通信电路原理_2.ppt

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1、笫笫5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 5.1 5.1 引引引引 言言言言5.2 5.2 LC LC 振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理5.3 5.3 LC LC 振荡器的电路分析振荡器的电路分析振荡器的电路分析振荡器的电路分析 5.3.1 5.3.1 LC LC 振荡器的基本构成振荡器的基本构成振荡器的基本构成振荡器的基本构成 5.3.2 5.3.2 三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型5.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度5.5 晶体振荡器晶体振荡器5.2.2 5.2.2 振荡的起振振荡的起振振荡

2、的起振振荡的起振 、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析5.2.3 5.2.3 自给偏置对振荡状态的影响自给偏置对振荡状态的影响自给偏置对振荡状态的影响自给偏置对振荡状态的影响5.2.15.2.1 互感耦合互感耦合互感耦合互感耦合 LC LC LC LC 振荡电路振荡电路振荡电路振荡电路15.2.2 5.2.2 振荡的起振振荡的起振振荡的起振振荡的起振 、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析1.1.环路的起振条件环路的起振条件环路的起振条件环路的起振条件 AF 12.2.振荡的平衡条件振荡的平衡

3、条件振荡的平衡条件振荡的平衡条件振幅平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件：相位平衡条件：3.3.振荡的稳定条件振荡的稳定条件振荡的稳定条件振荡的稳定条件振幅稳定条件：振幅稳定条件：相位稳定条件：相位稳定条件：25.2.2 5.2.2 振荡的起振振荡的起振振荡的起振振荡的起振 、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析、平衡和稳定条件的分析1.1.环路的起振条件环路的起振条件环路的起振条件环路的起振条件2.2.振荡的平衡条件振荡的平衡条件振荡的平衡条件振荡的平衡条件3.3.振荡的稳定条件振荡的稳定条件振荡的稳定条件振荡的稳定条件5.2.3 5.2.3 自给偏置对振荡状态的

4、影响自给偏置对振荡状态的影响自给偏置对振荡状态的影响自给偏置对振荡状态的影响33.3.振荡的稳定条件振荡的稳定条件振荡的稳定条件振荡的稳定条件自然界中处于平衡状态的物体都有稳定平衡和不稳定平衡之自然界中处于平衡状态的物体都有稳定平衡和不稳定平衡之区分区分。振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，那么将会破振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，那么将会破坏其原来的平衡状态。坏其原来的平衡状态。干干扰扰消消失失后后，振振荡荡器器若若能能自自动动恢恢复复到到原原来来的的平平衡衡状状态态，则称之为是稳定的则称之为是稳定的；否则，称之为是不稳定否则，称之为是不稳定。4（1 1）振幅稳定条件）振幅稳

5、定条件）振幅稳定条件）振幅稳定条件振振幅幅稳稳定定条条件件是是指指振振荡荡器器的的工工作作状状态态在在外外界界各各种种干干扰扰的的作作用用下下（如如在在电电压压抖抖动动、温温度度变变化化、噪噪声声等等作作用用下下）偏偏离离平平衡衡状状态时，系统自动恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。态时，系统自动恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。P点是一个稳定的平衡点。点是一个稳定的平衡点。平衡点附近振荡特性斜率的变平衡点附近振荡特性斜率的变化小于反馈线斜率的变化。化小于反馈线斜率的变化。稳定点的条件为：稳定点的条件为：振荡的稳定条件包含振荡的稳定条件包含振幅稳定条件振幅稳定条件和和相位稳定条件相位稳定条件

6、；5若要使该振荡器能进入稳定若要使该振荡器能进入稳定的平衡点，在起振时应给晶的平衡点，在起振时应给晶体管加一电冲击，并使冲激体管加一电冲击，并使冲激电压大于电压大于 ，这样自由振，这样自由振荡就可以产生。荡就可以产生。（1 1）振幅稳定条件（续）振幅稳定条件（续）振幅稳定条件（续）振幅稳定条件（续1 1）另另一一振荡器的振荡特性讨论：振荡器的振荡特性讨论：与上图不同，该振荡器晶体与上图不同，该振荡器晶体静态工作点位于转移特性接静态工作点位于转移特性接近截止的非线性区。近截止的非线性区。这种起振时需要外加冲激的电振荡称为这种起振时需要外加冲激的电振荡称为“硬激励硬激励”，那些不需冲，那些不需冲击

