第五章正弦波振荡器1.ppt

第五章第五章 正弦波振荡器正弦波振荡器n 5.1 5.1 概述概述n 5.2 5.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理n 5.3 LC5.3 LC正弦波振荡器正弦波振荡器n 5.4 5.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度n 5.5 5.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器1分类：分类： 在在无输入信号无输入信号情况下，将电源的直流能量转换成具有一定情况下，将电源的直流能量转换成具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出振荡器的定义振荡器的定义：5.1 5.1 概述概述2正弦波振荡器在无线发射、接收机中的位置正弦波振荡器在无线发射、接收机中的位置通信系统：通信系统：发射机发射机(载波频率载波频率fC)接收机接收机(本地振荡频率本地振荡频率fL)3正弦波振荡器构成正弦波振荡器构成振荡器正常工作，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放大器放大器：至少有一个起能量变换（放大）作：至少有一个起能量变换（放大）作用的有源器件用的有源器件正反馈通路或负阻正反馈通路或负阻：必须有一个能够补充元：必须有一个能够补充元器件能量损耗的正反馈通路或负阻器件，以保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证有稳定的振荡选频网络选频网络：振荡器具有单一频率：振荡器具有单一频率稳幅稳幅：一个对振荡强度具有自动调整作用的一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。

非线性元件45.2 5.2 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理S12 考虑了回路损耗后，回路将产生振幅按指数规律衰减的阻尼振回路损耗后，回路将产生振幅按指数规律衰减的阻尼振荡荡1 1、并联谐振回路中的自由振荡现象、并联谐振回路中的自由振荡现象一、振荡的产生52 2、产生无阻尼振荡的方法、产生无阻尼振荡的方法 RLC并联谐振回路中自由振荡衰减（产生阻尼振荡）的并联谐振回路中自由振荡衰减（产生阻尼振荡）的原因在于损耗电阻的存在原因在于损耗电阻的存在 若回路无损耗若回路无损耗, 即即 0，则衰减系数，则衰减系数 ， 回路中电流为回路中电流为 （等幅正弦振荡） 所以产生无阻尼振荡的方法是：所以产生无阻尼振荡的方法是： 正反馈的方法正反馈的方法：利用正反馈不断地适时给回路补充利用正反馈不断地适时给回路补充能量，使之刚好与能量，使之刚好与R上损耗的能量相等，那么就可上损耗的能量相等，那么就可以以获得等幅的正弦振荡获得等幅的正弦振荡了；了；3.1.16 反馈振荡器的组成框图如右反馈振荡器的组成框图如右图所示其主网络一般由其主网络一般由放大器件放大器件和和选频网络选频网络组成的放大器组成的放大器, , 反馈网络反馈网络一般由无源器件组成。

一般由无源器件组成二、反馈振荡器的原理分析二、反馈振荡器的原理分析反馈振荡器组成框图互感耦合互感耦合互感耦合互感耦合LC LC LC LC 振荡器电路结构：振荡器电路结构：振荡器电路结构：振荡器电路结构：M-+vivf+-+主网络反馈网络M原理电路交流通路vo+-+vi+-vf-+vo7 根据反馈振荡器的根据反馈振荡器的组成框图，各信号电组成框图，各信号电压具有如下关系压具有如下关系 3.1.2 回归比（环路增益）回归比（环路增益）主网络电压增益为：主网络电压增益为：正反馈网络反馈系数为正反馈网络反馈系数为8振荡的建立过程振荡的建立过程 电路中的电路中的初始扰动初始扰动将产生微弱的电信号将产生微弱的电信号 ，利用，利用如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示反馈，产生的反馈，产生的 反送到放大器的输入端作为新的反送到放大器的输入端作为新的 ，3.1.2放大后，主网络输出放大后，主网络输出 ，再经过反馈网络，再经过反馈网络 放大器放大器93.1.2当当 增加到一定值时，增加到一定值时，放大器的放大倍数放大器的放大倍数 降低，从而出现下面的循降低，从而出现下面的循环过程环过程晶体管将出现饱和截止，使晶体管将出现饱和截止，使最终将使最终将使 保持恒定不变，保持恒定不变，从而形成等幅持续振荡。

