高频电子线路第4章.ppt

第4章 正弦波振荡器,不需要外加输入信号的控制，就能自动地将直流电能转换成一定频率和一定幅度的交流电信号的现象，称为自激振荡能产生自激振荡的电路，称为振荡器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的分类,,正弦波振荡器,非正弦波振荡器,振荡器,,输出波形,产生机理,,反馈式振荡器,负阻式振荡器,,反馈型LC振荡器,反馈型RC振荡器,石英晶体振荡器,应用：,1.无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号2.超外差接收机用它产生本地振荡信号3.电子测量设备和计时仪表用它产生频率（或时间）基准信号4.工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等主要技术指标： 1.振荡频率f及频率范围: 2.频率稳定度:调频广播和电视发射机要求:10-5-10-7左右 标准信号源:10-6-10-12 要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位:10-12 3.振荡的幅度和稳定度:,,振荡器在现代科学技术中有着广泛应用，例如在通信设备中用来产生载波和本振信号，因此本章学习正弦波振荡器由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。

LCR自由振荡电路,假设开关S先放于1的位置，使电容C最初充电到电压V，然后将S转换到2的位置，C上的电荷即经过L、R放电LCR自由振荡电路,,此时，回路中的电流作周期性的变化，即产生了自由振荡 振荡频率为：,三种不同的R所产生的电流变化曲线,R0，即正电阻时所产生的衰减振荡,R=0时所产生的等幅振荡,R0，即负电阻时所产生的增幅振荡,由此，可见，为了获得等幅振荡，就需设法使LC回路的电阻为零，但是由于实际的LC回路本身总是有正电阻的，因此，需要人为地引入一个负电阻，将回路本身的正电阻抵消，以获得等幅振荡在电路中引入一个正反馈，即等效于引入一个负电阻另一种方法就是利用有源器件本身的负阻特性，使之抵消LC回路的正电阻负阻振荡器与反馈振荡器两种概念是统一的能产生正弦波信号的振荡电路，称为正弦波振荡器正弦波振荡器，按组成原理可分成反馈振荡器和负阻振荡器 反馈振荡器是目前应用最多的振荡器，它是建立在放大和反馈基础上的4.1 反馈式振荡器的工作原理,反馈振荡器产生振荡的基本原理 振荡的平衡条件和起振条件 振荡的稳定条件,开关S—1，放大器的输入端外加一正弦波信号ui，经过放大器放大后，在输出端产生输出信号uo。

uo经反馈网络，在反馈 网络的输出端得到反馈信号 uf，与ui大小相等，而且相位 也相等反馈振荡器构成框图,一、反馈振荡器产生振荡的基本原理,除去外加信号，开关S由1转接至2，使放大器和反馈网络构成一个闭环回路 那么，在没有外加输入信号 的情况下，输出端仍可维持一定 幅度的电压uo输出，从而产生了 自激振荡反馈振荡器构成框图,为使振荡器的输出uo为一个固定频率的正弦波，就是说，自激振荡器只能在某一频率上产生，而在其他频率上不能产生 则闭环回路内须含有选频网络， 使只有选频网络中心频率的信号 满足uf与ui相同的条件而产生自 激振荡反馈振荡器构成框图,二、振荡的平衡条件与起振条件,当接通电源时：回路内的各种电扰动信号经选频网络选 频后，将其中某一频率的信号反馈到输入端，再经放大→反馈 →放大→反馈的循环，该信号的幅度不断增大，振荡由小到大 建立起来 随着信号振幅的增大，放大器将进入非线性状态，增益 下降，当反馈电压正好等于放大器的输入电压时，振荡幅度不 再增大进入平衡状态1、振荡的建立过程,2、平衡条件,—为维持等幅振荡所需满足的条件,当反馈信号uf等于放大器的输入电压ui时，或者说是等于产生 输出电压uo所需要 的输入电压ui，这时振荡电路的输出电压不 再发生变化，电路达到平衡状态。

