高頻電子線路 課件 【ch04】正弦波振蕩器

高頻電子線路正弦波振蕩器第四章12內(nèi)容提要高頻正弦波振蕩器不存在外加控制輸入信號(hào)，在外界環(huán)境存在的電擾動(dòng)（如熱噪聲、瞬時(shí)脈沖等)影響下，通過選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻作用，振蕩器通過反饋效應(yīng)或者負(fù)阻效應(yīng)完成由直流信號(hào)能量至交流信號(hào)能量的轉(zhuǎn)換。本章主要介紹反饋振蕩器的基本原理，并就LC正弦波振蕩器的一種典型電路，即三點(diǎn)式振蕩器進(jìn)行詳細(xì)論述。此外還將詳細(xì)介紹石英晶體振蕩器的基本原理，拓展介紹一些其他類型的振蕩器，最后對(duì)振蕩器的穩(wěn)定度評(píng)價(jià)進(jìn)行介紹。學(xué)習(xí)目標(biāo)理解與掌握反饋振蕩器的基本組成與工作原理。掌握三點(diǎn)式振蕩器的組成法則。掌握振蕩電路能否正常工作的判斷方法。掌握LC正弦波振蕩器的電路組成、工作原理和性能參數(shù)的計(jì)算。理解石英晶體振蕩器的電路組成、工作原理和性能參數(shù)的計(jì)算。正弦波振蕩器3思政剖析通過本章的學(xué)習(xí)，應(yīng)學(xué)會(huì)利用馬克思主義哲學(xué)思想看待電信號(hào)。(1)利用物質(zhì)的客觀存在性原則去認(rèn)識(shí)正弦波振蕩器?？陀^存在性是所有事物的共同特性，事物是紛繁復(fù)雜、千差萬別的。物質(zhì)現(xiàn)象在它們的結(jié)構(gòu)、存在形式、表現(xiàn)方式等方面各不相同，但所有的物質(zhì)現(xiàn)象都具有共同的屬性，即客觀存在性。自然界中有豐富多彩的宏觀世界，有看得見的有形實(shí)體，也有看不見、摸不著的磁場、高頻信號(hào)等。(2)利用馬克思主義認(rèn)識(shí)論去看待正弦波振蕩器?？陀^物質(zhì)世界是可知的。人們不僅能夠認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的現(xiàn)象，而且可以透過現(xiàn)象認(rèn)識(shí)其本質(zhì)。認(rèn)識(shí)的辯證法，表現(xiàn)在認(rèn)識(shí)和實(shí)踐的關(guān)系上，認(rèn)識(shí)來自實(shí)踐，又轉(zhuǎn)過來指導(dǎo)實(shí)踐，為實(shí)踐服務(wù)，人對(duì)世界的認(rèn)識(shí)不是一次完成的，而是一個(gè)多次反復(fù)、無限深化的過程。物質(zhì)是可以認(rèn)識(shí)的對(duì)象。未來，我們會(huì)通過現(xiàn)代化技術(shù)更詳細(xì)地感知、學(xué)習(xí)物質(zhì)。正弦波振蕩器01反饋振蕩器的工作原理反饋振蕩器的基本原理傳統(tǒng)意義上的反饋振蕩器主要由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)三部分組成。在圖4-1中，電壓放大系數(shù)為A,反饋網(wǎng)絡(luò)的電壓傳輸系數(shù)為F。01反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的基本原理在電擾動(dòng)進(jìn)入回路后，經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，僅有一定頻率范圍的信號(hào)會(huì)通過反饋網(wǎng)絡(luò)再次進(jìn)入輸入端。隨著一次又一次地放大與反饋，輸入信號(hào)幅值將一步步地增大，并使放大器逐漸進(jìn)入非線性區(qū)，即增益隨幅值增大而下降。最后，當(dāng)反饋電壓U與產(chǎn)生輸出電壓U所對(duì)應(yīng)的輸入電壓U恰好相等時(shí)，此時(shí)振蕩電路的輸出端產(chǎn)生了穩(wěn)定的、所需頻率的正弦輸出信號(hào)，即電路進(jìn)入平衡狀態(tài)。01反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的平衡條件由前面的分析可知，系統(tǒng)只有在保證U1=U成立的條件下，正弦輸出信號(hào)才可能以穩(wěn)定的頻率產(chǎn)生。因此，反饋振蕩器的平衡條件為反饋振蕩器的平衡條件包括幅值平衡條件、相位平衡條件兩部分。1)幅值平衡條件式(4-4)說明，開環(huán)增益的模T為1時(shí)，U與U的大小相等，反饋振蕩器滿足其平衡條件中的幅值關(guān)系。02反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的平衡條件2)相位平衡條件式中，φ為對(duì)應(yīng)復(fù)數(shù)的輻角。