从而形成等幅持续振荡10 反馈振荡器振荡必须满足三大条件：反馈振荡器振荡必须满足三大条件：反馈振荡器振荡必须满足三大条件：反馈振荡器振荡必须满足三大条件：起振条件：起振条件：起振条件：起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件振荡电压从无到有逐步增长的条件振荡电压从无到有逐步增长的条件振荡电压从无到有逐步增长的条件平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件稳定条件：受稳定条件：受稳定条件：受稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件能使振荡器恢复平衡状态的条件能使振荡器恢复平衡状态的条件能使振荡器恢复平衡状态的条件三、反馈振荡的条件三、反馈振荡的条件11振幅起振条件：振幅起振条件：相位起振条件：相位起振条件：V Vf f、V Vi i同相同相反馈型振荡器构成自激振荡的条件是放大器加反馈网络必须构成正反馈正反馈正反馈正反馈系统，而且合上电源瞬间必须满足增幅增幅增幅增幅振荡的条件，这样振荡才能建立起来。

1）起振条件）起振条件 由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增长的条件（起振条件）是长的条件（起振条件）是 12(2) 平衡条件平衡条件振幅平衡条件振幅平衡条件(确定振荡幅度确定振荡幅度)：环路增益的模：环路增益的模为为1相位平衡条件（相位平衡条件（确定振荡频率确定振荡频率）：）：VF与与Vi同相，满足正反馈同相，满足正反馈注：振荡器的振荡频率近似等注：振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率于选频回路的中心频率13则必须维持在则必须维持在上，即保证为正反馈上，即保证为正反馈 满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性3.1.3 根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值应该具有随振幅应该具有随振幅 增大而下降的特性增大而下降的特性, 如下图所示如下图所示 由于一般放大器的由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图增益特性曲线均具有如图所示的形状，所以这一条所示的形状，所以这一条件很容易得到满足，只要件很容易得到满足，只要保证起振时环路增益幅值保证起振时环路增益幅值大于即可而环路增益大于即可而环路增益的相位的相位 14结论：振荡器起振时，结论：振荡器起振时， 迅速增长，而后迅速增长，而后 3.1.3下降，下降， 的增长速度变慢，直到的增长速度变慢，直到 时，时，停止增长，振荡器进入平衡状态。

在相应的振幅在停止增长，振荡器进入平衡状态在相应的振幅在 上维持等幅振荡如下图所示上维持等幅振荡如下图所示15（三）稳定条件（三）稳定条件 平衡状态的稳定是指当平衡条件遭到破坏后，电是指当平衡条件遭到破坏后，电路能够在原平衡点附近重新建立起新的平衡路能够在原平衡点附近重新建立起新的平衡1.振幅稳定条件：在平衡点在平衡点A处，处， 由由A点知点知 当外界因素的影响，使当外界因素的影响，使 时，由图知，时，由图知， 造成造成 下降，从而下降，从而 降低，降低，3.1.3 满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性降低而回到降低而回到 点最终最终16所以，得到振荡所以，得到振荡器振幅稳定的条器振幅稳定的条件是：件是： 即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负斜率变化的规律斜率变化的规律3.1.3同理，当外界因素的影响，使同理，当外界因素的影响，使 时，由图知，时，由图知， 造成造成 增加，从而增加，从而 升高，最终升高，最终 增加而回到增加而回到 点 满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性17 相位（频率）稳定条件是指当相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重建新的平衡的条件。

