正弦波振蕩器15013課件

3.1概述3.2反饋振蕩器的工作原理3.3LC正弦波振蕩器3.４晶體振蕩器3.５RC正弦波振蕩器第3章正弦波振蕩器

3.1概述

振蕩器:

自動(dòng)地將直流電源能量轉(zhuǎn)換為一定波形的交流信號(hào)能量的電路。與放大器的區(qū)別：無(wú)需外加激勵(lì)信號(hào)正弦波振蕩器：產(chǎn)生正弦波分類(lèi)非正弦波振蕩器：產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等。本章僅介紹正弦波振蕩器。

反饋振蕩器——含有選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器正弦波振蕩器負(fù)阻振蕩器——負(fù)阻器件組成(用在微波波段)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：ＬＣ振蕩器；產(chǎn)生高頻正弦波晶體振蕩器：產(chǎn)生高頻正弦波ＲＣ振蕩器：產(chǎn)生低頻正弦波一個(gè)反饋振蕩器必須滿(mǎn)足三個(gè)條件：（1）起振條件：接通電源后能逐步建立起振蕩；（2）平衡條件：進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)；（3）穩(wěn)定條件：保證穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。一、振蕩條件

定義環(huán)路增益分別是反饋電壓、輸入電壓、主網(wǎng)絡(luò)增益和反饋系數(shù)。1.起振過(guò)程和起振條件

接通電源瞬間引起的電流突變初始信號(hào)的產(chǎn)生：電路中的熱噪聲

起振過(guò)程：初始信號(hào)具有很寬的頻譜→通過(guò)選頻網(wǎng)絡(luò)→選出某一角頻率ωosc→通過(guò)放大、反饋→Vf與Vi

同相→經(jīng)過(guò)線(xiàn)性放大和反饋的不斷循環(huán)→振蕩電壓振幅就會(huì)不斷增大２平衡過(guò)程與平衡條件振蕩器進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)------平衡

。反饋振蕩器的平衡條件為:振幅平衡條件相位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(xiàn)性區(qū),其增益逐漸下降。當(dāng)放大器增益下降導(dǎo)致環(huán)路增益下降到１時(shí),振幅的增長(zhǎng)過(guò)程將停止------平衡

討論：1、環(huán)路增益的模值應(yīng)該具有隨振幅Vi增大而下降的特性。2、環(huán)路增益的相位必須維持在２nπ上,保證為正反饋。3

穩(wěn)定條件

平衡狀態(tài)穩(wěn)定平衡狀態(tài)不穩(wěn)定平衡狀態(tài)不穩(wěn)定平衡：振蕩器越來(lái)越偏離原來(lái)的平衡狀態(tài),導(dǎo)致振蕩器停振或突變到新的平衡狀態(tài),則表明原來(lái)的平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。穩(wěn)定平衡：振蕩器在原平衡點(diǎn)附近建立新的平衡狀態(tài),有回到原平衡點(diǎn)的趨勢(shì),則表明原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。

振幅穩(wěn)定條件具有負(fù)斜率變化的特性環(huán)路增益存在兩個(gè)平衡點(diǎn)的情況

必須外加電沖擊，產(chǎn)生大于ViB的起始電壓，才能進(jìn)入平衡點(diǎn)A，產(chǎn)生持續(xù)等幅振蕩。硬激勵(lì)：靠外加沖擊而產(chǎn)生振蕩；軟激勵(lì)：自動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定平衡狀態(tài)。（2）相位（頻率）穩(wěn)定條件

為了保證頻率穩(wěn)定,要求振蕩器的相頻特性φT（ω）在振蕩頻率點(diǎn)ωosc應(yīng)具有阻止相位變化的能力。相位穩(wěn)定條件

舉例：說(shuō)明相位穩(wěn)定條件

T()

由三部分組成：

即T()=A()+f()+

Z()

放大器件本身的相頻特性為常數(shù)，反饋網(wǎng)絡(luò)相頻特性也視為常數(shù)，相位穩(wěn)定條件應(yīng)該由選頻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

