為正偏置電路的偏置電壓為：IEUB+UE_+UBE_－＋－＋9高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器UoOA

振蕩特性反饋特性10高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器n=0,1,2…振幅平衡條件相位平衡條件

平衡條件：等幅振蕩丙類(lèi)乙類(lèi)甲乙類(lèi)甲類(lèi)???

放大器進(jìn)入平衡的原因：（1）放大器固有的非線性特性（2）自給偏壓效應(yīng)

從起振到平衡，放大器工作狀態(tài)的變化:11高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器

晶體管

反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)平衡條件的另一種表示形式：振幅平衡條件:相位平衡條件:12高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器四、振蕩器平衡狀態(tài)的穩(wěn)定條件1)穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡2)振蕩器的穩(wěn)定平衡因某一外因的變化，振蕩的原平衡條件遭到破壞，振蕩器能在新的條件下建立新的平衡，當(dāng)外因去掉后，電路能自動(dòng)返回原平衡狀態(tài)。滿(mǎn)足這樣條件的平衡稱(chēng)為穩(wěn)定平衡。13高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器3）振幅平衡的穩(wěn)定條件UoOA

Q外因變化F1/FQ1AF>1（增幅振蕩）輸出增大Q1點(diǎn)達(dá)到新的平衡外因消失FAF<1（減幅振蕩）輸出減小回到原平衡狀態(tài)Q點(diǎn)1/F穩(wěn)定B點(diǎn)不穩(wěn)定：外因變化AF>1（增幅振蕩）輸出增大Q1點(diǎn)達(dá)到新的平衡F1/FQ1外因消失AF<1（減幅振蕩）輸出減小回到Q點(diǎn)達(dá)到平衡FQ點(diǎn)穩(wěn)定：軟激勵(lì)

硬激勵(lì)振幅的穩(wěn)定條件：（應(yīng)避免）14高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器tui4）相位平衡的穩(wěn)定條件頻率隨相位變化的關(guān)系：頻率與相位的關(guān)系：（頻率的穩(wěn)定條件）信號(hào)周期信號(hào)頻率信號(hào)頻率信號(hào)周期15高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器Oωωo0)(<??@?++?\wjwjjjZFZY

相位平衡的穩(wěn)定條件：

即要求選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性曲線在工作頻率附近應(yīng)具有負(fù)斜率。實(shí)際中的并聯(lián)LC諧振回路正好具有這種相頻特性。16高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器總結(jié)1)正弦振蕩器工作條件包括起振條件：平衡條件：穩(wěn)定條件：保證振蕩器從無(wú)到有建立起振蕩保證振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)，產(chǎn)生持續(xù)的等幅振蕩保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞

振幅穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件17高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器2)振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在軟激勵(lì)狀態(tài)4)判斷能否產(chǎn)生正弦振蕩的方法

a)

是否可能振蕩——首先看電路供電是否正確；二是看是否滿(mǎn)足相位平衡條件（正反饋）

b)

是否起振——看是否滿(mǎn)足振幅起振條件

c)是否產(chǎn)生正弦波——看是否有正弦選頻網(wǎng)絡(luò)3)從振蕩到平衡是由晶體管非線性與自給反偏壓共同作用的結(jié)果，稱(chēng)為內(nèi)穩(wěn)幅；需要外加穩(wěn)幅電路的稱(chēng)為外穩(wěn)幅18高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器4.3反饋型LC振蕩器以LC諧振回路作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱(chēng)為L(zhǎng)C正弦波振蕩器LC振蕩器互感耦合電感三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式19高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器一、互感耦合LC振蕩器

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(mǎn)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)射電路，這是根據(jù)振蕩回路是在集電極電路、基極電路和發(fā)射極電路來(lái)區(qū)分的。判斷相位平衡條件是否滿(mǎn)足的方法：通常采用瞬時(shí)極性法。20高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器共基調(diào)集型bce高頻旁路電容1)

判斷是否可能振蕩的基本準(zhǔn)則：是否是正反饋。正反饋系數(shù):振蕩頻率:2)是否能起振：取決于變壓器是否有足夠的耦合量M方法：瞬時(shí)極性法21高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器共e調(diào)b型bce高頻旁路電容－共b調(diào)e型高頻旁路電容ebc－－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。但由于分布電容的存在，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(guò)高，一般應(yīng)用于中、短波波段。22高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器二、電容反饋式振蕩器(考畢茲電路)1、電路結(jié)構(gòu)直流通路交流等效電路電容三點(diǎn)式振蕩器becC1C2L反饋信號(hào)取自C2兩端23高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器2、相位平衡條件

用矢量法分析其交流通路是否滿(mǎn)足相位平衡條件，即分析電路是否為正反饋。+--++-24高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器3、起振條件分析起振條件時(shí)可以利用高頻小信號(hào)放大器的分析法。

