正弦波振荡器 精选PPT.ppt

高 频 电 子 线 路1关于正弦波振荡器 第1页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路224.1 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.2 LC4.2 LC振荡器振荡器4.3 4.3 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度4.4 LC4.4 LC振荡器的设计方法振荡器的设计方法4.5 4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器4.6 4.6 负阻振荡器负阻振荡器4.7 4.7 压控振荡器压控振荡器4.8 4.8 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象第2页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路33引言引言n振荡器是一种振荡器是一种不需外加信号激励不需外加信号激励而能自动将直而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置流能量变换为周期性交变能量的装置n从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号规下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号规律变化的交变能量的电路。律变化的交变能量的电路。n而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将直流而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将直流电源的能量转变为电源的能量转变为特定频率和幅度特定频率和幅度的交变能量的电路。的交变能量的电路。第3页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路44（）振荡器分类（）振荡器分类n按振荡波形分类按振荡波形分类n正弦波振荡器、非正弦波振荡器正弦波振荡器、非正弦波振荡器n按工作机理分类按工作机理分类n反馈振荡器、负阻振荡器反馈振荡器、负阻振荡器n按选频网络分类按选频网络分类nLCLC振荡器、振荡器、RCRC振荡器、晶体振荡器振荡器、晶体振荡器n压控振荡器、压控晶体振荡器压控振荡器、压控晶体振荡器n集成振荡器、开关电容振荡器集成振荡器、开关电容振荡器第4页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路55（）振荡器构成（）振荡器构成n振荡器正常工作，必须有以下四个部分振荡器正常工作，必须有以下四个部分n放大器或有源器件放大器或有源器件：至少有一个起能量变换作用的换能机：至少有一个起能量变换作用的换能机构。构。n正反馈通路或负阻正反馈通路或负阻：必须有一个能够：必须有一个能够补充元器件能量损耗补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡n选频网络选频网络：振荡器具有单一频率：振荡器具有单一频率n稳幅稳幅：一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。n 实际的放大器都有非线性限幅作用，使得振荡幅度不会无限大。实际的放大器都有非线性限幅作用，使得振荡幅度不会无限大。n 也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件，以保证获得需要的也可外加具有自动调节振荡强度的非线性元件，以保证获得需要的输出波形。输出波形。第5页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路66（）振荡器应用（）振荡器应用n通信系统中有广泛的应用通信系统中有广泛的应用n混频器的混频器的本振信号本振信号n调制的调制的载波信号载波信号，解调的，解调的本地载波信号本地载波信号n时钟、定时电路，电子测量设备的时钟、定时电路，电子测量设备的基准信号基准信号n工业生产部门广泛应用的高频电加热设备工业生产部门广泛应用的高频电加热设备n微波炉，电疗设备微波炉，电疗设备第6页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路77（）对正弦波振荡器的分析（）对正弦波振荡器的分析n正弦波振荡器是一个含有正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件非线性元件和储能元件的闭的闭环系统，它是一个环系统，它是一个非线性动态网络非线性动态网络，可采用求解非线可采用求解非线性微分方程或计算机辅助分析法。性微分方程或计算机辅助分析法。n本章定性分析阐明振荡器的振荡特性，在进行电路分析时，本章定性分析阐明振荡器的振荡特性，在进行电路分析时，仍采用电路参数的仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法准线性分析法和零极点分析法。