《RC正弦波振荡电路》PPT课件.ppt

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1、*13.8 RC振荡器振荡器选频特性比选频特性比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。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。放大器工作于线性放大器工作于线性(甲类甲类),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。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。*2具有正负反馈两个通路的具有正负反馈两个通路的RC正弦波振荡器正弦波振荡器正负反馈两个通路的正负反馈两个通路的RC正弦波振荡器框图正弦波振荡器框图正反馈网络正反馈网络 B+:产生振荡所必须；负反馈网络产生振荡所必须；负反馈网络 B-:抑制高次谐波。抑制高次谐波。1、B+为带通特性

2、，为带通特性，B-为全通特性为全通特性实现振荡器的两种方案实现振荡器的两种方案2、B-为带通特性，为带通特性，B+为全通特性为全通特性在在 f0附近，正反馈附近，正反馈 负反馈，负反馈，满足起振条件；满足起振条件；远离远离 f0时，负反馈时，负反馈 正反馈，抑制高次谐波。正反馈，抑制高次谐波。*3文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器电阻电阻Rf1和和Rf2组成负反馈网络，全通网络组成负反馈网络，全通网络正反馈网络有电阻正反馈网络有电阻R1R2和电容和电容C1C2组成，组成，具有带通特性具有带通特性两个反馈网络构成一个电桥，故此振荡器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。称为文氏电桥振

3、荡器。起振条件起振条件正反馈网络的传输系数：正反馈网络的传输系数：负反馈系数负反馈系数电路的环反馈系数为电路的环反馈系数为平衡时要求平衡时要求振荡频率为振荡频率为*4 稳幅措施稳幅措施 因为不可能有因为不可能有 ，故应使，故应使 ，使，使负反馈随输出电压负反馈随输出电压 的增大而增大。的增大而增大。具体措施具体措施采用非线性惰性反馈稳幅采用非线性惰性反馈稳幅。采用正采用正温度系数的元件温度系数的元件,采采 用负温度系数的元件。用负温度系数的元件。非非线线性性热惰性元件稳幅热惰性元件稳幅:用钨丝灯泡等正温度系数元件；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。用热敏电阻等负温度系数元

4、件。要求非线性惰性元件有足够的惰性要求非线性惰性元件有足够的惰性,使其非线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线性惰性元件稳幅。振荡器不能使用非线性惰性元件稳幅。*5 二极管自动稳幅电路二极管自动稳幅电路 将二极管串接在将二极管串接在 通路中，利用二极管微通路中，利用二极管微变电阻随导通电流变化变电阻随导通电流变化的特性改变负反馈深度。的特性改变负反馈深度。例如，当输出幅度增大例如，当输出幅度增大时，流过二极管的电流时，流过二极管的电流增大，二极管的等效微增大，二极管的等效微变电阻减小，电路的负变电阻减小，电路的负

5、反馈增大，使输出幅度反馈增大，使输出幅度降低。降低。*6 场效应管稳幅场效应管稳幅 将场效应管当作一将场效应管当作一个压个压 控电阻使用，代替控电阻使用，代替 电阻电阻Rf1，当输出电压幅，当输出电压幅度增大时，使场效应管度增大时，使场效应管的等效电阻也增大，负的等效电阻也增大，负反馈加强，从而使输出反馈加强，从而使输出电压幅度减小，实现稳电压幅度减小，实现稳幅。幅。*7C3C2C1CeR1R2Rb2Rb1ReRcEcRCRCU1+U c -UoU1+UR-UoIIUoIUCU1U1UoIUR *9上式经两次微分可得：上式经两次微分可得：*10*11对于同相积分器对于同相积分器A2可有可有对于

6、反相积分器对于反相积分器A1可有可有它是一个标准正弦振荡方程式，其解为它是一个标准正弦振荡方程式，其解为3.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1.正弦振荡器的频率稳定问题正弦振荡器的频率稳定问题一、频率稳定性一、频率稳定性 振荡器的振荡器的频率稳定度频率稳定度是指由于外界条件的变化，引起振荡器的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，即一般用角频率或频率的相对变化量，即=0为角频为角频率偏移率偏移，f=f-f0为频率偏移，称为为频率偏移，称为绝对频率稳定度绝对频率稳定度。另一种。另一种表示，表示，即即/

7、0 或或 f/f0来表示，其中来表示，其中 0为振荡角频率，称为为振荡角频率，称为相对频率稳定度相对频率稳定度；根据测试时间的长短根据测试时间的长短,将频率稳定度分成将频率稳定度分成长期频稳度、长期频稳度、短期频短期频稳度和瞬时频稳度稳度和瞬时频稳度三种三种,测试时间分别为一天以上、测试时间分别为一天以上、一天以内一天以内和一秒以内和一秒以内频率稳定度通常用频率稳定度通常用PPM来表示来表示 长期频稳度主要取决于元器件的老化特性长期频稳度主要取决于元器件的老化特性,短期频稳度主要取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决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等

