正弦波振荡器.pptx

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1、高频电路高功放高功放在发射端负责生成载波（即用来承载有用信息的高频正弦波）在接收端负责生成本振信号（用于混频）第1页/共57页2.2.振荡器的分类振荡器的分类 本章主要介绍反馈型RC、LCLC振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。第2页/共57页由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用由于大多数振荡器都是利用LCLC回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此回路来产生振荡的，因此应首先研究应首先研究应首先研究应首先研究LCLC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器

2、工回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。作原理的预备知识。作原理的预备知识。作原理的预备知识。图图图图 6.2.1 6.2.1 LCRLCR自由振荡电路自由振荡电路自由振荡电路自由振荡电路 所谓“谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。6.2 LCR回路中的瞬变第3页/共57页1）一套振荡回路一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与两个元件中，当一个释放能量时，另一个就

3、接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。2）一个能量来源一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3）一个控制设备一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。成的。构成振荡器，需有三个条件：第4页/共57页利用正反馈方法来获得等幅的正弦振荡,这就是

4、反馈振荡器的基本原理。反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路。其主网络一般由放大器和选频网络组成,反馈网络一般由无源器件组成。6.4由正反馈的观点来决定振荡条件第5页/共57页放大器a.晶体三极管b.场效应管c.差分放大器d.运算放大器选频网络a.LC并联谐振回路b.RC选频网络c.晶体滤波器等反馈网络a.电容分压b.电感分压c.变压器耦合d.电阻分压振荡器组成：第6页/共57页#振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号应该被保留，成为等幅振荡输出信号。（从无

5、到有）（从无到有）然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求（由弱到强）（由弱到强）起振条件第8页/共57页 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 AF1 到AF=1。（由增到稳）（由增到稳）第9页/共57页当反馈信号等于放大器的输入信号时，振荡电路的输出电压不再发生变化，电路达到平衡状态。振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件第10页/共57页用电路参数表示用电路参数表示:其中其中:第11页/共57页 以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件；保

6、证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的平衡条件。实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以下分别讨论。2、振荡器平衡状态和稳定条件第12页/共57页1 1）振幅平衡的稳定条件）振幅平衡的稳定条件 要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，AF的大小朝反方向变化。图图图图 6.5.2 6.5.2 软自激的振荡特性软自激的振荡特性软自激的振荡特性软自激的振荡特性图图图图 6.5.3 6.5.3 硬自激的振荡特性硬自激的振荡特性硬自激的振荡

7、特性硬自激的振荡特性第13页/共57页2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件 相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。相位平衡点上相位平衡点上 与与 同相同相第14页/共57页 由此可得相位稳定条件为由此可得相位稳定条件为 则相位稳定条件为则相位稳定条件为 保证相位的稳定必须有一个保证相位的稳定必须有一个相频特性斜率相频特性斜率为为负负的网络。的网络。而而第15页/共57页6.6.1 互感耦合振荡器6.6.2 电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器)6.6.3 电容反馈式三端振荡器 (考毕兹振荡器)6.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件

8、的判断准则 6.6 反馈型LC振荡器线路第16页/共57页 放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能，流电能，不同之处在于不同之处在于：放大器需要外加控制信号而：放大器需要外加控制信号而振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡器。器。如如果果由由LCLC谐谐振振回回路路通通过过互互感感耦耦合合将将输输出出信信号号送送回输入回路，所形成的是回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器互感耦合振荡器。由由互互感感耦

9、耦合合同同名名端端定定义义可可判判知知，反反馈馈网网络络形形成成正正反反馈馈，满满足足相相位位平平衡衡条条件件。如如果果再再满满足足起起振振条条件件，就符合基本原理。就符合基本原理。射基射基(集集)同名同名1、互感耦合振荡器第17页/共57页三极管，三极管，LCLC谐振回路谐振回路变压器变压器第18页/共57页第19页/共57页 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LCLC谐振回路中的谐振回路中的电感分压电路电感分压电路将输出信号将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。图图图图 6.6.2 6.6.2 电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端

10、振荡器电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器(+)(-)(+)(+)2、电感反馈式三端振荡器(哈特莱振荡器)第20页/共57页L1L2C电路的特点电路的特点:4容易起振变电容而不影响F。4调整频率方便4振荡波形不够好高次谐波反馈较强，波形失真较大。4不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于L1与L2两端，F随频率变化而改变。L1L2CEnd第21页/共57页图图图图 6.6.3 6.6.3 电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器(+)(-)(+)(+)如果正反馈网络由如果正反馈网络由LCLC谐振回路中的谐振回路中的电容分压电路电容分压电路将输出信将

11、输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。3、电容反馈式三端振荡器(考毕兹振荡器)第22页/共57页C1C2LC1C2L电路的特点电路的特点:变电容影响F，变电感不便。4调整频率不太方便4输出波形较好高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。4频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于C1与C2两端，被较大C1与C2 吸收。4适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容和输出电容做回路电容。第23页/共57页电容三点式与电感三点式振荡器比电容三点式与电感三点式振荡器比较较电容三点式振荡器输出波形好，工作频率比较高电容三点式振荡器输出波形好，工作

