電子線路 非線性部分(第四版)謝嘉奎 第3章正弦波振蕩器.ppt

1、第 3 章正弦波振蕩器,概述,3.1反饋振蕩器的工作原理,3.2LC 正弦波振蕩器,3.3LC 振蕩器的頻率穩(wěn)定度,3.4晶體振蕩器,3.5RC 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,一、與功放比較(從能量角度),1功率放大器,將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。,特點(diǎn)：被動(dòng)地，需輸入信號控制,2正弦波振蕩器(Sinewave Oscillator),將直流能量轉(zhuǎn)換為頻率和振幅特定的正弦交變能量。,特點(diǎn)：自動(dòng)地，無需輸入信號控制。,二、正弦波振蕩器的應(yīng)用,1作信號源(本章將討論),載波信號：無線發(fā)射機(jī)；本振信號：超外差接收機(jī)； 正弦

2、波信號源：電子測量儀器；時(shí)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(本章不討論),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。,3.1 反饋振蕩器的工作原理,1組成,主網(wǎng)絡(luò)與反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成閉合環(huán)路。,圖 3-1-1反饋振蕩器的組成方框及相應(yīng)電路,例：變壓器耦合反饋振蕩器(交流通路)。,(1)主網(wǎng)絡(luò),負(fù)載為諧振回路的諧振放大器。,圖 3-1-1反饋振蕩器的組成方框及相應(yīng)電路,(2)反饋

3、網(wǎng)絡(luò),與 L 相耦合的線圈 Lf 。,反饋振蕩器工作原理,2等幅持續(xù)振蕩的條件, 剛通電時(shí)，須經(jīng)歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長的過程。, 進(jìn)入平衡狀態(tài)時(shí)，振蕩電壓的振幅和頻率要能維持在相應(yīng)的平衡值上。, 當(dāng)外界條件不穩(wěn)時(shí)，振幅和頻率仍應(yīng)穩(wěn)定，而不會產(chǎn)生突變或停止振蕩。,閉合環(huán)路成為反饋振蕩器的三個(gè)條件：, 起振條件接通電源后可從無到有建立起振蕩。, 平衡條件進(jìn)入平衡狀態(tài)后可輸出等幅持續(xù)振蕩。, 穩(wěn)定條件平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素的影響而受到破壞。,以下分別討論這三個(gè)條件。,第 3 章正弦波振蕩器,3.1 反饋振蕩器的工作原理,3.1.1平衡和起振條件,3.1.2穩(wěn)定條件,3.1.3基本組成及其

4、分析方法,3.1.1平衡和起振條件,一、起振條件,1分析, 剛通電時(shí)，電路中存在電的擾動(dòng)(電流突變或管子、電路中的固有噪聲)，具有很寬的頻譜。, 諧振回路的選頻功能，只允許角頻率為 osc 的分量(osc 0)在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓。, 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)，使振蕩電壓的振幅不斷增長。,2起振條件,(1)振幅起振條件,，或環(huán)路增益,(2)相位起振條件,T(osc) = A(osc) + f(osc) = 2n(n = 0，1，2，),二、平衡條件,1分析, 主網(wǎng)絡(luò)將輸出正弦振蕩電壓 ，角頻率為 。, 所需輸入電壓 全部由反饋電壓 提供，無需

5、外加輸入電壓。,2平衡條件,由,則： 振幅平衡條件：環(huán)路增益的模 T(osc) = 1, 相位平衡條件：環(huán)路增益的相角,T(osc) = 2n(n = 0，1，2，),3討論,反饋振蕩器需同時(shí)滿足起振條件與平衡條件：, 起振時(shí)，T(osc) 1，Vi 迅速增長；, 隨后，T(osc)下降，Vi 的增長速度變慢；, 到 T(osc) = 1 時(shí)，Vi 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。,環(huán)路增益 特性如圖 3-1-2 所示。,圖 3-1-2, 而環(huán)路增益的相角 T(osc) 則必須維持在 2n 上。,平衡條件多利用放大器的非線性實(shí)現(xiàn)。,例變壓器耦合反饋振蕩器

