東華大學(xué)高頻電子電路通信電子電路課件5-1

1、第5章 正弦波振蕩器正弦波振蕩器本章內(nèi)容本章內(nèi)容1振蕩器的作用、分類；振蕩器的作用、分類；2 振蕩器的構(gòu)成及工作原理；振蕩器的構(gòu)成及工作原理；3 振蕩器的振蕩條件；振蕩器的振蕩條件；4 LC正弦波振蕩器正弦波振蕩器5 晶體振蕩器晶體振蕩器6 壓控振蕩器壓控振蕩器 本單元學(xué)習(xí)內(nèi)容1 振蕩器的作用、分類；2 振蕩器的構(gòu)成及工作原理；3 振蕩器的振蕩條件；一、振蕩器在通信系統(tǒng)中的作用 在無(wú)線電發(fā)送設(shè)備中，用振蕩器產(chǎn)生載波用振蕩器產(chǎn)生載波； 在超外差接收機(jī)里產(chǎn)生本振信號(hào)產(chǎn)生本振信號(hào)； 在各種定時(shí)系統(tǒng)中把它作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)作為時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)； 在各種通信測(cè)量?jī)x器中，用振蕩器作為各各種波段的正弦波信號(hào)源種波

2、段的正弦波信號(hào)源。思考：在無(wú)線收發(fā)機(jī)中，振蕩器 功能模塊的作用？圖1-2調(diào)幅發(fā)射機(jī)原理框圖圖1-3 典型超外差式接收機(jī)框圖 二、振蕩器與放大器的區(qū)別是什么？它與放大電路的區(qū)別在于，振蕩器不需要外加信號(hào)的激勵(lì)，其輸出信號(hào)的頻率、波形、振幅由電路的參數(shù)確定。5-1 概述 定義定義 振蕩器是一種振蕩器是一種換能器換能器，能自動(dòng)的將直流電源，能自動(dòng)的將直流電源的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟l率和振幅的正弦交變的能量轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟l率和振幅的正弦交變能量的電路。能量的電路。主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)1 振蕩頻率；2 振蕩頻率的準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性和頻率的穩(wěn)定穩(wěn)定 度度；3 振蕩幅度的大小及其穩(wěn)定性； 而其中振蕩頻率的穩(wěn)定度振蕩頻率

3、的穩(wěn)定度最為重要。振蕩器的分類根據(jù)產(chǎn)生振蕩波形的不同，可分為： 簡(jiǎn)諧波振蕩電路簡(jiǎn)諧波振蕩電路，即正弦波振蕩電路（能產(chǎn)生單頻正弦波）； 多諧振蕩電路多諧振蕩電路能產(chǎn)生含有豐實(shí)諧波的波形，如：方波、三角波、鋸齒波等。按照振蕩機(jī)理的不同，可分為反饋型反饋型振蕩電路和負(fù)阻型負(fù)阻型振蕩電路。本書只研究反饋型振蕩器。反饋型振蕩電路 利用正反饋將輸出信號(hào)的一部分反饋回輸入端，以補(bǔ)充振蕩過(guò)程所損失的能量。 振蕩器頻率在200MHz以下的正弦波振蕩器絕大部分采用反饋型振蕩器；負(fù)阻型振蕩電路 利用具有負(fù)阻效應(yīng)的器件在一定條件下對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)負(fù)阻，即等效一個(gè)源的特性來(lái)補(bǔ)充或者說(shuō)抵消諧振回路中電阻所損耗的能量，從而使回路

4、維持等幅的正弦振蕩。 負(fù)阻型振蕩器絕大數(shù)用于振蕩頻率在幾百M(fèi)Hz以上的正弦波振蕩器，在微波波段用的較多。根據(jù)選頻網(wǎng)絡(luò)所采用的不同形式，正弦波振蕩器又可分為：i)RC振蕩器振蕩器（低頻振蕩器）ii)互感耦合振蕩器：互感耦合振蕩器：頻率不能工作得很高，一般工作于短波段。例如，調(diào)幅廣播接收機(jī)。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩器移相式振蕩器iii)三點(diǎn)式振蕩器； OSCOSCOSCOSCOSCOSC電感反饋（哈特萊）基本型（考比茲）電容反饋克拉潑西勒iv)石英晶體振蕩器；OSCOSCOSCOSCOSC串聯(lián)型晶體皮爾斯并聯(lián)型晶體米勒泛音5.2 反饋型振蕩器的工作原理反饋型振蕩器的工作原理 什么是反饋型振蕩器？反饋型振

