正弦波振荡器-.ppt

第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 v 无线电发送设备需要高频载波，无线电接收设备需要本振信号，很多电子设备中都需要使用正弦波振荡信号，它们都是由正弦波振荡器所产生。v振荡器（oscillator）和放大器一样，也是一种能量转换电路，所不同的是振荡器无需外加输入信号，本身就能自动地将直流电能转换为特定频率、波形、幅度的交变电能输出。 v振荡器分类：振荡器振荡器分类分类正弦振荡正弦振荡非正弦波振荡器非正弦波振荡器低频正弦振荡器低频正弦振荡器高频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器微波振荡器矩形波振荡器矩形波振荡器三角波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器锯齿波振荡器应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器方面振荡器都有着广泛的应用。都有着广泛的应用。 主要技术指标：主要技术指标： 1.振荡频率振荡频率f及频率范围及频率范围: 2.频率稳定度频率稳定度: 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度:图图4-1 反馈型正弦波振荡器原理反馈型正弦波振荡器原理 振荡器振幅平衡条件振荡器振幅平衡条件1|FA相位平衡条件为相位平衡条件为起振条件：4.4.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度一、振幅平衡的稳定条件满足起振条件的环路增益振幅稳定条件： A( )UiUi = U iA二、相位平衡稳定条件二、相位平衡稳定条件dtd为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化时产生相反方向的相位变化，以补偿频率变化时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。外因引起的相位变化。因此，相位平衡的稳定条件是：因此，相位平衡的稳定条件是：0g三、提高频率稳定度的措施三、提高频率稳定度的措施1.减小外界因素变化的影响减小外界因素变化的影响2.提高振荡回路的标准性提高振荡回路的标准性 （1） 采用高质量的回路元件采用高质量的回路元件 （2） 采用温度补偿法采用温度补偿法 （3） 改进安装工艺改进安装工艺 （4） 采用固体谐振器采用固体谐振器 （5） 减弱振荡管与振荡回路的耦合减弱振荡管与振荡回路的耦合v4.3 LC振荡器振荡器v4.3.1互感耦合式振荡器互感耦合式振荡器v互感耦合式振荡器有3种形式：v调集型电路、v调基型电路v调发型电路。v它们是根据振荡回路是接在集电极、基极还是发射极来区分的。图4-4调集型互感耦合式振荡器 +-+v图4-5和图4-6分别画出了调基型和调发型振荡电路， 接线时必须注意同名端的位置以满足自激振荡的相位条件。v由于基极和发射极之间输入阻抗较小，为避免回路 值降低过多，故在两电路中晶体管与振荡回路间采用部分接入耦合。v调集型电路在高频输出方面比其他两种电路稳定，而且幅度大，谐波成分小。调基型的振荡频率在较宽的范围内变化时，振荡幅度比较平稳。互感耦合振荡器在调整反馈时，基本不影响振荡频率，但由于分布电容的影响，限制了振荡频率的提高，一般适合较低频段。图4-5调基型互感耦合式振荡器-+图4-6调发型互感耦合式振荡器 什么叫三点式振荡器什么叫三点式振荡器? 所谓三点式振荡器就是对于所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言交流等效电路而言，由由LC回路引出三个端点分别与回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器晶体管三个电极相连的振荡器。 