6、：,剛通電時(shí)，Vi 很小，放大器小信號工作，增益較大，相應(yīng)的 T(osc) 為大于 1 的水平線。,當(dāng) Vi 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 Vi 增大而減小，相應(yīng)地 T(osc) 也就隨著 Vi 的增大而下降。,符合起振與平衡條件對 T(osc) 的要求。,3.1.2穩(wěn)定條件,一、問題的提出,1振蕩電路中存在干擾, 外部：電源電壓、溫度、濕度的變化，引起管子和回路參數(shù)的變化。, 內(nèi)部：存在固有噪聲(起振時(shí)的原始輸入電壓,進(jìn)入平衡后與輸入電壓疊加引起波動(dòng))。,均造成 T(osc) 和 T(osc) 的變化，破壞平衡條件。,2干擾對平衡狀態(tài)的影響(兩

7、種),通過放大和反饋的反復(fù)循環(huán)：, 振蕩器離開原平衡狀態(tài)，導(dǎo)致停振或突變到新的平衡狀態(tài)。原平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的，應(yīng)避免。, 振蕩器有回到平衡狀態(tài)的趨勢。當(dāng)干擾消失后，能回到平衡狀態(tài)。原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。,必須討論穩(wěn)定條件，保證振蕩器所處平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。,二、振幅穩(wěn)定條件,圖 3-1-2 所示環(huán)路增益特性，還滿足振幅穩(wěn)定條件。,1穩(wěn)定過程,2環(huán)路增益存在兩個(gè)平衡點(diǎn)的情況,圖 3-1-3,如圖 3-1-3 所示，振蕩器存在著兩個(gè)平衡點(diǎn) A 和 B，其中 A 是穩(wěn)定的，B 點(diǎn)是否穩(wěn)定？,分析：若使 Vi ViB ，則 T(osc) 隨之增大，導(dǎo)致 Vi 進(jìn)一步增大，從而更遠(yuǎn)離平衡點(diǎn) B。最后到達(dá)平衡

8、點(diǎn) A。,可見，這種振蕩器不滿足振幅起振條件，必須加大的電沖擊，產(chǎn)生大于ViB 的起始擾動(dòng)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(lì)：靠外加沖擊而產(chǎn)生振蕩。,軟激勵(lì)：接通電源后自動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定平衡狀態(tài)。,3振幅穩(wěn)定條件,可見，要使平衡點(diǎn)穩(wěn)定，T(osc) 必須在 ViA 附近具有隨 Vi 增大而下降(負(fù)斜率變化)的特性，即,斜率越陡，則 Vi 的變化而產(chǎn)生的 T(osc) 變化越大，系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)。,三、相位(頻率)穩(wěn)定條件,1T(osc) 的偏移對振蕩頻率的影響, 由相位平衡條件,T(osc) = 2n(n = 0，1，2，)，表明每次放大和反饋后的電壓與原輸入電

9、壓同相。, 若某種原因使 T(osc) 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 = /t (正弦電壓角頻率是瞬時(shí)相位對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)) ，因此，這種相位的不斷超前表明振蕩器的角頻率 osc。, 反之，若某種原因使 T(osc) 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 osc 。,2相位(頻率)穩(wěn)定的討論,若 T() 的特性如圖 3-1-4 所示(在 osc 附近有負(fù)斜率變化), 若某種原因使 T(osc) 0(即 osc)，由特性，T() 0， Vi 的超前勢必受到阻止。, 若某種原因使 T(osc) 0， Vi 滯后必受阻。,3相位穩(wěn)

10、定條件,斜率越陡，則穩(wěn)定性越靈敏。,圖 3-1-4,4舉例,說明變壓器耦合振蕩電路滿足相位平衡條件。,T() 由兩部分組成：,(1)放大器輸出電壓 對輸入電壓 的相移 A(),(2)反饋網(wǎng)絡(luò)反饋電壓 對 的相移 f(),即T() = A() + f(),T() = A() + f(), f()，隨 的變化十分緩慢，可認(rèn)為它與 無關(guān)。,故 Z() 隨 變化的特性可代表 T() 隨 變化的特性。,(a)并聯(lián)諧振回路 圖 3-1-5諧振回路的相頻特性曲線,并聯(lián)諧振回路，其相頻特性,0 諧振頻率,Qe 有載品質(zhì)因數(shù),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 Qe

