第四章 正弦波振荡器讲课文档.ppt

第四章 正弦波振荡器第一页，共九十三页引言引言n振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将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直流能量变换为周期性交变能量的装置n从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制从能量的观点看，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律变化的交变能量的电路n而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将直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流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变能量的电路2第二页，共九十三页振荡器分类（）振荡器分类n按振荡波形分类按振荡波形分类n正弦波振荡器、非正弦波振荡器正弦波振荡器、非正弦波振荡器n按工作机理分类按工作机理分类n反馈振荡器、负阻振荡器反馈振荡器、负阻振荡器n按选频网络分类按选频网络分类nLCLC振荡器、振荡器、RCRC振荡器、晶体振荡器振荡器、晶体振荡器n压控振荡器、压控晶体振荡器压控振荡器、压控晶体振荡器n集成振荡器、开关电容振荡器集成振荡器、开关电容振荡器3第三页，共九十三页。

振荡器构成（）振荡器构成n振荡器正常工作，必须有以下四个部分振荡器正常工作，必须有以下四个部分n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n正反馈通路或负阻：必须有一个能够正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元器件能量损耗补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡的正反馈通路或负阻器件，以保证有稳定的振荡n选频网络：振荡器具有单一频率选频网络：振荡器具有单一频率n稳幅：稳幅：一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件n 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n 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需要的输出波形4第四页，共九十三页振荡器应用（）振荡器应用n通信系统中有广泛的应用通信系统中有广泛的应用n混频器的本振信号混频器的本振信号n调制的载波信号，解调的本地载波信号调制的载波信号，解调的本地载波信号n时钟、定时电路，电子测量设备的基准信号时钟、定时电路，电子测量设备的基准信号n工业生产部门广泛应用的高频电加热设备工业生产部门广泛应用的高频电加热设备n微波炉，电疗设备微波炉，电疗设备5第五页，共九十三页。

对正弦波振荡器的分析（）对正弦波振荡器的分析n正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭环系统，它是一个闭环系统，它是一个非线性动态网络非线性动态网络，可采用求解非可采用求解非线性微分方程或计算机辅助分析法线性微分方程或计算机辅助分析法n本章定性分析阐明振荡器的振荡特性，在进行电路分析时，本章定性分析阐明振荡器的振荡特性，在进行电路分析时，仍采用电路参数的仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法准线性分析法和零极点分析法n在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此，可在振荡的初始阶段，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n振荡建立后，用准线性方法（如用平均跨导代替跨导，振荡建立后，用准线性方法（如用平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析，获得重要的具有指导意义的结采用线性方法）分析，获得重要的具有指导意义的结论6第六页，共九十三页4.1 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 LCLC谐振回路是谐振回路是LC LC 振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是基于二阶是基于二阶RLCRLC回路的自由振荡现象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考虑了回路损耗后，回路将产生振幅衰减的阻尼振荡4.1.1 4.1.1 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7第七页，共九十三页维持等幅振荡措施：维持等幅振荡措施： 适时地补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡适时地补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡 反馈振荡器反馈振荡器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负阻振荡器负阻振荡器 从能量角度：振幅衰减从能量角度：振幅衰减由于回路存在损耗由于回路存在损耗维持等幅振荡维持等幅振荡8第八页，共九十三页n起振条件起振条件：首先，要让振荡器自己振起来（自激振荡）首先，要让振荡器自己振起来（自激振荡）n平衡条件平衡条件：其次，保证振荡器环路中的能量补充恰好抵消：其次，保证振荡器环路中的能量补充恰好抵消能量消耗，达到环路平衡能量消耗，达到环路平衡n稳定条件稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加：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。

自动恢复到原来的平衡状态 反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本条反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本条件：件：9第九页，共九十三页反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理放大网络反馈网络放大网络反馈网络n满足满足A(jA(j )F(j)F(j )=1, )=1, 无需加输入信号无需加输入信号10第十页，共九十三页正弦波振荡器需要选频网络正弦波振荡器需要选频网络n反馈振荡器中，放大器单元的输入就是反馈网络的输出电压（反馈反馈振荡器中，放大器单元的输入就是反馈网络的输出电压（反馈电压）n正弦波振荡器要求输出角频率为正弦波振荡器要求输出角频率为 oscosc的正弦波，即只能在频率的正弦波，即只能在频率 oscosc上满上满足足A(jA(j oscosc)F(j)F(j oscosc)=1)=1n 为此，在振荡回路为此，在振荡回路中，必须有选频网络中，必须有选频网络给予保证给予保证n 这个选频网络的选这个选频网络的选频特性越好，振荡器频特性越好，振荡器频谱就越纯频谱就越纯11第十一页，共九十三页n（开环）环路增益（开环）环路增益n平衡条件平衡条件n振幅平衡条件：开环增益的模为振幅平衡条件：开环增益的模为1n相位平衡条件：相位平衡条件：VF与与Vi同相，满足正反馈同相，满足正反馈4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 平衡条件平衡条件平衡条件平衡条件12第十二页，共九十三页。

