大三上-通信電路原理課件

笫5章

正弦波振蕩器

5.1引言5.2LC

振蕩器的基本工作原理5.3LC振蕩器的電路分析

5.3.1LC振蕩器的基本構(gòu)成

5.3.2三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型5.4振蕩器的頻率穩(wěn)定度5.5晶體振蕩器5.2.2振蕩的起振、平衡和穩(wěn)定條件的分析5.2.3自給偏置對振蕩狀態(tài)的影響5.2.1

互感耦合LC振蕩電路25.2.2振蕩的起振、平衡和穩(wěn)定條件的分析1.環(huán)路的起振條件

AF>12.振蕩的平衡條件振幅平衡條件：相位平衡條件：3.

振蕩的穩(wěn)定條件振幅穩(wěn)定條件：相位穩(wěn)定條件：35.2.2振蕩的起振、平衡和穩(wěn)定條件的分析1.環(huán)路的起振條件2.振蕩的平衡條件3.振蕩的穩(wěn)定條件5.2.3自給偏置對振蕩狀態(tài)的影響43.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，那么將會破壞其原來的平衡狀態(tài)。干擾消失后，振蕩器若能自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)，則稱之為是穩(wěn)定的；否則，稱之為是不穩(wěn)定。5（1）振幅穩(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、溫度變化、噪聲等作用下）偏離平衡狀態(tài)時，系統(tǒng)自動恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)所應(yīng)具備的條件。P點(diǎn)是一個穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。平衡點(diǎn)附近振蕩特性斜率的變化小于反饋線斜率的變化。穩(wěn)定點(diǎn)的條件為：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；6若要使該振蕩器能進(jìn)入穩(wěn)定的平衡點(diǎn)，在起振時應(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。（1）振幅穩(wěn)定條件（續(xù)1）另一振蕩器的振蕩特性討論：與上圖不同，該振蕩器晶體靜態(tài)工作點(diǎn)位于轉(zhuǎn)移特性接近截止的非線性區(qū)。這種起振時需要外加沖激的電振蕩稱為“硬激勵”，那些不需沖擊而能自由產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象稱為“軟激勵”。（P265）7（2）相位穩(wěn)定條件相位穩(wěn)定條件是指：當(dāng)處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)受到某一外來因素的干擾，相位平衡狀態(tài)受到破壞，總相移角大于或小于時，環(huán)路是否具有自動恢復(fù)平衡狀態(tài)重新回到的條件。系統(tǒng)相位平衡時振蕩頻率為。當(dāng)外來干擾使環(huán)路總相移增加即產(chǎn)生超前相位增量+時，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）8（2）相位穩(wěn)定條件（續(xù)1）經(jīng)過若干個周期后，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，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。要使振蕩系統(tǒng)滿足相位穩(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)諧振回路來完成。但是為了抵消不穩(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Δf

。顯然，這是不希望的。為此必須加大LC回路的有載Q值，因為當(dāng)Q值提高時，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，從而可以提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。相位穩(wěn)定條件為：95.2.3自給偏置對振蕩狀態(tài)的影響（P268）自給偏置電路和振蕩波形：00105.2.3自給偏置對振蕩狀態(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，振蕩器工作于甲類狀態(tài)，偏置電壓基本上為一與振蕩幅度增長無關(guān)的恒定值。隨著振蕩幅度的增加，即動態(tài)特性區(qū)域擴(kuò)大，振蕩將部分進(jìn)入非線性區(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，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程。115.2.3自給偏置對振蕩狀態(tài)的影響（續(xù)2）

0AP1234（P268）增大考慮自給偏置影響后，振蕩器由起振到平衡的狀態(tài)變化過程。振蕩器動態(tài)工作點(diǎn)的軌跡不是沿圖中的實線由起振到達(dá)平衡點(diǎn)P而是沿虛線到達(dá)P`點(diǎn)。由圖還可看出，由于在平衡點(diǎn)虛線的負(fù)斜率比任何恒定偏置的實曲線的負(fù)斜率都大。因此也有利于改善振蕩器的穩(wěn)定性。自給偏置的設(shè)置加速了振蕩進(jìn)入平衡狀態(tài)的過程。1/F12思考題：振蕩器偏置電路的分析：起振前電路的靜態(tài)工作點(diǎn)位于伏安特性段的中點(diǎn)，振蕩器工作于甲類狀態(tài)，便于起振。自給偏置導(dǎo)致工作點(diǎn)向負(fù)偏壓方向移動，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)的過程。135.3

LC振蕩器的電路分析5.3.1

LC振蕩器的基本構(gòu)成互感耦合LC振蕩器三點(diǎn)式LC振蕩電路三點(diǎn)式LC振蕩器是指LC回路的三個端點(diǎn)與晶體管或場效應(yīng)管三個電極直接連接的一種振蕩器?；ジ旭詈险袷幤鞯墓ぷ黝l率不易很高，頻率穩(wěn)定度的提高受到一定的限制，而且調(diào)測中改動反饋強(qiáng)度不方便，所以，在無線電設(shè)備中更為廣泛采用的是三點(diǎn)式LC振蕩器。電容耦合（電容反饋型）振蕩器。自耦變壓器耦合（電感反饋型）振蕩器。14三點(diǎn)式LC振蕩電路相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則（P271）

