高頻電子線路正弦波振蕩器

1、第第4 4章章 正弦波正弦波振蕩電路振蕩電路 正弦波振蕩器的概念v概念一種能量轉(zhuǎn)換裝置無需外加信號(hào)，自動(dòng)地將直流電能轉(zhuǎn)換成具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流信號(hào)v分類正弦波振蕩器v反饋式振蕩器v負(fù)阻振蕩器非正弦波振蕩器反饋振蕩器的工作原理要點(diǎn) v反饋振蕩器振蕩的基本原理v振蕩的平衡條件和起振條件1 振蕩的平衡條件2 振蕩的起振條件v振蕩的穩(wěn)定條件1 振幅穩(wěn)定條件2 相位穩(wěn)定條件v正弦波振蕩電路的組成要點(diǎn) 反饋振蕩器振蕩的基本原理自激振蕩 v自激振蕩現(xiàn)象不外接信號(hào)將輸出信號(hào)的一部分正反饋到輸入端以代替輸入信號(hào)輸出端仍有一定頻率和幅度的信號(hào)輸出 反饋振蕩器振蕩的基本原理 放大器A反饋網(wǎng)路FoU

2、fUiUS12LR原理分析v當(dāng)開關(guān)S在1的位置 v開關(guān)由1接到2位置放大器和反饋網(wǎng)路構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路 iUoUfUfiUU 放大器A反饋網(wǎng)路FoUfUiUS12LR正弦波振蕩器構(gòu)成框圖 放大器A反饋網(wǎng)路FLR選頻網(wǎng)路oUiUfU正弦波振蕩器構(gòu)成要點(diǎn)v反饋振蕩器結(jié)構(gòu)v利用選頻網(wǎng)絡(luò)篩選出所需的正弦波LC振蕩器 晶體振蕩器 放大器A反饋網(wǎng)路FLR選頻網(wǎng)路oUiUfU振蕩的平衡條件和起振條件 v振蕩器的工作條件為起振條件v電路開始工作時(shí)的條件 平衡條件v輸出能夠維系電路輸入的條件 穩(wěn)定條件 v振蕩器不易受外界干擾從而產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩信號(hào)輸出的條件 振蕩的平衡條件 放大器A反饋網(wǎng)路FoUfUiUS12LRo

3、iUAUfoUFUfoiUFUF AU1AF振蕩的振幅和相位平衡條件1AFAjAAeFjFF e()1AFjTAFAFe1AF 振幅平衡條件 相位平衡條件 2AFn振蕩的起振條件 起振條件可以歸結(jié) 1TAF CiCiBEutOOQtBEU0CI振蕩的穩(wěn)定條件 v振幅穩(wěn)定條件v相位穩(wěn)定條件軟激勵(lì)v90放大特性曲線斜率大于反饋特性曲線斜率，當(dāng)接通電源瞬間產(chǎn)生的電壓就會(huì)使電路從O點(diǎn)過度到A點(diǎn) 硬激勵(lì)v90O點(diǎn)本身也是穩(wěn)定的，如果接通電源時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)不足夠大則無法從O點(diǎn)過渡到B點(diǎn)。 相位穩(wěn)定條件 0ff 外界干擾不穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定穩(wěn)定正弦波振蕩電路的組成要點(diǎn)v(1)放大電路由三極管或集成運(yùn)算放大器組成，

4、具有足夠大的電壓放大倍數(shù)，以能夠獲得較大的輸出電壓v(2)反饋回路必須引入正反饋，把輸出信號(hào)反饋到輸入端，作為放大器的輸入信號(hào)v(3)選頻回路用于確定振蕩頻率，使電路中只有這種頻率的信號(hào)才能滿足自激振蕩的條件而產(chǎn)生振蕩正弦波振蕩器的分析v判斷正弦波振蕩器能否振蕩 (1)是否滿足相位平衡條件(2)放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，有無放大能力，靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適(3)是否滿足幅度平衡條件變壓器反饋LC振蕩器 v變壓器反饋LC振蕩器的交流通路如圖所示v試分析圖示電路是否滿足相位平衡條件 iUoUfUfUoUiU( )a( )b(a)圖電路分析v共射極電路 v信號(hào)由發(fā)射極輸入，由集電極輸出 v輸出信號(hào)在二次線