形成增幅振荡形成增幅振荡形成减幅振荡形成减幅振荡13第十三页，共九十三页举例举例14第十四页，共九十三页n 当工作频率较高时，引起环路传输系数和相移的因当工作频率较高时，引起环路传输系数和相移的因素是很多的：素是很多的：t 晶体管正向转移晶体管正向转移导纳导纳t 谐振回路阻抗谐振回路阻抗t 反馈参数反馈参数振荡平衡条件表示为：振荡平衡条件表示为：15第十五页，共九十三页相位平衡条件的分析相位平衡条件的分析如令：如令：则相位平衡条件变为：则相位平衡条件变为：其中：其中：上式中，上式中， 随频率的变化十分明显，而其余相角随随频率的变化十分明显，而其余相角随频率变化较缓慢频率变化较缓慢16第十六页，共九十三页相位平衡条件决定振荡频率相位平衡条件决定振荡频率n相位平衡条件相位平衡条件 并联谐振回路的相频特性并联谐振回路的相频特性17第十七页，共九十三页 w 1Q 2p 2p- 1OSCw 0w 图解法图解法18第十八页，共九十三页讨论：讨论：u反馈振荡器的相位平衡条件，决定了它的振荡频率反馈振荡器的相位平衡条件，决定了它的振荡频率n反馈振荡器的相频特性主要由环路中的选频回路决定反馈振荡器的相频特性主要由环路中的选频回路决定。

n选频回路的选频回路的Q Q值越大，相频特性的斜率越陡，选值越大，相频特性的斜率越陡，选频回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频频回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率率 OSCOSC就越接近于选频回路的中心频率就越接近于选频回路的中心频率 0 0n振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率u 在平衡状态中，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的在平衡状态中，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不再变化，因此振幅平衡条件决定了能量，平衡时输出幅度将不再变化，因此振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅的大小振荡器输出振幅的大小19第十九页，共九十三页n起始信号：振荡器接通电源瞬间产生电流突变；电路内存起始信号：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在各种微弱噪声 特点：很微弱，占据频带很宽特点：很微弱，占据频带很宽n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n 为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建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，反馈电压立过程中，反馈电压V VF F和原输入电压和原输入电压V Vi i( (电扰动电扰动) )必须同频同必须同频同相，并且相，并且| |V VF F| |V Vi i| |。

4.1.3 4.1.3 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20第二十页，共九十三页反馈振荡器的起振条件反馈振荡器的起振条件n 振幅条件振幅条件 相位条件相位条件以互感耦合以互感耦合LCLC振荡器为例，系统传输函数的极点位振荡器为例，系统传输函数的极点位于于S S平面的右半部，系统不稳定平面的右半部，系统不稳定L2 , 1 , 02)(0nnFApjjwj1)()(00FAww21第二十一页，共九十三页起振过程中的信号分析起振过程中的信号分析n起振初始，放大器工作于小信号状态起振初始，放大器工作于小信号状态n 线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增益线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增益A A为了获得较高的增益为了获得较高的增益A A，要适当设置晶体管工作点要适当设置晶体管工作点n振荡建立过程中，环路增益振荡建立过程中，环路增益T T恒大于恒大于1 1，放大器，放大器的输入的输入V Vi i不断增大，放大器从小信号工作状态进不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态入大信号工作状态n 非线性工作状态（出现饱和非线性工作状态（出现饱和/ /截止截止） ，此时放大器，此时放大器增益增益A A的估算一般采用大信号平均参数（如平均跨导的估算一般采用大信号平均参数（如平均跨导 ）。

22第二十二页，共九十三页n 大信号非线性工作：大信号非线性工作： 晶体管集电极有丰富的谐晶体管集电极有丰富的谐波分量，输出信号通过选波分量，输出信号通过选频频增益下降增益下降平均跨导小于静态跨导平均跨导小于静态跨导斜率斜率g23第二十三页，共九十三页稳幅措施稳幅措施n起振条件为起振条件为T=AF1T=AF1，输出信号幅度的输出信号幅度的不断增长，而后必须限制其增长，使不断增长，而后必须限制其增长，使其达到平衡，满足平衡条件其达到平衡，满足平衡条件T=AF=1T=AF=1n环路中必须有一个非线性器件，环路中必须有一个非线性器件，其参数随信号的增大而变化，达其参数随信号的增大而变化，达到限幅的目的到限幅的目的n 特别是不要让晶体管工作于饱和区，因为饱和区的晶体管输出特别是不要让晶体管工作于饱和区，因为饱和区的晶体管输出阻。