第三章-正弦波振蕩器分析課件

第三章正弦波振蕩器§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振蕩器的頻率穩(wěn)定問題§3.5石英晶體振蕩器§3.6RC正弦波振蕩器§3.7特殊振蕩現(xiàn)象

第三章正弦波振蕩器§3.1概述§3.2反饋1§3.1概述振蕩器在沒有外加信號作用下的一種自動將直流電源的能量變換為一定波形的交變振蕩能量的裝置振蕩器分類按原理

反饋式振蕩器負阻式振蕩器按波形

正弦波振蕩器非正弦波振蕩器§3.1概述振蕩器在沒有外加信號作用下的一種自動將2RC振蕩器LC振蕩器石英晶體振蕩器微波電子管微波半導體器件各頻段的振蕩器本章主要討論正弦波振蕩器的基本原理，并對典型振蕩電路進行分析。RC振蕩器LC振蕩器石英晶體振蕩器微波電子管各頻段的振蕩器3§3.2反饋振蕩器的工作原理（注意同名端）§3.2反饋振蕩器的工作原理（注意同名端）4主網絡反饋網絡＋Vo-＋Vi-＋Vf-＋-Vf反饋振蕩器組成方塊圖主網絡反饋網絡＋＋＋＋-Vf反饋振5

閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的條件

組成主網絡——放大器，選頻網絡反饋網絡——無源器件起振條件平衡條件穩(wěn)定條件閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的條件6一、平衡條件相位平衡條件振幅平衡條件T=KF=1（開環(huán)增益）(在諧振頻率點，總相移360度；其他頻率，回路失諧，總相移不是360度，不能振蕩）設：放大器的放大倍數(shù)K，反饋電路的反饋系數(shù)F自激振蕩條件：反饋必須是正反饋；反饋信號足夠大一、平衡條件相位平衡條件(在諧振頻率點，總相移360度；其他7二、振蕩的建立和起振條件振蕩器閉合電源后，各種電擾動振蕩器起振的初始激勵（如晶體管電流的突然增長、電路的熱噪聲等，頻譜很寬）建立振蕩

LC諧振回路的選頻作用——諧振頻率的電壓分量被選出，幅度微小；存在正反饋，經反饋和放大的循環(huán)過程，建立了振蕩起振條件KF>1(且正反饋）二、振蕩的建立和起振條件振蕩器閉合電源后，各種電擾動振蕩8振蕩的建立過程振蕩的建立過程9Ube增大Ube較小起振條件：KF>1Ube的幅度增加，振蕩電壓增加，但不會無止境增加。因為振蕩幅度增加，晶體管出現(xiàn)飽和、截止現(xiàn)象，ic不是正弦波，但由于諧振回路的選頻性，選出它的基頻分量，uce仍是正弦形狀。uce的幅度基本不再增大，振蕩建立過程結束，波形穩(wěn)定下來。振蕩器的波形Ube增大Ube較小起振條件：KF>1振蕩器10三、穩(wěn)定條件不穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡三、穩(wěn)定條件不穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡11軟激勵放大倍數(shù)K，反饋系數(shù)F，1/F是一條水平線；ube較小時，K>1/F，隨著ube的增長，K減小，A點：KF=1軟激勵放大倍數(shù)K，反饋系數(shù)F，1/F是一條水平線；12若晶體管的靜態(tài)工作點取得太低，甚至為反偏，而且反饋系數(shù)F又選得較小時，會出現(xiàn)以下形式，有兩個平衡點A、B（一般情況下，都使振蕩電路工作于軟激勵狀態(tài)，避免硬激勵）uB若晶體管的靜態(tài)工作點取得太低，甚至為反偏，而且反饋系數(shù)F又選13相位穩(wěn)定條件振蕩角頻率就是相位的變化率（相位穩(wěn)定條件＝頻率穩(wěn)定條件）相位增量對頻率的影響：

反饋電壓的相位超前了原有電壓相位，

相位超前意味周期縮短。若振蕩電壓不斷放大、反饋、再放大，循環(huán)下去，相位一次比一次超前，周期縮短，相當于每秒鐘內循環(huán)的次數(shù)增加，也即振蕩頻率不斷地提高。振蕩器的頻率不會因的出現(xiàn)而不斷的升高或降低（諧振回路的相位穩(wěn)定作用）相位穩(wěn)定條件振蕩角頻率就是相位的變化率（相位穩(wěn)定條件＝14第三章--正弦波振蕩器分析課件15穩(wěn)定條件曲線斜率為負振幅穩(wěn)定條件