（1）设在）设在 处处 （2）由于）由于外界因素外界因素的影响，使的影响，使 A、当、当 0时，说明时，说明 超前超前 一个一个 相角，使每次相角，使每次经过放大和反馈后，经过放大和反馈后， 一次比一次超前一次比一次超前 ，振荡周期缩短，振荡周期缩短振荡频率升高振荡频率升高 3.1.32、相位（频率）稳定条件、相位（频率）稳定条件18B、当、当 1得出：38讨论讨论电路参数对起振条件的影响：电路参数对起振条件的影响：当回路损耗可忽略当回路损耗可忽略 ， ，得出：，得出：当当 一定时，一定时， 的选取应考虑：的选取应考虑： 越大越大 ，晶体管的输入电阻，晶体管的输入电阻 反映到回路两端的电阻反映到回路两端的电阻 越小越小 ， 减小减小 ，Q Q下降，放大倍数下降，不容易起振下降，放大倍数下降，不容易起振要使回路易于起振，应选用要使回路易于起振，应选用要使回路易于起振，应选用要使回路易于起振，应选用g g g gm m m m 大，大，大，大，RoRoRoRo高的晶体管，此外回路高的晶体管，此外回路高的晶体管，此外回路高的晶体管，此外回路Q Q Q Q值高也有利于起振值高也有利于起振值高也有利于起振。

值高也有利于起振F一般取值在0.1-0.5之间39（3）振荡频率）振荡频率(约等于谐振回路的谐振频率约等于谐振回路的谐振频率)注：若考虑管子的输入、输出电容注：若考虑管子的输入、输出电容C Co o,C,Ci i，则则40如下图所示振荡电路中，已知：C1=36pF，C2=680pF，L=2.5H忽略晶体管结电容和输入输出组抗 ，试求：1画出它的高频交流等效电路图，并指出振荡电路的类型2计算反馈系数F3求振荡频率fo1. 2.3.MHz 例例1 1：电容三点式振荡器 41下图为共基组态电容三点式振荡器的交流等效电路，现测得振荡频率fOSC=45MHz，L=0.2H,电容分压接入系数若忽略三极管结电容和输入输出组抗的影响,试求C1和C2数值例例2 2：解： ， 425.3.4 克拉泼和西勒振荡器克拉泼和西勒振荡器n当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响n 频率调整不方便频率调整不方便电容反馈型三点式振荡器电容反馈型三点式振荡器( (复习复习) )43（1）串联改进型串联改进型 电容三点式振荡器电容三点式振荡器（克拉泼（克拉泼clapp电路）电路） 与电容三点式电路比较，克拉泼电路的特点是在回路中增加了与电容三点式电路比较，克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与串联的小电容一个与串联的小电容C3C344共射接法L L（1）串联改进型串联改进型 电容三点式振荡器电容三点式振荡器（克拉泼（克拉泼clapp电路）电路）45选择：选择： 频率可调，调节频率可调，调节C C3 3可改变可改变f f0 0优点：优点：克拉泼克拉泼(clapp)电路电路nf0与与Ci、CO无关，故比较稳定无关，故比较稳定C C3 3可改变可改变F F不受影响不受影响46并联谐振回路的谐振电阻并联谐振回路的谐振电阻Rp等效到晶体管的等效到晶体管的C-EC-E两端为：两端为：减小减小C3 ， 振荡频率提高了，但是振荡频率提高了，但是振荡幅度显著下降甚至停振，这就振荡幅度显著下降甚至停振，这就使最高振荡频率受到限制。

使最高振荡频率受到限制 电路的主要缺点电路的主要缺点：频率不能太高，波段范围不宽，：频率不能太高，波段范围不宽，波段内输出幅度不平稳，实际中常用于固定频率振荡波段内输出幅度不平稳，实际中常用于固定频率振荡器缺点：缺点：47（2）并联改进型并联改进型 电容三点式振荡器（西勒电容三点式振荡器（西勒shelle 电路）电路）L共射极接法选择选择:L西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感两端。