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器，又称容三点式振荡器，又称考毕兹考毕兹振荡器。振荡器。 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器，又称感三点式振荡器，又称哈特莱哈特莱振荡器。振荡器。 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电正反馈电压。压。4.3.2 三点式振荡器三点式振荡器 图4-7三点式振荡器原理图 满足相位振荡条件的判断：射同基、集反射极接二个电抗性质相同的元件，基极、集电极接二个电抗性质相反的元件（交流通道） 2. 电感三点式振荡器（哈特莱振荡器）电感三点式振荡器（哈特莱振荡器）振荡频率：3 电容三点式振荡器212102121CCCCLLCf振荡频率：5.5.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式电容三点式: 1.输出波形好，接近于正弦波；输出波形好，接近于正弦波； 2.因晶体管的输入输出电容与回路电容因晶体管的输入输出电容与回路电容并联，可适当增加回路电容提高稳定性；并联，可适当增加回路电容提高稳定性； 3.工作频率可以做得较高（利用极间电工作频率可以做得较高（利用极间电容）容） 缺点：调整频率困难，起振困难。缺点：调整频率困难，起振困难。电感三点式：优点是起振容易，调整方便；缺点是电感三点式：优点是起振容易，调整方便；缺点是输出波形不好，在频率较高时，不易起振。输出波形不好，在频率较高时，不易起振。4. 两种改进型电容三点式振荡器两种改进型电容三点式振荡器v（1）克拉泼振荡器）克拉泼振荡器 它是在图4-9电容三点式振荡器的电感支路中串入一个电容C3得到的，只要L和C3串联等效为电感，该电路仍然是一个电容三点式振荡器。所以可采用电容三点式的分析方法。所以可采用电容三点式的分析方法。3231, CCCCLCg103323121321CCCCCCCCCCC30g1 LC 可见，可见，g只取决于只取决于L、C3，而与而与C1、C2基本无关基本无关。于是可以增加于是可以增加C1、C2(不必减小电感不必减小电感L)以减小晶体以减小晶体管极间电容对频率的影响管极间电容对频率的影响，提高了频率稳定度提高了频率稳定度，改改变变C3即可改变振荡频率即可改变振荡频率图4-11 西勒振荡器振荡频率4.4 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 石英谐振器的符号和等效电路如图所示。其串联谐石英谐振器的符号和等效电路如图所示。其串联谐振频率为振频率为qqqCLf21Crq Cq Lq JT b a 000121CCfCCCCLfqqqqqp当等效电路并联时，并联谐振频率为：当等效电路并联时，并联谐振频率为：石英谐振器的电抗石英谐振器的电抗-频率特性如图所示频率特性如图所示 xo 容性 O 容性 q p 感性 图4-13 并联型晶体振荡器射同基、集反图4-14 皮尔斯振荡器 v4.4.2 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器v图4-16所示为串联型晶体振荡器，如将晶体短路，则该电路变为电容三点式振荡器。电路的工作原理是，当振荡频率等于晶体串联谐振频率fs时，晶体等效阻抗最小，正反馈最强，电路满足起振的相位条件和振幅条件，电路能正常工作。当频率远离晶体串联谐振频率fs时，晶体等效阻抗增大，使正、反馈减弱，不满足起振的相位条件和幅度条件，电路不能正常工作。由于振荡频率主要取决于晶体的串联谐振频率，所以振荡频率稳定度较高。 图4-16 串联型晶体振荡器 v4.5 RC振荡器振荡器v当需要产生几十千赫以下的正弦波信号时，如果仍采用LC振荡器，则所需要L、C数值较大，使它们的体积增大，给振荡器的安装调试带来不便。因此，在需要较低频率正弦波振荡器时，通常采用RC振荡器。RC振荡器也是反馈型振荡器，它用电阻、电容构成选频网络，由于RC选频网络的选频作用差，所以输出波形和频率稳定度都较差。