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文檔簡介
第
3章
正弦波振蕩器概
述3.1
反饋振蕩器的工作原理3.2
LC正弦波振蕩器3.3
LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度3.4
晶體振蕩器3.5
RC正弦波振蕩器3.6負(fù)阻正弦波振蕩器3.7
寄生振蕩、間歇振蕩和頻率占據(jù)概述1.與功放的比較(從能量角度)
(1)功率放大器:在輸入信號控制下,把直流電源提供的直流能量轉(zhuǎn)換為按信號規(guī)律變化的交變能量。
(2)
正弦波振蕩器(SinewaveOscillator):不需要輸入信號控制,自動地將直流能量轉(zhuǎn)換為頻率和振幅特定的正弦交變能量。2.
正弦波振蕩器的應(yīng)用
無線發(fā)射機(jī)中的載波信號源,超外差接收機(jī)中的本振信號源,電子測量儀器中的正弦波信號源,數(shù)字系統(tǒng)中的時鐘信號源。二、正弦波振蕩器的應(yīng)用
1.作信號源
載波信號:無線發(fā)射機(jī);本振信號:超外差接收機(jī);正弦波信號源:電子測量儀器;時鐘信號:數(shù)字系統(tǒng)。
要求:振蕩頻率和振幅的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
2.正弦交變能源用途:高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源。要求:功率足夠大,高效。
三、分類(按組成原理)
1.反饋振蕩器
利用正反饋原理構(gòu)成,應(yīng)用廣泛。
2.負(fù)阻振蕩器
利用負(fù)阻效應(yīng)抵消回路中的損耗,以產(chǎn)生等幅自由振蕩。工作于微波段。
二者工作原理是一致的。①RC低頻振蕩器②LC高頻振蕩器3.1反饋振蕩器的工作原理1.組成由主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉合環(huán)路。
(1)
主網(wǎng)絡(luò)——負(fù)載為諧振回路的諧振放大器(2)
反饋網(wǎng)絡(luò)——與L
相耦合的線圈Lf。
閉合環(huán)路成為反饋振蕩器(FeedbackOscillator)的三個條件:
(1)
起振條件——保證接通電源后從無到有地建立起振蕩。
(2)
平衡條件——保證進(jìn)入平衡狀態(tài)后能輸出等幅持續(xù)振蕩。
(3)
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。3.1.1平衡和起振條件一、平衡條件
將閉合環(huán)路在×處拆開,并按所標(biāo)極性定義它的環(huán)路增益為同相又等幅,即若在某一頻率
上,與,或
(3-1-1)
振蕩頻率則當(dāng)環(huán)路閉合后:,角頻率為
(1)主網(wǎng)絡(luò)將輸出正弦振蕩電壓。
因而式(3-1-1)
即為振蕩器的平衡條件。
令
(2)所需輸入電壓全部由反饋電壓提供,無需外加輸入電壓。
則平衡條件改寫為:
(1)
振幅平衡條件:環(huán)路增益的模
(2)
相位平衡條件:環(huán)路增益的相角(n=0,1,2,…)
(1)
在剛接通電源時,電路中的各部分存在著各種電的擾動,這些擾動(電流突變或管子、電路中的固有噪聲)具有很寬的頻譜。
(2)諧振回路具有選頻功能,只有角頻率為osc
的分量(osc
0)才能在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓。(3)
變壓器繞向正確,可保證反饋信號
與輸入信號同相,經(jīng)放大和反饋的循環(huán),振蕩電壓的振幅不斷增長。二、起振條件若說明等幅持續(xù)振蕩能否在接通電源后從無到有地建立起來,還需討論起振條件。以變壓器耦合反饋振蕩器來說明??梢姡袷幤鹘油娫春?,能夠從小到大地建立起振蕩的條件是:(1)
振幅起振條件:(2)
相位起振條件:或
(n=0,1,2,…)
這就是反饋振蕩器的起振條件。三、討論1.起振過程作為反饋振蕩器,要滿足起振條件,又要滿足平衡條件。為此:(1)起振時,迅速增長;
下降,(2)
而后的增長速度變慢;時,(3)到停止增長,振蕩器進(jìn)入平衡狀態(tài),在相應(yīng)的平衡振幅ViA
上維持等幅振蕩。2.實(shí)現(xiàn)方法
環(huán)路中必須包含非線性環(huán)節(jié),多由主網(wǎng)絡(luò)放大器的非線性放大特性實(shí)現(xiàn)的。變壓器耦合反饋振蕩器,剛通電時,Vi很小,放大器小信號工作,增益較大,相應(yīng)的為大于1
。的增大而下降。符合對當(dāng)增大到一定數(shù)值后,放大器進(jìn)入大信號工作,由于放大特性非線性,放大器的增益將隨增大而減小,相應(yīng)地也就隨著的要求。在穩(wěn)定的平衡狀態(tài)下,振蕩器的振蕩振幅和頻率雖會受到干擾的影響而稍有變化,但不會導(dǎo)致停振或突變。所以,為了產(chǎn)生等幅持續(xù)振蕩,振蕩器還必須滿足穩(wěn)定條件,保證所處平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。二、振幅穩(wěn)定條件
