高频正弦波振荡器1反馈振荡器的原理课件.ppt

第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器(1)(1)反馈振荡器原理及平衡状态的稳定条件反馈振荡器原理及平衡状态的稳定条件4.1 4.1 反馈振荡器反馈振荡器的原理的原理4.1.1 4.1.1 原理分析原理分析4.1.2 4.1.2 平衡条件平衡条件4.1.3 4.1.3 起振条件和稳定条件起振条件和稳定条件作业：作业：4-1、、4-21. 1. 集电极馈电电路集电极馈电电路 根据直流电源根据直流电源连接方式的不同，连接方式的不同，集电极馈电电路又集电极馈电电路又分为分为串联馈电串联馈电和和并并联馈电联馈电两种3.4.1 直流馈电电路直流馈电电路LCC1LC+VCCALCCC1+VCCLC2(a) 串馈(b) 并馈3.4 3.4 高高频功率放大器的功率放大器的实际电路路 管外电路由二部分组成：直流馈电电路和滤波匹配网络管外电路由二部分组成：直流馈电电路和滤波匹配网络(1)(1)串馈电路串馈电路 指直流电源指直流电源VCC、、负载回路负载回路( (匹匹(2)(2)配网络配网络) )、功率管三者首尾相接的一种直、功率管三者首尾相接的一种直流馈流馈电电路C’、、L’为低通滤波电路，为低通滤波电路，A A点为高频点为高频地电位，既阻止电源地电位，既阻止电源VCC中的高频成分影响放中的高频成分影响放大器的工作，又避免高频信号在大器的工作，又避免高频信号在LC负载回路负载回路以外不必要的损耗。

以外不必要的损耗C’、、L’的选取原则为的选取原则为 1/  C’ ＜＜回路阻抗回路阻抗R’R’ 1/(50~100) ωL’＞＞1/   C’  (50~100)(2) 并馈电路并馈电路 指直流电源指直流电源VCC、、负载回路负载回路( (匹配网络匹配网络) )、功率管三者为并联连接的一种、功率管三者为并联连接的一种馈电电路如图馈电电路如图L’为高频扼流圈为高频扼流圈，，C1为高频为高频旁路电容旁路电容，，C2为隔直流通高频电容为隔直流通高频电容，，LC、、C1、、C2的选取原则与串馈电路基本相同的选取原则与串馈电路基本相同 (3) 串、并馈直流供电电路的优缺点串、并馈直流供电电路的优缺点 并馈并馈u 回路两端均处于回路两端均处于直流地电位直流地电位，即零电位安装比较方便、，即零电位安装比较方便、安全可靠；安全可靠；u 缺点是扼流圈分布电容影响大，影响频率稳定性；缺点是扼流圈分布电容影响大，影响频率稳定性； 串联串联u VccVcc、、L’L’、、C’C’均处于高频地电位，分布电容不会影响；均处于高频地电位，分布电容不会影响；u 缺点是回路处于直流高电位，电容动片不能直接入地，安缺点是回路处于直流高电位，电容动片不能直接入地，安装调试不方便。

装调试不方便2. 基极馈电电路基极馈电电路基极馈电电路也分基极馈电电路也分串馈串馈和和并馈并馈两种 基极偏置电压基极偏置电压Eb可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极可以单独由稳压电源供给，也可以由集电极电源电源EC分压供给在功放级输出功率大于分压供给在功放级输出功率大于1W时，基极偏置常时，基极偏置常采用采用自给偏置自给偏置、、固定偏置固定偏置或或零偏置零偏置电路 (a)电路基极零偏，电路基极零偏，集电极串馈输出集电极串馈输出匹配电路为匹配电路为π型型电路输入、入、输出阻出阻抗抗为50Ωb））电路采用路采用VMOS场效效应管，管，栅极极为并并馈，，电阻偏置；漏极阻偏置；漏极为串串馈输出匹配出匹配电路路π型电路输入、型电路输入、输出阻抗为输出阻抗为50Ω 振荡器振荡器————就是自动地将直流能量转换为具有一定波形就是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置和放大器一样也是能量转换参数的交流振荡信号的装置和放大器一样也是能量转换器它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输器它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，其输出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。

出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定振荡器振荡器分类分类正弦振荡正弦振荡低频正弦振荡器低频正弦振荡器高频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器微波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器矩形波振荡器矩形波振荡器三角波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器锯齿波振荡器5.1 5.1 概概 述述 应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用都有着广泛的应用 主要技术指标：主要技术指标： 1.振荡频率振荡频率f及频率范围及频率范围: 2.频率稳定度频率稳定度:调频广播和电视发射机要求调频广播和电视发射机要求:10-5~10-7左左右右 标准信号源标准信号源:10-6~10-12 要实现与火星通讯要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位要为金星定位:10-12 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度: 4.频谱频谱(残波辐射残波辐射): 讨论内容讨论内容: 从振荡原理入手研究振荡器判据、寻从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件的分析方法，讨论各种振荡求振荡条件的分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定度。

