高频电子线路第四章正弦波振荡器优秀PPT.ppt
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1、高频电子线路第四章 正弦波振荡器第一页,本课件共有65页振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将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。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特定频率和幅度的交变能量的电路。第二页,本课件共有65页(1)振荡器构成振荡器正常工作,必须有以下四个部分:放大器或有源器件:至少有一个起能量变换作用的换能机构。正反馈通路或负阻: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,保证稳定的振荡。选频网络:振荡器具有单一频率。稳幅:一个对振荡强
2、度具有自动调整作用的非线性元件。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。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。第三页,本课件共有65页按振荡波形分类:正弦波振荡器、非正弦波振荡器按工作机理分类:反馈振荡器、负阻振荡器按选频网络分类:LC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器(2)振荡器分类第四页,本课件共有65页通信系统中有广泛的应用混频器的本振信号;调制的载波信号,解调的本地振荡信号;时钟、定时电路,电子测量设备的基准信号。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。(3)振荡器应用第五页,本课件共有65页正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能
3、元件的闭环系统,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。本章定性分析阐明振荡器的振荡特性,在进行电路分析时,仍采用电路参数的准线性分析法。在振荡的初始阶段,系统内流通的信号比较微弱,因此,可以引用线性系统的分析方法,来确定这一时期振荡器的工作状态。振荡建立后,用准线性方法分析,获得重要的具有指导意义的结论。(4)对正弦波振荡器的分析第六页,本课件共有65页LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分,正弦波振荡器则是基于二阶RLC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。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.1 4.1.1 反馈振荡器的
4、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(1/5)第七页,本课件共有65页振幅衰减由于回路存在损耗,维持等幅振荡措施:适时地补充维持回路内部的能量平衡的交变能量。反馈振荡器反馈振荡器 采用负阻器件,抵消回路存在损耗,如隧道二极管。负阻振荡器负阻振荡器4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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(2/5)第八页,本课件共有65页反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的基本条件:反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的基本条件:起振条件:首先,要让振荡器发生自激振荡。平衡
5、条件: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。稳定条件: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到原来的平衡状态。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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(3/5)第九页,本课件共有65页闭环电压增益开环电压增益电压反馈系数反馈系统的环路增益:4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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(4/5)第十
6、页,本课件共有65页在某一频率 上若 ,将趋于无穷大,表明即使没有外加信号,也可以维持振荡输出。自激振荡的条件就是环路增益为1,为振荡器的平衡条件。形成增幅振荡形成减幅振荡4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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(5/5)第十一页,本课件共有65页振荡器的平衡条件即为也可以表示为:以上两式分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。以单调谐谐振放大器为例来看K(j)与F(j)的意义。若有 ,则4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.2 4.1.2 平衡条件平衡条件平衡条件平衡条件(1
7、/3)式中,ZL为负载阻抗。Yf(j)为晶体管的正向转移导纳。第十二页,本课件共有65页与F(j)反号的反馈系数F(j)这样,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4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.2 4.1.2 平衡条件平衡条件平衡条件平衡条件(2/3)第十三页,本课件共有65页平衡状态时,电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量,平衡时输出幅度不再变化,因此振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅大小。由于环路只有在某一特定频率上才满足相位平衡条件,可以认为,相位平衡条件决定了振荡器输出信号频率大小,解T=0得到的根即为振荡器的振荡频率,一般在回路的谐振频率附近。4.1
8、 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.2 4.1.2 平衡条件平衡条件平衡条件平衡条件(3/3)第十四页,本课件共有65页起起始始信信号号:振荡器接通电源瞬间产生电流突变;电路内存在各种微弱噪声。特点: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。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VF和原输入电压Vi(电扰动)必须同频同相,并且|VF|Vi|。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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(1/3)第十五页,
