第4章正弦波振荡器.ppt

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1、高频电子线路高频电子线路高频电子线路高频电子线路电邮：电话：13890857123第四章第四章第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器正弦波振荡器正弦波振荡器第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1 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四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1

2、 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 引言引言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而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置直流能量变换为周期性交变能量的装置从能量的观点看，放大器是一种在输入从能量的观点看，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信号控制下，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。为按输入信号规律变化的交变能量的电路。而振荡器是不需要输入信号控制，就能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自动地将直流电源的能量转变为特定频率特定频率和幅度和幅度的交变能量的电路。的交变能量的电路。第四章第

3、四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理（1）振荡器构成）振荡器构成振荡器正常工作，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：至少有一个起能量变换作用的换能机构。能机构。正反馈通路或负阻正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量必须有一个能够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损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡选频网络选频网络：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

4、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。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。获得需要的输出波形。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理（2）振荡器分类）振荡器分类按振荡波形分类按振荡波形分类正弦波振荡器、非正弦波振荡器正弦波振荡器、非正弦波振荡器按工作机理分类按工作机理分类反馈振荡器、负阻振荡器反馈振荡器、负阻振荡器按选频网络分类按选频网络分类LCLC振荡器、振荡器、RCRC振荡器、

5、晶体振荡器振荡器、晶体振荡器压控振荡器、压控晶体振荡器压控振荡器、压控晶体振荡器集成振荡器、开关电容振荡器集成振荡器、开关电容振荡器第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理（）振荡器应用（）振荡器应用通信系统中有广泛的应用通信系统中有广泛的应用混频器的混频器的本振信号本振信号调制的调制的载波信号载波信号，解调的，解调的本地振荡信号本地振荡信号时钟、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微波炉，电疗设备微波炉，电疗设备第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡

6、器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理（）对正弦波振荡器的分析（）对正弦波振荡器的分析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环系统，它是一个非线性动态网络，可采用的闭环系统，它是一个非线性动态网络，可采用求解非线性微分方程或计算机辅助分析法。求解非线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，仍采用电路参数的路分析时，仍采用电路参数的准线性分析法准线性分析法。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，系统内流通的信号比较微弱，因此，可以引

7、用因此，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，来确定这一时期振荡器的工作状态。时期振荡器的工作状态。n振荡建立后，用准线性方法振荡建立后，用准线性方法分析，获得重要的具有分析，获得重要的具有指导意义的结论。指导意义的结论。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.1 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 LC谐振回路是谐振回路是LC 振荡器的重要组成部分，正弦波振荡振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是基于二阶器则是基于二阶RLC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

8、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反馈振荡器的原理与分析反馈振荡器的原理与分析第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 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，如隧道二极管抵消回路存在损耗，如隧道二极管 。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：振幅衰从能量角度：振幅

9、衰减由于回路存在损耗。减由于回路存在损耗。维持等幅振荡维持等幅振荡第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 n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：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。抵消能量消耗，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：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到原

10、来的平衡状态。应能自动恢复到原来的平衡状态。反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本条件：条件：第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 带有反馈的放大器带有反馈的放大器闭环电压增益闭环电压增益开环电压增益开环电压增益电压反馈系数电压反馈系数T(s)称为称为反馈系统的环路增益反馈系统的环路增益第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 显然，在某一频率显然，在某一频率 上，若上，若 ，将趋于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以维持振将趋于无穷大，这表明即使没有外加信号，也可以

11、维持振荡输出。荡输出。自激振荡的条件就是环路增益为自激振荡的条件就是环路增益为1,1,即即形成增幅振荡形成增幅振荡形成减幅振荡形成减幅振荡通常又称为振通常又称为振荡器的平衡条件荡器的平衡条件。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件即为即为也可以表示为也可以表示为以上两式分别称为以上两式分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。振幅平衡条件和相位平衡条件。4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 平衡条件平衡条件平衡条件平衡条件第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 现现以以单单

12、调调谐谐谐谐振振放放大大器器为为例例来来看看K(j)与与F(j)的的意意义。义。若若 ，则，则式中式中,ZL为放大器的负载阻抗。为放大器的负载阻抗。Yf(j)为晶体管的正向转移导纳。为晶体管的正向转移导纳。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 与与F(j)反号的反馈系数反号的反馈系数F(j)这样这样,振荡条件可写为振荡条件可写为 振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 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

13、变；电流突变；电路电路内存在各种内存在各种微弱噪声。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。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，反馈电压荡建立过程中，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)必必须同频同相，并且须同频同相，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四章第四章 正

14、弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 反馈振荡器的起振条件反馈振荡器的起振条件 相位条件相位条件=+=L2,1,02)(0nnFKpjjwjn 振幅条件振幅条件1)()(00FKww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 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可用晶体管小信号等效电路计算其增益其增益K。为了获得较高的增益为了获得较高的增益K，要适当设置晶要适当设置晶体管工作点。体管工作点。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，放大器的输入器的输入V Vi i不断增大，放大器从小信号工