5、蕩電路是指通過(guò)反饋回路將放大電路輸出信號(hào)的一部分回送到輸入端作為輸入信號(hào)，從而產(chǎn)生正弦波振蕩。反饋振蕩器的組成框圖反饋振蕩器的組成框圖變壓器耦合反饋振蕩器(a)原理電路 (b)交流通路 其主網(wǎng)絡(luò)一般由放大器件和選其主網(wǎng)絡(luò)一般由放大器件和選頻網(wǎng)絡(luò)組成的放大器頻網(wǎng)絡(luò)組成的放大器, 反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)一般由無(wú)源器件組成。一般由無(wú)源器件組成。 如果不考慮反饋網(wǎng)絡(luò)，上述電如果不考慮反饋網(wǎng)絡(luò)，上述電路就是一個(gè)小信號(hào)調(diào)諧放大器。路就是一個(gè)小信號(hào)調(diào)諧放大器。5.2.1諧振回路的自由振蕩并聯(lián)諧振回路的自由振蕩現(xiàn)象（a）RLC并聯(lián)諧振回路 電阻 表示諧振回路中的損耗。 首先把開關(guān)撥向1，直流電源向電容C充電，電容C

6、上的電壓被充至電源電壓 。假設(shè)在 時(shí)刻，將開關(guān)撥向2， eoR0t 該電路產(chǎn)生的振蕩 sintsVietL000220121eeRR CLC式中稱為回路的衰減系數(shù)， 代表回路的損耗，稱為回路的固有無(wú)阻尼振蕩角頻率。0( )0,0eaR當(dāng)時(shí)，為阻尼振蕩問(wèn)題問(wèn)題：0eR 大，振蕩衰減的快還是慢？0( )0ebR 當(dāng) （即）時(shí)，為無(wú)阻尼振蕩，即等幅振蕩如果回路無(wú)損耗，即 則衰減系數(shù) 有 產(chǎn)生等幅振蕩0eR 0)sinsVi ttL（( )00eocR當(dāng)（即）時(shí)，為增幅振蕩 負(fù)阻意味著等效為一個(gè)源的特性為諧振回路提供能量。00eR 在實(shí)際的LC諧振回路中，由于電感和電容都不可能是理想無(wú)耗的，代表回路損

7、耗的 一定大于零，因此RLC并聯(lián)諧振回路中自由振蕩自由振蕩是衰減的阻尼振蕩衰減的阻尼振蕩。0eR為了得到幅度、頻率都不隨時(shí)間變化的穩(wěn)定等幅振蕩，可采取兩種方法：1）正反饋的方法：利用正反饋不斷地適時(shí)給回路補(bǔ)充能量，使之剛好與電路損耗的能量相等，就可以獲得等幅的正弦振蕩；2）負(fù)阻法：在電路中引入一個(gè)具有負(fù)阻特性的器件，使之等效電阻剛好與電路的損耗電阻大小相等，相互抵消，以獲得一個(gè)等幅的正弦振蕩。5.2.2反饋型振蕩器的組成及工作原理 要產(chǎn)生所需的等幅振蕩，必須適時(shí)適時(shí)、適量適量的補(bǔ)充能量。適量：如果補(bǔ)充的能量超過(guò)超過(guò)了消耗的能量，輸出信號(hào)的振幅會(huì)增加；如果補(bǔ)充的能量低于低于消耗的能量，輸出信號(hào)的

8、振幅就會(huì)衰減；輸出信號(hào)穩(wěn)定的振幅，意味著補(bǔ)充的能量與消耗的能量相等，形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。適時(shí)：能量的補(bǔ)充必需適時(shí)地進(jìn)行，既不能提前，也不能滯后，因?yàn)樘崆盎驕蠖紩?huì)使振蕩頻率發(fā)生變化。總結(jié) 振蕩器中必須有一種能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)充能量大小和控制補(bǔ)充時(shí)間遲早的機(jī)構(gòu) 前一項(xiàng)任務(wù)由放大器來(lái)完成； 后一項(xiàng)任務(wù)由選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)。反饋型振蕩器由以下兩部分構(gòu)成其一，負(fù)載為諧振回路的高頻調(diào)諧放大器；其一，負(fù)載為諧振回路的高頻調(diào)諧放大器；它不僅要對(duì)外輸出功率，而且還要通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)提供自身的輸入功率，其能量來(lái)源由直流電源提供，其輸出信號(hào)的頻率主要由選頻網(wǎng)絡(luò)決定。其二，其二，正反饋網(wǎng)絡(luò)正反饋網(wǎng)絡(luò)通常由無(wú)源器件構(gòu)成