式(4-5)說明，只有A與F的相位和為2nπ(n=0,1,2,…)時(shí)，即開環(huán)增益僅存在實(shí)部時(shí)，U1與U的相位關(guān)系相同，且環(huán)路為正反饋。需要注意的是，為使反饋振蕩器處于平衡條件，幅值平衡條件與相位平衡條件必須同時(shí)滿足。其中，幅值平衡條件可用來確定輸出信號(hào)的幅值，相位平衡條件可用來確定振蕩頻率。02反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的平衡條件所需要的振蕩信號(hào)，需要再考慮兩個(gè)問題。(1)振蕩器在平衡位置處產(chǎn)生的信號(hào)是否穩(wěn)定？(2)實(shí)際上，在初始條件下同樣滿足U=U=0,可認(rèn)為是一種初始的平衡狀態(tài)。如何在初始狀態(tài)下，通過電擾動(dòng)穩(wěn)定地起振，并恰好達(dá)到可穩(wěn)定輸出正弦信號(hào)的平衡位置呢？為了解決這兩個(gè)問題，接下來討論反饋振蕩器的穩(wěn)定條件與起振條件。02反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件幅值穩(wěn)定條件在振蕩器處于平衡位置時(shí)，需要開始考慮關(guān)于反饋振蕩器的穩(wěn)定輸出問題。在一定的外在擾動(dòng)影響下，系統(tǒng)可以自動(dòng)穩(wěn)定保持在平衡點(diǎn)的數(shù)學(xué)前提，即振蕩器的穩(wěn)定條件。下面分別對(duì)幅值穩(wěn)定條件與相位穩(wěn)定條件進(jìn)行分析。若不穩(wěn)定因素使得系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)而導(dǎo)致振蕩振幅減小，則為了使工作點(diǎn)下一時(shí)刻回歸平衡點(diǎn)，系統(tǒng)需要讓開環(huán)增益T的模增大進(jìn)而在下一循環(huán)使得反饋電壓的模高于該循環(huán)的模，從而形成增幅振蕩，直至回歸平衡點(diǎn)。若不穩(wěn)定因素使系統(tǒng)偏離平衡點(diǎn)而導(dǎo)致振蕩振幅增大，則可進(jìn)行同樣的分析。因此，可得到幅值穩(wěn)定條件即在平衡點(diǎn)P處，開環(huán)增益T相對(duì)U模值的變化率小于零。反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件幅值穩(wěn)定條件在圖4-2所示的P點(diǎn)處，U與U的關(guān)系可以滿足反饋振蕩器的平衡條件，被認(rèn)為是平衡點(diǎn)。當(dāng)平衡點(diǎn)受外界環(huán)境破壞時(shí)，若此時(shí)輸出振幅驟減，在圖4-2的基礎(chǔ)上，可以獲得圖4-3所示的平衡點(diǎn)破壞后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整過程。反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件幅值穩(wěn)定條件在受到外界環(huán)境破壞后的瞬間，系統(tǒng)工作于M點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出幅值為U。此處并非平衡狀態(tài)，經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)得到此時(shí)刻的反饋輸出幅值U,工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)移動(dòng)。在循環(huán)的下一周期，輸入為此時(shí)的反饋值，即U=U2)。在該輸入下，經(jīng)過放大環(huán)節(jié)后得到U2(M),以此類推，系統(tǒng)會(huì)在圖中箭頭的指引下逐漸回歸到平衡點(diǎn)P。同樣地，若平衡點(diǎn)受外界環(huán)境破壞后輸出振幅驟增，該系統(tǒng)也可以回歸平衡點(diǎn)P。

反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件運(yùn)用同樣的分析思路，來考慮相位偏離平衡點(diǎn)時(shí)發(fā)生的調(diào)整過程。在平衡點(diǎn)處，已經(jīng)知道r(f)=0,即在每一輪經(jīng)過輸出反饋后的反饋電壓與原輸入電壓同相。若某種原因使r(f)>0,則每次反饋后的電壓的相位都將超前于原輸入電壓的相位，這種相位的不斷超前表明振蕩頻率將高于f。反之，若某種原因使r(f)<0,則表明每次反饋后的電壓的相位都將滯后于原輸入電壓的相位，因而振蕩頻率將低于f。因此，與幅值穩(wěn)定條件的分析方法一致，只有a,具有隨f增大而減小的特性才能減小擾動(dòng)產(chǎn)生的變化，并通過持續(xù)的反饋，最終回到原平衡點(diǎn)。