相位穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件曲線斜率為負16起振條件平衡條件穩(wěn)定條件閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的條件

起振條件閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的條件17推導：環(huán)路增益T隨輸入電壓增加而下降由于自給偏壓的作用，振蕩器起振后，隨著振蕩幅度的增加，放大器工作狀態(tài)由甲類進入乙類、丙類。集電極電流余弦脈沖電流的幅度（當時）平均電壓放大倍數(shù)：推導：環(huán)路增益T隨輸入電壓增加而下降由于自給18Ao為小信號線性放大倍數(shù)乙類：丙類：T=Akf隨輸入電壓振幅增大而下降Ao為小信號線性放大倍數(shù)乙類：丙類：T=Akf隨輸入電19§3.3LC正弦波振蕩器一、三點式振蕩電路

定義LC回路引出的三個端點，分別同晶體管的三個電極相連的振蕩器分類電容三點式電路電感三點式電路§3.3LC正弦波振蕩器一、三點式振蕩電路定義L20電容三點式L、C1、C2組成振蕩回路，反饋信號從C2兩端取得，送回到放大器輸入端。扼流圈Lc——避免高頻信號被旁路、為集電極構成直流通路（可用Rc代替，但引入損耗，有載Q值下降，Rc值不能過?。＠秒娙軨2將諧振回路的一部分電壓反饋到基極上——電容反饋三點式振蕩器電容三點式L、C1、C2組成振蕩回路，反饋信號從C2兩端取得21等效電路L振蕩頻率等于LC諧振頻率時，Uce與Ube（矢量）反相，電流I滯后Uce90度。反饋電壓Uf滯后電流I90度，故Uf與Ube同相，滿足相位平衡條件。

滿足起振條件？Uf+-等效電路L振蕩頻率等于LC諧振頻率時，Uce與Ube（矢量22分析起振條件放大倍數(shù)K、反饋系數(shù)F，KF>1?Rs、Co為晶體管輸出電阻、電容；Ri、Ci為晶體管輸入電阻、電容；Ro為回路諧振電阻。分析起振條件放大倍數(shù)K、反饋系數(shù)F，KF>1?Rs、Co為晶23第三章--正弦波振蕩器分析課件24反饋系數(shù)F等于Ueb與Uce之比，忽略電阻對電容的旁路作用，可得：把各元件折合到c-e端放大倍數(shù)為c-e間總電阻為電流放大倍數(shù)反饋系數(shù)F等于Ueb與Uce之比，忽略電阻對電容的旁路作用，25得F較小時，近似寫為如果時，得F大，等效負載電阻減小，放大倍數(shù)下降，不易起振；F過大會使振蕩波形的非線性失真嚴重。因此通常F選得較?。?.01－0.5）。得F較小時，近似寫為如果時26電壓分壓比一般取IEQ=1~5mAfT>5foscRL>1kn適中一般能滿足起振條件起振條件或gm為三極管跨導，gL’為負載等效到振蕩回路的電導，gi為振蕩器輸入電導，n為反饋系數(shù)。電壓分壓比一般取IEQ=1~5mAfT>27振蕩電路電感三點式振蕩電路電感三點式28等效電路等效電路29電容三點式電感三點式三點式相位判據(jù)射同集(基)反電容三點式30兩種三點式振蕩電路比較

電容三點式振蕩波形更接近正弦波

（反饋電壓取自電容，而電容對高次諧波呈低阻抗，濾除諧波電流能力強）不便作可變頻率振蕩器

（用了兩個電容）

電感三點式振蕩波形不好

（反饋電壓取自電感，而電感對高次諧波呈高阻抗，不易濾去高次諧波）可以作可變頻率振蕩器

（只用一只電容調頻率）兩種三點式振蕩電路比較電容三點式31考慮輸入、輸出電容Ci、Co（或結電容Cbe、Cce）CiCo考慮輸入、輸出電容Ci、Co（或結電容Cbe、Cce）C32改進電路——克拉潑電路、西勒電路改進電路——克拉潑電路、西勒電路33克拉潑電路C3C3克拉潑電路C3C334振蕩器的頻率其中選C1>>C3，C2>>C3時，振蕩頻率（與C0和Ci無關）不穩(wěn)定電容對振蕩頻率的影響減小，且C3越小，影響越小。但：輸出電阻折算到c-e間的值減小