9、的線性網(wǎng)絡(luò)，不斷適時(shí)的給回路補(bǔ)充能量，使之與回路的能量損耗相等，從而獲得等幅正弦振蕩。反饋型振蕩器原理框圖增益A的放大器放大器和反饋系數(shù)F的反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)路。下圖給出一個(gè)變壓器耦合反饋型振蕩器交流通路。非常重要的概念：環(huán)路增益環(huán)路增益 將閉合環(huán)路在“X”處斷開，定義環(huán)路增益 ()()()T jA jF j放大器產(chǎn)生自激振蕩的條件放大器產(chǎn)生自激振蕩的條件()() ()1T jA jF j反饋放大器的增益無(wú)窮大增益無(wú)窮大。增益無(wú)窮大的物理意義增益無(wú)窮大的物理意義：當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，放大器具有有限輸出 ，也就是說(shuō)放大器無(wú)需外加信號(hào)，就可以產(chǎn)生輸出信號(hào)，并自行維持振蕩，該式又稱為巴克豪

10、森準(zhǔn)則巴克豪森準(zhǔn)則。ou正反饋是產(chǎn)生自激振蕩的必要條件必要條件 必要條件意味著：正反饋不一定能保證產(chǎn)生自激振蕩，但若能產(chǎn)生自激振蕩必然是正反饋。（這部分內(nèi)容的理解參看課本p94)5.2.3反饋型振蕩器的振蕩條件反饋型振蕩器的振蕩條件一個(gè)反饋振蕩器要產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩必須滿足三個(gè)條件三個(gè)條件： 起振條件起振條件,保證接通電源后能逐步建立起振蕩； 平衡條件平衡條件，保證起振之后能夠進(jìn)入維持等幅持續(xù)振蕩的平衡狀態(tài)； 穩(wěn)定條件，穩(wěn)定條件，保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞。1 起振過(guò)程與起振條件起振過(guò)程與起振條件 起振過(guò)程起振過(guò)程是指接通電源后，振蕩從無(wú)到有的建立過(guò)程。 起振條件起振條件又稱自激

11、條件自激條件。它表示振蕩電路在接通電源時(shí)，輸出信號(hào)從無(wú)到有建立起來(lái)應(yīng)滿足的條件。問(wèn)題：振蕩器最初的激勵(lì)從何而來(lái)？ 第一，第一，來(lái)源于放大管基極電壓 ，電壓 在開機(jī)后由零升至定值，就相當(dāng)于接入一個(gè)階躍信號(hào)，此階躍信號(hào)含有多種頻率分量； 第二，第二，電路各部分存在許多形式的擾動(dòng)，如管子的內(nèi)部噪聲、輸入回路電阻的熱噪聲等，這些噪聲和干擾所含有的頻率成分十分豐富。這些微小的擾動(dòng)電壓或電流經(jīng)過(guò)振蕩器放大管的放大，加至負(fù)載回路及反饋網(wǎng)絡(luò)，由負(fù)載回路及反饋網(wǎng)絡(luò)，由于負(fù)載諧振回路的選頻作用，只有與諧振回路的固有諧于負(fù)載諧振回路的選頻作用，只有與諧振回路的固有諧振頻率振頻率 相同的那個(gè)頻率成分才能在負(fù)載回路兩端

12、產(chǎn)生電相同的那個(gè)頻率成分才能在負(fù)載回路兩端產(chǎn)生電壓。壓。由于正反饋的存在，這一微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)放大，反饋，再放大，再反饋，往復(fù)循環(huán) 在信號(hào)較小的起振階段，每次返回至輸入端信號(hào)的幅度總要比前一次的大，振蕩幅度不斷增加，完成起振過(guò)程。振蕩器的起振條件振蕩器的起振條件即：即：令令振幅起振條件振幅起振條件：確保 ，即反饋信號(hào)幅度大于前一次的信號(hào)輸入；相位起振條件相位起振條件：確保環(huán)路始終保持正反饋。正反饋。1fiiuAF uuAF()1oscT jAF,AFjjAA eFF e上式中基本放大器的增益； 反饋系數(shù)()()()oscTjoscoscT jTe()1oscTAF()=21,2,.ToscAFnn