11、 越高，Z() 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,要產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足起振、平衡、穩(wěn)定三項(xiàng)條件。,1組成, 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。, 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 2n。,或：四個(gè)環(huán)節(jié),2種類,根據(jù)可變增益放大器和相移網(wǎng)絡(luò)的不同：,(1)可變增益放大器, 按放大管,晶體管放大器,場效應(yīng)管放大器,差分對管放大器,集成運(yùn)算放大器等, 按實(shí)現(xiàn)可變增益的方法,內(nèi)穩(wěn)幅(Self Limiting)：利用放大管固有的非線性,外穩(wěn)幅(External Limiting

12、)：放大器線性工作，另外插入非線性環(huán)節(jié)，共同組成。,(2)相移網(wǎng)絡(luò)具有負(fù)斜率變化的相移, LC 諧振回路, RC 相移和選頻網(wǎng)絡(luò), 石英晶體諧振器,3分析方法,反饋振蕩器為包含電抗元件的非線性閉環(huán)系統(tǒng)，用計(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：, 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。, 其次，分析起振條件。起振時(shí)，放大器小信號工作，可用小信號等效電路分析方法導(dǎo)出 T(j)，并由此求出起振條件及由起振條件決定的電路參數(shù)和相應(yīng)的振蕩頻率。,若振蕩電路合理，又滿足起振條件，就能進(jìn)入穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，相應(yīng)的電壓振幅通過實(shí)驗(yàn)確定。, 最后，

13、分析振蕩器的頻率穩(wěn)定度，并提出改進(jìn)措施。,第 3 章正弦波振蕩器,3.2LC 正弦波振蕩器,3.2.1三點(diǎn)式振蕩電路,3.2.2差分對管振蕩電路,3.2.3舉例,3.2LC 正弦波振蕩器,LC 正弦波振蕩器：采用 LC 諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)的振蕩器。,種類：變壓器耦合振蕩電路 三點(diǎn)式振蕩電路和差分對管振蕩電路。,3.2.1三點(diǎn)式振蕩電路,一、電路組成法則,圖 3-2-1三點(diǎn)式振蕩的原理電路,1電路,兩種基本類型三點(diǎn)式振蕩器的原理電路(交流通路)。,2組成法則,交流通路中，晶體管的三個(gè)極與諧振回路的三個(gè)引出端相連接。其中，與發(fā)射極相接的為兩個(gè)同性質(zhì)電抗，接在集-基間的為異性電抗。,可證，此法連接

14、必滿足相位平衡條件，實(shí)現(xiàn)正反饋。,三點(diǎn)式振蕩電路組成法則,二、三點(diǎn)式振蕩器電路,(1)電路,圖 3-2-2電容三點(diǎn)式振器電路,RB1、RB2 和 RE ：分壓式偏置電阻； CC、CB、CE ：旁路和隔直流電容；RC ：集電極直流負(fù)載電阻； RL ：輸出負(fù)載電阻 ； L、C1、C2 ：并聯(lián)諧振回路。,圖 3-2-2電容三點(diǎn)式振器電路,(2)組成,可變增益器件：晶體管 T；相移網(wǎng)絡(luò)：并諧；發(fā)射極：為兩同性質(zhì)容性電抗；集-基：感性電抗。,(3)討論 起振與平衡,T 為可變增益器件，偏置電路設(shè)置合適 Q 點(diǎn)同時(shí)，隨 vi 的增大產(chǎn)生自給偏置效應(yīng)，加速放大器增益的下降。,圖 3-2-4,其直流偏置電路如

15、圖 3-2-4 所示。剛起振時(shí)，發(fā)射結(jié)直流偏置為靜態(tài)偏置電壓，VBE0= VBEQ = VBB - IBQRB - IEQRE 。,自給偏置效應(yīng),反饋 vi vi 一部分進(jìn)入截止區(qū) iC為失真的脈沖波，其平均值 IC0 ICQ VBE0 增益 平衡,所以，振蕩振幅增大時(shí)，加在發(fā)射結(jié)上的偏置電壓將自靜態(tài)值向截止方向移動(dòng)，導(dǎo)致環(huán)路增益進(jìn)一步下降，從而提高了振蕩振幅的穩(wěn)定性。,2電感三點(diǎn)式振蕩器電路,(1)電路與元件作用,(2)組成法則判斷,三、電容三點(diǎn)式振蕩電路的起振條件(相位與振幅),1等效電路以圖 3-2-2(b)為例,推導(dǎo)環(huán)路增益 T(j) 時(shí)，應(yīng)將閉合環(huán)路斷開。,(1)改畫電路,斷點(diǎn)左面加