因此，有,称为振荡的平衡条件,是指大小相等、相位相同,放大器开环电压放大倍数为:,所以:,又因为平衡时有:,反馈振荡器构成框图,反馈网络的电压传输系数为:,所以:,振幅平衡条件：,相位平衡条件：,2）在平衡状态，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 振荡器输出幅度的大小2）环路只在某一特定频率才能满足相位平衡条件，即相位 平衡条件决定了振荡频率，一般在回路的谐振频率附近1）使反馈电压与输入电压相位相同，以保证环路构成正反馈1）使反馈电压与输入电压大小相等振幅平衡条件：,因而，振荡的平衡条件包括振幅平衡条件和相位平衡条件相位平衡条件：,,3、起振条件,起振条件,—为了振荡起来必需满足的条件,由振荡的建立过程可知，为了使振荡器能够起振，起振之初，在振荡幅度由小增大时，反馈电压Uf与输入电压Ui 在相位上应同相（即为正反馈）； 在幅值上应要求Uf＞Ui，即：,不能用起振条件来描述振荡器从接通电源开始的振荡现象 但可以利用起振条件来推断闭环后瞬态是否增幅振荡或能否自激振荡 因为在起振之初，振荡的幅度还很小，电路尚未进入非线性 区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信号等效电路 来计算环路增益。

综上所述，反馈振荡器要满足起振条件和平衡条件 其中相位条件是一致的，即振荡闭合环路必须是正反馈，这是构成振荡电路的关键 同时，环路增益的模值T还要具有随振荡电压uf增大而下降的特性 起振时，T1，ui迅速增大，随着振荡振幅的增大； T下降，ui增长缓慢； 直到T=1，ui停止增长，振荡进行平衡状态振荡器一般既有固定偏压，又有自给偏压为了使电路能够自行起振，起振时放大器应该工作性区，所以静态工作点应设置得使晶体管起始工作状态为甲类晶体管工作状态的变化,随着输入信号振幅的不断增加，自给偏压（反向）增大，晶体管的通角将由原来的180逐渐减小，从甲类甲乙类乙类丙类电压增益的变化,振荡器进入丙类工作状态后，输出信号幅度增加有限，增益将随输入信号的增大而下降直到AF=1振荡器由增幅振荡过度到等幅振荡，建立稳定的振荡总结以上分析，我们得到以下几点结论：,当正反馈电路满足起振条件AF1时，电路能自行起振 只有频率等于选频网络谐振频率的振荡波才能满足正反馈条件，因此振荡器的振荡频率近似等于回路谐振频率 起振时放大器工作于甲类线性工作状态， AF1，以后通角逐渐减小，放大器由甲类——甲乙类——乙类——丙类工作状态，放大倍数逐渐减小，当AF=1时，振荡达到平衡。

振荡电路分析可分两步进行，先进行定性分析，然后 进行定量分析 定性分析的目的是判断电路结构是否合理? 放大器是否能正常放大？ 选频网络是否具有负斜率的相频特性（并可据此确定振荡器类型）？ 闭合环路是否是正反馈?,振荡电路的分析方法,1．定性分析,一看组成：,主要是判断电路是否具备放大电路、选频网络和反馈网络三个基本组成部分二看传输,观察电路中的交流信号传输是否正常，是否存在短路或开路现象三看条件,一般从以下三方面入手：,主要看相位条件特别注意：幅值条件需要通过电路的参数的分析计算来决定只要放大器工作在放大状态，一般情况下很容易满足幅值条件所以一般假设满足幅值条件而只需判断相位条件！,振荡闭合环路必须是正反馈，这是构成振荡电路的关键 判断方法如下： 先将振荡电路分为放大电路和反馈电路； 然后假设放大电路输入端断开，标出放大电路的输入电压ui、输出电压uo及反馈电压uf的瞬时极性； 最后，将uf与ui的瞬时相位进行比较，相位相同，则构成正反馈，满足振荡的相位振荡条件，电路有可能产生振荡定量分析仅需要证明电路满足起振条件 由于起振时，振荡器处于小信号线性放大状态，可以用小信号等效电路进行分析估算。