13、fiuu 式中 表示環(huán)路增益 的相角； 為基本放大器輸出電壓與輸入電壓的相位差； 為反饋網(wǎng)絡(luò)的相移。TTAF2 平衡過(guò)程與平衡條件平衡過(guò)程與平衡條件 隨著振幅的增大， 放大器逐漸由放大區(qū)放大區(qū)進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)飽和區(qū)或截止區(qū)，工作于非線性的甲乙類狀態(tài)，其增益 逐漸減小。 當(dāng) 減小到使環(huán)路增益 ，即每次循環(huán)中反饋電壓等于上一次的輸入信號(hào)電壓 時(shí)，振幅的增長(zhǎng)過(guò)程將停止振幅的增長(zhǎng)過(guò)程將停止，振蕩器進(jìn)入等幅振蕩進(jìn)入等幅振蕩的平衡狀態(tài)。 這時(shí)，每個(gè)振蕩周期中，直流電源補(bǔ)充給LC振蕩回路的能量正好等于回路損耗的能量。AA()1oscT jAF反饋振蕩器的平衡條件為反饋振蕩器的平衡條件為()1(=oscfi

14、T jAFuu即）振幅平衡條件振幅平衡條件：決定振蕩器輸出信號(hào)的幅值輸出信號(hào)的幅值；相位平衡條相位平衡條件件：決定振蕩器輸出信號(hào)的頻率輸出信號(hào)的頻率。振蕩器的相位平衡條件相位平衡條件表述的是正反饋正反饋，也就是說(shuō)僅在特定頻率點(diǎn) 上才滿足嚴(yán)格的正反饋，在其它頻率點(diǎn)上無(wú)法滿足正反饋條件，所以相位平衡條件決定了反饋振蕩器的振蕩頻率。()1oscTAF()=20,1,2,ToscAFnnosc問(wèn)題：如何保證振蕩器振幅平衡條件振蕩器振幅平衡條件？ 振蕩器的振幅平衡條件是由放大器中晶體管的放大器中晶體管的非線性來(lái)保證的。非線性來(lái)保證的。在起振時(shí)， ，反饋網(wǎng)絡(luò)提供的正反饋總是大于前一次反饋，隨著輸入信號(hào)幅度

15、的增加，管子在輸入信號(hào)的正半周進(jìn)入飽和區(qū)正半周進(jìn)入飽和區(qū)，在輸入信號(hào)的負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)，也就是當(dāng)輸入信號(hào) 增加到一定程度后， 會(huì)出現(xiàn)切頂現(xiàn)象，雖然 不是正弦波形，但由于諧振回路的選頻特性，可選出其基波分量，其輸出的 電壓仍為正弦波形。波形圖如下。()1oscT jbeucici請(qǐng)思考 滿足起振條件起振條件和平衡條件平衡條件的環(huán)路增益應(yīng)具備什么樣的特性？一般放大器的增益特性曲線均具有上述的形狀，只要保證起振時(shí)環(huán)路增益幅值大于，環(huán)路增益的相位 維持在 上即可起振。 ()Tosc2n起振時(shí) ，輸入信號(hào) 迅速增長(zhǎng)，而后 減小， 的增長(zhǎng)速度變慢，直到 ， 停止增長(zhǎng)，振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)，維

16、持等幅振蕩。()1oscTiu()oscTiu()1oscTiu 在振蕩建立過(guò)程中，環(huán)路增益 大于1，放大器的輸入信號(hào) 不斷增大。放大器從小信號(hào)工作狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮盘?hào)工作狀態(tài)，若外界不采取任何附加措施，僅靠晶僅靠晶體管自行從線性放大過(guò)渡到非線性放大，體管自行從線性放大過(guò)渡到非線性放大，必將必將發(fā)生飽和、截止發(fā)生飽和、截止現(xiàn)象現(xiàn)象。 重要提醒：重要提醒：必須避免振蕩器的晶體管工作在飽和區(qū)！必須避免振蕩器的晶體管工作在飽和區(qū)！請(qǐng)思考為什么？請(qǐng)思考為什么？()oscTiu 因?yàn)樵陲柡蛥^(qū)飽和區(qū)晶體管的輸出阻輸出阻抗極低抗極低，并聯(lián)在諧振回路二端，將會(huì)大大降低選頻回路Q值，嚴(yán)重影響振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)的濾波、選頻功能。這將對(duì)振蕩器的頻率穩(wěn)定度產(chǎn)生災(zāi)難性的破壞。 請(qǐng)思考，如何在振蕩器電路設(shè)計(jì)中避免晶體管進(jìn)入飽和區(qū)？管子在增幅過(guò)程中是進(jìn)入截止區(qū)還是飽和區(qū)由晶體管的初始靜態(tài)工作初始靜態(tài)工作點(diǎn)決定。點(diǎn)決定。 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在 飽和失真； 設(shè)置在 截止失真。 通常振蕩器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在靠設(shè)置在靠近截止區(qū)，