5、圈兩端形成反饋電壓送回到放大器的輸入端 v瞬時(shí)極性分析輸出電壓和輸入電壓反相根據(jù)同名端輸出電壓和反饋電壓也反向輸入電壓與反饋電壓同相 iUoUfU( )a(b)圖電路分析v共基極電路v信號(hào)由發(fā)射極輸入，集電極輸出 v輸出信號(hào)在二次線圈兩端形成反饋電壓送回到放大器的輸入端v瞬時(shí)極性分析輸出電壓和輸入電壓同相根據(jù)同名端輸出電壓和反饋電壓反向輸入電壓與反饋電壓反相iUoUfUfUoUiU( )b基本組態(tài)與電壓關(guān)系-瞬時(shí)極性法 iUoU (a)(b)iUoU(c)iUoU-小結(jié)v振蕩器原理起振條件平衡條件穩(wěn)定條件v變壓器反饋振蕩器瞬時(shí)極性法LC振蕩器 LC振蕩器要點(diǎn)v概念以LC諧振回路作為選頻網(wǎng)路的反

6、饋式振蕩器v振蕩頻率由振蕩回路的總電感和總電容決定 v基本種類變壓器反饋LC振蕩器三端振蕩器 三端振蕩器基本工作原理 iUoUfUI1jX2jX3jXceb2fUj I X1oUj I X 三端振蕩器構(gòu)成法則 v三端振蕩器的構(gòu)成原則“射同基反”“源同柵反” iUoUfUI1jX2jX3jXceb基本的三端振蕩器 v電容三點(diǎn)式 v電感三點(diǎn)式 (a)(b)(c)cbe1X3X2Xcbe1C2CLcbeC1L2L電感三點(diǎn)式振蕩器 v又稱為哈特萊（Hartley）振蕩器 iUfU(a)(b)CCV1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LECBR電感三點(diǎn)式振蕩器分析 iUfU(a)(b)CCV

7、1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LECBR等效電路 iUfU(a)(b)iUfUoUCCV1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LEC2LLR1LCBRceb(c)2L1LCL電路的振蕩頻率01212(2)fLLM C01212()fLL C電容三點(diǎn)式振蕩器 v又稱為考畢茲（Colpitts）振蕩器 (a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRBC等效電路 iUoUfU(a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRER1BR1C2CLLR1C2CLC(c)BC電容三點(diǎn)式振蕩器分析 (a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRBC012fLC121

8、2C CCCC例 v畫出圖示各電路的交流通路，并根據(jù)相位平衡條件，判斷電路能否產(chǎn)生振蕩，如果能求出振蕩頻率。 CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)等效電路 CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)例 CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)012121115.421000 200021.3210002000fMH

9、zLCC CLCC例 1L1C2C2L3L3Cf01f02f03f(a)(b)3f1f2f4f 1L1C2C2L3L3Cf01f02f03f(a)(b)3f1f2f4f改進(jìn)電容三點(diǎn)式振蕩器 v克拉潑振蕩電路 (a)(b)CCVCR1BR2BRBCER1C2CLLR3CcbC3C1C2CCRLERceCbeCLRcbe3C1C2CL(c)等效電路 (a)(b)CCVCR1BR2BRBCER1C2CLLR3CcbC3C1C2CCRLERceCbeCLRcbe3C1C2CL(c)克拉潑振蕩器分析123333122313121C C CCCCCC CC CC CCC031122fLCLC克拉潑電路特點(diǎn)

10、席勒振蕩器電路 CCVCR1BR2BRBCER1C2C3C4CLLR(a)(b)ER1C2C3C4CLLR1C2C3C4CL(c)0434112()2fL CCLC例 v有一LC振蕩電路如圖所示，試分析該電路，畫出電路的交流通路，并求出振蕩頻率。 ouEEV1BR2BR1CL22uH1C2C3CERCR2CL4C6C5C7CL8C9C0.033uF0.033uF1k3000.033uF4.7k3k20pF8.2pF2.2pF5pF0.5uH10pF10pF(a)(b) ouEEV1BR2BR1CL22uH1C2C3CERCR2CL4C6C5C7CL8C9C0.033uF0.033uF1k300