并聯(lián)諧振回路的相頻特性曲線(xiàn)Oωω0并聯(lián)諧振回路相頻特性曲線(xiàn)二、振蕩器基本組成及其分析方法

1．組成

四個(gè)環(huán)節(jié)內(nèi)穩(wěn)幅：利用放大管固有的非線(xiàn)性外穩(wěn)幅：放大器線(xiàn)性工作，另外插入非線(xiàn)性環(huán)節(jié)。

3.3LC振蕩器一、互感耦合振蕩器

根據(jù)瞬時(shí)極性判斷法，電路是正反饋。缺點(diǎn)：波形不理想。因高次諧波的感抗大，導(dǎo)致輸出振蕩信號(hào)中高次諧波分量較大，波形不理想。二、三點(diǎn)式振蕩器

１．電路組成法則交流通路中ＬＣ回路的三個(gè)端點(diǎn)與晶體管的三個(gè)電極分別連接。三點(diǎn)式振蕩的原理電路電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式

分析相位條件（正反饋）諧振時(shí)回路呈純電阻性結(jié)論：Χ1與Χ2必須是同性質(zhì)電抗,因而X3必須是異性質(zhì)電抗。

與反相，為使與同相，則與反相2、三點(diǎn)式振蕩器電路

（1）電容三點(diǎn)式振蕩器電路

電容三點(diǎn)式振器電路

（2）三點(diǎn)式振蕩器電路分析Ｃb：耦合電容Ｃe：高頻旁路電容近似為短路

Lc：高頻扼流圈交流近似為開(kāi)路，作用：提供直流通路。電路1電路2畫(huà)交流等效電路求振蕩頻率：求反饋系數(shù)：電容三點(diǎn)式振蕩器的優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好反饋電壓取自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。電容三點(diǎn)式振蕩器的缺點(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(lái)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)式振蕩電路

電感三點(diǎn)式的評(píng)價(jià)優(yōu)點(diǎn)：

便于調(diào)整振蕩頻率

缺點(diǎn)：輸出波形較差電容三點(diǎn)式改進(jìn)電路克拉潑（Clapp）振蕩電路

改進(jìn)目的：減小晶體管輸入輸出電容對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響(b)克拉潑電路的特點(diǎn)：在回路中增加了一個(gè)與Ｌ串聯(lián)的電容Ｃ3交流通路：Ｃ3取值原則：Ｃ3<<Ｃ1,Ｃ3<<Ｃ2電路的振蕩頻率只與Ｃ3、Ｌ有關(guān)。(b)克拉潑電路頻率穩(wěn)定度提高了(a)

(b)

(c)電路(a)及串聯(lián)和并聯(lián)諧振回路的電抗特性曲線(xiàn)

(b)(c)

例圖為振蕩器交流通路，f01，f02，

f03

分別為三個(gè)回路的固有諧振頻率，寫(xiě)出它們之間能滿(mǎn)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、并聯(lián)諧振回路電抗特性曲線(xiàn)如圖

(b)、(c)所示。(a)

(b)

(c)1．若構(gòu)成電容三點(diǎn)式電路

L1C1、L2C2回路呈容性失諧，L3C3

回路呈感性失諧。容性失諧：fosc<

f01,

fosc>

f02；感性失諧：fosc<

f03。2．若構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路

L1C1、L2C2回路呈感性失諧，L3C3

回路呈容性失諧。感性失諧：fosc>

f01，

fosc<

f02；容性失諧：fosc>

f03。練習(xí)1

在振蕩器交流等效電路中,三個(gè)ＬＣ并聯(lián)回路的諧振頻率分別是：ｆ1、ｆ2、ｆ3。試問(wèn)ｆ1、ｆ2、ｆ3滿(mǎn)足什么條件時(shí)該振蕩器能正常工作？且相應(yīng)的振蕩頻率的范圍？

練習(xí)

判斷圖示各反饋振蕩電路能否正常工作。3.4

晶體振蕩器

頻穩(wěn)度晶體振蕩器：超過(guò)

