第三章 正弦波振荡器(99).ppt

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1、1 1、掌握振荡器的工作原理、掌握振荡器的工作原理2 2、掌握、掌握LCLC振荡器三端电路的组成法则振荡器三端电路的组成法则3 3、熟悉频率稳定的意义，了解稳频的方法、熟悉频率稳定的意义，了解稳频的方法4 4、熟悉石英晶体振荡器的典型电路、熟悉石英晶体振荡器的典型电路5 5、了解、了解RCRC和负阻振荡器的工作原理和负阻振荡器的工作原理第第3章章 正弦波振荡器正弦波振荡器定义：定义：无需外部激励无需外部激励，能自动能自动将直流电将直流电源的能量源的能量转换为转换为特定特定频率频率和振幅和振幅的正弦交变能量的电路。的正弦交变能量的电路。分类：分类：主要技术指标：振荡频率主要技术指标：振荡频率准确

2、性准确性和和稳定性稳定性。概概 述述反馈振荡器：根据正反馈原理组成。反馈振荡器：根据正反馈原理组成。负阻振荡器：利用负阻器件的负电阻负阻振荡器：利用负阻器件的负电阻效应。效应。1 1 1 1、正反馈是建立振荡的必要条件正反馈是建立振荡的必要条件正反馈是建立振荡的必要条件正反馈是建立振荡的必要条件3.1 3.1 反馈振荡器的反馈振荡器的工作工作原理原理ViVo-+Vf+-首首先先，要要使使振振荡荡能能够够产生，产生，反馈反馈必须是必须是正正的。的。其其次次，还还需需要要有有足足够够的的反反馈馈量量，即即V Vf f的的幅幅度度应该应该足够大足够大。图3-1-1 反馈振荡器的组成方框2 2、自激振

3、荡的起振过程和平衡状态自激振荡的起振过程和平衡状态起振过程：起振过程：加电加电产生噪声产生噪声放大放大反馈反馈问题问题1 1：最初的输入信号如何得到？：最初的输入信号如何得到？输出波形输出波形Vo-+Vf+-问题问题2 2：振荡器的平衡状态振荡器的平衡状态怎么怎么达到？达到？利用晶体三极管的非线性达到平衡状态。利用晶体三极管的非线性达到平衡状态。1 1、起振条件、起振条件起振条件起振条件3 3.1.1.1.1 平衡和起振条件平衡和起振条件振幅起振条件：相位起振条件：同相同相2 2、平衡条件、平衡条件平衡条件平衡条件振幅平衡条件：相位平衡条件：1图图3-1-2 3-1-2 满足起振和平衡条件时的

4、环路增益满足起振和平衡条件时的环路增益利用晶体三极管的非线性达到平衡状态。利用晶体三极管的非线性达到平衡状态。3 3.1 1.2 2 稳定条件稳定条件 平衡状态有平衡状态有稳定平衡稳定平衡和和不稳定平衡不稳定平衡，振荡器工作，振荡器工作时要处于稳定平衡状态。时要处于稳定平衡状态。如如果果振振荡荡器器在在各各种种不不稳稳定定因因素素作作用用下下，能能在在原原平平衡衡点点附附近近达达到到新新的的平平衡衡，而而一一旦旦排排除除了了不不稳稳定定因因素素，振振荡荡器器又又能能自自动动回回到到原原平平衡衡状状态态，则则称称这这种种平平衡状态衡状态是是稳定稳定的。的。11 1、振幅振幅平衡的平衡的稳定条件稳

5、定条件Vi ViA Vi ViB1ViViB振幅稳定条件振幅稳定条件 结论：结论：在振荡的平衡点上，环路增益随在振荡的平衡点上，环路增益随V Vi i变变化的化的斜率越斜率越陡陡，则则稳定振幅的效果越好稳定振幅的效果越好。A2 2、相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件当相位平衡条件遭到破坏时，线路本身当相位平衡条件遭到破坏时，线路本身重新建立起相位平衡点的条件。重新建立起相位平衡点的条件。相位平衡的稳定条件为：相位平衡的稳定条件为：3 3.1 1.3 3 基本组成及基本组成及其分析方法其分析方法基本组成基本组成：要产生稳定的正弦振荡，要产生稳定的正弦振荡，要产生稳定的正弦振荡，要产生稳定的正弦