反饋震蕩期的工作原理反饋振蕩器的穩(wěn)定條件反饋振蕩器的起振條件為了使振蕩器能在接通直流電源之后，輸出電壓能從零增大直至平衡輸出，需要考慮反饋振蕩器的起振條件。為了使輸出電壓在初始階段逐漸增大，必須保證反饋電壓與輸入電壓同相，且開環(huán)增益的模T大于1，這樣才可以保證每一輪循環(huán)的反饋電壓均高于上一循環(huán)的輸入電壓，使輸出幅值可以逐漸增大。反饋震蕩期的工作原理02三點(diǎn)式震蕩期三點(diǎn)式振蕩器傳統(tǒng)意義上的反饋振蕩器主要由放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)三部分組成。以LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器被定義為LC正弦波振蕩器。LC正弦波振蕩器通常分為兩類，即變壓器反饋振蕩器與三點(diǎn)式振蕩器。變壓器反饋振蕩器以變壓器耦合電路作為反饋網(wǎng)絡(luò)。以變壓器耦合電路作為反饋網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)在于，電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以依靠變壓器的同名端去控制振蕩的相位條件，即輸入與輸出同相。三點(diǎn)式振蕩器三點(diǎn)式振蕩器三點(diǎn)式振蕩器的基本原理三點(diǎn)式振蕩器的命名源于其交流原理電路，如圖4-4所示。三點(diǎn)式振蕩器三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器也被稱為哈特萊(Hartley)振蕩器，共射型電感三點(diǎn)式振蕩器的原理電路如圖4-5所示。三點(diǎn)式振蕩器三點(diǎn)式振蕩器電感三點(diǎn)式振蕩器在圖4-6中，Rb為Rb1、Rb2的并聯(lián)結(jié)果，其承載著輸入電壓U1。三點(diǎn)式振蕩器電容三點(diǎn)式振蕩器經(jīng)典的電容三點(diǎn)式振蕩器也稱為考比次(Colpitts)振蕩器，其分析方法與電感三點(diǎn)式振蕩器類似，因此僅給出了共射型電容三點(diǎn)式振蕩器原理電路的交流通路，如圖4-7所示。三點(diǎn)式振蕩器改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器克拉潑振蕩器在圖4-9中，Cbe與Cce分別為晶體管b、e極與c、e極之間的極間電容，它們與C1、C2并聯(lián)在一起。C3即串聯(lián)小電容，其取值遠(yuǎn)小于C1、C2。三點(diǎn)式振蕩器改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器克拉潑振蕩器串聯(lián)小電容C3的引入，盡管使得振蕩頻率的穩(wěn)定度得到了大大提高，但依然留存一定的問題。一方面，由于C3的取值遠(yuǎn)小于C1、C2的值，振蕩頻率必然處于更高的高頻帶；另一方面，由于C3的值過小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不滿足起振條件，這也間接導(dǎo)致系統(tǒng)通過C3的可調(diào)頻率范圍也比較窄。對(duì)于克拉潑振蕩器，晶體管與諧振回路的耦合較弱，晶體管寄生電容影響小，頻率穩(wěn)定度高。另外，其頻率調(diào)節(jié)范圍窄，調(diào)節(jié)頻率時(shí)幅度會(huì)產(chǎn)生變化。改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器西勒振蕩器為了進(jìn)一步解決克拉潑振蕩器電路存在的問題，在其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在電感線圈L上再次并聯(lián)一個(gè)可變電容，這稱為西勒(Seiler)振蕩器，其交流通路如圖4-10所示。

三點(diǎn)式振蕩器改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器例4-2圖4-11所示為一種三諧振回路振蕩器的交流通路。三點(diǎn)式振蕩器改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器同樣畫出三個(gè)LC回路的相頻特性曲線，如圖4-13所示。三點(diǎn)式振蕩器03石英晶體振蕩器石英晶體振蕩器區(qū)別于LC正弦波振蕩器，用石英晶體諧振器替代LC諧振回路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為石英晶體振蕩器。石英是一種各向異性的結(jié)晶體，其化學(xué)成分為二氧化硅(SiO2)。在一個(gè)石英晶體中，按一定的方位角切下的薄片即石英晶片。