v根据RC选频网络的不同形式，RC振荡器可分为移相式和桥式两种类型。v4.5.1 RC移相式振荡器移相式振荡器v移相式振荡器由一级反相放大器和三节以上RC移相电路组成，如图4-18所示。图4-18 RC移相式振荡器图4-19 RC串、并联网络及其频率特性21212ZZZUU F取R1=R2=R，C1=C2=C)(RCRCj F131图4-19 RC串、并联网络及其频率特性RCff210当F = 1/3 达最大值相移 =0图-20 文氏电桥振荡器31F AF 111RRAffRF2R1Rf 由具有负温度系数的热敏电阻Rt代替图4-21 改画成文氏电桥形式的振荡器电路 v4.6 集成电路振荡器应用介绍集成电路振荡器应用介绍v集成电路振荡器是由集成电路加外接选频网络构成的。由集成运放代替分立器件晶体管，可以组成以上各节所介绍的正弦波振荡器，本节不再重复介绍。下面重点介绍两种集成振荡器：单片集成振荡器E1648。运用在彩色电视机色度解码电路中作基准色副载波恢复电路的压控振荡器（VCO）。v4.6.1 单片集成振荡器单片集成振荡器E1648vE1648是中规模集成电路 ，其内部电路如图4-22所示。图4-22 单片集成电路振荡器E1648的内部电路v1.电路组成v该电路由差分对管振荡电路、放大电路和偏置电路3部分组成。v（1）差分对管振荡电路（又称索尼振荡器） 在图4-22 中VT7 、VT8管与10、 12脚之间外接LC回路组成差分对管振荡电路，其中VT9为可控恒流源。图4-23a为差分对管振荡电路的部分电路图，图4-23b为其交流等效电路。由图4-23b可以看出，它是一个共集-共基反馈式振荡电路，在LC回路的谐振频率时，共集-共基级联放大电路为同相放大电路，且增益可设计为大于1，因此电路满足相位和幅度平衡条件，可产生正弦波振荡输出。图4-23 差分对管振荡电路图4-24 E1648组成的正弦波振荡器vE1648单片集成振荡器振荡频率可达200MHz，有两个输出端，3脚由内部VT1管发射极引出，另外可在1脚外接振荡回路，由1脚输出。如在10和12脚外接包括变容二极管在内的LC元件，则可构成压控振荡器；如果外接石英晶体，则可构成石英晶体振荡器。v4.6.2 副载波恢复电路中的压控振荡器副载波恢复电路中的压控振荡器v压控振荡器是以电压来控制振荡频率的振荡器，其英文缩写为VCO。在电子通信设备中，压控振荡器（VCO）广泛使用于自动频率控制（AFC）、自动相位控制（APC）或锁相环路（PLL）系统中的振荡电路。彩色电视机中要对色度信号解调，就要恢复基准色副载波。副载波恢复电路中的压控振荡器（VCO）就是起这个作用。v图4-25所示为副载波恢复电路中的压控振荡器，它是高通型可变相移网络与石英晶体串联组成的压控振荡器。图4-25 串联型晶体压控振荡器v4.7 正弦波振荡器的选用正弦波振荡器的选用v上面已介绍多种正弦波振荡器，各种正弦波振荡器有不同的特性和使用范围。在电子设备中如何选用正弦波振荡器，是必须考虑的问题。v4.7.1 振荡器的类型选择振荡器的类型选择v首先要考虑的是正弦波振荡器的工作频率范围和频率的稳定度，其次要考虑电路结构和使用的方便性。一般可参考表4-1常用正弦波振荡器的主要特性来选用。v6. RC振荡器分为移相式和电桥式两类，其中文氏电桥振荡器在各种低频信号发生器中应用十分普遍。LC振荡器在低频工作时，其选频网络将因电感量增大而变得体积大、重量重，故只适用于高频。RC振荡器不存在类似问题，所以可以很方便的工作在低频。由于RC振荡器要求加深负反馈以提高振荡器的性能，工作于高频时要求有高增益的宽带放大器，才能获得深度负反馈，这样会导致造价提高。所以，RC振荡器不宜工作于高频领域。v7. 对于寄生振荡问题，运用振荡理论，分析了寄生振荡的产生原因、表现形式，目的是在实际电路中防止和消除寄生振荡。v学习完本章之后，要求能够正确识别常用正弦波振荡器的类型，并会分析判断电路能否正常工作，明确各种振荡电路的优缺点及其应用范围，掌握振荡电路的分析、计算及调试方法。