16、環(huán)路的輸入電壓 Vi(j),斷點(diǎn)右邊(與C2 并聯(lián))接入自斷點(diǎn)向左看進(jìn)去的阻抗 Zi,Re0 ： L、C1、C2 并聯(lián)諧振回路的固有諧振電阻。,Q0：固有品質(zhì)因數(shù)。,(2)用混合 型等效電路表示,設(shè) fosc fT (管子的特性頻率)，忽略 rbb 、ree 和 Cbc ，得簡化的等效電路：,由圖 3-2-3 可見，在 處呈現(xiàn)的輸入阻抗。,其中 Zi = RE / re /(1/jCbe)，re = 26 mV/IEQ,令,且設(shè),Z1,Z2,Z3,將 Z1、Z2、Z3 表達(dá)式代入，整理得,(3-2-2a),其中,式中，,諧振時(shí)滿足虛部為 0，即 B = 0，T(osc) = 0,起振時(shí)滿足 T

17、(osc) 1 (gm A),可求得三點(diǎn)式振蕩器的相位起振條件為,(3-2-3),討論：,1振蕩角頻率 osc,振蕩頻率 osc 由相位起振條件決定，解(3-2-3)求得,(3-2-5),osc 與 0 (LC) 有關(guān)，還與 gi (Ri)、gL ( Re0、 RL) 有關(guān)，且 osc 0 。,在實(shí)際電路中，一般滿足,工程估算時(shí)，osc 0 = (3-2-6),2振幅起振條件,工程估算時(shí)，令 = osc 0 ，代入(3-2-4)式，即,(3-2-4),振幅起振條件可簡化為,n 為電容分壓比 (p127)，上式改寫為,若 gi ，則由圖 3-2-7 可見，n2gi 便是 gi 經(jīng)電容分壓器折算到

18、集電極上的電導(dǎo)值。,圖 3-2-7 推導(dǎo) T(j) 的等效電路,圖 3-2-7 推導(dǎo) T(j) 的等效電路,討論：為滿足振幅起振條件，應(yīng)增大 Av(0) 和 kfv 。, 增大 kfv (= n) ，n2gi 增大，Av(0) 減小；減小 kfv ，雖提高 Av(0)，但回路增益 T(0) 受限。故 n 取值應(yīng)適中。, 提高 ICQ，可以增大 gm，從而提高 Av(0) ，但不宜過大，否則，gi( 1/re = gm/)會過大，造成回路有載品質(zhì)因數(shù)下降，影響頻率穩(wěn)定性。ICQ 一般取 1 5 mA。,結(jié)論：若振蕩管 fT 5fosc，RL 又不太小( 1 k)，且 n(兩電容)取值適中，一般都

19、滿足起振條件。,分析表明，閉合環(huán)路不論何處斷開，它們的振幅起振條件都是一樣的。但斷開點(diǎn)不同，主網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)的組成就不同，相應(yīng)的放大器增益和反饋系數(shù)也就不同。,若圖 3-2-3(b)所示閉合環(huán)路在基極處開斷，三極管接成共發(fā)組態(tài)。,圖中用工程估算法將 gib 和折算到集射極間，分別為 gib 折算到集射極間的計(jì)算。,圖 3-2-8在基極處開斷的等效電路,折算到集射極間的計(jì)算,四、用工程估算法求起振條件, 將閉合環(huán)路斷開，畫出開環(huán)等效電路。, 求出固有諧振頻率 0，并令osc 0。, 將諧振回路的電導(dǎo)折算到集電極上，求放大器回路諧振時(shí)的增益和反饋系數(shù)，便可確定振幅起振條件。,3.2.2差分對管振蕩