6、振荡，起振条件起振条件起振条件起振条件、平衡条平衡条平衡条平衡条件件件件和和和和稳定条件稳定条件稳定条件稳定条件，缺一不可。，缺一不可。，缺一不可。，缺一不可。振荡器的稳幅方式有两种：振荡器的稳幅方式有两种：外稳幅方式：外稳幅方式：振荡器依振荡器依靠外加非线性网络来实现振幅的平靠外加非线性网络来实现振幅的平衡和稳定的方法称为外稳幅。衡和稳定的方法称为外稳幅。振荡器依靠晶体管本身的非线性特性来稳定振荡器依靠晶体管本身的非线性特性来稳定振幅的方法称为内稳幅。振幅的方法称为内稳幅。内稳幅方式：内稳幅方式：正弦振荡电路的分析法正弦振荡电路的分析法（1 1）检查电路是否包含了）检查电路是否包含了放大电路

7、放大电路、选频网络选频网络、反反馈网络馈网络和和稳幅环节稳幅环节四个组成部分。四个组成部分。（2 2）分析放大电路是否有）分析放大电路是否有放大作用放大作用，即结构是否合，即结构是否合理，静态工作点是否合适。理，静态工作点是否合适。（3 3）利用）利用瞬时极性法瞬时极性法判断电路是否满足正弦波振荡判断电路是否满足正弦波振荡的的相位条件相位条件，即判断电路是否引入了，即判断电路是否引入了正反馈正反馈。（4 4）根据选频网络参数，计算起振条件（）根据选频网络参数，计算起振条件（小信号小信号）。）。(1)(1)在电路中某一个合适的位置在电路中某一个合适的位置(往往是放大器的往往是放大器的输入端输入端

8、)把电路断开，把电路断开，(用用X X号表示号表示)；(2)(2)在断开出的一侧对地引入一个外加电压源在断开出的一侧对地引入一个外加电压源 ；(3)(3)看经过放大器、反馈网络之后转回到断开处看经过放大器、反馈网络之后转回到断开处另另一侧对一侧对地的电压地的电压 是否与是否与 同相，同相则电路有振同相，同相则电路有振荡的可能。荡的可能。瞬时极性法瞬时极性法 例例 判断图例所示交流等效电路能否起振。判断图例所示交流等效电路能否起振。解：利用瞬时极性判断法，根据同名端位置，可以得到：可见电路是负反馈，不能产生振荡。3 3.2 2 LCLC正弦波正弦波振荡器振荡器定义：定义：由由LCLC谐振回路作为

9、相移网络的反馈振荡器。谐振回路作为相移网络的反馈振荡器。分类分类互感耦合振荡器互感耦合振荡器三点式振荡器三点式振荡器差分对管振荡器差分对管振荡器电感反馈振荡器电感反馈振荡器电容反馈振荡器电容反馈振荡器互感耦合振荡器互感耦合振荡器 根据振荡回路（相移网络）与三极管不同电极的连根据振荡回路（相移网络）与三极管不同电极的连接点分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。接点分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。三种互感耦合振荡器三种互感耦合振荡器+-（+）3.2.1 3.2.1 三点式振荡器三点式振荡器 所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言，由所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言，由L

10、CLC回回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器。路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器。一一、电路、电路组成组成法法则则图图3-2-1 3-2-1 一般化三点式电路一般化三点式电路一一、电路、电路组成组成法法则则 X X1 1与与X X2 2同性，同性，X X1 1（X X2 2）与）与X X3 3异性。异性。即连接到发射即连接到发射极的电抗为同性电抗，连接到基极和集电极间的电极的电抗为同性电抗，连接到基极和集电极间的电抗为异性。抗为异性。图图3-2-1 3-2-1 一般化三点式电路一般化三点式电路依靠电容产生反馈电压构成依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式的振荡

11、器则称为电容三点式振荡器，又称振荡器，又称考毕兹考毕兹振荡器。振荡器。依靠电感产生反馈电压构成依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式的振荡器则称为电感三点式振荡器，又称振荡器，又称哈特莱哈特莱振荡器。振荡器。三点式振荡三点式振荡电路的基本形式如图所示电路的基本形式如图所示图图3-2-1 3-2-1 三点式振荡器的原理电路三点式振荡器的原理电路二、三点式振荡器电路二、三点式振荡器电路LCCRL图图3-2-2 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路LRLVBBRB利用戴维南等效定理：利用戴维南等效定理：ouBEQuBEiCuBE0wtui图图3-2-4 自给偏置效应自给偏置效应Ic0iCw

