通信电路原理 第8章讲解

第八章第八章 正弦波振荡器正弦波振荡器 §8-1 §8-1 概述概述2 2 §8-2 §8-2 振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理2 2 §8-3 §8-3 三点式三点式LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器1 1 §8-6 §8-6 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1 1 §8-8 §8-8 压控振荡器（压控振荡器（VCOVCO）1 1 §8-5 §8-5 LCLC正弦波振荡器的频率稳定度正弦波振荡器的频率稳定度2 2 §8-4 §8-4 差动对管振荡电路差动对管振荡电路3 3 §8-7 §8-7 RCRC正弦波振荡器正弦波振荡器2 2 §8-9 §8-9 负阻振荡器负阻振荡器3 3 §8-10 §8-10 正弦波振荡器的设计考虑正弦波振荡器的设计考虑2 2 重点：重点： 掌握正弦波振荡电路的工作原理、电路组掌握正弦波振荡电路的工作原理、电路组 成、实际电路的等效电路画法、分析与计算，成、实际电路的等效电路画法、分析与计算， 重点是三点式正弦波振荡电路的工作原理与实重点是三点式正弦波振荡电路的工作原理与实 际电路的分析。际电路的分析。 难点：难点： 正弦波振荡器的幅度稳定条件与频率稳定正弦波振荡器的幅度稳定条件与频率稳定 条件；实际振荡电路的分析与计算。条件；实际振荡电路的分析与计算。 §8-1 §8-1 概述概述2 2 自激振荡器功能：自激振荡器功能： 转换为转换为 将直流电能将直流电能 交变振荡能量交变振荡能量 1. 1.按波形分类：按波形分类： (1)(1)简谐波振荡器简谐波振荡器 ( (产生波形近似为正弦波产生波形近似为正弦波) ) 高频：高频：LCLC振荡器振荡器 ( (较稳定较稳定 /10/10-3 -3 10 10-4 -4 ) ) 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 ( (最稳定最稳定 /10/10-5 -5 10 10-7 -7 ) ) 低频：低频：RCRC振荡器振荡器 ( (稳定性差稳定性差/10/10-2 -2 10 10-3 -3 ) ) (2) (2) 张弛振荡器张弛振荡器 ( (产生非正弦波和近似正弦波产生非正弦波和近似正弦波) ) 2. 2.研究方法研究方法 多采用正反馈方法多采用正反馈方法 简介负阻方法简介负阻方法 重点：重点： 正弦波振荡器工作原理；正弦波振荡器工作原理； 起振条件、平衡条件、稳定条件；起振条件、平衡条件、稳定条件； 电路的判别原则。电路的判别原则。 §8-2 §8-2 振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理2 2 一、问题的引入一、问题的引入 从调谐放大器到自激振荡器从调谐放大器到自激振荡器 ( (图图8-1 p241)8-1 p241) 自激振荡器条件：(图8-2 p242 振荡器模型) 1. 1.电路满足正反馈电路满足正反馈 2. 2.有选频电路有选频电路, , 选出选出 正弦或余弦信号；正弦或余弦信号； 3. 3.有非线性部件有非线性部件, , 将直流电能转为交流信号能量。将直流电能转为交流信号能量。 二、起振条件二、起振条件 起振过程起振过程: : 扰动扰动放大放大选频选频正反馈正反馈放大放大 每次正反馈使每次正反馈使V V s s ( (V V f f V V s s ) )逐渐增大，幅度达到一逐渐增大，幅度达到一 定值时，放大器进入非线性区定值时，放大器进入非线性区( (饱和或截止饱和或截止) )，增益下，增益下 降，当降，当V V s s = =V V f f 时，进入平衡状态。时，进入平衡状态。 起振条件起振条件: :所以起振过程中: 起振条件为起振条件为: : 幅度条件幅度条件: : A A v vF Fv v 1 1 相位条件相位条件: : a a + + f f =2=2n n (n= 0,1,)(n= 0,1,) 幅度平衡条件幅度平衡条件: : A A v vF Fv v =1 =1 相位平衡条件相位平衡条件: : a a + + f f =2=2nn(n=0,1,)(n=0,1,) 此此时时时时V V f f 起起维维维维持振持振荡荡荡荡器平衡的作用。器平衡的作用。 三、平衡条件三、平衡条件 四、稳定条件四、稳定条件( (幅度稳定和相位稳定幅度稳定和相位稳定) ) 当平衡条件被破坏时当平衡条件被破坏时, ,振荡器应具有自动恢复到振荡器应具有自动恢复到 平衡状态的能力。平衡状态的能力。 1幅度稳定条件(图8-3 p243) A点:软激励状态 B点:硬激励状态 幅度稳定条件为：幅度稳定条件为： 且相差越大越好。且相差越大越好。 即：振幅稳定是利用即：振幅稳定是利用 放大器的非线性，使放大器的非线性，使 A Av v 与振幅的变化成反与振幅的变化成反 比。比。 内稳幅措施内稳幅措施： 加大放大器的非线性，及自给偏压加大放大器的非线性，及自给偏压 效应。效应。 外稳幅措施外稳幅措施: : 放大器为线性时，另插入非线性环节放大器为线性时，另插入非线性环节 2 2相位稳定条件相位稳定条件 ( (频率稳定性频率稳定性) ) 当相位平衡条件当相位平衡条件 a a + + f f =2=2nn被破坏时，振荡被破坏时，振荡 器本身应能重新建立起相位稳定点。器本身应能重新建立起相位稳定点。 