n在振荡的初始阶段在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因，系统内流通的信号比较微弱，因此，可以引用此，可以引用线性系统的分析方法线性系统的分析方法，来确定这一时期，来确定这一时期振荡器的工作状态。振荡器的工作状态。n振荡建立后，用准线性方法振荡建立后，用准线性方法（如用平均跨导代替跨导，（如用平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析，获得重要的具有指导意义的结采用线性方法）分析，获得重要的具有指导意义的结论。论。第7页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路884.1 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 LCLC谐振回路是谐振回路是LC LC 振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是基于二阶基于二阶RLCRLC回路的自由振荡现象回路的自由振荡现象。考虑了回路损耗后，回路将产生振幅衰减的阻尼振荡考虑了回路损耗后，回路将产生振幅衰减的阻尼振荡4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 反馈振荡器的原理与分析反馈振荡器的原理与分析第8页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路99维持等幅振荡措施：维持等幅振荡措施：适时适时地补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。地补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。反馈振荡器反馈振荡器反馈振荡器反馈振荡器 采用采用负阻器件，负阻器件，抵消回路存在损耗，如抵消回路存在损耗，如隧道二极管隧道二极管 。负阻振荡器负阻振荡器负阻振荡器负阻振荡器 从能量角度：振幅衰减由从能量角度：振幅衰减由于回路存在损耗。于回路存在损耗。维持等幅振荡维持等幅振荡第9页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1010n起振条件起振条件：首先，要让振荡器自己振起来（自激振荡）。：首先，要让振荡器自己振起来（自激振荡）。n平衡条件平衡条件：其次，保证振荡器环路中的能量补充恰好抵消能量：其次，保证振荡器环路中的能量补充恰好抵消能量消耗，达到环路平衡。消耗，达到环路平衡。n稳定条件稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加干扰：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动恢复使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态。到原来的平衡状态。反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本条件：反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本条件：第10页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1111反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理放大网络反馈网络放大网络反馈网络n满足满足A(jA(j)F(j)F(j)=1,)=1,无需加输入信号。无需加输入信号。第11页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1212正弦波振荡器需要选频网络正弦波振荡器需要选频网络n反馈振荡器中，放大器单元的输入就是反馈网络的输出电压（反馈电反馈振荡器中，放大器单元的输入就是反馈网络的输出电压（反馈电压）。压）。n正弦波振荡器要求输出角频率为正弦波振荡器要求输出角频率为 oscosc的正弦波的正弦波，即只能在频率，即只能在频率 oscosc上满上满足足A(jA(j oscosc)F(j)F(j oscosc)=1)=1。n 为此，在振荡回路为此，在振荡回路中，必须有选频网络中，必须有选频网络给予保证。给予保证。n 这个选频网络的选这个选频网络的选频特性越好，振荡器频特性越好，振荡器频谱就越纯。频谱就越纯。