12、频率比较高 缺点是调整困难，起振困难缺点是调整困难，起振困难电感三点式振荡器起振容易，调整方便电感三点式振荡器起振容易，调整方便 缺点是输出波形不好缺点是输出波形不好第24页/共57页射同基（集）反射同基（集）反6.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则第25页/共57页 在三点式电路中在三点式电路中,回路中与发射回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质极相连接的两个电抗元件必须为同性质,另另外一个电抗元件必须为异性质。外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点这就是三点式电路组成的相位判据式电路组成的相位判据,或称为或称为三点式电路三点式电路的组成法则。的组成法则。与发射极相连接的

13、两个电抗元件同为电与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路容时的三点式电路,称为称为电容三点式电路电容三点式电路,也称为考毕兹也称为考毕兹(Colpitts)(Colpitts)电路。电路。与发射极相连接的两个电抗元件同为电与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路感时的三点式电路,称为称为电感三点式电路电感三点式电路,也称为哈特莱也称为哈特莱(Hartley)(Hartley)电路。电路。第26页/共57页举例举例:振荡器的振荡频率应低于L1和C1支路的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。振荡器的振荡频率第27页/共57页 评价振荡器频率的主要

14、指标有两个，即：评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与稳定准确度与稳定度度。振荡器实际工作频率。振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f 0之间的偏差，称为之间的偏差，称为振荡频率准确度。振荡频率准确度。通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为 振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化。6.7 振荡器的频率稳定问题第28页/共57页根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。影响振荡频率的有如下三种因素：影响振荡

15、频率的有如下三种因素：）振荡回路参数）振荡回路参数与与;）回路电阻）回路电阻；（）；（）有源器件的参数。）有源器件的参数。第29页/共57页6.8.1 并联谐振型晶体振荡器6.8.2 串联谐振型晶体振荡器6.8.3 泛音晶体振荡器6.8 石英晶体振荡器第30页/共57页一般一般LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度f/f0只能达到只能达到10-3 10-5。若要。若要求频率稳定度超过求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。，需用石英晶体振荡器。）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；）晶体的值可高达数百万数量级；）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对

16、频率变化具有极灵敏的补偿能力。1.石英晶体滤波器的特点石英晶体滤波器的特点 因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频率稳定度大大提高。第31页/共57页2.石英晶体滤波器的应用石英晶体滤波器的应用4作电感用4工作于串联谐振状态 O 容性 容性 感性 因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为串联谐振型晶体振荡器。C0(a)(b)Cq Lq rq 第32页/共57页 这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端

17、振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型基本电路。图图图图 6.8.1 6.8.1 并联谐振型晶体振荡器的并联谐振型晶体振荡器的并联谐振型晶体振荡器的并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式两种基本形式两种基本形式两种基本形式6.8.1 并联谐振型晶体振荡器第33页/共57页图图图图 6.8.2 6.8.2 并联谐振型晶体型振荡器电路并联谐振型晶体型振荡器电路并联谐振型晶体型振荡器电路并联谐振型晶体型振荡器电路第34页/共57页图图图图 7.8.3 7.8.3 并联谐振型晶体并联谐振型晶体并联谐振型晶体并联谐振型晶体b be e型振荡器电路型振荡器电路型振荡器电路型振荡器电路第35页/共57页

18、图图图图 6.8.4 6.8.4 串联谐振型正弦波晶体振荡器电路串联谐振型正弦波晶体振荡器电路串联谐振型正弦波晶体振荡器电路串联谐振型正弦波晶体振荡器电路6.8.2 串联谐振型晶体振荡器反馈信号只有经过晶振电路，才能到达基极和发射极第36页/共57页石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器倍频器。另一个办法就是令晶。另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成体工作

19、于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器。所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。6.8.3 泛音晶体振荡第37页/共57页图图图图 6.8.5 6.8.5 泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器交流等效电路交流等效电路交流等效电路交流等效电路 若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称频率为5MHz，则LC谐振回路应调谐在35次泛音频率之间，如3

20、.5MHz。在5MHz,LC谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。而对于基频和3次泛音频率来说，回路呈感性，振荡器不满足相位平衡条件，不能产生振荡。而对于7次及其以上的泛音频率，回路呈容性，但其电容量过大，负载阻抗过小，以致电压增益下降太多，不能起振。第38页/共57页The end第39页/共57页 负阻振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振负阻振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振负阻振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振负阻振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振回路相接，以产生等幅振荡。回路相接，以产生等幅振荡。回路相接，以产生等幅振荡。回路相接，以产生等幅振

