北航通信電路原理課件

1、笫5章 正弦波振蕩器 5.1 引 言5.2 LC 振蕩器的基本工作原理5.3 LC 振蕩器的電路分析5.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.5 晶體振蕩器5.6 負(fù)阻振蕩器（*）5.7 RC 振蕩器與開(kāi)關(guān)電容振蕩器（*）5.8 特殊振蕩現(xiàn)象（*）2022/8/1415.1 引言（1）振蕩器的定義；（2）振蕩器的分類(lèi)；（3）振蕩器的應(yīng)用；（4）振蕩器的基本構(gòu)成；（5）振蕩器的分析方法。2022/8/1425.1 引言（續(xù)1）（1）定義：振蕩器是一種不需外加信號(hào)激勵(lì)而能自動(dòng)將直流能量變換為周期性交變能量的裝置。（2）分類(lèi)：按振蕩波形分類(lèi)：振蕩器分為正弦波振蕩器和非正弦波振蕩器。輸出波形接近于理想正弦波的稱(chēng)為

2、正弦波振蕩器，波形為方波、矩形波等波形的稱(chēng)為非正弦波振蕩器。按工作機(jī)理分類(lèi)：根據(jù)產(chǎn)生振蕩的機(jī)理，正弦振蕩器還可分為反饋振蕩器和負(fù)阻振蕩器。按選頻網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)：分為RC振蕩器、LC振蕩器、晶體振蕩器以及壓控振蕩器（VCO）、壓控晶體振蕩器（VCXO）等。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，相繼又出現(xiàn)了集成振蕩器、開(kāi)關(guān)電容振蕩器等。35.1 引言（續(xù)2）（3）應(yīng)用：發(fā)射機(jī)用它產(chǎn)生載荷信息的載波信號(hào)；超外差接收機(jī)用它產(chǎn)生本地振蕩信號(hào)；電子測(cè)量設(shè)備和計(jì)時(shí)儀表用它產(chǎn)生頻率基準(zhǔn)信號(hào)和其它通信測(cè)量信號(hào)；工業(yè)生產(chǎn)部門(mén)和日常生活中廣泛應(yīng)用的高頻電加熱設(shè)備等（例如：微波爐）。2022/8/1445.1 引言（續(xù)3）（4）基本構(gòu)成：一

3、個(gè)由儲(chǔ)能元件構(gòu)成的決定振蕩頻率的選頻網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)具有能量變換（或放大）作用的換能機(jī)構(gòu)；一個(gè)有助于補(bǔ)充元器件能量損耗和保證振蕩器工作穩(wěn)定的反饋電路；一個(gè)對(duì)振蕩強(qiáng)度具有自動(dòng)調(diào)整作用的非線(xiàn)性元件。事實(shí)上，在晶體管正弦振蕩器中，晶體管既起著能量變換的作用，又起著調(diào)整和控制振蕩強(qiáng)度的非線(xiàn)性作用。2022/8/1455.1 引言（續(xù)4）（5）分析方法：由于正弦波振蕩器是一個(gè)非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，要對(duì)它進(jìn)行分析，至少需求解一個(gè)二階以上的非線(xiàn)性微分方程；求解一個(gè)二階以上的非線(xiàn)性微分方程，需采用CAD方法。 為便于定性分析闡明振蕩器的振蕩特性，本章在進(jìn)行電路分析時(shí)，仍采用電路參數(shù)的準(zhǔn)線(xiàn)性分析法和零極點(diǎn)分析法：在振蕩的初

4、始階段，系統(tǒng)內(nèi)流通的信號(hào)比較微弱，因此，可以引用線(xiàn)性系統(tǒng)的分析方法，來(lái)確定這一時(shí)期振蕩器的工作狀態(tài)；振蕩建立后，用準(zhǔn)線(xiàn)性方法（如用平均跨導(dǎo)代替跨導(dǎo)，采用線(xiàn)性方法）分析，獲得重要的具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。2022/8/1465.2 LC 振蕩器的基本工作原理5.2.1 互感耦合 LC 振蕩電路（1） 工作原理：用瞬時(shí)極性法進(jìn)行分析 。（P260）MM返回2022/8/1475.2.1 互感耦合 LC 振蕩電路（續(xù)1）返回（2）定性分析：在諧振頻率處，電路相移是2n，才滿(mǎn)足相位平衡條件；反饋信號(hào)足夠大，才滿(mǎn)足振幅平衡條件；電路的振蕩頻率近似等于回路的諧振頻率。（3）定量分析：相位平衡條件：振幅平衡條件