第12页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1313n（开环）环路增益（开环）环路增益n平衡条件平衡条件n振幅平衡条件：开环增益的模为振幅平衡条件：开环增益的模为1n相位平衡条件：相位平衡条件：VF与与Vi同相，满足正反馈同相，满足正反馈4.1.2 4.1.2 平衡条件平衡条件第13页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1414形成增幅振荡形成增幅振荡形成减幅振荡形成减幅振荡第14页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1515举例举例第15页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1616n 当工作频率较高时，引起环路传输系数和相移的当工作频率较高时，引起环路传输系数和相移的因素是很多的：因素是很多的：t 晶体管正向转移晶体管正向转移导纳导纳t 谐振回路阻抗谐振回路阻抗t 反馈参数反馈参数振荡平衡条件表示为：振荡平衡条件表示为：第16页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1717相位平衡条件的分析相位平衡条件的分析如令：如令：则相位平衡条件变为：则相位平衡条件变为：其中：其中：上式中，上式中，随频率的变化十分明显，而其余相角随随频率的变化十分明显，而其余相角随频率变化较缓慢。频率变化较缓慢。第17页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1818相位平衡条件决定振荡频率相位平衡条件决定振荡频率n相位平衡条件相位平衡条件 并联谐振回路的相频特性并联谐振回路的相频特性第18页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路1919 w 1Q 2p 2p-1OSCw 0w 图解法图解法第19页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2020讨论：讨论：u反馈振荡器的相位平衡条件，决定了它的振荡频率。反馈振荡器的相位平衡条件，决定了它的振荡频率。n反馈振荡器的相频特性主要由环路中的选频回路决定。反馈振荡器的相频特性主要由环路中的选频回路决定。n选频回路的选频回路的Q Q值越大，相频特性的斜率越陡，选值越大，相频特性的斜率越陡，选频回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频频回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率率 OSCOSC就越接近于选频回路的中心频率就越接近于选频回路的中心频率 0 0n振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率u 在平衡状态中，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，在平衡状态中，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不再变化，因此振幅平衡条件决定了振荡器输平衡时输出幅度将不再变化，因此振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅的大小出振幅的大小。第20页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2121n起始信号：振荡器接通电源瞬间产生起始信号：振荡器接通电源瞬间产生电流突变；电流突变；电路内电路内存在各种存在各种微弱噪声。微弱噪声。特点：很微弱，占据频带很宽。特点：很微弱，占据频带很宽。n电扰动通过振荡环路电扰动通过振荡环路选频选频、放大放大、反馈反馈而形成振荡。而形成振荡。n 为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建立过程为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建立过程中，反馈电压中，反馈电压V VF F和原输入电压和原输入电压V Vi i(电扰动电扰动)必须同频同相，并且必须同频同相，并且|V VF F|V Vi i|。4.1.3 4.1.3 4.1.3 4.1.3 振荡器的起振条件振荡器的起振条件振荡器的起振条件振荡器的起振条件第21页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2222反馈振荡器的起振条件反馈振荡器的起振条件n 振幅条件振幅条件 相位条件相位条件以互感耦合以互感耦合LCLC振荡器为例，系统传输函数的极点振荡器为例，系统传输函数的极点位于位于S S平面的右半部平面的右半部，系统，系统不稳定不稳定。=+=L2,1,02)(0nnFApjjwj1)()(00FAww第22页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2323起振过程中的信号分析起振过程中的信号分析n起振初始，放大器工作于小信号状态起振初始，放大器工作于小信号状态n 线性工作状态线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其，可用晶体管小信号等效电路计算其增增益益A A。为了获得较高的增益为了获得较高的增益A A，要适当设置晶体管工作点。要适当设置晶体管工作点。n振荡建立过程中，环路增益振荡建立过程中，环路增益T T恒大于恒大于1 1，放大器，放大器的输入的输入V Vi i不断增大，放大器从小信号工作状态进不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态。