15、作不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态。状态进入大信号工作状态。起振过程中的信号分析起振过程中的信号分析第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 起振条件为起振条件为T=KF1，输出信号幅输出信号幅度的不断增长，而后必须限制其度的不断增长，而后必须限制其增长，使其达到平衡，满足平衡增长，使其达到平衡，满足平衡条件条件T=KF=1。环路中必须有一个非线性器件，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，达其参数随信号的增大而变化，达到限幅的目的。到限幅的目的。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

16、区，因为饱和区的晶体管输出阻抗很低，并联在选频环路上，将使的晶体管输出阻抗很低，并联在选频环路上，将使回路的回路的Q值降低，影响频率的稳定度。值降低，影响频率的稳定度。n 晶体管本身的非线性，使得放大器的放大倍数晶体管本身的非线性，使得放大器的放大倍数K随随输入信号的增大而减小。输入信号的增大而减小。稳幅措施稳幅措施第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，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。将会破坏其原来的平衡状态。干扰消失后，振荡器若能自动恢复到原来的平干扰消失后，振荡器若能自

17、动恢复到原来的平衡状态，则称之为是衡状态，则称之为是稳定的平衡状态。稳定的平衡状态。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稳定平衡不稳定平衡之分。之分。4.1.4 4.1.4 4.1.4 4.1.4 稳定条件稳定条件稳定条件稳定条件第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 振幅稳定条件振幅稳定条件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，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环路

18、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，环路增益增大，反馈电压增大，为的输入幅度减小，环路增益增大，反馈电压增大，为稳稳定的平衡状态，定的平衡状态，反之为反之为不稳定的平衡状态。不稳定的平衡状态。n 振荡器平衡时，环路增益为振荡器平衡时，环路增益为1，反馈电压反馈电压VF等于放大器输等于放大器输入电压入电压Vi。平衡点增益平衡点增益具有具有负斜率负斜率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四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 振幅稳定条件的讨论振幅稳定条件的讨论随着振荡

19、幅度加大，放大器增益（以及环路增随着振荡幅度加大，放大器增益（以及环路增益益）将自动降低；反之，振荡幅度减小放大器将自动降低；反之，振荡幅度减小放大器增益增大，以保证增益增大，以保证T=KF=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。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 相位稳定条件相位稳定条件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。相位超前（周期缩短），意味频

20、率上升；相位相位超前（周期缩短），意味频率上升；相位滞后滞后 ，意味频率下降，意味频率下降，相位稳定条件即是频率相位稳定条件即是频率稳定条件。稳定条件。在频率在频率 OSC处处(平衡点平衡点)，经过一个循环，反馈电压经过一个循环，反馈电压与输入电压相位差与输入电压相位差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；后，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，反馈电同理，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。压的

21、相位应该超前，达到相位稳定。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 相位稳定条件的讨论相位稳定条件的讨论n LC并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性，并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性，因而以因而以LC并联谐振回路作为振荡器的选频回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）。路，一定是相位稳定的（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：含有一负斜率变化的相频特性，即：第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 w

22、j 1Q 2Q 0w Ln 由图可知，当谐振回路的由图可知，当谐振回路的Q值越高，值越高，越越接近于谐振回路的谐振频率接近于谐振回路的谐振频率 ，振荡器的频，振荡器的频率稳定度也就越高。率稳定度也就越高。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.1.5 4.1.5 4.1.5 4.1.5 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变压器反馈变压器反馈LC 振荡器振荡器放大部分放大部分选频部分选频部分正反馈部分正反馈部分振荡频率振荡频率 放大器在小信号时工放大器在小信号时工作于甲类，以保证起振时作于甲类，以保证起振时有较大的环路增益。有较

23、大的环路增益。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 工作原理工作原理LC+C CB BE E变压器反馈式振荡器交流通路变压器反馈式振荡器交流通路N N1 1N N2 2MM+在回路谐振频率上构在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的成正反馈，满足了振荡的相位条件。相位条件。表示瞬时极性表示瞬时极性 起振时放大器工作于甲起振时放大器工作于甲类，类，。随着振荡幅。随着振荡幅度的增大，放大器进入非度的增大，放大器进入非线性工作区，且由于自给线性工作区，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态，使非线性工作状态，使 减小，直至减小

24、，直至 ，进入，进入平衡状态平衡状态第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 起始时小信起始时小信号线性放大号线性放大大信号工大信号工作，丙类作，丙类直到直到 ，进，进入平衡状态。入平衡状态。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 试分析下图电路是否可能产生振荡？试分析下图电路是否可能产生振荡？解：解：该电路由共基放大电路和该电路由共基放大电路和LC反馈选频网络构成，反馈选频网络构成，在在LC回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节。因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节。故此电路可能产生振荡。故此电路可能产生振荡。第四章第四章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理