通過特定加工方式，在石英晶片的對(duì)應(yīng)表面上，涂抹銀層后作為電極，并安裝一對(duì)金屬塊密封作為極板，便構(gòu)成了石英晶體諧振器。石英晶片及其壓電效應(yīng)石英晶體震蕩器石英晶片及其壓電效應(yīng)當(dāng)外加交變電壓的頻率和晶片的固有機(jī)械振動(dòng)頻率相等時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。此時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的振幅急劇增加，晶片兩端產(chǎn)生的交變電場能量也變大，這種現(xiàn)象被稱為晶片達(dá)到了壓片諧振，晶片的固有機(jī)械振動(dòng)頻率也即諧振頻率。Cn、Lqn與Rqn(其中n=1,3,5,…)分別是晶體的等效電容、等效電感與等效電阻。其中C的容抗很小，遠(yuǎn)低于C,R的阻抗很小甚至可忽略，L數(shù)值相對(duì)較大，故石英晶體諧振器的品質(zhì)因數(shù)很高，性能穩(wěn)定，有比較高的回路標(biāo)準(zhǔn)性。石英晶體諧振器石英晶體震蕩器石英晶體諧振器由于其特定的等效電路結(jié)構(gòu)，在外加交變電壓的影響下，存在多個(gè)串聯(lián)LC諧振回路可計(jì)算不同的串聯(lián)諧振頻率。其中C1、Ll與R所對(duì)應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)被稱為基音，其余等效電容、等效電感與等效電阻對(duì)應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)稱為泛音。該等效電路具有兩個(gè)諧振頻率，分別為Cl、Lql與R1串聯(lián)支路的串聯(lián)諧振頻率f及Cq1Lq、Rq1與Co的并聯(lián)諧振頻率f,分別用下列表達(dá)式表示為石英晶體諧振器石英晶體震蕩器石英晶體諧振器石英體諧振器石英晶體諧振器的阻抗頻率特性曲線如圖4-16所示。

石英晶體震蕩器石英晶體諧振器并聯(lián)型石英晶體振蕩器圖4-17所示為一種簡單的并聯(lián)型石英晶體振蕩器的交流等效電路。石英晶體震蕩器石英晶體諧振器并聯(lián)型石英晶體振蕩器可利用泛音頻率構(gòu)建圖4-18所示的并聯(lián)型泛音石英晶體振蕩器的交流等效電路。石英晶體震蕩器石英晶體諧振器并聯(lián)型石英晶體振蕩器不妨進(jìn)一步思考，若改變L1C1回路的參數(shù)，則改變后的L1C1回路的阻抗頻率特性曲線如圖4-20所示。石英晶體諧振器串聯(lián)型石英晶體振蕩器由于本章已經(jīng)多次給出了共射型振蕩器的交流通路，所以此處僅給出兩種同樣的共基型串聯(lián)型石英晶體振蕩器交流通路的常用電路布局形式，如圖4-21所示。石英晶體震蕩器石英晶體諧振器串聯(lián)型石英晶體振蕩器對(duì)于每一個(gè)電子設(shè)備、每一個(gè)獨(dú)立運(yùn)用的計(jì)算機(jī)單片機(jī)，都需要石英晶體振蕩器提供時(shí)鐘信號(hào)，若石英晶體振蕩器失效則設(shè)備無法繼續(xù)工作。在軍事方面，當(dāng)前石英晶體振蕩器已被廣泛用于國家軍事和航空航天領(lǐng)域，如導(dǎo)航系統(tǒng)、電子信息戰(zhàn)等。在航空電子設(shè)備中，機(jī)載計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、通信、電源模塊等均無法離開石英晶體振蕩器。在民用方面，當(dāng)前世界各國都在大力發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，5G技術(shù)將滲透至各個(gè)角落，并催生一系列應(yīng)用場景。而作為基礎(chǔ)電子元件的石英晶體振蕩器，將會(huì)廣泛適用于各種應(yīng)用場景的新設(shè)備鏈接；作為物聯(lián)網(wǎng)的上游行業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新增的各種設(shè)備也都將會(huì)帶來對(duì)基礎(chǔ)電子元件石英晶體振蕩器需求的擴(kuò)大。石英晶體震蕩器04其他振蕩器其他諧振器在前面幾節(jié)中，主要學(xué)習(xí)了以LC諧振回路為選頻網(wǎng)絡(luò)的LC正弦波振蕩器，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了三點(diǎn)式振蕩器及其改進(jìn)型振蕩器。負(fù)阻振蕩器一般可應(yīng)用于100MHz以上的超高頻段，甚至可高至幾十吉赫茲。相比于其他振蕩器，負(fù)阻振蕩器引入了負(fù)阻器件，這也是其可作用于超高頻的原因之一。一般如耿氏器件、雪崩晶體管、隧道二極管等均能作為基本的負(fù)阻器件。負(fù)阻振蕩器石英晶體震蕩器石英晶體諧振器串聯(lián)型石英晶體振蕩器由圖4-22可知，伏安特性曲線的A一B段曲線的無限延長線有通過第二、四象限的趨勢，換句話說，此時(shí)的增量電阻為負(fù)值。因此，該段曲線對(duì)應(yīng)的負(fù)阻器件呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)。石英晶體震蕩器石英晶體諧振器串聯(lián)型石英晶體振蕩器基于以上思路，給出負(fù)阻振蕩器的交流等效通路，如圖4-23所示。