入大信号工作状态。n 非线性工作状态非线性工作状态（出现饱和（出现饱和/截止截止），此时放大器，此时放大器增益增益A A的估算一般采用大信号平均参数（如的估算一般采用大信号平均参数（如平均跨导平均跨导 ）。）。第23页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2424n 大信号非线性工作：大信号非线性工作：晶体管集电极有丰富的谐晶体管集电极有丰富的谐波分量，输出信号通过选波分量，输出信号通过选频频增益下降增益下降。平均跨导小于静态跨导平均跨导小于静态跨导斜率斜率g第24页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2525稳幅措施稳幅措施n起振条件为起振条件为T=AF1T=AF1，输出信号幅度输出信号幅度的不断增长，而后必须限制其增长，的不断增长，而后必须限制其增长，使其达到平衡，满足平衡条件使其达到平衡，满足平衡条件T=AF=1T=AF=1。n环路中必须有一个非线性器件，其参环路中必须有一个非线性器件，其参数随信号的增大而变化，达到限幅的数随信号的增大而变化，达到限幅的目的。目的。n 特别是不要让晶体管工作于饱和区特别是不要让晶体管工作于饱和区，因为饱和区的晶体管输出，因为饱和区的晶体管输出阻抗很低，并联在选频环路上，将使回路的阻抗很低，并联在选频环路上，将使回路的Q Q值降低，影响频值降低，影响频率的稳定度。率的稳定度。n 晶体管本身的非线性，使得放大器晶体管本身的非线性，使得放大器的放大倍数的放大倍数A A随输入信号的增大而减小。随输入信号的增大而减小。第25页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2626 振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，将会破坏振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，将会破坏其原来的平衡状态。其原来的平衡状态。n干扰消失后，振荡器若能自动恢复到原来的平衡状干扰消失后，振荡器若能自动恢复到原来的平衡状态，则称之为是态，则称之为是稳定的平衡状态。稳定的平衡状态。n否则，称之为是否则，称之为是不稳定的平衡状态。不稳定的平衡状态。n 自然界中处于自然界中处于平衡状态平衡状态的物体都有的物体都有稳定平衡稳定平衡和和不不稳定平衡稳定平衡之分。之分。4.1.4 4.1.4 4.1.4 4.1.4 稳定条件稳定条件第26页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2727振幅稳定条件振幅稳定条件n某个平衡点上某个平衡点上，若外界扰动使得振荡器的输入幅度增大，环路增，若外界扰动使得振荡器的输入幅度增大，环路增益减小，反馈电压减小；若外界扰动使得振荡器的输入幅度减小，益减小，反馈电压减小；若外界扰动使得振荡器的输入幅度减小，环路增益增大，反馈电压增大，为环路增益增大，反馈电压增大，为稳定的平衡状态稳定的平衡状态，反之为，反之为不不稳定的平衡状态稳定的平衡状态。n 振荡器平衡时，环路增益为振荡器平衡时，环路增益为1 1，反馈电压反馈电压V VF F等于放大器输入电压等于放大器输入电压V Vi i。平衡点增益具平衡点增益具有有负斜率负斜率n 有自偏置效应的振荡器，振幅稳定性更好。有自偏置效应的振荡器，振幅稳定性更好。n 自给偏置自给偏置第27页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2828振幅稳定条件的讨论振幅稳定条件的讨论n随着振荡幅度加大，放大器增益（以及环路增益随着振荡幅度加大，放大器增益（以及环路增益）将将自动降低；反之，振荡幅度减小放大器增益增大，以自动降低；反之，振荡幅度减小放大器增益增大，以保证保证T=AF=1。如果反馈如果反馈F不随输不随输入变化而变化，入变化而变化，则：则：n 并非所有的平衡点都是稳定的。并非所有的平衡点都是稳定的。第28页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路2929n当晶体管起始偏置电压取得比较低，使静态工作当晶体管起始偏置电压取得比较低，使静态工作点接近于截止，则跨导小，增益小。点接近于截止，则跨导小，增益小。n当输入增大后，平均跨导变大，增益增加。当输入增大后，平均跨导变大，增益增加。n输入进一步增大，进入饱和区，平均跨导变小，输入进一步增大，进入饱和区，平均跨导变小，增益随之减小。增益随之减小。n无法起振，需要硬冲击。无法起振，需要硬冲击。第29页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3030相位稳定条件相位稳定条件n正弦振荡的角频率是相位随时间的变化率，正弦振荡的角频率是相位随时间的变化率，相位的瞬时变化必然引起频率的变化。相位的瞬时变化必然引起频率的变化。n相位超前（周期缩短），意味频率上升；相位滞相位超前（周期缩短），意味频率上升；相位滞后后，意味频率下降，意味频率下降，相位稳定条件即是频率稳定相位稳定条件即是频率稳定条件。条件。