7、而能自由产生振荡的现象称为击而能自由产生振荡的现象称为“软激励软激励”。（P265）6（2 2）相位稳定条件）相位稳定条件）相位稳定条件）相位稳定条件相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于 时，时，环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到 的条件。的条件。系统相位平衡时振荡频率为系统相位平衡时振荡频率为 。当外来干扰使环路总相移增加即产当外来干扰使环路总相移增加即产生超前相位增量生超前相位增量+时，

8、这就意味着时，这就意味着反馈电压反馈电压 超前于原有输入电压超前于原有输入电压 （前一次反馈电压）一个相角。（前一次反馈电压）一个相角。相位超前就意味着周期缩短，故环相位超前就意味着周期缩短，故环路的振荡频率也因而有所提高，从而路的振荡频率也因而有所提高，从而使回路相移产生一滞后的增量。使回路相移产生一滞后的增量。（P266）7（2 2）相位稳定条件（续）相位稳定条件（续）相位稳定条件（续）相位稳定条件（续1 1）经过若干个周期后，该滞后增量逐渐增加，最终等于外界因经过若干个周期后，该滞后增量逐渐增加，最终等于外界因素引起的超前增量素引起的超前增量+时，使环路总相移重新恢复：时，使环路总相移重

9、新恢复：由以上分析可知，具有如上图所示相位关系的系统，其相位由以上分析可知，具有如上图所示相位关系的系统，其相位是稳定的。是稳定的。要使振荡系统满足相位稳定条件，系统内应含有某一相频特要使振荡系统满足相位稳定条件，系统内应含有某一相频特性具有性具有负斜率负斜率的单元。的单元。在在LC振荡器中这种负斜率变化的功能恰好可以由振荡器中这种负斜率变化的功能恰好可以由LC并联谐振并联谐振回路来完成。但是为了抵消不稳定因素引入的相移增量，要求回路来完成。但是为了抵消不稳定因素引入的相移增量，要求系统的振荡频率有相应的偏移，两者之间产生了频差系统的振荡频率有相应的偏移，两者之间产生了频差f。显显然，这是不希

10、望的。然，这是不希望的。为此必须加大为此必须加大LC回路的有载回路的有载Q值，因为当值，因为当Q值提高时，回路值提高时，回路相频特性斜率也相应加大。这样，要产生同样的相位增量，相频特性斜率也相应加大。这样，要产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，从而可以提高系统的频率稳定性。只需较小的频率偏移，从而可以提高系统的频率稳定性。相位稳定条件为：相位稳定条件为：85.2.3 5.2.3 自给偏置对振荡状态的影响自给偏置对振荡状态的影响自给偏置对振荡状态的影响自给偏置对振荡状态的影响（P268）自给偏置电路和振荡波形：自给偏置电路和振荡波形：0095.2.3 5.2.3 自给偏置对振荡状态的影响（续

11、自给偏置对振荡状态的影响（续自给偏置对振荡状态的影响（续自给偏置对振荡状态的影响（续1 1）合理选择元件的参数值，使起振前电路的静态工作点合理选择元件的参数值，使起振前电路的静态工作点Q位于位于伏安特性段的中点。伏安特性段的中点。在在振振荡荡最最初初阶阶段段，由由于于振振荡荡幅幅度度较较小小，振振荡荡器器工工作作于于甲甲类类状状态，偏置电压基本上为一与振荡幅度增长无关的恒定值。态，偏置电压基本上为一与振荡幅度增长无关的恒定值。随随着着振振荡荡幅幅度度的的增增加加，即即动动态态特特性性区区域域扩扩大大，振振荡荡将将部部分分进进入入非非线线性性区区，导导致致基基极极电电流流、集集电电极极电电流流畸

12、畸变变，而而形形成成直直流流电电流流增增量量，并并导导致致工工作作点点向向负负偏偏压压方方向向移移动动，集集电电极极电电流流由由余弦形变为余弦脉冲。余弦形变为余弦脉冲。随随着着振振荡荡幅幅度度的的增增加加，通通角角 将将减减小小，gm将将减减小小，从从而而使使得得基基波波电电流流幅幅度度和和晶晶体体管管增增益益A减减小小，直直至至AF=1，电电路路进进入入平平衡状态。上图示出振荡器的起振过程。衡状态。上图示出振荡器的起振过程。105.2.3 5.2.3 自给偏置对振荡状态的影响（续自给偏置对振荡状态的影响（续自给偏置对振荡状态的影响（续自给偏置对振荡状态的影响（续2 2）0A AP1234（P

