RC正弦波振荡电路.ppt

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1、07:01,1,3.8 RC振荡器,选频特性比LC选频网络差得多，电路中常采用负反馈以提高电路的选频特性。,放大器工作于线性(甲类),故不能用自生反偏压稳幅，常采用非线性惰性反馈实现稳幅。,07:01,2,具有正负反馈两个通路的RC正弦波振荡器,正负反馈两个通路的RC正弦波振荡器框图,正反馈网络 B+ : 产生振荡所必须；负反馈网络 B- : 抑制高次谐波。,1、B+ 为带通特性， B-为全通特性,实现振荡器的两种方案,2、B- 为带通特性， B+为全通特性,在 f0附近，正反馈 负反馈， 满足起振条件； 远离 f0时，负反馈 正反馈，抑制高次谐波。,07:01,3,文氏电桥振荡器,电阻Rf1

2、和Rf2组成负反馈网络，全通网络,正反馈网络有电阻R1R2和电容C1C2组成，具有带通特性,两个反馈网络构成一个电桥，故此振荡器称为文氏电桥振荡器。,起振条件,正反馈网络的传输系数：,负反馈系数,电路的环反馈系数为,平衡时要求,振荡频率为,07:01,4, 稳幅措施 因为不可能有 ，故应使 ，使负反馈随输出电压 的增大而增大。 具体措施采用非线性惰性反馈稳幅。 采用正温度系数的元件, 采 用负温度系数的元件。 非线性热惰性元件稳幅: 用钨丝灯泡等正温度系数元件； 用热敏电阻等负温度系数元件。 要求非线性惰性元件有足够的惰性,使其非线性特性在信号周期内显现不出来。所以超低频正弦波振荡器不能使用非

3、线性惰性元件稳幅。,07:01,5, 二极管自动稳幅电路 将二极管串接在 通路中，利用二极管微 变电阻随导通电流变化 的特性改变负反馈深度。 例如，当输出幅度增大 时，流过二极管的电流 增大，二极管的等效微 变电阻减小，电路的负 反馈增大，使输出幅度 降低。,07:01,6,场效应管稳幅 将场效应管当作一 个压 控电阻使用，代替 电阻Rf1，当输出电压幅 度增大时，使场效应管 的等效电阻也增大，负 反馈加强，从而使输出 电压幅度减小，实现稳 幅。,07:01,7,U1,+U c -,Uo,U1,+UR -,Uo,I,U1,U1,07:01,9,上式经两次微分可得：,07:01,10,07:01

4、,11,对于同相积分器A2可有,对于反相积分器A1可有,它是一个标准正弦振荡方程式，其解为,3.4 石英晶体振荡电路,1. 正弦振荡器的频率稳定问题,一、频率稳定性,振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化，引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度 。,一般用角频率或频率的相对变化量，即=0为角频率偏移 ，f=f-f0为频率偏移，称为绝对频率稳定度。另一种表示，即/0 或f/f0来表示，其中0为振荡角频率，称为相对频率稳定度；,根据测试时间的长短, 将频率稳定度分成长期频稳度、 短期频稳度和瞬时频稳度三种, 测试时间分别为一天以上、 一天以内和一秒以内,频率稳定度通常用PPM来表示,长期频稳

5、度主要取决于元器件的老化特性, 短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等, 而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。,07:01,12,Q,07:01,13,4、减少温度影响,5、稳定电源电压,6、采取屏蔽措施,07:01,14,3.4.2 石英晶体振荡器 (Crystal Oscillator),07:01,15,石英晶体的压电效应,基本特性是具有正压电效应和反压电效应。,当交流电压加在晶体两端, 晶体随电压变化产生应变称为反压电效应； 而机械振动产生的应变又使晶体表面产生交变电荷成为正压电效应。,当晶体几何尺寸和结构一定时, 它本身有一个固有的机械振动频率。晶片厚度

6、与振动频率成反比, 工作频率越高, 要求晶片越薄, 因而机械强度越差, 加工越困难, 使用中也易损坏。,当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率s时, 晶体片的机械振动最大, 晶体表面电荷量最多, 外电路中的交流电流最强, 于是产生了谐振。,石英谐振器产生机械振动时，有基音振动，还有各种奇次泛音振动。,利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音晶体，其余称为泛音晶体。,07:01,16,07:01,17,电感性,国产B45 1MHz中等精度晶体的等效参数如下：Lq= 4.00H，Cq=0.0063pF， rq100200 ，Co=23 pF。因而晶体的品质因数Qq很大，一般为几万至几百万,（12

7、50025 000）,07:01,18,二,晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators),07:01,19,二,晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators),07:01,20,2电路的谐振频率的估算:,07:01,21,二,晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators),07:01,22,二,晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators),07:01,23,二,晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators),07:01,24,2.

8、泛音晶体振荡器 工艺限制石英晶体最高基频，虽然目前能生产出高达几百兆赫兹的晶体，但频率高时,晶片很薄,机械强度脆弱,故当振荡频率高于几十MHz以上一般采用泛音晶体振荡器。, 什么叫泛音: 泛音是石英晶体的机械谐波，但它与电气谐波不同，它只有奇次谐波，且不与基波和其他谐波同时并存，称为泛音。,07:01,25,(a) 交流等效电路 (b) L1C1回路的电抗特性,L1C1回路的谐振频率必须设计在该电路所利用的n次泛音和（n-2）次泛音之间。,假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为5MHz，基频为1MHz，则L1C1路必须调谐在53次泛音之间。,07:01,26,变容二极管是利用结的结电容随反向电压变