n在频率在频率 OSC处处(平衡点平衡点)，经过一个循环，反馈电压与经过一个循环，反馈电压与输入电压相位差输入电压相位差2（2n）。n假设外界扰动，使得振荡器的频率上升了，经过环路后，假设外界扰动，使得振荡器的频率上升了，经过环路后，反馈电压的相位应该滞后，才能使外界干扰消除；同理，反馈电压的相位应该滞后，才能使外界干扰消除；同理，若振荡器的频率下降了，经过环路后，反馈电压的相位若振荡器的频率下降了，经过环路后，反馈电压的相位应该超前，达到相位稳定。应该超前，达到相位稳定。第30页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3131相位稳定条件的讨论相位稳定条件的讨论n LCLC并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性，因并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性，因而以而以LCLC并联谐振回路作为振荡器的选频回路，一并联谐振回路作为振荡器的选频回路，一定是相位稳定的（频率稳定的）。定是相位稳定的（频率稳定的）。振荡器相位稳定（即频率稳定），环路中应含有一负振荡器相位稳定（即频率稳定），环路中应含有一负斜率变化的相频特性，即：斜率变化的相频特性，即：第31页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3232 w oZj 1Q 2Q 2p 2p-0w n 假设外界扰动，使得振荡器的频率上升了，经过环路假设外界扰动，使得振荡器的频率上升了，经过环路后，反馈电压的相位会滞后；若振荡器的频率下降了，后，反馈电压的相位会滞后；若振荡器的频率下降了，经过环路后，反馈电压的相位会超前，达到相位稳定。经过环路后，反馈电压的相位会超前，达到相位稳定。第32页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3333 自给偏置自给偏置 （加固定偏置）（加固定偏置）n起振时，晶体管处于起振时，晶体管处于A A类放大，增类放大，增益高益高 起振后，随着起振后，随着V Vi i的不断增高，晶体管进入非线性区，从的不断增高，晶体管进入非线性区，从A A类到类到B B类、类、C C类，电流的正负半周不对称，于是平均电流类，电流的正负半周不对称，于是平均电流IB0B0、IC0C0增大，增大，R Re e上的压降将增大。上的压降将增大。第33页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3434n自给偏置加速了振荡进入平衡状态的过程。自给偏置加速了振荡进入平衡状态的过程。n 合理设置合理设置Q Q点，避免管子进入饱和状态。点，避免管子进入饱和状态。工作点向负偏压方向移动，工作点向负偏压方向移动，集电极电流由余弦形变为余弦脉集电极电流由余弦形变为余弦脉冲形。冲形。导通角减小，平均跨导减小，增益减小，达到导通角减小，平均跨导减小，增益减小，达到AF=1AF=1。第34页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3535小结：反馈振荡器振荡的三大条件小结：反馈振荡器振荡的三大条件n分析的角度从：正反馈（或负阻）适时补充能量；选频回路分析的角度从：正反馈（或负阻）适时补充能量；选频回路（移相网络）使得特定频率才能得以放大和正反馈；非线性器（移相网络）使得特定频率才能得以放大和正反馈；非线性器件使得幅度受限，最终到达平衡；负斜率环路增益（对输入幅件使得幅度受限，最终到达平衡；负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性度）和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性n回答的问题是：振荡是如何产生的？又是如何平衡的？回答的问题是：振荡是如何产生的？又是如何平衡的？平衡是否是稳定的？平衡是否是稳定的？起振条件起振条件 平衡条件平衡条件 稳定条件稳定条件第35页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3636（1 1）互感耦合）互感耦合LCLC振荡器振荡器n为了保证为了保证正反馈正反馈(输入与反馈同相输入与反馈同相)，互感耦合线圈的同名端必须，互感耦合线圈的同名端必须正确正确n共基同极性共基同极性n共发反极性共发反极性 共发电路输出电压与输入电压反相，而共基同相。共发电路输出电压与输入电压反相，而共基同相。共基电路，从共基电路，从集电极引回到发射极的反馈本身就是正反馈；而共发电路，直集电极引回到发射极的反馈本身就是正反馈；而共发电路，直接从集电极引回到基极的反馈是负反馈，为了满足正反馈，反接从集电极引回到基极的反馈是负反馈，为了满足正反馈，反馈电压的极性要改变。馈电压的极性要改变。