環(huán)路增益減小停振振蕩器的頻率其中選C1>>C3，C2>>C3時，35C1、C2愈大愈好？負載接在L兩端，折合到ce端的電阻為：接入系數(shù)（分壓比）（L兩端的電阻）因為C1>>C3，C2>>C3，分壓比可近似為克拉潑電路可以提高頻率穩(wěn)定度，但存在以下缺點：C1、C2過大，則振蕩幅度太低（n小，?。?。減小C來提高fo時，振蕩幅度顯著下降；但C減到一定程度時，可能停振。因此，限制了fo的提高。用作頻率可調振蕩器時，振蕩幅度隨頻率增加而下降，在波段范圍內幅度不穩(wěn)定。C1、C2愈大愈好？負載接在L兩端，折合到ce端的電阻為：接36西勒電路西勒電路370038C1>>C3，C2>>C3，總電容約為C+C3，消除了Ci、Co對振蕩頻率的影響。在波段范圍內幅度較穩(wěn)定

分壓比n和C無關，調節(jié)C改變頻率時，n不變。頻率穩(wěn)定性好C3的大小對電路性能有很大影響

C3不能太大，否則振蕩頻率有C3和L決定，因而將限制頻率調節(jié)的范圍。此外，也不利于消除Co和Ci對頻率穩(wěn)定的影響。C3過小，分壓比降低，振蕩幅度較小。C1>>C3，C2>>C3，總電容約為C+C3，消除39克拉潑電路西勒電路LC3串聯(lián)代替原來的LC1>>C3，C2>>C3振蕩頻率主要由L、C3

決定（不受輸入、輸出電容影響）幅度不平穩(wěn)C3克拉潑電路中增加C（與L并聯(lián)）C1>>C3，C2>>C3振蕩頻率主要由L、C+C3

決定n和C無關（調C改變頻率）幅度比較穩(wěn)定比較克拉潑電路西勒電路LC3串聯(lián)代替原來的LC3克拉潑電路40§3.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題一、振蕩器的頻率穩(wěn)定度絕對頻率穩(wěn)定度實際振蕩頻率與標準頻率的偏差相對頻率穩(wěn)定度

在一定條件下，絕對頻率穩(wěn)定度與標準頻率之間的比值（一定的時間范圍，或一定的溫度，或電壓變化范圍）長期頻穩(wěn)度——一天以上短期頻穩(wěn)度

——一天以內瞬時頻穩(wěn)度

——秒級頻穩(wěn)度頻穩(wěn)度一般指短期頻穩(wěn)度

§3.4振蕩器的頻率穩(wěn)定問題一、振蕩器的頻率穩(wěn)定度絕41二、造成頻率不穩(wěn)定的因素LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定（溫度變化、機械振動）晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定

（溫度、電源變化，引起靜態(tài)工作點、晶體管結電容變化）三、穩(wěn)頻措施減小溫度的影響穩(wěn)定電源電壓減小負載的影響晶體管與回路之間的連接采用松耦合提高回路的品質因素Q屏蔽、遠離熱源參考P138頻穩(wěn)度定性分析二、造成頻率不穩(wěn)定的因素LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定（溫度變化42§3.5石英晶體振蕩器一、石英晶體的壓電效應及等效電路以石英晶體諧振器取代LC振蕩器中諧振回路的元件所組成的正弦波振蕩器，頻穩(wěn)度可達10-10

到10-11數(shù)量級。硅石的一種，化學成分SiO2切下薄片的兩個對應表面上用噴涂金屬的方法裝上一對金屬極板——構成石英晶體振蕩元件（如右圖）具有正、反壓電效應

正：機械力作用異號電荷反：加不同極性電壓機械變形結構示意圖金屬極板石英晶體切片引線§3.5石英晶體振蕩器一、石英晶體的壓電效應及等效電路43基頻等效電路符號具有固有的振蕩頻率當晶體片的固有頻率與外加電源頻率相等時，晶片產生諧振，頻率等于晶體的機械振蕩的固有頻率（基頻）。基頻等效電路（如右）

串聯(lián)LC回路（Lq、Cq、rq分別為動態(tài)電感、電容、電阻）靜態(tài)電容Co（即使不振蕩，仍存在）符號（右圖）石英諧振器的主要特點

Lq非常大，Cq和rq都非常小

Q值非常高（幾萬到幾百萬）Co>>Cq外電路對晶體電特性的影響小，頻穩(wěn)度高基頻等效電路符號具有固有的振蕩頻率當晶體片的固有頻率與外加44串聯(lián)諧振頻率（Lq、Cq組成）并聯(lián)諧振頻率（Lq、Cq與Co組成）二、石英晶體的阻抗特性兩個諧振頻率兩諧振頻率相隔很近