11、0.033uF4.7k3k20pF8.2pF2.2pF5pF0.5uH10pF10pFER5C4C6C7CL8C9C(a)(b)5C4C6C7CL8C9C(c)7456891111511.611111111118.2202.21010CCpFCCCCC6121166220.5 1011.6 10fMHzLC小結(jié)v三端振蕩器構(gòu)成原則基本電路v電容三點(diǎn)式v電感三點(diǎn)式v改進(jìn)振蕩器克拉潑振蕩器席勒振蕩器集成集成LC正弦波振正弦波振蕩器蕩器 E1648單片集成振蕩電路 V10V11V12V13V14VD2VD1V6V7V8V5V4V3V2V1V9輸出147812851314131211109812345

12、67E1648LC0.1 F+5V+5V1 k0.1 FUo1E1648（MC1648）特性 v其最高頻率可以達(dá)到225MHzv振蕩頻率12()gifL CC E1648應(yīng)用-壓控振蕩器 E1648(MC1648)11412108753電壓控制VCO輸出1D2D100k1uF100nF100uH5V100nF1nF100nF1.5kL三端振蕩器設(shè)計(jì)三端振蕩器設(shè)計(jì)三端振蕩器設(shè)計(jì)原則v振蕩器電路類型的選擇LC振蕩器一般工作在幾百千赫茲至幾百兆赫茲范圍 短波收音機(jī)中，為簡化電路常用變壓器反饋振蕩器做本地振蕩器。v晶體管的選擇 v直流饋電線路的選擇v振蕩回路元件選擇 v反饋回路元件選擇 例-大自由度克

13、拉潑振蕩器設(shè)計(jì) 3C1C2CL3CCL1r2r 3CL1r1C2CmBEg uAAi12rr 3CL1r1C2CmBEg uAAi12AmBEAAig uiuj Cj C1ABEiuj C2121211mAAguij Cj CC C112mgrj C C21231112fLCCC振蕩器的頻率和幅度穩(wěn)定度 穩(wěn)定度指標(biāo)v振蕩器輸出的信號(hào)即要滿足一定的頻率和幅度要求 v使用頻率穩(wěn)定度和幅度穩(wěn)定度這兩個(gè)重要的性能指標(biāo)來衡量一個(gè)振蕩器電路 v頻率穩(wěn)定度對(duì)一個(gè)振蕩器而言尤為重要 頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度 v頻率絕對(duì)偏差v頻率穩(wěn)定度 0fff 000fffff影響頻率穩(wěn)定的因素 v主要影響因素振蕩回路參數(shù)回路品

14、質(zhì)因素Q 012fLC001()2fLCfLC 品質(zhì)因素對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響 Z1Q2Q12QQ21提高頻率穩(wěn)定度的一般方法 v減小外界變化 減小溫度的變化 減小電源的變化 減小濕度和大氣壓力的影響 減小磁場感應(yīng)對(duì)頻率的影響 減小負(fù)載的影響 v改善電路性能 提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性 減小相位及其變化量 幅度穩(wěn)定度幅度穩(wěn)定度 oooUUUUU石英晶體振蕩器 石英晶體振蕩器要點(diǎn)v石英振蕩器特性等效電路和電抗特性v晶體振蕩器電路的分類并聯(lián)型石英晶體振蕩器 串聯(lián)型石英晶體振蕩器石英諧振器的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào)石英諧振器的結(jié)構(gòu)和電路符號(hào) 晶片電極支架石英晶體的等效電路與電抗特性 O感性容性容性sfpffX0C1qC1q

15、L1qr2qL2qC2qr0CCLR石英晶體電抗特性分析20200011()111()()LCCLCZCLCCLCC O感性容性容性sfpffX0C1qC1qL1qr2qL2qC2qr0CCLRs12fLCp00011122CfCCCLCLCC晶體振蕩器的種類簡介v普通晶體振蕩器v電壓控制晶體振蕩器v溫度補(bǔ)償晶體振蕩器v恒溫控制晶體振蕩器v電壓控制溫補(bǔ)晶體振蕩器v電壓控制恒溫晶體振蕩器 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 v并聯(lián)型石英晶體振蕩器v串聯(lián)型石英晶體振蕩器 并聯(lián)型石英晶體振蕩器v并聯(lián)型石英晶體振蕩器是把石英晶體當(dāng)做電感元件使用 晶體CCVCL1BR2BRBCER1C2CCCLRLR1C