21、荡。图图图图 6.9.1 6.9.1 正、负电阻的概念正、负电阻的概念正、负电阻的概念正、负电阻的概念 上的电位降方向与电流方向上的电位降方向与电流方向上的电位降方向与电流方向上的电位降方向与电流方向相同，呈正电阻性相同，呈正电阻性相同，呈正电阻性相同，呈正电阻性,故此电阻相当于故此电阻相当于故此电阻相当于故此电阻相当于电动机作用，它从外界电源吸收功电动机作用，它从外界电源吸收功电动机作用，它从外界电源吸收功电动机作用，它从外界电源吸收功率。若率。若率。若率。若上的电位升方向与电流方上的电位升方向与电流方上的电位升方向与电流方上的电位升方向与电流方向相同，呈负电阻性，故此负电阻向相同，呈负电阻

22、性，故此负电阻向相同，呈负电阻性，故此负电阻向相同，呈负电阻性，故此负电阻相当于发电机作用，它不但不消耗相当于发电机作用，它不但不消耗相当于发电机作用，它不但不消耗相当于发电机作用，它不但不消耗功率，反而向外界输出功率。功率，反而向外界输出功率。功率，反而向外界输出功率。功率，反而向外界输出功率。注意，以上针对注意，以上针对注意，以上针对注意，以上针对交流电阻交流电阻交流电阻交流电阻。7.9 负阻振荡器第40页/共57页 具有负阻的器件有两大类：具有负阻的器件有两大类：具有负阻的器件有两大类：具有负阻的器件有两大类：电压控制型负阻电压控制型负阻电压控制型负阻电压控制型负阻和和和和电流控制电流控

23、制电流控制电流控制型负阻型负阻型负阻型负阻。（区别方法：看哪一个单值变化，就是什么类型的）（区别方法：看哪一个单值变化，就是什么类型的）（区别方法：看哪一个单值变化，就是什么类型的）（区别方法：看哪一个单值变化，就是什么类型的）图图图图 6.9.2 6.9.2 负阻特性曲线的类型负阻特性曲线的类型负阻特性曲线的类型负阻特性曲线的类型第41页/共57页负阻振荡电路也有两种基本类型，即串联型负阻振荡器负阻振荡电路也有两种基本类型，即串联型负阻振荡器负阻振荡电路也有两种基本类型，即串联型负阻振荡器负阻振荡电路也有两种基本类型，即串联型负阻振荡器线路和并联型负阻振荡器线路。线路和并联型负阻振荡器线路。

24、线路和并联型负阻振荡器线路。线路和并联型负阻振荡器线路。图图图图 6.9.4 6.9.4 负阻振荡器原理电路负阻振荡器原理电路负阻振荡器原理电路负阻振荡器原理电路第42页/共57页图图图图 6.9.5 6.9.5 隧道二极管负阻振荡器隧道二极管负阻振荡器隧道二极管负阻振荡器隧道二极管负阻振荡器举例：举例：隧道二极管又称为江崎二极管,隧道二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓（GaSb）等材料混合制成的半导体二极管，其优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中;隧道二极管的主要特点是它的正向电流电压特性具有负阻。这种负阻是基于电子的量子力学

25、隧道效应，所以隧道二极管开关速度达皮秒量级,工作频率高达100GHz。隧道二极管还具有小功耗和低噪声等特点。隧道二极管可用于微波混频、检波（这时应适当减轻掺杂，制成反向二极管），低噪声放大、振荡等。由于功耗小，所以适用于卫星微波设备。还可用于超高速开关逻辑电路、触发器和存储电路等。第43页/共57页3、寄生振荡的防护措施：A、合理安排元器件，减少各元件间的寄生耦合；B、集电极直流电源应有良好的去耦滤波电路；C、高频接线尽量的粗短，不平行，远离地端；D、接地和必要的屏蔽要良好；第48页/共57页Rb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbEC6.10.2 6.10.2 振荡器中的几种现象IEUB+

26、UBE _+UE _第49页/共57页Rb1Rb2RcReCeCoC1C2LCbEC 2 2 当起振后ubieUE+UBE _第50页/共57页Rb1Rb2CbRcReCeC1C2C3R2EC二、频率拖曳现象第51页/共57页三、频率占据（频率牵引）外加电动势频率与振荡器自激频率接近到一定程度时，可以使振荡频率随外电动势频率的改变而改变。振荡器的频率不取决于回路参数，完全受外电动势控制。应用：同步、分频、稳频！第52页/共57页6.12 RC振荡器休息1 休息2第53页/共57页C3C2C1CeR1R2Rb2Rb1ReRcEcRCRCU1+U c -UoU1+UR-UoIIUoIUCU1U1UoIUR 第54页/共57页R3R4R1R2C1C2u2+u1-I二 文氏电桥振荡器oFOoO第55页/共57页图图图图 6.12.5 6.12.5 串、并联串、并联串、并联串、并联RCRC选频振荡器原理选频振荡器原理选频振荡器原理选频振荡器原理同相比例放大器同相比例放大器同相比例放大器同相比例放大器正反馈选频网络正反馈选频网络正反馈选频网络正反馈选频网络(+)(+)(+)(+)第56页/共57页感谢您的观看。第57页/共57页