12、toLCCRL三、电容三点式振荡器电路的起振条件三、电容三点式振荡器电路的起振条件图图3-2-3 对应图对应图3-2-2电路的交流通路电路的交流通路REViC1C2LRe0RL Zi共基极等效电路共基极等效电路reCbegmVibecREViC1C2LRe0RL ZireCbegmViREViebcRLRe0LC1eebcC2reRECbeeVfZireCbegmViREViebcRLRe0LC1C2reRECbeeVfRiC2RLgmViceVfZ3Z1Z2reCbegmViREebcRLRe0LC1C2reRECbeeVfRiC2RLbgmViceVfZ3Z1Z21 1、振荡角频率、振荡角

13、频率其中其中gmVibcRLRe0LC1C2CbeeC21 1、振荡角频率、振荡角频率一般一般2 2、振幅起振条件、振幅起振条件令令gmVibcRLRe0LC1C2CbeeVfC2电容分压比电容分压比在在gmVicRLRe0LC1C2reRECbeeVfRiC2RL四、用工程估算法求起振条件四、用工程估算法求起振条件1、将闭合环路断开，画出开环等效电路、将闭合环路断开，画出开环等效电路2、求出谐振回路的固有谐振角频率，并令、求出谐振回路的固有谐振角频率，并令3、将谐振回路各部分的电导折算到集电极，分别、将谐振回路各部分的电导折算到集电极，分别求放大器谐振时的增益和反馈系数，即得到起振条求放大器

14、谐振时的增益和反馈系数，即得到起振条件。件。3.2.2 3.2.2 差分对管振荡电路差分对管振荡电路 图图3-2-9 差分对管振荡电路差分对管振荡电路T2T1+-(+)振荡频率：振荡频率：起振条件：起振条件：1 1、频率准确度（频率精度）、频率准确度（频率精度）振荡器在规定条件下，实际振荡频率振荡器在规定条件下，实际振荡频率f与要求与要求的标称频率的标称频率fosc之间的偏差。之间的偏差。绝对频率偏差绝对频率偏差:相对频率偏差相对频率偏差:3.33.3 LC LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度u振荡器的性能指标：振荡器的性能指标：频率频率和振幅的准确度与稳定度和振幅的准确度与稳定度绝对频

15、率准确度：绝对频率准确度：2 2、频率稳定度、频率稳定度定义为在规定时间间隔内，振荡频率的相对定义为在规定时间间隔内，振荡频率的相对变化量变化量(频率准确度频率准确度)的最大值。的最大值。分类：分类：短期频率稳定度定义：短期频率稳定度定义：其中：其中：例：某一振荡器在一天，例：某一振荡器在一天，则该振荡器的频率稳定度为：则该振荡器的频率稳定度为：3.3.1 3.3.1 提高提高频率稳定度的基本措施频率稳定度的基本措施1 1、频率稳定度的定性分析频率稳定度的定性分析主网络相移主网络相移反馈网络相移反馈网络相移谐振网络相移谐振网络相移三极管相移三极管相移 z()z(),),e 0 0-e osc根

16、据相位平衡条件，在振荡角频率点，根据相位平衡条件，在振荡角频率点，LCLC谐振回路的谐振频率谐振回路的谐振频率 0 0的变化的变化对振荡频率的影响对振荡频率的影响 z()z(),),e 0 0 0 0-e osc 0 0当当 0 0产生产生 0 0的变化的变化时，时，w woscosc产生的变化为产生的变化为 w woscosc ，且：且：w woscosc=0 0谐振回路的品质因素谐振回路的品质因素Q Qe e的变化的变化对振荡频率的影响对振荡频率的影响当当Qe产生产生 Qe的变化的变化时，时，Qe=Qe+Qe Qe ，wosc产产生的变化生的变化 wosc 对于对于 e e oscosc，

17、即：即：e越大，由越大，由Qe变化变化引起的振荡频率变化越大。引起的振荡频率变化越大。osc Qe z(),),e 0 0-e osc-eQe osc oscoQe Qe e的变化的变化对振荡频率的影响对振荡频率的影响当当 e e产生产生 e e的变化的变化时，时，w woscosc产生的变化产生的变化 w woscosc对于对于Q e Q Qe e ，w w osc1osc1 Qe osc1 osc2 e e e的变化的变化对振荡频率的影响对振荡频率的影响对于对于 e e e e ，osc1osc1 osc2osc2，w w osc1osc1 Qe osc1 osc2 e e2 2、提高频率