圖示增益特性環(huán)路,不僅滿足起振和振幅平衡條件,而且還滿足振幅穩(wěn)定條件。
情況1:
最后在新的平衡上重新滿足平衡條件
情況2:
最后達(dá)到新的平衡。1.穩(wěn)定過程2.環(huán)路增益存在兩個平衡點(diǎn)的情況
如右圖所示,振蕩器存在著兩個平衡點(diǎn)A
和B,其中A
是穩(wěn)定的,B
點(diǎn)是否穩(wěn)定呢?分析:若使,則隨之增大,導(dǎo)致進(jìn)一步增大,從而更遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)B。最后到達(dá)平衡點(diǎn)A。反之,若直到停止振蕩??梢?,這種振蕩器不滿足振幅起振條件,須加大的電沖擊,產(chǎn)生大于的起始擾動電壓,才能進(jìn)入平衡點(diǎn)A,產(chǎn)生持續(xù)等幅振蕩。硬激勵:靠外加沖擊而產(chǎn)生振蕩。軟激勵:接通電源后自動進(jìn)入穩(wěn)定平衡狀態(tài)。3.振幅穩(wěn)定條件要使平衡點(diǎn)穩(wěn)定,必須在附近具有負(fù)斜率變化,即隨增大而下降的特性:
<0
斜率越陡,則的變化而產(chǎn)生的變化越大,系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)的時間越短,調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。
三、相位(頻率)穩(wěn)定條件1.的偏移對振蕩頻率的影響(1)相位平衡條件
(n=0,1,2,…),表明每次放大和反饋的電壓與原輸入電壓同相。
),因此,這種相位的不斷超前表明振蕩器的角頻率將高于(2)
若某種原因使
>0,則通過每次放大和反饋后的電壓相位都將超前于原輸入電壓相位。由于正弦電壓的角頻率是瞬時相位對時間的導(dǎo)數(shù)(。(3)反之,若某種原因使
<0,則由于每次放大和反饋后的電壓相位都要滯后于原輸入電壓相位,因而振蕩頻率將低于。2.相位(頻率)穩(wěn)定的討論如果具有隨
增加而減小的特性(如右圖),則必將阻止由外界因素引起的頻率變化。
由于(1)若某種原因使
>0,導(dǎo)致振蕩頻率
>
原振蕩頻率
osc,隨之減小,的超前勢必受到阻止,兩種情況都通過不斷的放大和反饋,最后都在原振蕩頻率附近達(dá)到新的平衡,使。(2)若某種原因使,導(dǎo)致振蕩頻率
隨之增大,滯后勢必受阻。<原振蕩頻率
osc,3.平衡過程:4.相位穩(wěn)定條件相角在附近有負(fù)斜率變化,斜率越陡,
說明很小的振蕩頻率變化就可抵消干擾引起的=0,
=0>0達(dá)新的平衡。的變化,干擾引起的頻率波動就越小。
5.例:說明變壓器耦合振蕩電路滿足相位平衡條件的相移(1)放大器輸出電壓
對輸入電壓
如果隨頻率的增大而增大,說明加劇振蕩頻率的變化,無法實(shí)現(xiàn)新的相位平衡。
的相移(2)
反饋網(wǎng)絡(luò)反饋電壓對
由兩部分組成:
即
除放大管相移外,主要是并聯(lián)諧振回路的相移,它在諧振頻率附近隨
的變化較快,相比之下,
隨
的變化十分緩慢,可認(rèn)為它與
無關(guān)。故隨
變化的特性可代表隨
變化的特性。并聯(lián)諧振回路,其相頻特性:——諧振頻率
——有載品質(zhì)因數(shù)
是否滿足相位平衡條件?
可見在實(shí)際振蕩電路中,是依靠具有負(fù)斜率相頻特性的諧振回路來滿足相位穩(wěn)定條件的,且,隨
的變化斜率越大,頻率穩(wěn)定度越高。
3.1.3
基本組成及其分析方法
總之,要產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩,振蕩器必須滿足起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件,缺一不可。1.閉合環(huán)路組成
(1)
可變增益放大器——提供足夠的增益,且其增益隨輸入電壓增大而減小,保證在諧振頻率上增益為1。
(2)相移網(wǎng)絡(luò)——具有負(fù)斜率變化的相頻特性,為環(huán)路提供合適的相移,保證在諧振頻率上的相移為。
2.種類
根據(jù)可變增益放大器和相移網(wǎng)絡(luò)的不同可實(shí)現(xiàn)多種反饋振蕩電路(1)
可變增益放大器晶體三極管放大器場效應(yīng)管放大器差分對管放大器集成運(yùn)算放大器等(2)
相移網(wǎng)絡(luò)——具有負(fù)斜率變化的相移①LC
諧振回路②RC
相移和選頻網(wǎng)絡(luò)③石英晶體諧振器(3)聯(lián)諧振回路??3.分析方法反饋振蕩器是包含電抗元件的非線性閉環(huán)系統(tǒng),借助計(jì)算機(jī)可對其進(jìn)行近似數(shù)值分析。但工程上廣泛采用下述近似方法。
(1)
首先檢查環(huán)路是否包含可變增益放大器和相頻特性具有負(fù)斜率變化的相移網(wǎng)絡(luò);閉合環(huán)路是否是正反饋。
(2)
其次,分
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