5、：電路振蕩頻率：2022年8月14日85.2.2 振蕩的起振 、平衡和穩(wěn)定條件的分析回答兩個(gè)問(wèn)題：振蕩是如何產(chǎn)生的？振蕩又是如何平衡的？ 從三個(gè)角度分析：振蕩的產(chǎn)生能量和頻譜的角度。振蕩的平衡非線(xiàn)性的角度。分析三個(gè)條件：起振 、平衡和穩(wěn)定條件。2022/8/1491. 環(huán)路的起振條件（P258）S120tLC諧振回路是LC振蕩器的重要組成部分，正弦波振蕩器則是基于二階RLC回路的自由振蕩現(xiàn)象?？紤]了回路損耗后，回路將產(chǎn)生振幅衰減的阻尼振蕩。從能量的角度：在回路存在損耗時(shí)，適時(shí)地補(bǔ)充必要的交變能量，以維持回路內(nèi)部的能量平衡。起振條件： AF 1。101. 環(huán)路的起振條件（續(xù)1）從頻譜的角度：電路

6、接通瞬間振蕩是如何產(chǎn)生的？（P261）0t電路接通瞬間加于晶體管基極的階躍輸入電壓或噪聲，包含許多諧波分量，諧振回路選擇滿(mǎn)足相位平衡條件的諧波分量。AF 1。只要接通電源，系統(tǒng)將由于微小的電沖激而產(chǎn)生增幅振蕩。2022/8/1411從非線(xiàn)性的角度定性分析：振蕩是如何平衡的？由于AF 1，振蕩幅度不斷增長(zhǎng)，晶體管進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)； 是尖頂余弦脈沖，諧振回路選擇余弦脈沖基波分量。放大器的放大倍數(shù) A 減少。2. 振蕩的平衡條件0AF=1AF = 1，振蕩進(jìn)入平衡。線(xiàn)性反饋特性：振蕩特性曲線(xiàn)：上圖122. 振蕩的平衡條件（續(xù)1）從等效電路角度定量分析：M從三點(diǎn)分析：晶體管等效電路。振幅平衡條件：相位平衡

7、條件：對(duì)于所有的振蕩器，得出的振蕩平衡條件為：2022/8/14132. 振蕩的平衡條件（續(xù)2）當(dāng)工作頻率較高時(shí)，引起回路傳輸系數(shù)和相移的因素是很多的：晶體管輸入阻抗晶體管電流增益諧振回路阻抗反饋參數(shù)振蕩平衡條件表示為：上式中， 隨頻率的變化十分明顯。而其余相角隨頻率變化較緩慢。如令則上式為：142. 振蕩的平衡條件（續(xù)3）討論：（1）振蕩器要產(chǎn)生振蕩，必須同時(shí)滿(mǎn)足振蕩的起振條件和平衡條件。（2）若有三個(gè)假設(shè)：振蕩頻率遠(yuǎn)小于晶體管的截止頻率（ ）， 。晶體管輸入阻抗 是純阻， 。反饋回路： 。振蕩器工作于LC并聯(lián)諧振回路的諧振頻率處， 。振蕩器的振蕩頻率 = 并聯(lián)諧振回路的諧振頻率 。這是理想