可得出三點(diǎn)式振蕩器中三個電抗元件應(yīng)該滿足的要求：滿足上述二個要求時，才能滿足相位平衡條件。（1）與應(yīng)為同一性質(zhì)的電抗；（2）應(yīng)與，的電抗性質(zhì)相反。假定各極間的電路阻抗為純電抗，即：由于不考慮其它因素產(chǎn)生的相移，故在回路諧振時，回路相移應(yīng)為零。1.電容反饋型振蕩器電路：考畢茨（Colpitts）振蕩器（1）分析電路的相位條件：回路是諧振狀態(tài)，與倒相。反饋電壓：。正反饋。RFC耦合電容？旁路電容？振蕩電容？

1.電容反饋型振蕩器電路（續(xù)1）（2）分析電路的起振條件：根據(jù)起振條件，可得出：AF>1返回上圖折合到c-e端17反饋系數(shù)越大，保證起振的A越小、越小，容易起振。1.電容反饋型振蕩器電路（續(xù)2）討論：當(dāng)回路損耗可忽略時

，，可得：當(dāng)一定時，的選取有兩方面考慮：反饋系數(shù)越大，晶體管的輸入電阻反映到回路兩端的越小，減小，放大倍數(shù)下降，不容易起振。反饋系數(shù)F只在一段范圍適合振蕩器工作，必須合理選擇181.電容反饋型振蕩器電路（續(xù)3）（3）電路的振蕩頻率：考畢茨振蕩器的振蕩頻率稍高于回路的振蕩頻率。上圖進(jìn)一步考慮晶體管的等效電阻的影響：器件參數(shù)對振蕩頻率的影響有兩個途徑：通過等效電抗的影響通過等效電阻的影響192.電感反饋型振蕩器電路：哈脫萊（Hartley）振蕩器（1）分析電路的相位條件：反饋系數(shù)：反饋電壓：正反饋。20（3）電路的振蕩頻率：（2）電路的起振條件：進(jìn)一步考慮晶體管的等效電阻的影響：哈脫萊電路的振蕩頻率稍低于回路的振蕩頻率。2.電感反饋型振蕩器電路（續(xù)1）213.

兩種振蕩器電路比較：（1）電容反饋型電路的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：由于輸出端和反饋電路是電容，對高次諧波電抗小，振蕩波形更接近正弦波。振蕩頻率可較高。缺點(diǎn)：用兩個電容調(diào)節(jié)頻率不方便。（又要不變）振蕩器的振幅不穩(wěn)定。（2）電感反饋型電路的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：用一個電容可方便調(diào)節(jié)頻率。缺點(diǎn)：由于反饋電路是電感，振蕩波形含有高次諧波多。振蕩頻率不易很高。225.3.2三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型電容反饋型三點(diǎn)式振蕩電路的振蕩波形更接近正弦波。振蕩頻率可較高，因此應(yīng)用更加廣泛。調(diào)節(jié)頻率不方便且會影響反饋系數(shù)F，而F只在一段范圍內(nèi)較合適。晶體管的輸出、輸入電容影響振蕩頻率。影響反饋系數(shù)F與振蕩頻率的主要因素都是和。改進(jìn)思路：把決定振蕩頻率的主要元件與決定反饋系數(shù)F的主要元件分開。使振蕩頻率盡量不受晶體管的輸出、輸入電容影響。235.3.2三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型（續(xù)1）（1）串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式振蕩器（克拉潑clapp電路）返回什么是耦合電容？什么是旁路電容？什么是振蕩電容等？

5.3.2三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型（續(xù)2）顯然當(dāng)：反饋系數(shù)F與振蕩頻率的調(diào)節(jié)互不影響。振蕩頻率與晶體管的輸出、輸入電容無關(guān)。優(yōu)點(diǎn)：振蕩器的振幅不穩(wěn)定。（調(diào)節(jié)改變振蕩頻率時）這是因為并聯(lián)諧振回路的諧振電阻等效到晶體管的C-E兩端，是：缺點(diǎn)：（1）串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式振蕩器（克拉潑clapp電路）255.3.2三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型（續(xù)3）

顯然當(dāng)（2）并聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式振蕩器（西勒（shelle）電路）返回265.3.2三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型（續(xù)4）與L并聯(lián)，調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)振蕩頻率，但對并聯(lián)諧振回路的諧振電阻RP

等效到晶體管的C-E兩端的等效電阻影響較小，因此對振蕩幅度影響較小。對的選擇：不能太大（振蕩頻率由調(diào)節(jié)）。也不能太小，太小則接入系數(shù)小，振蕩幅度就小。一般取：20PF~200PF。例題（2）并聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式振蕩器（西勒（shelle）電路）27三點(diǎn)式振蕩器小結(jié)三點(diǎn)式LC振蕩器定義三點(diǎn)式LC振蕩器相位平衡條件的判斷準(zhǔn)則三點(diǎn)式LC振蕩器典型電路：電容耦合（電容反饋型）：考畢茨（Colpitts）振蕩器自耦變壓器耦合(電感反饋型)：哈脫萊(Hartley)振蕩器電路參數(shù)對起振條件的影響（F）器件參數(shù)對振蕩頻率的影響（）兩種改進(jìn)型的電容反饋型三點(diǎn)式振蕩器：串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式振蕩器（克拉潑clapp電路）并聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)式振蕩器（西勒（shelle）電路）例題28例一：下面哪些情況下振蕩器可以振蕩？屬于什么類型的振蕩器2930例二：例：考畢茨振蕩電路圖，給定參數(shù)：RFC求：振蕩頻率，反饋系數(shù)，為滿足起振條件所需的

β最小值。31解：（1）求振蕩頻率（2）求F32（3）求起振條件當(dāng)

時就可以起振。返回33例三：畫出圖中各振蕩器的高頻等效電路，說明它們屬于哪種類型的振蕩器，計算其振蕩頻率值。從電路構(gòu)成形式上看，三種電路各