石英晶體震蕩器05振蕩器的頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度振蕩器的頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度在對(duì)各種振蕩器的介紹過程中，振蕩器從起振狀態(tài)達(dá)到平衡狀態(tài)后，輸出正弦信號(hào)的穩(wěn)定性一直是一項(xiàng)非常受關(guān)注的指標(biāo)點(diǎn)。本節(jié)對(duì)振蕩器輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度兩項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行介紹。頻率穩(wěn)定度指在一定的時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的外界各種環(huán)境（包括溫度、機(jī)械振動(dòng)、磁場、電源電壓等)變化下，振蕩頻率的絕對(duì)偏差與標(biāo)稱輸出頻率的比值。根據(jù)規(guī)定時(shí)間的長短，頻率穩(wěn)定度一般分為瞬時(shí)（一般以秒或毫秒計(jì)）頻率穩(wěn)定度、短期（一般指一天內(nèi)）頻率穩(wěn)定度與長期（一般以多天或多月計(jì)）頻率穩(wěn)定度。頻率穩(wěn)定度石英晶體震蕩器頻率穩(wěn)定度△f是在一定的時(shí)間△t內(nèi)測量的結(jié)果，一般需反復(fù)多次測量并取測量結(jié)果絕對(duì)值的最大值。△f的絕對(duì)值越小，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度越高。(1)盡量減少系統(tǒng)所在外界環(huán)境的變化。在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過恒溫環(huán)境、金屬屏蔽罩、直流穩(wěn)壓電源、減震器的設(shè)置等，來減少溫度、外界磁場、電源電壓、機(jī)械振動(dòng)等的變化。(2)提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性。頻率穩(wěn)定度石英晶體震蕩器頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性是指在外界環(huán)境變化的情況下，諧振回路保持其振蕩頻率不變的能力。標(biāo)準(zhǔn)性的提高會(huì)使頻率穩(wěn)定度也增強(qiáng)。為了提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性，可采用以下措施。(1)選用高質(zhì)量的、參數(shù)穩(wěn)定的回路電感器和電容器。(2)選用具有不同溫度系數(shù)的電感和電容構(gòu)成諧振回路。溫度變化會(huì)使電感與電容受穩(wěn)定影響的變化相互抵消，從而使回路振蕩頻率的變化減小。(3)改進(jìn)安裝工藝，縮短引線、加強(qiáng)引線機(jī)械強(qiáng)度，如此可減小分布電容、電感及其變化量。

石英晶體震蕩器振幅穩(wěn)定度振幅穩(wěn)定度為了評(píng)價(jià)系統(tǒng)的穩(wěn)幅性能，引入了振幅穩(wěn)定度這一指標(biāo)。振幅穩(wěn)定度的定義方式與頻率穩(wěn)定度的定義方式幾乎一致，同樣為相對(duì)比值，無單位。參照頻率穩(wěn)定度的定義方式，振幅穩(wěn)定度為式中，U為標(biāo)稱輸出信號(hào)幅值；U為實(shí)際輸出信號(hào)最大幅值；△U為輸出信號(hào)幅值的絕對(duì)偏差。提高振幅穩(wěn)定度的方法同樣很多，包括內(nèi)穩(wěn)幅、外穩(wěn)幅、采用直流穩(wěn)壓電源、減小負(fù)載與振蕩器的耦合等方法。石英晶體震蕩器難點(diǎn)釋疑本章的難點(diǎn)大概分為如下兩個(gè)。(1)三點(diǎn)式振蕩器。傳統(tǒng)意義上的反饋振蕩器主要由放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)三部分組成。而對(duì)于三點(diǎn)式振蕩器，LC諧振回路既作為選頻網(wǎng)