8、等,而而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。*12 Q*134、减少温度影响、减少温度影响 5、稳定电源电压、稳定电源电压 6、采取屏蔽措施、采取屏蔽措施*143.4.2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器(Crystal Oscillator)*15石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 基本特性是具有基本特性是具有正压电效应和反压电效应正压电效应和反压电效应。当交流电压加在晶体两端当交流电压加在晶体两端,晶体随电压变化产生应变称为晶体随电压变化产生应变称为反压电效应反压电效应；而而机械振动产生的应变又使晶体表面产生交变电荷成为机械振动产生的应变又使晶体表面产生交

9、变电荷成为正压电效应正压电效应。当晶体几何尺寸和结构一定时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。它本身有一个固有的机械振动频率。晶片厚晶片厚度与振动频率成反比度与振动频率成反比,工作频率越高工作频率越高,要求晶片越薄要求晶片越薄,因而机械强度越差因而机械强度越差,加加工越困难工越困难,使用中也易损坏。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当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率s时时,晶体片的机械振动最晶体片的机械振动最大大,晶体表面电荷量最多晶体表面电荷量最多,外电路中的交流电流最强外电路中的交流电流最强,于是产生了于是产生了谐振谐振。石英谐振器产生机械振

10、动时，有基音振动，还有各种奇次泛音振动。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利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音晶体基音晶体，其余称为，其余称为泛音晶体泛音晶体。*16CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg*17CoCgLgRgfqfp电容性电容性电容性电容性电电感感性性 fXqO国产国产B45 1MHz中等精度晶体的等效参数中等精度晶体的等效参数如下：如下：Lq，Cq，rq100200，Co=23 pF。因而晶体的品质因数。因而晶体的品质因数Qq很大，一般很大，一般为几万至几百万为几万至几百万（12 50025 0

11、00）*18CLJTC1C2JT二二,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)*19ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc二二,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)晶晶体体C1C2JTC3*20LqrqCqCoCLLqCqrqCoC1C2C3gmubeg3ie2 2电路的谐振频率的估算电路的谐振频率的估算:*21C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC

12、2C1C2L1JT二二,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)*22C1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc二二,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)*23二二,晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)(Circuit of Crystal Oscillators)q*242.

13、2.泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器 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，但频率高时出高达几百兆赫兹的晶体，但频率高时,晶片很薄晶片很薄,机机械强度脆弱械强度脆弱,故当振荡频率高于几十故当振荡频率高于几十MHz以上一般采以上一般采用泛音晶体振荡器。用泛音晶体振荡器。什么叫泛音什么叫泛音:泛音是石英晶体的机械谐波，但它与电气谐波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。时并存，称为泛音。*25(a)交流等效电路交流等效电路 (b)

14、L1C1回路的电抗特性回路的电抗特性L1C1回路的谐振频率必须设计在该电路所利用的回路的谐振频率必须设计在该电路所利用的n次泛音和（次泛音和（n-2）次泛音之间。）次泛音之间。假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为5MHz，基频为，基频为1MHz，则，则L1C1路必须调谐在路必须调谐在53次泛音之间。次泛音之间。*26 变变容容二二极极管管是是利利用用结结的的结结电电容容随随反反向向电电压压变变化化这这一一特特性性制制成成的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。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 压压 控控

15、振振 荡荡 器器3.5.1 变容二极管变容二极管变容二极管结电容可表示为变容二极管结电容可表示为:v 外加控制电压外加控制电压 V PN结的接触电位差（硅管约结的接触电位差（硅管约等于，锗管约等于）；等于，锗管约等于）；C0为外加电压为外加电压v=0时的结电容值时的结电容值 电容变化指数电容变化指数 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。*27 将将变变容容二二极极管管作作为为压压控控电电容容接接入入振振荡荡器器中中,就就组组成成了了压控振荡器。一般可采用各种形式的三点式电路。压控振荡器。一般可采用各种形式的三点式电路。需要注

16、意的是需要注意的是,为了使变容二极管能正常工作为了使变容二极管能正常工作,必必须正确地给其提供须正确地给其提供静态负偏压静态负偏压和和交流控制电压交流控制电压,而且而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰扰,所以所以,在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路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。电容、隔直流电容等。变容二极管压控振荡器变容二极管压控振荡器*28画画出出图图例例4.6(a)所所示示中中心心频频率率为为360MHz的的变变容容二二极极管管压压控控振振荡荡器器中中晶晶体体管管的的直直流流通通路路和和高高频频振

17、振荡荡回回路路,变变容容二二极极管管的的直直流流偏偏置置电电路路和和低低频频控控制制回回路路。*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 压控灵敏度压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的增量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变容二极管压控振荡器的频率电压特性电压特性 非线性的非线性的,其非线性程度与变容指数其非线性程度与变容指数 和电路结构有关和电路结构有关 在中心频率附近较小区域内线性度较好在中心频率附近较小区域内线性度较好,灵敏灵敏度也较高。度也较高。*303.6 3.6 负阻正弦波振荡器负阻正弦波振