电路，基本线索是振荡器的频率稳定度 由图得到闭环电压由图得到闭环电压放大倍数为放大倍数为反馈网络的电压反馈系数为反馈网络的电压反馈系数为 所以有所以有4.1 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理反馈型振荡器原理方框图反馈型振荡器原理方框图4.1.1 反馈振荡器的原理分析反馈振荡器的原理分析放大器开环电压放大倍数为放大器开环电压放大倍数为称为反馈系统的环路增益称为反馈系统的环路增益相位条件：相位条件：振幅（起振）条件为：振幅（起振）条件为：相位（起振）条件为：相位（起振）条件为： 要使振荡器能够起振要使振荡器能够起振，，在刚接通电源后在刚接通电源后，， 当达到平衡时当达到平衡时，， 这就是振荡器这就是振荡器振幅平衡条件振幅平衡条件 振幅振幅(平衡平衡)条件：条件：4.1.2 平衡条件平衡条件 在平衡状态下，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡在平衡状态下，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幅度的大小。

衡条件决定了振荡器输出幅度的大小又因为环路只有在某一频率上才能满又因为环路只有在某一频率上才能满足相位平衡条件，因此，相位平衡条足相位平衡条件，因此，相位平衡条件决定了振荡器的频率件决定了振荡器的频率4.1.3 起振条件起振条件4.1.4 稳定条件：稳定条件： 当某种外因使振荡器稍微偏离原来的平衡状态，一旦外因当某种外因使振荡器稍微偏离原来的平衡状态，一旦外因消除后，系统能自动恢复到原来的平衡状态吗？这是平衡状态消除后，系统能自动恢复到原来的平衡状态吗？这是平衡状态的稳定问题如图所示的稳定问题如图所示 起振时，起振时，K>1/F，当振幅大到，当振幅大到一定后，晶体管将一定后，晶体管将进入入饱和或截和或截止K很快下降反很快下降反馈系数系数F与与振幅无关，它是一条直振幅无关，它是一条直线两条曲曲线的交点，即是平衡点的交点，即是平衡点但不但不一定一定稳定定振幅稳定条件定条件为 由图可见，由图可见，A的变化趋势必须同的变化趋势必须同振幅振幅变化的趋势变化的趋势相反相反即即如果晶体管的工作点选的太低，如果晶体管的工作点选的太低，反馈系数又太小，这时可能出反馈系数又太小，这时可能出现二个交点现二个交点Q’和和Q，，Q’是不稳是不稳定的平衡点。

定的平衡点Q是稳定的是稳定的平衡点平衡点，符合，符合 相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件 电压的波动或工作点的变化会使晶电压的波动或工作点的变化会使晶体管正向传输导纳的相角体管正向传输导纳的相角 发生变化，发生变化，导致频率的变化设导致频率的变化设△△φφT T＞＞0 0，即，即反馈反馈电压相位超前输入电压电压相位超前输入电压，相当于提前给，相当于提前给回路补充能量，振荡频率就增加了反回路补充能量，振荡频率就增加了反之，振荡频率就下降了即之，振荡频率就下降了即 为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化时产频率变化时产生相反方向的相位变化生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化因此，，以补偿外因引起的相位变化因此，相位平衡的稳定条件是：相位平衡的稳定条件是：当当 << ，， << 时，时，因此，相位平衡的稳定条件为：因此，相位平衡的稳定条件为： 并联谐振回路并联谐振回路的相频特性的相频特性（并联谐振回路的相位特性正好保证了相位平衡（并联谐振回路的相位特性正好保证了相位平衡的稳定条件，且回路的稳定条件，且回路Q值越高，稳频能力越强。

值越高，稳频能力越强反馈式振荡器的振荡条件：反馈式振荡器的振荡条件：1、正反馈条件：、正反馈条件：2、振荡器的幅度、振荡器的幅度起振起振条件：条件：3、振荡器的幅度、振荡器的幅度平衡平衡条件：条件：4、幅度平衡的、幅度平衡的稳定稳定条件：条件：5、相位平衡的、相位平衡的稳定稳定条件：条件：4.1.5 4.1.5 振荡器线路举例振荡器线路举例------互感耦合振荡器互感耦合振荡器振荡器分类振荡器分类互感耦合振荡器互感耦合振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器三三 点点 式式 振振 荡荡 器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基本型基本型(考毕兹考毕兹)克拉泼振荡器克拉泼振荡器西勒振荡器西勒振荡器u 单管互感耦合振荡器单管互感耦合振荡器 互感耦合振荡器互感耦合振荡器(或变压器反馈振荡器或变压器反馈振荡器)又称为又称为调谐型调谐型振振荡器，根据回路荡器，根据回路(选频网络选频网络)的三极管不同电极的连接点又可的三极管不同电极的连接点又可分为分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型如图5.4-1所示这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可所示。