（1）電壓增益25高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器

（2）反饋系數(shù)（忽略各個(gè)g的影響）（3）起振條件

①

滿(mǎn)足起振條件是選取晶體管的

②從輸出電導(dǎo)和負(fù)載電導(dǎo)的影響看，F(xiàn)越大越容易起振，從輸入電導(dǎo)看，F(xiàn)不能太大。因而兼顧二者，F(xiàn)一般選取0.1-0.5。26高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器4、振蕩頻率振蕩頻率一般可以利用相位平衡條件求解。

在忽略、、等的影響，可得近似式為若忽略晶體管輸入電容和輸出電容的影響27高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器三、電感反饋式振蕩器(哈特萊電路)1、電路結(jié)構(gòu)電感三點(diǎn)式振蕩器becCbceeL2L1b反饋信號(hào)取自L2兩端28高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器becL2L1C2、相位平衡條件+--++-3、起振條件反饋系數(shù):若忽略互感M的影響則有：4、振蕩頻率29高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器四、電感三點(diǎn)式與電容三點(diǎn)式的比較頻率不易調(diào)（調(diào)L，調(diào)節(jié)范圍?。┤秉c(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)高次諧波成分小，輸出波形好(2)振蕩頻率可以做得很高缺點(diǎn)：(2)振蕩頻率不能太高（1）輸出波形差優(yōu)點(diǎn)：頻率易調(diào)（調(diào)C）30高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器五、LC三點(diǎn)式振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則bce(1)Xbe、Xce應(yīng)為同性質(zhì)的電抗元件；(2)Xcb

與Xce、Xbe的電抗性質(zhì)相反。結(jié)論：射同集（基）反(3)對(duì)于振蕩頻率，應(yīng)滿(mǎn)足：31高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器例1

判斷下圖電路能否振蕩，能振蕩的屬于哪種類(lèi)型振蕩器。32高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器分析：33高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器34高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器(e)經(jīng)判斷滿(mǎn)足相位平衡條件，故可能振蕩，為共基調(diào)射型互感耦合振蕩器。⊕○1⊕○2○3○45⊕(f)經(jīng)判斷滿(mǎn)足相位平衡條件，故可能振蕩，為共射調(diào)基型互感耦合振蕩器。⊕⊕⊕⊕35高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器例236高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器例3z90o-90o0o0LC37高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器z90o-90o0o0LC38高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器4.4振蕩器的頻率穩(wěn)定原理一、頻率穩(wěn)定度的定義

頻率穩(wěn)定度的定義：39高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器按照時(shí)間間隔長(zhǎng)短的不同，頻率穩(wěn)定度分為一天以上乃至幾個(gè)月內(nèi)振蕩頻率相對(duì)變化量主要由于器件老化。一天之內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化量主要由于溫度、電源電壓等外界因素變化長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度短期頻率穩(wěn)定度瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度秒或毫秒內(nèi)振蕩頻率的相對(duì)變化量由電路內(nèi)部噪聲或突發(fā)性干擾引起。中波廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為電視發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為~40高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器?二、頻率不穩(wěn)定的原因

晶體管

反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)uiic1uc1uf41高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器?二、頻率不穩(wěn)定的原因

晶體管

反饋網(wǎng)絡(luò)

LC選頻網(wǎng)絡(luò)uiic1uc1uf振蕩頻率：并聯(lián)諧振回路的相角：、42高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器具體分析導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定的因素：(3)負(fù)載變化——影響回路Q(chēng)值（1）LC回路參數(shù)不穩(wěn)定溫度機(jī)械振動(dòng)（2）晶體管參數(shù)不穩(wěn)定溫度電源電壓43高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器三、振蕩器的穩(wěn)頻措施2、提高振蕩回路的標(biāo)準(zhǔn)性1、減小外界因素變化的影響溫度的影響

采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源

采用金屬屏蔽罩

采用減震器在振蕩器和負(fù)載之間加緩沖器電壓的影響負(fù)載的影響電磁場(chǎng)的影響振動(dòng)的影響將振蕩回路或整個(gè)振蕩器置于恒溫槽44高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器三、振蕩器的穩(wěn)頻措施3、提高回路的品質(zhì)因數(shù)4、選用高穩(wěn)定度的振蕩電路據(jù)LC回路的特性,Q值越大,相頻特性曲線越陡峭,相位越穩(wěn)定。如克拉波振蕩電路、西勒振蕩電路、石英晶體振蕩電路。45高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器4.5高穩(wěn)定度的LC振蕩器一、一般電容三點(diǎn)式振蕩電路的穩(wěn)定性分析

工作狀態(tài)和外界條件的變化都會(huì)改變Cie和Coe的值，從而改變振蕩頻率f0，導(dǎo)致f0不穩(wěn)定。46高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器二、串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（克拉潑振蕩器CLAPP）C3<<C1