（Co>>Cq）串聯(lián)諧振頻率45石英晶體的電抗特性石英晶體的電抗特性(rq=0)石英晶體的電抗特性石英晶體的電抗特性(rq=0)46三、晶體振蕩電路并聯(lián)晶振電路

（根據(jù)晶體在電路中的作用分類）分類串聯(lián)晶振電路

工作在晶體串聯(lián)諧振頻率上晶體用作高選擇性的短路元件工作在晶體并聯(lián)諧振頻率附近晶體等效為電感三、晶體振蕩電路并聯(lián)晶振電路47石英諧振器決不能工作于容性區(qū)原因如果振蕩器電路是設計在晶體呈現(xiàn)的電容性時產生振蕩，那么，由于晶體在靜止時就是呈現(xiàn)電容性的，所以這時就無法判斷晶體是否已經在工作，從而就不能保證頻率穩(wěn)定作用。石英晶體諧振器的主要缺點

不能直接用于波段振蕩器

（每塊晶體只能提供一個穩(wěn)定的振蕩頻率——單頻性）石英諧振器決不能工作于容性區(qū)原因如果振蕩器電路是設計在晶48串聯(lián)型晶體振蕩器實例一＋24V兩級共發(fā)放大器，輸出與輸入電壓同相。輸出經石英諧振器和負載電容CL反饋到輸入端，是正反饋。只有在串聯(lián)諧振頻率上，串聯(lián)阻抗最小，正反饋最強。因此，在這個頻率上產生振蕩。串聯(lián)型晶體振蕩器實例一＋24V兩級共發(fā)放大器，輸出與輸入電壓49串聯(lián)型晶體振蕩器實例二振蕩頻率等于石英諧振器的串聯(lián)頻率（石英晶體阻抗最小，正反饋最強）振蕩頻率？晶體作用：短路元件選頻回路諧振在晶體的串聯(lián)諧振頻率上串聯(lián)型晶體振蕩器實例二振蕩頻率等于石英諧振器的串聯(lián)頻率50并聯(lián)型晶體振蕩器實例（皮爾斯電路）振蕩頻率？晶體作用：電感并聯(lián)型晶體振蕩器實例（皮爾斯電路）振蕩頻率？晶體作用：電感51諧振回路的電感是Lq，總電容由Cq、Co及外接電容C、C1、C2組合而成，即選C<<C1，C<<C2，上式近似為fo總是處在fs與fp兩頻率之間只有在fp附近，晶體才具有并聯(lián)諧振回路的特點振蕩頻率1.振蕩頻率的確定諧振回路的電感是Lq，總電容由Cq、Co及外接電容C、C1、522.頻率微調由石英晶體組成的并聯(lián)諧振回路的振蕩頻率一般不等于石英諧振器的標稱頻率（標在外殼）

用負載電容校正

（上圖負載電容為C，晶體標稱頻率1MHz，調節(jié)C從24.5pF到44.5pF，使振蕩頻率達到標稱頻率）調節(jié)C可以改變振蕩器的頻率。石英晶體的物理、化學性能雖然穩(wěn)定，但是溫度的變化仍會改變它的參數(shù)，振蕩頻率不免有較慢的變化為什么要調節(jié)振蕩頻率？2.頻率微調由石英晶體組成的并聯(lián)諧振回路的振蕩頻率一53泛音晶振電路泛音指石英片振動的機械諧波與電氣諧波的主要區(qū)別

電氣諧波與基頻是整數(shù)倍的關系，且諧波和基頻同時并存；

泛音是在基頻奇數(shù)倍附近，且兩者不能同時并存。泛音振蕩電路（設為n次泛音晶體）

交流通路與皮爾斯電路不同處：C1用LC1并聯(lián)諧振回路代替，此諧振頻率必須設計在

n次和(n-2)次泛音之間

（在n次泛音頻率上，LC1呈容性;基頻、低次泛音上，LC1呈感性；n次以上，呈容抗非常小，起振條件、平衡條件不滿足）

泛音晶振電路泛音指石英片振動的機械諧波與電氣54§3.6RC正弦波振蕩器主要優(yōu)點構造簡單，經濟方便振蕩頻率較低頻率（幾十kHz或更低）RC相移振蕩器至少用三節(jié)RC相移網絡才能提供180相移

（單節(jié)RC電路產生的相移小于90度）文氏電橋振蕩器

用串、并聯(lián)RC選頻網絡，提供零相移§3.6RC正弦波振蕩器主要優(yōu)點構造簡單，55§3.7特殊振蕩