18、荡器所谓负阻器件是指具有负微变电阻特性的器件。这种器件可以分为所谓负阻器件是指具有负微变电阻特性的器件。这种器件可以分为N和和S两类。两类。负阻器件负阻器件1.压控型负阻器件（压控型负阻器件（N型）型）2.流控型负阻器件（流控型负阻器件（S型）型）*313.6.2 负阻负阻LC正弦波振荡器正弦波振荡器 负阻型负阻型LC正弦波振荡器的工作原理是正弦波振荡器的工作原理是依依靠负阻器件的负阻特性给谐振回路补充能量，以维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。路的连接上有所不同。1.1.直流

19、电源供电方式直流电源供电方式 压控型压控型 低内阻直流电源供电低内阻直流电源供电(恒压性质恒压性质)。流控型流控型:高内阻直流电源供电高内阻直流电源供电(恒流性质恒流性质)。*32 2.2.谐振回路与负阻器件的连接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。在高件工作于负阻区。在高Q条件下条件下:压控型压控型 采用采用器件与谐振回路并联连接器件与谐振回路并联连接流控型流控型 采用采用器件与谐振回路串联连接器件与谐振回路串联连接起振与平衡条件起振与平衡条件 将负阻器件等效一负电阻将负阻器件等效一负电阻-r,而负电阻是给

20、回路提供能量的，回路中的正电而负电阻是给回路提供能量的，回路中的正电阻阻 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。能激起增幅振荡。平衡时，二者相等。起振条件起振条件 平衡条件平衡条件 稳幅条件稳幅条件*33负阻振荡器电路负阻振荡器电路隧道二极管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。隧道二极管与电感、电容组成并联谐振回路。起振条件起振条件:振荡频率振荡频率:振幅稳定振幅稳定:随着振荡幅度增大，等效负阻绝对值增大，即满足随着振荡幅度增大，

21、等效负阻绝对值增大，即满足*34Rb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbEC3.7 3.7 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象IEUB+UBE _+UE _*35Rb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbEC 2 2 当起振后当起振后ubieUE+UBE _*36Rb1Rb2CbRcReCeC1C2C3R2EC二二,频率拖曳现象频率拖曳现象*370101 01010202 0101 01010202*38abdc010101010202*39 三、三、寄生振荡寄生振荡所谓所谓寄生振荡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，

22、并满足自激条件而产生的振荡。正反馈，并满足自激条件而产生的振荡。表现形式表现形式1.寄生振荡叠加在有用波形上。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。形和电路工作状态受人手触摸的影响。寄生振荡的类型寄生振荡的类型 主要有反馈寄生振荡、负阻寄生振荡和参量寄生振荡。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、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。在放大器的输入与输出回路之间，存在各

23、种内部和外部的寄生反馈引起的。超低频：超低频：滤波电容、旁路电容、扼流圈的器件滤波电容、旁路电容、扼流圈的器件,产生超低频寄生振荡。产生超低频寄生振荡。高频：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大电容旁加小电容、选择合理的放大倍数大电容旁加小电容、选择合理的放大倍数元器件分布电容元器件分布电容互感形成的寄生耦合互感形成的寄生耦合静电耦合和磁耦合静电耦合和磁耦合合理布局或加屏蔽合理布局或加屏蔽静电屏蔽（用高导电率材料）静电屏蔽（用高导电率材料）磁屏蔽（用高导磁率材料）。磁屏蔽（用高导磁率材料）。*40负阻型寄生振荡 由器件

24、的负阻现象产生的振荡，主要有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和过压负阻振荡。雪崩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负半周才出现。才出现。当放大器工作于当放大器工作于过压状态过压状态时，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，可能呈现负向工作，在集

25、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周正半周出现。出现。参量寄生振荡参量寄生振荡 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的强非线的强非线性影响，将引起所谓性影响，将引起所谓“参量效应参量效应”，在集电极输出电压中除了有基波之外，还产，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生了二次、三次等谐波，造成

26、输出波形失真。参量效应会使放大器在信号频率的分谐波（分谐波（1/n谐波频率）上产生自激振荡。谐波频率）上产生自激振荡。*41 各类振荡电路的选择原则各类振荡电路的选择原则:根据工作频率根据工作频率选择电路选择电路 高高 频频：用用LC振荡电路；振荡电路；低低 频频：用用RC振荡电路；振荡电路；超低频超低频：用用积分式积分式RC振荡电路；振荡电路；超高频超高频：用：用负阻振荡器负阻振荡器电路。电路。根据频率稳定性根据频率稳定性选择电路选择电路 LC振荡器频率稳定性高于振荡器频率稳定性高于RC振荡器振荡器；克拉泼和西勒电路的稳定性高于普通克拉泼和西勒电路的稳定性高于普通LC振荡器振荡器；石英晶体振荡器频率稳定性最高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。振荡器靠加深负反馈提高频率稳定性。*42 根据振荡频率是否可变根据振荡频率是否可变选择电路选择电路 电感三点式电感三点式和和变压器耦合正弦波振荡器比电容变压器耦合正弦波振荡器比电容三点式易于调节；三点式易于调节；西勒电路比克拉泼电路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，文氏电桥振荡器通过改变电容调节振荡频率，也易于调节。也易于调节。*43作业（第二问不做）3.4.5*44