13、268）增大考虑自给偏置影响后，振荡器由起振到平衡的状态变化过程。考虑自给偏置影响后，振荡器由起振到平衡的状态变化过程。振荡器动态工作点的轨迹不是沿图中的实线由起振到达平衡点振荡器动态工作点的轨迹不是沿图中的实线由起振到达平衡点P 而是沿虚线到达而是沿虚线到达 P点。点。由图还可看出，由于在平衡点虚线的负斜率比任何恒定偏置的由图还可看出，由于在平衡点虚线的负斜率比任何恒定偏置的实曲线的负斜率都大。因此也有利于改善振荡器的稳定性。实曲线的负斜率都大。因此也有利于改善振荡器的稳定性。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。1/F1/F11思考题：思考

14、题：振荡器偏置电路的分析：振荡器偏置电路的分析：起振前电路的静态工作点位于伏安特性段的中点，起振前电路的静态工作点位于伏安特性段的中点，振荡器工作于甲类状态，便于起振振荡器工作于甲类状态，便于起振。自给偏置导致工作点向负偏压方向移动，集电极电自给偏置导致工作点向负偏压方向移动，集电极电流由余弦形变为余弦脉冲形。流由余弦形变为余弦脉冲形。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。125.3 LC 振荡器的电路分析振荡器的电路分析5.3.15.3.1 LC LC 振荡器的基本构成振荡器的基本构成振荡器的基本构成振荡器的基本构成互感耦合互感耦合LC振荡器

15、振荡器三点式三点式LC振荡电路振荡电路三点式三点式LCLC振荡器是指振荡器是指LCLC回路的回路的三个端点三个端点与晶体管或场与晶体管或场效应管效应管三个电极三个电极直接直接连接的一种振荡器。连接的一种振荡器。互感耦合振荡器的工作频率不易很高，频率稳定度互感耦合振荡器的工作频率不易很高，频率稳定度的提高受到一定的限制，而且调测中改动反馈强度不方的提高受到一定的限制，而且调测中改动反馈强度不方便，所以，在无线电设备中更为广泛采用的是三点式便，所以，在无线电设备中更为广泛采用的是三点式LC振荡器。振荡器。电容耦合（电容反馈型）振荡器。电容耦合（电容反馈型）振荡器。自耦变压器耦合（电感反馈型）振荡器

16、自耦变压器耦合（电感反馈型）振荡器。13三点式三点式LC振荡电路相位平衡条件的判断准则振荡电路相位平衡条件的判断准则（P271）可得出三点式振荡器中三个电抗元件应该满足的要求：可得出三点式振荡器中三个电抗元件应该满足的要求：满足上述二个要求时，才能满足相位平衡条件。满足上述二个要求时，才能满足相位平衡条件。（1）与与 应为同一性质的电抗；应为同一性质的电抗；（2）应与应与 ，的电抗性质相反。的电抗性质相反。假定各极间的电路阻抗为纯电抗，即：假定各极间的电路阻抗为纯电抗，即：由于不考虑其它因素产生的相移，由于不考虑其它因素产生的相移，故在回路谐振时，回路相移应为零。故在回路谐振时，回路相移应为零

17、。141.1.电容反馈型振荡器电路：考毕茨（电容反馈型振荡器电路：考毕茨（电容反馈型振荡器电路：考毕茨（电容反馈型振荡器电路：考毕茨（ColpittsColpitts）振荡器振荡器振荡器振荡器（1）分析电路的相位条件：）分析电路的相位条件：回路是谐振状态，回路是谐振状态，与与 倒相。倒相。反馈电压：反馈电压：。正反馈。正反馈。RFCn耦合电容？旁路电容？振荡电容？耦合电容？旁路电容？振荡电容？151.1.电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续1 1）（2）分析电路的起振条件：）分析电路的起振条件：根据起振条件根据起振条件 ，可得出：，可

18、得出：AF 1返回返回上图上图折合到折合到c-e端端16反馈系数反馈系数 越大越大，保证起振的，保证起振的 A 越小越小、越小，越小，容易起振容易起振。1.1.电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续2 2）讨论：讨论：当回路损耗可忽略时当回路损耗可忽略时，可得：，可得：当当 一定时，一定时，的选取有两方面考虑：的选取有两方面考虑：反馈系数反馈系数 越大越大，晶体管的输入电阻，晶体管的输入电阻 反映到回路两端反映到回路两端 的的 越小越小，减小减小，放大倍数下降，放大倍数下降，不容易起振不容易起振。反馈系数反馈系数F只在一段范只在一段范围