16、2C0C1qC1qL1qrER等效電路 晶體CCVCL1BR2BRBCER1C2CCCLRLR1C2C0C1qC1qL1qrER并聯(lián)型石英晶體振蕩器分析v由三點(diǎn)式電路“射同基反”的構(gòu)成原則晶體應(yīng)呈現(xiàn)感性 v石英諧振器和電容C1、C2組成選頻網(wǎng)絡(luò)v工作頻率 psfff串聯(lián)型石英晶體振蕩器 v串聯(lián)型石英晶體振蕩器是把石英諧振器做一根短路線用 CCV1BR2BRER1C2CLBC1C2CL等效電路 CCV1BR2BRER1C2CLBC1C2CL串聯(lián)型石英晶體振蕩器分析v蕩器的工作頻率等于晶體的串聯(lián)諧振頻率fs晶體諧振器的阻抗近似為零 v頻率偏離晶體的串聯(lián)諧振頻率fs晶體的阻抗驟然增加，近乎開路 只能

17、形成的f=fs的振蕩 例 20k2.2k0.03uF5103.9uH0.03uF300pF1600pF22/5pF56pFTCCVouL1C2C3C交流通路 20k2.2k0.03uF5103.9uH0.03uF300pF1600pF22/5pF56pFT510CCVouL1C2C3CL1C2C3C 20k2.2k0.03uF5103.9uH0.03uF300pF1600pF22/5pF56pFT510CCVouL1C2C3CL1C2C3C01231231()2fCC CLCCCmin4.92fMHzmax5.04fMHz小結(jié)v石英晶體振蕩器v基本種類并聯(lián)型石英晶體振蕩器串聯(lián)型石英晶體振蕩器高

18、性能振蕩器及其應(yīng)用簡介 現(xiàn)代振蕩器的發(fā)展 v高性能v多功能v小型封裝v低功耗v低價(jià)格 壓控振蕩器 VCOv壓控振蕩器（VCO）是一種振蕩頻率隨外加控制電壓變化的振蕩器 v主要指標(biāo) 頻率調(diào)諧范圍輸出功率頻率穩(wěn)定度頻率合成技術(shù) v直接模擬頻率合成技術(shù)v鎖相頻率合成技術(shù)v直接數(shù)字式頻率合成技術(shù)v混合式頻率合成技術(shù) 鎖相式整數(shù)頻率合成器的原理 參考振蕩器參考分頻器鑒相器LPFVCO可變分頻器Rfof1/R1/ Nrfvf DDS原理 相位累加器正弦查詢表DACLPF頻率控制器時(shí)鐘頻率ofN位本章總結(jié)v正弦波振蕩基本原理利用自激振蕩，從電路結(jié)構(gòu)上構(gòu)成正反饋v正弦波振蕩器組成包括了基本放大器、反饋網(wǎng)路和選

19、頻網(wǎng)路。根據(jù)選頻網(wǎng)路的不同可以分為LC振蕩器、晶體振蕩器等v振蕩器的構(gòu)成條件分為起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件vLC振蕩器分為變壓器反饋、電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式等電路，其振蕩頻率近似等于LC諧振回路的諧振頻率，相位穩(wěn)定條件由LC回路提供v三點(diǎn)式振蕩器的構(gòu)成法則是“射同基反”。v頻率穩(wěn)定度和振幅穩(wěn)定度是振蕩器的兩個(gè)重要的性能指標(biāo)v石英晶體振蕩器是采用石英晶體構(gòu)成的振蕩器，其振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性很高。v石英晶體振蕩器分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩類。并聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體的作用相當(dāng)于電感串聯(lián)型晶體振蕩器中，石英晶體的重要相當(dāng)于具有選頻能力的短路線振蕩器的Matlab仿真反饋振蕩原理的仿真 vB = tf(5 0,1 20 1);vA = 4.18;vout=;vu,t = gensig(sin,2*pi,2*pi,0.1);vu = 0.0