18、稳定度的措施、提高频率稳定度的措施减小外界因素变化减小外界因素变化 影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度、湿度及大气压力、电源电压、周围电磁场、境温度、湿度及大气压力、电源电压、周围电磁场、负载不稳定等。负载不稳定等。提高振荡回路的标准性提高振荡回路的标准性 振荡回路的标准性是指振荡回路在外界因素变化振荡回路的标准性是指振荡回路在外界因素变化时保持振荡频率不变的能力。时保持振荡频率不变的能力。措施：措施：采用参数稳定的回路电感器和电容器采用参数稳定的回路电感器和电容器，减小减小 L L 和和 C C。采用温度补偿法采用温度补偿法。减弱谐振回

19、路与管减弱谐振回路与管子之间的耦合，提高子之间的耦合，提高Q Qe e值。值。3.3.2 3.3.2 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器 与晶体管的内部参数与晶体管的内部参数(G(Goeoe、G Gieie、C Coeoe、C Cieie)有关，有关，而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。而变化，因此其频率稳定度不高。不管是调节不管是调节C C1 1还是还是C C2 2来改变振荡频率，都将引起来改变振荡频率，都将引起反馈系数和接入系数的变化，导致输出幅度和放反馈系数和接入系数的变化，导致输出幅度和放大器增益的

20、变化。大器增益的变化。克拉泼振荡器克拉泼振荡器克拉泼克拉泼(Clapp)(Clapp)振荡器：振荡器：这种电路就是在谐振回路中串接一个可变的小这种电路就是在谐振回路中串接一个可变的小电容器电容器C C3 3，所以又叫做，所以又叫做串联型电容三点式串联型电容三点式反馈振荡反馈振荡器。器。采用电容三点式的分析方法采用电容三点式的分析方法 可见，可见，g g只取决于只取决于L L、C C3 3，而与，而与C C1 1、C C2 2基本无关。于是可以基本无关。于是可以增加增加C C1 1、C C2 2(不必减小电感不必减小电感L)L)以减小晶体管极间电容对频率的以减小晶体管极间电容对频率的影响，提高了

21、频率稳定度，改变影响，提高了频率稳定度，改变C C3 3即可改变振荡频率而不影即可改变振荡频率而不影响反馈系数，改变响反馈系数，改变C1C1、C2C2可调节反馈系数而不会影响振荡频可调节反馈系数而不会影响振荡频率。率。克拉泼振荡器克拉泼振荡器提高了频率稳定性提高了频率稳定性，但，但存在的问题是当增大存在的问题是当增大C C1 1和减小和减小C C3 3时引起振荡幅度下降时引起振荡幅度下降，难于起振难于起振。解决这一矛盾，解决这一矛盾，可以保持可以保持C C3 3不变不变，而在电感而在电感L L两端并联一两端并联一个小的可变电容个小的可变电容，用以改变振荡频率用以改变振荡频率。这就是西勒这就是西

22、勒(Seiler)(Seiler)振荡器振荡器。因为因为C C4 4与与L L并联，所以又称为并联型电容三点式振荡并联，所以又称为并联型电容三点式振荡器。器。西勒振荡器的原理图西勒振荡器的原理图由于由于C C1 1、C C2 2远小于远小于C C4 4，所以回路电容，所以回路电容电路特点：电路特点：具有克拉泼振荡器频率和反馈系数独立的优点，频率基本上具有克拉泼振荡器频率和反馈系数独立的优点，频率基本上仅由仅由C C3 3和和C C4 4及及L L决定；决定；调节调节C C4 4时不影响电路增益，输出幅度稳定。时不影响电路增益，输出幅度稳定。频率稳定度频率稳定度复复 习习用工程估算法求起振条件用

23、工程估算法求起振条件用工程估算法求起振条件用工程估算法求起振条件1、将闭合环路断开，画出开环等效电路、将闭合环路断开，画出开环等效电路2、求出谐振回路的固有谐振角频率，并令、求出谐振回路的固有谐振角频率，并令3、将谐振回路各部分的电导折算到集电极，分别、将谐振回路各部分的电导折算到集电极，分别求放大器谐振时的增益和反馈系数，即得到起振条求放大器谐振时的增益和反馈系数，即得到起振条件。件。频率稳定度频率稳定度 定义为在规定时间间隔内，振荡频率的相对定义为在规定时间间隔内，振荡频率的相对变化量变化量(频率准确度频率准确度)的最大值。的最大值。3.43.4 晶体振荡器晶体振荡器3.3.4 4.1 .