4.1.5 4.1.5 4.1.5 4.1.5 振荡电路举例振荡电路举例振荡电路举例振荡电路举例互感耦合振荡器互感耦合振荡器互感耦合振荡器互感耦合振荡器第36页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3737画交流通路：画交流通路：例例1、旁路电容、耦合电容、电源滤波电容旁路电容、耦合电容、电源滤波电容短路短路第37页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3838例例2、旁路电容、耦合电容、电源滤波电容、旁路电容、耦合电容、电源滤波电容短路短路第38页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路3939例例3、大电阻开路、大电阻开路第39页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路4040（2 2）晶体管输入电阻对回路）晶体管输入电阻对回路Q Q值的影响值的影响nLCLC谐振回路两端一般接在集电极输出端谐振回路两端一般接在集电极输出端，晶体管的输入阻，晶体管的输入阻抗很低（共基、共发放大器），如果直接从集电极输出端（抗很低（共基、共发放大器），如果直接从集电极输出端（LCLC回路两端）取电压反馈回输入端，回路两端）取电压反馈回输入端，小的晶体管输入电阻小的晶体管输入电阻并联在并联在LCLC谐振回路两端，会大大降低回路的谐振电阻和谐振回路两端，会大大降低回路的谐振电阻和Q Q值。值。第40页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路4141 为此，必须提高放大器输入端对为此，必须提高放大器输入端对LCLC并联谐振回路的接入阻抗，并联谐振回路的接入阻抗，在反馈支路上进行阻抗变换。在反馈支路上进行阻抗变换。u 阻抗变换的方法：阻抗变换的方法：一是采用一是采用变压器、互感耦合变压器、互感耦合，二是，二是采用部分接入。采用部分接入。u 对应的对应的LCLC反馈放大器分为反馈放大器分为互感耦合振荡器互感耦合振荡器和和三点式振三点式振荡器荡器两种。两种。降低降低Q Q值的直接后果：值的直接后果：1.1.降低了放大器的增益（谐振电阻减小），可能使得环降低了放大器的增益（谐振电阻减小），可能使得环路增益小于路增益小于1 1而无法起振；而无法起振；2.2.降低了振荡器的频率稳定度降低了振荡器的频率稳定度第41页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路4242 三点式振荡器采用三点式振荡器采用LC回路部分接入的形式，降低晶体管的回路部分接入的形式，降低晶体管的输入阻抗对回路的影响。输入阻抗对回路的影响。4.2 LC4.2 LC振荡器振荡器4.2.1 LC4.2.1 LC振荡器（三点式振荡器）的组成原则振荡器（三点式振荡器）的组成原则振荡器（三点式振荡器）的组成原则振荡器（三点式振荡器）的组成原则第42页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路4343 与发射极相联的两个电抗元件必须是同性质的，另一个是异性与发射极相联的两个电抗元件必须是同性质的，另一个是异性（满足相位平衡条件）（满足相位平衡条件）电容三点式：考毕兹振荡器（电容三点式：考毕兹振荡器（a）电感三点式：哈特莱振荡器（电感三点式：哈特莱振荡器（b）（a）（b）三点式振荡器：三点式振荡器：LC回路的三个电回路的三个电抗元件分别接于三极管的三个电抗元件分别接于三极管的三个电极之间。极之间。三点式振荡器的组成法则三点式振荡器的组成法则第43页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路4444()113322 6CLCLCL ()332211 5CLCLCL=()332211 3CLCLCL=()332211 2CLCLCL 1w w 2w w 3w w 3w w 2w w 1w w 321w ww ww w=321w ww ww w=123w ww ww w(310)f1max，f1max为为振荡器最高工作频率。振荡器最高工作频率。第66页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路67673.提高回路的品质因数提高回路的品质因数我们先回顾一下相位稳定条件，要使相位稳定，回路的相频特性应具有负的斜率，斜率越大，相位越稳定。根据LC回路的特性，回路的Q值越大，回路的相频特性斜率就越大，即回路的Q值越大，相位越稳定。从相位与频率的关系可得，此时的频率也越稳定。前面介绍的电容、电感反馈的振荡器，其频率稳定度一般为103量级，两种改进型的电容反馈振荡器克拉泼振荡器和西勒振荡器，由于降低了晶体管和回路之间的耦合，频率稳定度可以达到104量级。对于LC振荡器，即使采用一定的稳频措施，其频率稳定度也不会太高，这是由于受到回路标准性的限制。要进一步提高振荡器的频率稳定度就要采用其它的电路和方法。第67页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路6868 4.减少电源、负载等的影响减少电源、负载等的影响电源电压的波动，会使晶体管的工作点、电流发生变化，从而改变晶体管的参数，降低频率稳定度。为了减小其影响，振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端，这会降低回路的品质因数，从而使振荡器的频率稳定度下降。