19、适合振荡围适合振荡器工作，必器工作，必须合理选择须合理选择171.1.电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续电容反馈型振荡器电路（续3 3）（3）电路的振荡频率：）电路的振荡频率：考毕茨振荡器的振荡频率稍高于回路的振荡频率。考毕茨振荡器的振荡频率稍高于回路的振荡频率。上图上图进一步考虑晶体管的等效电阻的影响：进一步考虑晶体管的等效电阻的影响：器件参数对振荡频率的影响有两个途径：器件参数对振荡频率的影响有两个途径：通过等效电抗的影响通过等效电抗的影响通过等效电阻的影响通过等效电阻的影响182.2.电感反馈型振荡器电路：哈脱莱（电感反馈型振荡器电路：哈脱莱（电感反

20、馈型振荡器电路：哈脱莱（电感反馈型振荡器电路：哈脱莱（HartleyHartley）振荡器振荡器振荡器振荡器（1）分析电路的相位条件：）分析电路的相位条件：反馈系数：反馈系数：反馈电压：反馈电压：正反馈正反馈。19（3）电路的振荡频率：）电路的振荡频率：（2）电路的起振条件：）电路的起振条件：进一步考虑晶体管的等效电阻的影响：进一步考虑晶体管的等效电阻的影响：哈脱莱电路的振荡频率稍低于回路的振荡频率。哈脱莱电路的振荡频率稍低于回路的振荡频率。2.2.电感反馈型振荡器电路电感反馈型振荡器电路电感反馈型振荡器电路电感反馈型振荡器电路 （续（续（续（续1 1）203.3.两种振荡器电路比较：两种振荡

21、器电路比较：两种振荡器电路比较：两种振荡器电路比较：（1）电容反馈型电路的）电容反馈型电路的优缺点：优缺点：优点：优点：由于输出端和反馈电路是电容，对高次谐波电抗由于输出端和反馈电路是电容，对高次谐波电抗 小，振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。小，振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。缺点：缺点：用两个电容调节频率不方便。（又要用两个电容调节频率不方便。（又要 不不 变）振荡器的振幅不稳定。变）振荡器的振幅不稳定。（2）电感反馈型电路的）电感反馈型电路的优缺点：优缺点：优点：优点：用一个电容可方便调节频率。用一个电容可方便调节频率。缺点：缺点：由于反馈电路是电感，振荡波形含有高次谐波由于反

22、馈电路是电感，振荡波形含有高次谐波 多。多。振荡频率不易很高。振荡频率不易很高。215.3.2 5.3.2 三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型电容反馈型三点式振荡电路的振荡波形更接近正弦波。振荡电容反馈型三点式振荡电路的振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高，因此应用更加广泛。频率可较高，因此应用更加广泛。调节频率不方便且会影响反馈系数调节频率不方便且会影响反馈系数F，而而F只在一段范围内只在一段范围内 较合适。较合适。晶体管的输出晶体管的输出、输入电容影响振荡频率输入电容影响振荡频率。影响反馈系数影响反馈系数F与振荡频率的主要因素都是与振荡频率的主

23、要因素都是 和和 。改进思路：改进思路：把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数F的主要元件分开。的主要元件分开。使振荡频率尽量不受晶体管的输出使振荡频率尽量不受晶体管的输出、输入电容影响。输入电容影响。225.3.2 5.3.2 三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型（续续续续1 1）（1）串联改进型电容反馈三点式振荡器）串联改进型电容反馈三点式振荡器（克拉泼 clapp 电路）返回返回n什么是耦合电容？什么是旁路电容？什么是振荡电容等？什么是耦合电容？什么是旁路电容？什么是振荡电容等？235.3.2 5.3.2

24、三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型（续续续续2 2）显然当：显然当：反馈系数反馈系数F与振荡频率的调节互不影响。与振荡频率的调节互不影响。振荡频率与晶体管的输出、输入电容无关。振荡频率与晶体管的输出、输入电容无关。优点：优点：振荡器的振幅不稳定。（调节振荡器的振幅不稳定。（调节 改变振荡频率时）改变振荡频率时）这是因为这是因为并联谐振回路的谐振电阻并联谐振回路的谐振电阻 等效到晶体管等效到晶体管的的C-E两端，是：两端，是：缺点：缺点：（1）串联改进型电容反馈三点式振荡器）串联改进型电容反馈三点式振荡器（克拉泼 clapp 电路）245.3.2 5