24、1 石英谐振器石英谐振器的电特性的电特性 石英晶体谐振器是利用石英晶体（石英晶体谐振器是利用石英晶体（SiOSiO2 2）的）的压电压电效应效应制成的一种谐振器。制成的一种谐振器。图图3-4-2 3-4-2 石英谐振器的等效电路石英谐振器的等效电路（a a）电路符号）电路符号 （b b）完整的等效电路）完整的等效电路 （c c）基频等效电路）基频等效电路Lq1Cq1rq1Lq3Cq3rq3Lq5Cq5rq5LqCqrqC0泛音频率泛音频率 谐波：与基频是整数倍关系，且谐波与基谐波：与基频是整数倍关系，且谐波与基波同时并存。波同时并存。泛音：是在基频的奇数倍附近，且两者不泛音：是在基频的奇数倍附

25、近，且两者不能同时并存。能同时并存。晶晶体体的的动态动态电感电感L Lq q很大很大，而，而动态电容动态电容C Cs s很小很小，且，且远小于静态电容远小于静态电容C C0 0，同时，同时，r rq q很小很小，一般为几欧姆，一般为几欧姆至十几欧姆。所以石英晶片的品质因素至十几欧姆。所以石英晶片的品质因素Q Q值很高值很高忽略忽略rq的影响，晶体回路的等效电抗为：的影响，晶体回路的等效电抗为：LqCqrqC0电抗电抗-频率特性频率特性当当X X=0=0时，回路发生串联谐振，谐振频率为：时，回路发生串联谐振，谐振频率为：当当X X=时，回路发生并联谐振，谐振频率为：时，回路发生并联谐振，谐振频率

26、为：因为因为C C0 0C Cq q，所以，所以晶晶体体的两谐振频率的两谐振频率f fs s与与f fp p非常接近非常接近。x 容性 O 容性 ws wp 感性 石英谐振器的电抗石英谐振器的电抗-频率特性频率特性w 实际使用时，晶体两端并接电容实际使用时，晶体两端并接电容C CL L，相应的并联，相应的并联谐振频率由谐振频率由fp减小到减小到fN石英谐振器的石英谐振器的标称频率标称频率fs fNge0（rn(av)re0）。3、负阻器件应与LC谐振回路正确连接。电压型负阻器件应与并联谐振回路相并联联接，电流型负阻器件应与串联谐振回路相串联联接。电压控制型负阻振荡器实用电路电压控制型负阻振荡器

27、实用电路 V VDDDD、R R1 1和和R R2 2提供隧道二极管的直流供电电路，提供隧道二极管的直流供电电路，提供静态工作点提供静态工作点U UQ Q。C C1 1是高频旁路电容。是高频旁路电容。L L和和C C是谐是谐振回路的电感和电容。振回路的电感和电容。VDDR2C1CR1L本章小节本章小节F一般来说，正弦波振荡电路由四部分组成：一般来说，正弦波振荡电路由四部分组成：放大放大电路电路、反馈网络反馈网络、选频网络选频网络和和稳幅环节稳幅环节。F注意注意起振条件起振条件、平衡条件平衡条件和和稳定条件稳定条件。FLCLC振荡电路振荡电路的选频网络由电感的选频网络由电感L L和电容和电容C

28、C组成，组成，三三点式判断法则点式判断法则。F石英晶体振荡器石英晶体振荡器相当于一个高相当于一个高Q Q值的值的LCLC电路，具有电路，具有很高的频率稳定性。很高的频率稳定性。本章小节本章小节FRCRC振荡电路振荡电路的选频网络由电阻的选频网络由电阻R R和电容和电容C C组成，其组成，其振荡频率与振荡频率与RCRC成反比。成反比。F负阻振荡器负阻振荡器由负阻器件和由负阻器件和LCLC谐振回路组成，分为谐振回路组成，分为并联型和串联型。并联型和串联型。F频率稳定度频率稳定度是振荡器非常重要的技术指标之一。是振荡器非常重要的技术指标之一。频率稳定度按时间间隔分为长期、频率稳定度按时间间隔分为长期、短期短期和瞬时频率和瞬时频率稳定度。稳定度。