为了减小其影响，应减小负载对回路的耦合，可以在负载与回路之间加射极跟随器等措施。另外，为提高振荡器的频率稳定度，在制作电路时应将振荡电路安置在远离热源的位置，以减小温度对振荡器的影响；为防止回路参数受寄生电容及周围电磁场的影响，可以将振荡器屏蔽起来，以提高稳定度。第68页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路6969两种改进型电容反馈振荡器（两种改进型电容反馈振荡器（4.2.4）n减小振荡管的输入、输出阻抗对回路性能（谐减小振荡管的输入、输出阻抗对回路性能（谐 振频率）的影响，提高振荡器频率稳定性。振频率）的影响，提高振荡器频率稳定性。n特别是在三点式振荡电路中，特别是在三点式振荡电路中，器件三个端口的等效阻器件三个端口的等效阻抗直接与回路三个电抗元件相连接抗直接与回路三个电抗元件相连接，由于器件端口等效，由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而改变，振荡器阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而改变，振荡器的频率稳定度很难提高。的频率稳定度很难提高。n 为了改善普通三点振荡电路的频率稳定性而提出的两种改进为了改善普通三点振荡电路的频率稳定性而提出的两种改进型的电路：型的电路：克拉泼电路克拉泼电路和和西勒电路。西勒电路。n 也可用也可用晶体特有的谐振特性晶体特有的谐振特性，消除振荡管的影响。，消除振荡管的影响。第69页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7070复习：复习：电容反馈型三点式振荡器电容反馈型三点式振荡器n 晶体管的输出输入电容影响振荡晶体管的输出输入电容影响振荡频率和反馈系数。频率和反馈系数。n反馈系数会影响振荡波形的幅度反馈系数会影响振荡波形的幅度和起振。和起振。n 不易调节频率。不易调节频率。改进的思考：改进的思考：t 把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系 数数F F 的主要元件分开。的主要元件分开。t 振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。第70页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7171（1 1）串联改进型串联改进型 电容三点式振荡器电容三点式振荡器（克拉泼（克拉泼clappclapp电路）电路）第71页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7272当满足：当满足：减小减小 ，增大，增大，减小，回路的标准性提高减小，回路的标准性提高 反馈系数反馈系数F与振荡频率的调节互不影响。与振荡频率的调节互不影响。优点：优点：极间电容均直接并联在极间电容均直接并联在 和和 上，不影响上，不影响 的值的值 和和 增加，可减小极间电容对谐振回路的影增加，可减小极间电容对谐振回路的影响响克拉泼克拉泼(clapp)电路电路振荡频率近似为：振荡频率近似为：第72页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7373并联谐振回路的谐振电阻并联谐振回路的谐振电阻R RP P 等效到晶体管的等效到晶体管的C-EC-E两端为：两端为：（C2上电压忽略）上电压忽略）克拉泼电路克拉泼电路的振荡频率与晶体管的输出输入电容的振荡频率与晶体管的输出输入电容无关，频稳度比一般三点式电路高。无关，频稳度比一般三点式电路高。缺点：缺点：减小减小 ，提高频稳度，是以牺牲环路增益，提高频稳度，是以牺牲环路增益 为代价为代价（太小会停振）（太小会停振）。调节频率，振荡器的振幅不调节频率，振荡器的振幅不稳定稳定(不适合作波段振荡器不适合作波段振荡器)。第73页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7474显然显然:（2 2）并联改进型并联改进型 电容三点式振荡器电容三点式振荡器（西勒（西勒shelle shelle 电路）电路）第74页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7575t 晶体管的输出输入电容影响较小。晶体管的输出输入电容影响较小。tC4是与是与 L L 并联的，调节并联的，调节 C4可调节振荡频率，对振荡幅度影响可调节振荡频率，对振荡幅度影响较小较小。西勒电路的特点：西勒电路的特点：t 对对C C3 3 的选择：的选择：不能太大（振荡频率不能太大（振荡频率 由由 C C4 4 调节调节)也不能太小，太小了，也不能太小，太小了，接入系数小了，振荡幅度就小了。接入系数小了，振荡幅度就小了。t 一般取：一般取：2020PFPF至至200200PFPF。第75页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7676新技术的发展趋势新技术的发展趋势 随着随着CMOSCMOS工艺水平的发展，深亚微米技术允许工艺水平的发展，深亚微米技术允许CMOSCMOS电路的电路的工作频率超过工作频率超过1 1GHzGHz，推动了推动了CMOSCMOS射频集成电路的发展。