这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可（电路构成方法）（电路构成方法）（哈特莱）（哈特莱）分为分为共射共射和和共基共基两种类型，均得到广泛应用两者相比，共两种类型，均得到广泛应用两者相比，共基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但截止频率较高此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较截止频率较高此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较稳定三种互感耦合振荡器三种互感耦合振荡器 以上三种电路，变压器的同名端如图所示它必须满足振荡以上三种电路，变压器的同名端如图所示它必须满足振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量的相位条件，在此基础上适当调节反馈量 M M以满足振荡的振幅以满足振荡的振幅条件下面利用条件下面利用““切环注入法切环注入法””判断电路是否满足相位条件判断电路是否满足相位条件 (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( (往往是放大器的输入端往往是放大器的输入端) )把把电路断开，电路断开，( (用用X X号表示号表示) )；； (2) (2)在断开出的一侧在断开出的一侧( (往往是放大器的输入端往往是放大器的输入端) )对地引入一个对地引入一个外加电压源外加电压源 , ,该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐振频率；该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐振频率； (3) (3)看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对地的地的电压电压 是否与是否与 同相，为同相则其中必有某一个频率满足自激振同相，为同相则其中必有某一个频率满足自激振荡的相位条件荡的相位条件(注意这里是实际方向注意这里是实际方向)，电路有振荡的可能。

电路有振荡的可能4.2 LC4.2 LC振荡器振荡器 什么叫三点式振荡器什么叫三点式振荡器? ? 所谓三点式振荡器就是对于交流所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言等效电路而言，，由由LCLC回路引出三个端点分别与晶体管三个电回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器极相连的振荡器 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式电容三点式振荡器，又称振荡器，又称考毕兹考毕兹振荡器 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式电感三点式振荡器，又称振荡器，又称哈特莱哈特莱振荡器 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压5.5.1 5.5.1 构成三点式振荡器的原则构成三点式振荡器的原则( (相位判据相位判据) ) 假设假设: (1)不计晶体管的电抗效应；不计晶体管的电抗效应； (2)LC回路由纯电抗元件组成，即回路由纯电抗元件组成，即 为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接的三个电极相连接 ？？ 如图所示如图所示，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，于是有频率，于是有即即5.5.25.5.35.5.1三点式振荡器的相位判据三点式振荡器的相位判据 ∵ ∵放大器已经倒相放大器已经倒相, ,即即 与与 差差180°180°，，所以要求反馈电所以要求反馈电压压 必须与必须与 反相才能满足相位条件反相才能满足相位条件，如图，如图5.5-1所示。

所示5.5.4 因此，因此，Xbe必须与必须与Xce同性质同性质，，才能保才能保证证 与与 反相反相 由由5.5.3和和5.5.4式，归结起来，式，归结起来，Xbe和和Xce性性质相同；质相同；Xcb和和Xce、、Xbe性质相反性质相反,即分别为即分别为电感和电容电感和电容这就是三点式振荡器的相位判这就是三点式振荡器的相位判据据 可以这样来记忆：可以这样来记忆：与发射极相连接的两与发射极相连接的两个电抗性质相同个电抗性质相同，，另一个电抗则性质相反另一个电抗则性质相反或是或是CB接的与其他二极接的性质相反接的与其他二极接的性质相反5.5.2 5.5.2 电容反馈振荡器电容反馈振荡器————考毕兹振荡器考毕兹振荡器 图所示电路是电容三点式的典型电路图所示电路是电容三点式的典型电路LC回路的三个回路的三个端点分别与三个电极相连，且端点分别与三个电极相连，且Xce和和Xbe为容抗，为容抗，Xcb为感抗故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器电容三点式振荡器电容三点式振荡器当不考虑当不考虑gie的影响时，反馈系数的影响时，反馈系数F的大小为的大小为将将gie折算到放大器的输出端，有折算到放大器的输出端，有放大器总的负载电导为放大器总的负载电导为图图4-8 电容反馈振荡器电路电容反馈振荡器电路∵∵ ∴∴ 可见，反馈系数并非越大越好。

可见，反馈系数并非越大越好 从从图（图（a a））可以看出，可以看出，反馈电压反馈电压 不仅取决于电容不仅取决于电容C C2 2 ，，还与晶体管的输入导纳还与晶体管的输入导纳gie有关有关当gie较小时，较小时，gie的分路作的分路作用可以忽略，此时第一项起主要作用用可以忽略，此时第一项起主要作用5.5.17当当，，利于起振利于起振 当当gie较大时，较大时，gie的分流作用不能忽略，此时第二项起主的分流作用不能忽略，此时第二项起主 要作用，要作用，则则，，难于起振难于起振 所以不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振所以不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振 反馈系数有一定范围另外反馈系数的大小还会影响振荡反馈系数有一定范围另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好波形的好坏，坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真反馈系数过大会产生较大的波形失真通常F≈0.01～～1且一般取得较小且一般取得较小图（图（a a）影响起振因素）影响起振因素。