估算时，振荡频率可以等于选频的中心频率 所以起振条件的分析可简化为振幅起振条件的分析 根据小信号等效电路，分别求出放大器的增益和反馈系数，便可依据T=AF是否大于1，判断电路是否满足振幅起振条件 振荡器输出电压很难估算，可通过实验来确定4、起振和平衡条件与电路参数的关系,晶体管、谐振回路—选频放大器； 变压器Tr—反馈网络； RB1、RB2、RE—直流偏置电路： 使放大器在小信号时工作在甲类， 使振荡器起振阶段有较大的环路增益,LC回路的谐振频率上，输出电压uo与输入电压ui反相 根据反馈线圈L的同名端可知，反馈电压uf与uo反相 所以输入电压ui与反馈电压uf同相 振荡闭合环路构成正反馈，满足了振荡的相位条件 如果电路满足环路增益大于1，就能产生正弦波振荡由前面可知，振荡器起振阶段是小信号工作，而平衡状态是大信号工作 放大器的电压放大倍数为,反馈网络由变压器Tr构成，所以反馈系数为,当忽略r时，有,振荡器环路增益表达式为：,振荡器的相位平衡条件可写成：,反之，振荡频率小于并联回路的谐振频率在实际电路中，由于φfe、φf很小，故可认为振荡频率与LC回 路谐振频率相等则振荡频率可近似为,上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡可能在在某一状态平衡，但不能说明振荡的平衡状态是否稳定。

已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定三、振荡的稳定条件,除了研究振荡的起振和平衡条件，还需要研究稳定条件 平衡状态有稳定平衡和不稳定平衡，振荡器工作时要处 于稳定平衡状态振荡器的稳定平衡是指在外因作用下，振荡器在平衡点 附近可重新建立新的平衡状态，一旦外因消失，它即能自动 恢复到原来的平衡状态1、振幅稳定条件 AF与Ui的变化方向相反当不稳定因素使振荡振幅增大时，环路增益的模应,增大,减小,使T1，ufui，形成减幅振荡，然后在原平衡点建立起新的 平衡点减小,当不稳定因素使振荡振幅减小时，环路增益的模应,增大,减小,使T1，ufui，形成增幅振荡，然后在原平衡点建立起新的 平衡点增大,由于反馈网络为线性网络，所以反馈系数为常数，所以,2、相位稳定条件 相位与频率的变化方向相反由于振荡的角频率等于相位的变化率ω=dφ/dt，则相位 变化，则频率也必然变化，因此，相位平衡的稳定条件实质 上也就是频率稳定条件在实际电路中，由于φfe、φf很小，视为常数,反馈型LC振荡器中，起振时，放大器的工作状态与平衡时的工作状态有何不同？振荡起振条件与平衡条件中放大倍数A是否相同？为什么？,思考题,起振时，放大器工作在小信号状态，即工作性甲类状态，所以它的放大倍数A比较大。

平衡状态时，放大器工作在大信号状态，即工作在非线性甲乙类、乙类或丙类状态，所以A是指放大器的平均增益，其值小于起振时的A值4.2 LC正弦波振荡器,以LC谐振回路作为选频网络的反馈振荡器称为 LC正弦波振荡器，常用的电路有变压器反馈振荡 器和三点式振荡器一、变压器反馈式正弦波振荡器,相位条件：,1、起振条件：,判断 Uf 和 Ui 是否同相， 即判断是否为正反馈,振幅条件：,2、振荡频率：,判断环路增益是否大于1,优点：结构简单，易起振，输出幅度大，调节方便3、电路特点：,缺点：频率稳定性差，适用于中、短波段，振荡频 率不是很高的场合二、三点式振荡器的基本工作原理,什么叫三点式振荡器? 所谓三点式振荡器就是对于交流等效 电路而言，由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的 振荡器 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡 器，又称考毕兹振荡器 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡 器，又称哈特莱振荡器 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压1、 三点式振荡器一般组成原则,放大器件：晶体管； LC谐振回路：X1、X2、 X3 回路有三个引出点分别与晶体管的三个电极相连接，使 谐振回路既是晶体管的集电极负载，又是正反馈选频网络， 把这种电路称为三点式振荡器。

设回路谐振时有电流i在流动，则有：。