8、情況：152. 振蕩的平衡條件（續(xù)4）（3）實(shí)際情況分析： ， 不是零， 不是 。當(dāng) 、 、 的數(shù)值已知時(shí)，振蕩器的實(shí)際振蕩頻率 也就確定了。2022/8/14163. 振蕩的穩(wěn)定條件自然界中處于平衡狀態(tài)的物體都有穩(wěn)定平衡和不穩(wěn)定平衡之區(qū)分。振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài)后，假設(shè)受到外界的擾動(dòng)，那么將會(huì)破壞其原來(lái)的平衡狀態(tài)。干擾消失后，振蕩器若能自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)，則稱(chēng)之為是穩(wěn)定的；否則，稱(chēng)之為是不穩(wěn)定。2022/8/1417（1）振幅穩(wěn)定條件振蕩的穩(wěn)定條件包含振幅穩(wěn)定條件和相位穩(wěn)定條件；振幅穩(wěn)定條件是指振蕩器的工作狀態(tài)在外界各種干擾的作用下（如在電壓抖動(dòng)、溫度變化、噪聲等作用下）偏離平衡狀態(tài)時(shí)，系

9、統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)所應(yīng)具備的條件。P點(diǎn)是一個(gè)穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。平衡點(diǎn)附近振蕩特性斜率的變化應(yīng)小于反饋線(xiàn)斜率的變化。穩(wěn)定點(diǎn)的條件為：18（1）振幅穩(wěn)定條件（續(xù)1）另從振蕩器的振蕩特性討論：與上圖不同，該振蕩器晶體管靜態(tài)工作點(diǎn)位于轉(zhuǎn)移特性接近截止的非線(xiàn)性區(qū)。如圖所述兩平衡點(diǎn)中，只有P點(diǎn)是穩(wěn)定的，故常稱(chēng)P點(diǎn)為穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，B點(diǎn)為不穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。這種起振時(shí)需要外加沖激的電振蕩稱(chēng)為“硬激勵(lì)”，那些不需沖擊而能自由產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象稱(chēng)為“軟激勵(lì)”。若要使該振蕩器能進(jìn)入穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，在起振時(shí)應(yīng)給晶體管加一電沖擊，并使沖激電壓大于 ，這樣自由振蕩就可以產(chǎn)生。（P265）19（2）相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件是指：

10、當(dāng)處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)受到某一外來(lái)因素的干擾，相位平衡狀態(tài)受到破壞，總相移角大于或小于 時(shí)， 環(huán)路是否具有自動(dòng)恢復(fù)平衡狀態(tài)重新回到 的條件。系統(tǒng)相位平衡時(shí)振蕩頻率為 。當(dāng)外來(lái)干擾使環(huán)路總相移增加即產(chǎn)生超前相位增量+時(shí)，這就意味著反饋電壓 超前于原有輸入電壓 （前一次反饋電壓）一個(gè)相角。相位超前就意味著周期縮短，故環(huán)路的振蕩頻率也因而有所提高，從而使回路相移產(chǎn)生一滯后的增量。（P266）20（2）相位穩(wěn)定條件（續(xù)1）經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期后，該滯后增量逐漸增加，最終等于外界因素引起的超前增量+時(shí)，使環(huán)路總相移重新恢復(fù)：由以上分析可知，具有如上圖所示相位關(guān)系的系統(tǒng)，其相位是穩(wěn)定的，故相位穩(wěn)定條件為： 要使振

11、蕩系統(tǒng)滿(mǎn)足相位穩(wěn)定條件，系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)含有某一相頻特性具有負(fù)斜率的單元，在LC振蕩器中這種負(fù)斜率變化的功能恰好可以由LC并聯(lián)諧振回路來(lái)完成。為了抵消不穩(wěn)定因素引入的相移增量，要求系統(tǒng)的振蕩頻率有相應(yīng)的偏移，兩者之間產(chǎn)生了頻差 。顯然，這是不希望的。為此必須加大LC回路的有載Q值，因?yàn)楫?dāng)Q值提高時(shí)，回路相頻特性斜率也相應(yīng)加大。這樣，要產(chǎn)生同樣的相位增量，只需較小的頻率偏移，從而提高了系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。215.2.3 自給偏置對(duì)振蕩狀態(tài)的影響00（P268）自給偏置電路和振蕩波形：2022/8/14225.2.3 自給偏置對(duì)振蕩狀態(tài)的影響（續(xù)1）合理選擇元件的參數(shù)值，使起振前電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于伏安特