，C3<<C2

振蕩頻率：優(yōu)點(diǎn)：頻率可調(diào)47高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器克拉潑振蕩器的缺點(diǎn)：

波段范圍不寬，波段內(nèi)輸出幅度不平穩(wěn)，波段覆蓋系數(shù)一般約為1.2-1.3,實(shí)際中常用于固定頻率振蕩器。

.CLAPP電路的主要缺點(diǎn)是：頻率不能太高，48高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器三、并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器（西勒振蕩器Seiler）C3<<C1

，C3<<C2振蕩頻率：bce49高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器改進(jìn)：克拉波電路中是改變C3來(lái)調(diào)節(jié)頻率，而C3的改變會(huì)影響接入系數(shù)P，從而可能導(dǎo)致停振。但西勒電路中，改變C4來(lái)調(diào)節(jié)頻率，而C4的改變不會(huì)影響接入系數(shù)P。相對(duì)克拉潑振蕩器的改進(jìn)之處：

故西勒電路的優(yōu)點(diǎn)：振蕩頻率可以很高，且在波段內(nèi)振幅比較穩(wěn)定，調(diào)諧范圍比較寬，實(shí)際中常用于波段振蕩器。50高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器例：-+-+分析：本題是一個(gè)西勒電路。51高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器52高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器4.6晶體振蕩電路以石英諧振器作選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱(chēng)為石英晶體振蕩器

其頻率穩(wěn)定度可達(dá)~，而LC回路的一般不超過(guò)因?yàn)槭⒅C振器具有極高的Q值和良好的穩(wěn)定性53高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器一、石英晶體及其特性

從一塊晶體上按一定的方位角切割成的薄片稱(chēng)為晶片化學(xué)成分：SiO21.石英晶體的結(jié)構(gòu)和基本特性基本特性：壓電效應(yīng)極板間加電場(chǎng)晶體產(chǎn)生機(jī)械變形反壓電效應(yīng)：

正壓電效應(yīng)：極板間加機(jī)械力晶體產(chǎn)生電場(chǎng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大。壓電諧振當(dāng)晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)一定時(shí)，它本身有一固定的機(jī)械振動(dòng)頻率。54高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器2.石英晶體的等效電路

Lq:動(dòng)態(tài)電感,表征質(zhì)量幾十mH

～幾百Hrq:動(dòng)態(tài)電阻,表征摩擦損耗幾～幾百歐JT符號(hào)等效電路

C0:靜態(tài)電容,約2～5PF

故晶體Q值很高，一般為幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)

Cq:動(dòng)態(tài)電容,表征彈性55高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器JT符號(hào)等效電路串聯(lián)諧振頻率:并聯(lián)諧振頻率：通常所以56高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器3.石英晶體的電抗特性fXfPfq容性容性感性忽略時(shí)，總阻抗為呈感性呈容性相當(dāng)于短路X=0相當(dāng)于開(kāi)路X<0X>057高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器4、石英晶體的使用注意事項(xiàng)標(biāo)稱(chēng)頻率fNJTCL負(fù)載電容:外接一定的負(fù)載電容CL時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率58高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器二、晶體振蕩器并聯(lián)型晶體振蕩器串聯(lián)型晶體振蕩器

fq<f<

fp，晶體作電感元件使用f=fq

，晶體作短路元件使用59高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器1、并聯(lián)型晶體振蕩器皮爾斯密勒兩種基本類(lèi)型電路60高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器典型皮爾斯電路負(fù)載電容CL回路總電容調(diào)節(jié)C3可使其工作在標(biāo)稱(chēng)頻率上61高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器2、串聯(lián)型晶體振蕩器JT62高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器舉例：63高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器

機(jī)械振動(dòng)的諧波稱(chēng)為泛音。

利用基頻振動(dòng)稱(chēng)為基頻晶體，利于泛音振動(dòng)稱(chēng)為泛音晶體。

石英晶體基頻越高，晶片越薄，加工難并易碎，故要求頻率高時(shí)使用泛音頻率。多用三次和五次的。奇次3、泛音晶體振蕩器晶體完整的等效電路64高頻電子線路陽(yáng)昌漢版第4章_正弦波振蕩器L1C1回路電抗曲線CL3、泛音晶體振蕩器（1）對(duì)基頻和三次泛音，回路呈感性，使電路不滿(mǎn)足振蕩的相位條件，不能產(chǎn)生振蕩。要構(gòu)成5MHz五次泛音晶體振蕩器，則f01（2）對(duì)五次泛音頻率呈容性，使電路構(gòu)成電容三點(diǎn)式振蕩器。（3）對(duì)七次及以上泛音，電路雖也構(gòu)成電容三點(diǎn)式，但L1C1回路的等效容抗減小，不能滿(mǎn)足振幅起振條件，