25、.3.2 三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型（续续续续3 3）显然当显然当（2）并联改进型电容反馈三点式振荡器）并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒（shelle）电路）返回返回255.3.2 5.3.2 三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型三点式振荡器的改进型（续续续续4 4）与与 L并联，调节并联，调节 可调节振荡频率，但对并联谐振可调节振荡频率，但对并联谐振回路的谐振电阻回路的谐振电阻RP 等效到晶体管的等效到晶体管的C-E两端的等效电阻两端的等效电阻 影响较小，因此对振荡幅度影响较小。影响较小，因此对振荡幅度影响较小

26、。对对 的选择：的选择：不能太大（振荡频率由不能太大（振荡频率由 调节）。调节）。也不能太小，太小则接入系数小，也不能太小，太小则接入系数小，振荡幅度就小。振荡幅度就小。一般取：一般取：20PF200PF。例题例题（2）并联改进型电容反馈三点式振荡器）并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒（shelle）电路）26三点式振荡器三点式振荡器小结小结三点式三点式LC振荡器定义振荡器定义 三点式三点式LC振荡器振荡器相位平衡条件的判断准则相位平衡条件的判断准则三点式三点式LC振荡器典型电路：振荡器典型电路：电容耦合（电容反馈型）：电容耦合（电容反馈型）：考毕茨（考毕茨（Colpitts）振荡器振荡器自

27、耦变压器耦合自耦变压器耦合(电感反馈型电感反馈型)：哈脱莱哈脱莱(Hartley)振荡器振荡器电路参数对起振条件的影响（电路参数对起振条件的影响（F）器件参数对振荡频率的影响（器件参数对振荡频率的影响（）两种改进型的电容反馈型三点式振荡器：两种改进型的电容反馈型三点式振荡器：串联改进型电容反馈三点式振荡器（克拉泼串联改进型电容反馈三点式振荡器（克拉泼 clapp 电路）电路）并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒（并联改进型电容反馈三点式振荡器（西勒（shelle）电路）电路）例题例题27例一：例一：下面下面哪些情况哪些情况下下振荡器可以振荡？属于什么类型的振荡器可以振荡？属于什么类型的 振荡器

28、振荡器2829例二：例二：例：考毕茨振荡电路图，例：考毕茨振荡电路图，例：考毕茨振荡电路图，例：考毕茨振荡电路图，给定参数：给定参数：给定参数：给定参数：RFC求：振荡频率，反馈系数，为满足起振条件所需的求：振荡频率，反馈系数，为满足起振条件所需的求：振荡频率，反馈系数，为满足起振条件所需的求：振荡频率，反馈系数，为满足起振条件所需的 最小值。最小值。最小值。最小值。30解：（解：（解：（解：（1 1）求振荡频率）求振荡频率）求振荡频率）求振荡频率（2 2）求）求）求）求F F31（3 3）求起振条件）求起振条件）求起振条件）求起振条件当当当当 时就可以起振。时就可以起振。时就可以起振。时就可

29、以起振。返回返回32例三：例三：n画出图中各振荡器的高频等效电路画出图中各振荡器的高频等效电路，说明它们属于哪种类型，说明它们属于哪种类型的振荡器，计算其振荡频率值。从电路构成形式上看，三种电的振荡器，计算其振荡频率值。从电路构成形式上看，三种电路各有什么特点。路各有什么特点。图图图图A A图图图图B B高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈 335.3.2 5.3.2 三点式振荡器三点式振荡器三点式振荡器三点式振荡器（续续续续1010）图图图图C C高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈 高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈 34习题习题习题习题5-11 5-11 图图图图A A返回返回n什么是耦合电容？什么是旁路电容？什么是振荡电容等？什么是耦合电容？什么是旁路电容？什么是振荡电容等？35习题习题习题习题5-11 5-11 图图图图B B返回返回n什么是旁路电容？什么是振荡电容等？什么是旁路电容？什么是振荡电容等？高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈 36习题习题习题习题5-11 5-11 图图图图C Cn什么是旁路电容？什么是振荡电容等？什么是旁路电容？什么是振荡电容等？高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈 高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈高频扼流圈 返回返回37习题习题：5-2，5-3，5-4，5-5，5-6，5-11，5-1338