10-5LC振蕩器：10-3~10-5

晶體振蕩器：用石英諧振器控制和穩(wěn)定振蕩頻率。

3.4.1

石英諧振器的電特性1．石英諧振器的性能

利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。(a)

(b)

(c)石英諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)性能

②晶片有一固有振動(dòng)頻率：與晶體幾何尺寸和結(jié)構(gòu)有關(guān)①壓電效應(yīng)：交流電壓加在晶體兩端,晶體隨電壓變化產(chǎn)生振動(dòng),然后機(jī)械振動(dòng)又使晶體表面產(chǎn)生交變電荷。

③壓電諧振：當(dāng)外加交流電壓的頻率等于晶體的固有頻率時(shí),晶片的機(jī)械振動(dòng)最大,晶體表面電荷量最多,外電路中的交流電流最強(qiáng)——諧振。C0：靜態(tài)電容和支架引線(xiàn)分布電容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶體基頻等效電路；Lq3、Cq3、rq3：晶體三次泛音等效電路

2.等效電路等效電路中：靜態(tài)電容C0約１pF～１０ｐF

動(dòng)態(tài)電感Lq約10-3H～102H（大）動(dòng)態(tài)電容Cq約10-4pF～10-1pF（?。﹦?dòng)態(tài)電阻rq約幾十歐到幾百歐（?。┯梢陨蠀?shù)得：１）石英晶振的Ｑ值非常高。Ｑ值可達(dá)幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)

2），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),石英晶振的頻率穩(wěn)定度非常高。3．電抗特性忽略rq，晶體兩端呈現(xiàn)純電抗，其值近似為串聯(lián)諧振頻率并聯(lián)諧振頻率結(jié)論：與的間隔很小。

電抗曲線(xiàn)的特點(diǎn)：①ｆp與ｆs間隔很小,在ｆs～ｆp感性區(qū)間,具有陡峭的電抗頻率特性,曲線(xiàn)斜率大,利于穩(wěn)頻。②fs

為串聯(lián)諧振，對(duì)fs，相當(dāng)于短路。石英諧振器電抗頻率特性曲線(xiàn)晶體的阻抗曲線(xiàn)加負(fù)載電容晶體標(biāo)稱(chēng)頻率二、晶體振蕩器電路

將石英晶振作為諧振回路元件，接入正反饋電路中,就組成了晶體振蕩器。

1）并聯(lián)型晶體振蕩器：將其作為等效電感元件用在三點(diǎn)式電路中,工作在感性區(qū)；

2）串聯(lián)型晶體振蕩器：將其作為一個(gè)短路元件串接于正反饋支路上,工作在它的串聯(lián)諧振頻率上。問(wèn)題：除上述兩種方式外，晶體能否工作在其它頻段內(nèi)？1并聯(lián)型晶體振蕩電路

三點(diǎn)式振蕩器中,將其中一個(gè)電感元件換成石英晶振。(a)實(shí)際電路(b)交流通路皮爾斯振蕩電路頻率準(zhǔn)確度微調(diào)采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路2．串聯(lián)型晶體振蕩器

將石英晶振用于正反饋支路中,串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件,電路反饋?zhàn)饔米顝?qiáng),滿(mǎn)足振幅起振條件。振蕩頻率取決于晶體的串聯(lián)諧振頻率。交流通路集成晶體振蕩電路

3.5RC振蕩器工作頻率：幾十kHz以下低頻范圍優(yōu)點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)（不用電感），減小體積。缺點(diǎn)：選擇性和穩(wěn)定性差。一、RC相移振蕩電路選頻反饋網(wǎng)絡(luò)RC導(dǎo)前移相電路RC滯后移相電路RC相移振蕩器集成運(yùn)放接成反相放大器：提供-180°相移。三節(jié)RC導(dǎo)前相移電路：提供-180°相移。開(kāi)環(huán)電路注意：①構(gòu)成180°相移需至少三節(jié)RC電路；②輸出波形失真大（選頻特性不理想）；③頻穩(wěn)度低。二、串并聯(lián)RC振蕩器（文氏電橋）1、RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)因數(shù)很低→選