12、性段的中點(diǎn)。在振蕩最初階段，由于振蕩幅度較小，振蕩器工作于甲類(lèi)狀態(tài)，偏置電壓基本上為一與振蕩幅度增長(zhǎng)無(wú)關(guān)的恒定值。隨著振蕩幅度的增加，即動(dòng)態(tài)特性區(qū)域擴(kuò)大，振蕩將部分進(jìn)入非線(xiàn)性區(qū)，導(dǎo)致基極電流、集電極電流畸變，而形成直流電流增量，并導(dǎo)致工作點(diǎn)向負(fù)偏壓方向移動(dòng)，集電極電流由余弦形變?yōu)橛嘞颐}沖。隨著振蕩幅度的增加，通角將減小，gm將減小，從而使得基波電流幅度和晶體管增益A減小，直至AF=1，電路進(jìn)入平衡狀態(tài)。上圖示出振蕩器的起振過(guò)程。自給偏置的設(shè)置加速了振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)的過(guò)程。235.2.3 自給偏置對(duì)振蕩狀態(tài)的影響（續(xù)2） 0AP1234（P268）增加上圖示出考慮自給偏置影響后，振蕩器由起振到平

13、衡的狀態(tài)變化過(guò)程。振蕩器動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)的軌跡不是沿圖中的實(shí)線(xiàn)由起振到達(dá)平衡點(diǎn)P而是沿虛線(xiàn)到達(dá) 點(diǎn)。自給偏置的設(shè)置加速了振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)的過(guò)程。由上圖還可看出，由于在平衡點(diǎn)，虛線(xiàn)的負(fù)斜率，比任何恒定偏置的實(shí)曲線(xiàn)的負(fù)斜率都大。因此也有利于改善振蕩器的穩(wěn)定性。24思考題一：振蕩器的起振條件： AF 1。振蕩器的平衡條件：振幅平衡條件： AF =1。相位平衡條件：振蕩器的穩(wěn)定條件：振幅穩(wěn)定條件：相位穩(wěn)定條件：振蕩器的起振 、平衡和穩(wěn)定條件的分析：2022/8/1425思考題二：振蕩器的自給偏置加固定偏置電路的分析：起振前電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于伏安特性段的中點(diǎn)，振蕩器工作于甲類(lèi)狀態(tài)，便于起振。自給偏置導(dǎo)致工

14、作點(diǎn)向負(fù)偏壓方向移動(dòng)，集電極電流由余弦形變?yōu)橛嘞颐}沖形。自給偏置的設(shè)置加速了振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)的過(guò)程。2022/8/1426舉例： 5-4畫(huà)出互感反饋振蕩器的高頻等效電路。要使電路能產(chǎn)生振蕩，請(qǐng)注明互感線(xiàn)圈各同名端的位置。圖（A）圖（B）2022/8/1427舉例： 5-4 （續(xù)1）畫(huà)出互感反饋振蕩器的高頻等效電路。要使電路能產(chǎn)生振蕩，請(qǐng)注明互感線(xiàn)圈各同名端的位置。圖（C）2022/8/1428習(xí)題八：5-2，5-3，5-42022/8/1429舉例： 5-4（A）畫(huà)出互感反饋振蕩器的高頻等效電路。要使電路能產(chǎn)生振蕩，請(qǐng)注明互感線(xiàn)圈各同名端的位置。返回圖（A）2022/8/1430舉例： 5-4（B）畫(huà)出互感反饋振蕩器的高頻等效電路。要使電路能產(chǎn)生振蕩，請(qǐng)注明互感線(xiàn)圈各同名端的位置。返回圖（B）2022/8/1431舉例： 5-4（C）畫(huà)出互感反饋振蕩器的高頻等效電路。要使電路能產(chǎn)生振蕩，請(qǐng)注明互感線(xiàn)圈各同名端的位置。返回圖（C）2022/8/1432發(fā)射機(jī)緩沖級(jí)倍頻器放大級(jí)調(diào)制器高頻功放振蕩器低頻功放低頻放大調(diào)幅發(fā)射機(jī)方框原理圖2022/8/1433超外差接收機(jī)超外差接收機(jī)方框原理圖高頻放大混頻器中頻放大解調(diào)器低頻放大