9、本课件共有65页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)(0nnFKpjjj振幅条件振幅条件1)()(00FK起起振振过过程程中中的的信信号号分分析析:起振初始,放大器工作于小信号状态,适当设置晶体管工作点,获得较高的增益K,可用晶体管小信号等效电路计算增益K。振荡建立过程中,环路增益T恒大于1,放大器的输入Vi不断增大,放大器从小信号进入大信号工作状态。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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(2/3)第十六页,本课件共有65页稳幅措施:起振条件为T=KF1,输出信号
10、幅度的不断增长,而后限制其增长,使其达到平衡,满足平衡条件T=KF=1。环路中必须有一非线性器件,其参数随信号的增大而变化,达到限幅的目的。晶体管本身的非线性使得放大器的放大倍数K随输入信号的增大而减小。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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(3/3)第十七页,本课件共有65页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。干扰消失后,振荡器若能自动恢复到原来的平衡状态,则称之为是稳定的平衡状态。否则,是不稳定的平衡状态。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.4 4.1.4
11、稳定条件稳定条件稳定条件稳定条件(1/2)1)振幅稳定条件振幅稳定条件振荡器平衡时,环路增益为1,反馈电压VF等于放大器输入电压Vi。平衡点增益具有负斜率第十八页,本课件共有65页某个平衡点上,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,为稳定的平衡状态,反之为不稳定的平衡状态。有自偏置效应的振荡器,振幅稳定性更好。自给偏置自给偏置4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.4 4.1.4 稳定条件稳定条件稳定条件稳定条件(1/5)第十九页,本课件共有65页若振荡幅度加大,放大器增益以及环路增益自动降低;若
12、振荡幅度减小,放大器增益增大,保证T=KF=1。如果反馈F不随输入变化而变化,则: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。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.4 4.1.4 稳定条件稳定条件稳定条件稳定条件(2/5)2)振幅稳定条件的讨论振幅稳定条件的讨论第二十页,本课件共有65页正弦振荡的角频率是相位随时间的变化率,相位瞬时变化必然引起频率变化,相位稳定条件即是频率稳定条件。在频率OSC处(平衡点),经过一个循环,反馈电压与输入电压相位差2(2n)。外界扰动使得振荡器的频率上升,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,若振荡器的频率下降,经过环
13、路后,反馈电压的相位应该超前,达到相位稳定。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.4 4.1.4 稳定条件稳定条件稳定条件稳定条件(3/5)3)相位稳定条件相位稳定条件第二十一页,本课件共有65页LC并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性,因而以LC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)。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,即相位稳定是靠T随增加而降低来实现的,从而有:4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.4 4.1.4 稳定条件稳定条件稳定条件稳定条件(4/5)3)相位稳定条件的讨论相位稳定条件的讨论第二十二页,本课件共
14、有65页 j 1Q 2Q 0 L由图可知,当谐振回路的Q值越高,越接近于谐振回路的谐振频率 ,振荡器的频率稳定度也就越高。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理4.1.4 4.1.4 稳定条件稳定条件稳定条件稳定条件(5/5)12第二十三页,本课件共有65页变压器反馈LC 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放大器在小信号时工作于甲类,以保证起振时有较大的环路增益。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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-电感耦合振荡器电感耦合振荡器电感耦合振荡器电感耦合振荡器(1/3)第二十四页,本课件共
15、有65页4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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成正反馈,满足了振荡的相位条件。表示瞬时极性表示瞬时极性起振时放大器工作于甲类,。随着振荡幅度的增大,放大器进入非线性工作区,且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态,使 减小,直至 ,进入平衡状态。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-电感耦合振荡器电感耦合振荡器电感耦合振荡器电感耦合振荡器(2/3)第二十五页,本课件共有65页起始时小信号线性放大起始时小信号线性放大大信号工作,丙
16、类大信号工作,丙类直到 ,进入平衡状态。4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理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(3/3)第二十六页,本课件共有65页谐振时回路应呈纯电阻性,因而 回路Q值一般很高,回路电流远大于晶体管的基极电流İb、集电极电流İc以及发射极电流İe,故有X1、X2应为同性质的电抗元件。4.2 LC 振荡器振荡器4.2.1 4.2.1 LCLC振荡器的组成原则振荡器的组成原则振荡器的组成原则振荡器的组成原则(1/5)X1与与X2的的电电抗抗性性质质相相同同;X3与与X1、X2的的电
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