某原因某原因( (温度、电压等温度、电压等) )引起：引起： V V f f 超前超前V V s s ，使周期缩短，使周期缩短( ( f f) V V f f 滞后滞后V V s s - - ，使周期加大，使周期加大( ( f f) LCLC回路回路( (稳频机构稳频机构) )可抵消引入的相位变化：可抵消引入的相位变化： f f ，( (容性容性) )产生产生 - - LC LC f f ，( (感性感性) )产生产生 + + LC LC 例例: :( (图图8-4 p245)8-4 p245) 某原因引起：某原因引起： V V f f 超前超前V V s s ， 使周期缩短使周期缩短( ( f f)。 f f ，( (容性容性) ) 产生产生 - - LC LC 。 。 若扰动保持，系统稳定在若扰动保持，系统稳定在f f02 02( (B B点 点) )， 频率稳定度下降；频率稳定度下降； 若扰动消除，返回若扰动消除，返回f f01 01(A (A点点) )。 则相位稳定则相位稳定 条件为：条件为： 负斜率，且负斜率，且 斜率越大越好。斜率越大越好。 注意：注意： 相频曲线负斜率越大，相频曲线负斜率越大，f f02 02偏离 偏离f f01 01越小，频率稳定 越小，频率稳定 度越高。提高回路度越高。提高回路Q Q值可加大负斜率，石英晶体值可加大负斜率，石英晶体Q Q 值极高，故频率稳定性好；值极高，故频率稳定性好； 使固有使固有 LC LC0 0，即原，即原f f01 01接近 接近f f 0 0 五、五、 偏置电路对振荡性能的影响偏置电路对振荡性能的影响 1. 1.自给偏压效应自给偏压效应 ( (图图8-5 p246)8-5 p246) 初始工作点初始工作点V VBEQ BEQ, , 正反馈使工作点左移 正反馈使工作点左移( (甲甲甲乙甲乙丙丙)V VBE0 BE0 2. 2.自给偏压电路引起的间歇振荡自给偏压电路引起的间歇振荡 (图8-6 p246) 原因：原因： (1)(1)C C b bR Rb b , , C C e e R R e e 时间常数过大时间常数过大, ,导通时间导通时间 , , 回路得不到足够的能量补充；回路得不到足够的能量补充； (2) (2) 回路回路Q Q值低值低, , 能量损耗大。能量损耗大。 提供的能量提供的能量= =回路能量损耗回路能量损耗, , 电路可电路可 维持振荡。维持振荡。 六、六、 晶体管变压器耦合振荡电路晶体管变压器耦合振荡电路 ( (图图8-7 p247)8-7 p247) 共基组态共基组态 变频器电路变频器电路 ( (单管同时完成振荡和混频功能单管同时完成振荡和混频功能) ) §8-3 §8-3 三点式三点式LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器1 1 一、三点式振荡器的组成原则一、三点式振荡器的组成原则 一般形式一般形式( (图图8-8 p248) 8-8 p248) 负号表示产生负号表示产生180180 o o 相移相移, , 与与V Vbe be和 和V Vce ce间的 间的180180 o o 相移合成相移合成 为为360360 o o 相移相移, , 满足正反馈条件。满足正反馈条件。 为此，为此，X Xce ce与 与X X eb eb必为同名电抗 必为同名电抗, , 而而X Xcb cb须是其异名电抗 须是其异名电抗 。 电感三点式振荡器（哈特莱电路）电感三点式振荡器（哈特莱电路） ( (图图8-9 8-9 p249)p249) 等效过程等效过程 电感三点式振荡器电感三点式振荡器 优点：优点： 易起振，易调整易起振，易调整( (调调C C 基本上不影响基本上不影响F F v v ) ) 缺点：缺点： 波形差；波形差； 工作频率低：工作频率低： f f, , L L 1 1 和和L L 2 2 的匝数的匝数 ，L L 2 2 不能不能 f o o 即即: : C C 1 1 L L回路对回路对f f o o 感性失谐，等效为电感。感性失谐，等效为电感。 要求回路的 f0与 f p ( fs ) 一致。 2 2串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路 ( (图图8-23 p266)8-23 p266) 石英谐振器石英谐振器 等效为短路元等效为短路元 件件, , 要求要求LCLC回回 路的路的f f 0 0 与与f f s s 一致一致 。 3 3泛音晶体振荡电路泛音晶体振荡电路 一般一般 f f 20MHz 20MHz 时采用，频率稳定时采用，频率稳定 度好，七次泛音以上较少应用。度好，七次泛音以上较少应用。 实际工作中，并电感使晶体工作于泛实际工作中，并电感使晶体工作于泛 音的音的f f s s （f f p p ） 。 三、晶体振荡电路举例三、晶体振荡电路举例 1. 1MHz1. 1MHz场效应管密勒电路场效应管密勒电路 ( (图图8-24 p267)8-24 p267) 晶体为电感元件晶体为电感元件 2. 2. 串连型晶体振荡器串连型晶体振荡器 ( (图图8-25 p267)8-25 p267) 晶体为短路元件晶体为短路元件 3. 3.CMOSCMOS微功耗晶体振荡器微功耗晶体振荡器 4. 4. ( (图图8-26 p267)8-26 p267) 晶体为电感元件晶体为电感元件 §8-8 §8-8 压控振荡器（压控振荡器（VCOVCO）1 1 以电压变化控制频率以电压变化控制频率 ( (相位相位) )变化的振荡器变化的振荡器 ，用于直接，用于直接FMFM、PLLPLL、AFCAFC等。等。 变容二极管特性变容二极管特性 ( (图图8-31 p271)8-31 p271) 一、变容二极管压控振荡器一、变容二极管压控振荡器 ( (图图8-30 p270)8-30 p270) 可见：可见：C C j j ( (小小) )串串C C 4 4 ( (隔直隔直/ /很大很大), ), C C j j 起主要作用起主要作用 则则: : C C总 总= = C C j j +(+(C C 1 1 串串C