9、化这一特性制成的一种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电容变化曲线如图所示。,3.5 压 控 振 荡 器,3.5.1 变容二极管,变容二极管结电容可表示为:,v 外加控制电压,V PN结的接触电位差（硅管约等于0.7V，锗管约等于0.3V）；,C0为外加电压v =0时的结电容值, 电容变化指数,变容管压控振荡器的频率可控范围约为振荡器中心频率的25。,07:01,27,将变容二极管作为压控电容接入振荡器中, 就组成了压控振荡器。一般可采用各种形式的三点式电路。,需要注意的是, 为了使变容二极管能正常工作, 必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压, 而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制

10、电压的干扰, 所以, 在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等。 ,3.5.2变容二极管压控振荡器,07:01,28,画出图例4.6(a)所示中心频率为360MHz的变容二极管压控振荡器中晶体管的直流通路和高频振荡回路, 变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。 ,07:01,29,压控振荡器的主要性能指标是压控灵敏度和线性度,压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的增量,变容二极管压控振荡器的频率电压特性,非线性的,其非线性程度与变容指数 和电路结构有关,在中心频率附近较小区域内线性度较好,灵敏度也较高。,07:01,30,3.6 负阻正弦波振荡器,所谓负阻器件是指具有负

11、微变电阻特性的器件。这种器件可以分为N和S两类。,3.6.1负阻器件,1.压控型负阻器件（N型）,2.流控型负阻器件（S型）,07:01,31,3.6.2 负阻LC正弦波振荡器 负阻型LC正弦波振荡器的工作原理是依 靠负阻器件的负阻特性给谐振回路补充能量，以维 持正弦振荡。两种负阻器件在直流供电和与谐振回 路的连接上有所不同。 1.直流电源供电方式 压控型 低内阻直流电源供电(恒压性质)。 流控型: 高内阻直流电源供电(恒流性质)。,07:01,32,2. 谐振回路与负阻器件的连接 谐振回路与器件的连接原则是必须确保负阻器 件工作于负阻区。在高Q条件下:, 压控型 采用器件与谐振回路并联连接,

12、流控型 采用器件与谐振回路串联连接,起振与平衡条件 将负阻器件等效一负电阻-r,而负电阻是给回路提供能量的，回路中的正电阻 R 则是消耗能量的。若负阻提供的能量大于正电阻消耗的能量，则电路中能激起增幅振荡。平衡时，二者相等。,起振条件,平衡条件,稳幅条件,07:01,33,负阻振荡器电路,隧道二极管负阻振荡器电路,隧道二极管与电感、电容组成并联谐振回路。,起振条件:,振荡频率:,振幅稳定:,随着振荡幅度增大，等效负阻绝对值增大，即满足,07:01,34,3.7 振荡器中的几种现象,UB,+ UBE _,+ UE _,07:01,35,2 当起振后,07:01,36,二,频率拖曳现象,07:01

13、,37,07:01,38,a,b,d,c,07:01,39,三、 寄生振荡,所谓寄生振荡即不是人为安排，而是由于电路中的寄生参数形成了正反馈，并满足自激条件而产生的振荡。,表现形式,1.寄生振荡叠加在有用波形上。 2.频率很高的寄生振荡一般示波器观察不到，但振荡器工作不正常，振荡波形和电路工作状态受人手触摸的影响。,寄生振荡的类型,主要有反馈寄生振荡、负阻寄生振荡和参量寄生振荡。,1、反馈型寄生振荡,在放大器的输入与输出回路之间，存在各种内部和外部的寄生反馈引起的。,超低频： 滤波电容、旁路电容、扼流圈的器件,产生超低频寄生振荡。,高频： 滤波电容在高频时呈现寄生电感，晶体管的极间分布电容等,

14、大电容旁加小电容、选择合理的放大倍数,元器件分布电容互感形成的寄生耦合,静电耦合和磁耦合,合理布局或加屏蔽,静电屏蔽（用高导电率材料） 磁屏蔽（用高导磁率材料）。,07:01,40,负阻型寄生振荡,由器件的负阻现象产生的振荡，主要有雪崩负阻振荡和过压负阻振荡。,雪崩负阻振荡是指晶体管工作进入雪崩击穿区时，器件对外呈现负阻特性，从而产生负阻振荡。这种寄生振荡一般只在放大器激励信号的负半周才出现。,当放大器工作于过压状态时，也会出现某种负阻现象，这是由于晶体管进入正向工作，在集电极与基极间有一个低阻通路，在输入端产生反馈，可能呈现负阻，由此产生的寄生振荡（高于工作频率）一般只在放大器激励电压的正半

15、周出现。,参量寄生振荡,在晶体管高频功率放大器中，由于晶体管结电容的非线性，特别是Cbc的强非线性影响，将引起所谓“参量效应”，在集电极输出电压中除了有基波之外，还产生了二次、三次等谐波，造成输出波形失真。参量效应会使放大器在信号频率的分谐波（1/n谐波频率）上产生自激振荡。,07:01,41, 各类振荡电路的选择原则: 根据工作频率选择电路 高 频： 用LC振荡电路； 低 频： 用RC振荡电路； 超低频： 用积分式RC振荡电路； 超高频：用负阻振荡器电路。 根据频率稳定性选择电路 LC振荡器频率稳定性高于RC振荡器； 克拉泼和西勒电路的稳定性高于普通LC振荡器； 石英晶体振荡器频率稳定性最高； RC振荡器靠加深负反馈提高频率稳定性。,07:01,42, 根据振荡频率是否可变选择电路 电感三点式和变压器耦合正弦波振荡器比电容 三点式易于调节； 西勒电路比克拉泼电路易于调节。 文氏电桥振荡器通过改变电容调节振荡频率， 也易于调节。,07:01,43,作业,3.3.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4（第二问不做） 3.4.5,07:01,44,