射频集成电路的发展。在锁相环的在锁相环的CMOSCMOS实现中，压控振荡器的性能在很大程实现中，压控振荡器的性能在很大程度上决定了所设计锁相环的性能，度上决定了所设计锁相环的性能，CMOSCMOS压控振荡器采用压控振荡器采用LCLC振荡器具有较低的相位噪声和工艺上易于实现在近年振荡器具有较低的相位噪声和工艺上易于实现在近年得到了较好的发展。得到了较好的发展。传统的电感，损耗大，制造工艺比较复杂，不易集成并传统的电感，损耗大，制造工艺比较复杂，不易集成并且容易受到外界电磁场的干扰；目前片上电感（硅基片且容易受到外界电磁场的干扰；目前片上电感（硅基片上螺旋电感）和可变电容得以实现，使得模拟前端电路上螺旋电感）和可变电容得以实现，使得模拟前端电路的振荡器单片集成成为可能。的振荡器单片集成成为可能。第76页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路77774.5 4.5 晶体振荡器晶体振荡器 利用利用石英晶体的压电效应和反压电效应石英晶体的压电效应和反压电效应对正弦波对正弦波振荡器进行控制的振荡器称为晶体振荡器振荡器进行控制的振荡器称为晶体振荡器n晶体振荡器也是晶体振荡器也是反馈振荡器反馈振荡器，决定频率的元，决定频率的元件是晶体而不是件是晶体而不是LCLC谐振回路谐振回路n 晶体振荡器突出的优点是可以产生晶体振荡器突出的优点是可以产生频率稳定度和准频率稳定度和准确度很高确度很高的正弦波的正弦波。l 晶体振荡器可以比较容易地实现晶体振荡器可以比较容易地实现1010-4-41010-6-6的频率稳的频率稳定度定度l 对晶体施加恒温控制，还可提高到对晶体施加恒温控制，还可提高到1010-7-71010-8-8数量级数量级l 目前晶体振荡器频率稳定度的极限是目前晶体振荡器频率稳定度的极限是1010-12-121010-13-13第77页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7878 在通信系统和各种电子设备中，在通信系统和各种电子设备中，晶体振荡器是最晶体振荡器是最常见的具有高稳高准频率的正弦波振荡电路。常见的具有高稳高准频率的正弦波振荡电路。在通信系统中，可满足电视台、广播电台发射信号的载波频稳在通信系统中，可满足电视台、广播电台发射信号的载波频稳度的要求。度的要求。n 石英钟。石英钟。n 数字系统中的基准时钟源。数字系统中的基准时钟源。晶体振荡器的应用晶体振荡器的应用第78页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路7979压电效应压电效应 按某种方式将石英晶体切割成一定厚度的薄片，对薄片按某种方式将石英晶体切割成一定厚度的薄片，对薄片施加机械力（压力、拉力、扭力等）时，会在对应的表面产施加机械力（压力、拉力、扭力等）时，会在对应的表面产生正负电荷的集聚；反之亦然。生正负电荷的集聚；反之亦然。n如果周期性地施加力，就会有周期性的电输出；反之，如果在如果周期性地施加力，就会有周期性的电输出；反之，如果在晶体上施加变化的电压，并且电信号的频率和晶体的固有振荡晶体上施加变化的电压，并且电信号的频率和晶体的固有振荡频率接近，晶体就会产生机械振动。频率接近，晶体就会产生机械振动。石英谐振器的基本特性石英谐振器的基本特性(详见详见2.2.3小节小节)4.5.1 4.5.1 石英晶体振荡器频率稳定度石英晶体振荡器频率稳定度第79页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路8080石英晶体的石英晶体的固有振荡频率固有振荡频率n石英晶体的固有振荡频率和薄片厚度有关系，而石英晶体的固有振荡频率和薄片厚度有关系，而振荡频率的振荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关。稳定性与石英片材料和切割方式有关。n振荡频率越高，晶片就越薄。振荡频率越高，晶片就越薄。n传统切割工艺晶体的谐振频率很难达到传统切割工艺晶体的谐振频率很难达到30MHz，晶片太薄，易损坏。可采用化学蚀刻方法得到薄晶片太薄，易损坏。可采用化学蚀刻方法得到薄晶片，使谐振频率达到晶片，使谐振频率达到350MHz。第80页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路8181n晶片越薄越易损坏，实用性不强。可采用让晶体晶片越薄越易损坏，实用性不强。可采用让晶体工作于泛音方式。工作于泛音方式。n泛音方式采用基频的谐波振荡，泛音方式采用基频的谐波振荡，频率为基频的频率为基频的3倍、倍、5倍、倍、7倍到倍到9倍。倍。n采用泛音状态，普通晶体振荡器的工作频率可达采用泛音状态，普通晶体振荡器的工作频率可达200MHz。第81页，讲稿共97张，创作于星期二高 频 电 子 线 路8282（1 1）石英谐振器的等效电路石英谐振器的等效电路（n 次泛音谐振）次泛音谐振）（基频谐振）（基频谐振）机械系统机械系统电系统电系统（对比）（对比）大大小小小小晶体并联（极间）电容晶体并联（极间）电容 几几pF pF 到几十到几十pFpF 晶体质量等效晶体质量等效0.1H0.1H到百到