20、電路,一、工作原理,T2 的集電極上外接 LC諧振回路，調(diào)諧在諧振頻率上。其輸出電壓直接加到 T1管的基極上，形成正反饋。T2 管的基極和集電極直流同電位，必須限制 LC 兩端的振蕩電壓(200 mV 左右)，防止 T2 管飽和。,振蕩管進(jìn)入截至區(qū)實(shí)現(xiàn)內(nèi)穩(wěn)幅，使得回路有較高的有載品質(zhì)因數(shù)，有利于提高頻率穩(wěn)定性。,二、求 T(j),1交流通路,2共集-共基等效電路,T1 管的基極電流 Ib1 在 T2 管的輸入端產(chǎn)生的電壓為：,其中，,T2 管輸入端的等效阻抗,共集-共基級聯(lián)電路的輸入阻抗為,電路簡化如圖 3-2-10(d)所示。,三、確定振蕩角頻率,式中，C = C + Cbe/2,四、確定振

21、幅起振條件,所以，,3.2.3舉例,圖 3-2-12(a),例 1：判斷如圖 3-2-12 所示交流通路能否滿足相位平衡條件？,解：若 L、C3 串聯(lián)支路呈感性，則符合相位平衡條件,條件：當(dāng) osc 時(shí)， L、C3 串聯(lián)支路呈感性。,例 2：自己看。,(a)(b)(c) 圖 3-2-13 例 3 電路(a)及串聯(lián)和并聯(lián)諧振回路的電抗特性曲線 (b) (c),例 3：圖 3-2-13 為三回路振蕩器交流通路，f01， f02， f03 分別為三個(gè)回路的固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條件的兩種關(guān)系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍內(nèi)。,解：已知串、并聯(lián)諧振回路電抗特性曲線如圖 3-

22、2-13(b)、 (c)所示。,(a)(b)(c) 圖 3-2-13 例 3 電路(a)及串聯(lián)和并聯(lián)諧振回路的電抗特性曲線 (b) (c),串聯(lián)回路中， 0，X 0，呈感性；, 0，X 0，呈容性。,并聯(lián)回路中， 0，X 0，呈容性；, 0，呈感性。,(a)(b)(c),1若構(gòu)成電容三點(diǎn)式電路,L1C1、L2C2 回路呈容性失諧，L3C3 回路呈感性失諧。,容性失諧：fosc f02 ；感性失諧：fosc f03 。,2若構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路,L1C1、L2C2 回路呈感性失諧，L3C3 回路呈容性失諧。,感性失諧：fosc f01， fosc f03 。,第 3 章正弦波振蕩器,3.3LC 振

23、蕩器的頻率穩(wěn)定度,3.3.1提高頻率穩(wěn)度的基本措施,3.3.2克拉潑振蕩電路,3.3LC 振蕩器的頻率穩(wěn)定度,(1)定義：,頻率穩(wěn)定度又稱為頻穩(wěn)度，為振蕩器最重要的指標(biāo)，指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，規(guī)定的溫度、濕度、電源電壓等變化范圍內(nèi)，振蕩頻率的相對變化量。,(2)種類,按規(guī)定時(shí)間的長短不同，頻穩(wěn)度可分為：,長期頻穩(wěn)度：一天以上乃至幾個(gè)月內(nèi)因元器件老化而引起的頻率相對變化量。,短期頻穩(wěn)度：一天內(nèi)因溫度、電源電壓等外界因素變化而引起的頻率相對變化量。,瞬時(shí)(秒級)頻穩(wěn)度：電路內(nèi)部噪聲引起頻率相對變化量。,通常指短期頻穩(wěn)度。,(3)表達(dá)式,絕對準(zhǔn)確度： fosc = f - fosc fosc：標(biāo)稱頻率,相

24、對準(zhǔn)確度： f：實(shí)測的振蕩頻率,將規(guī)定時(shí)間劃分為 n 個(gè)等間隔，各間隔內(nèi)實(shí)測的振蕩頻率為 fi，短期頻穩(wěn)度的定義：,式中，(fosc)i = fi - fosc ，第 i 個(gè)間隔內(nèi)實(shí)測的絕對準(zhǔn)確度；,為絕對準(zhǔn)確度的平均值， 越小，頻率準(zhǔn)確度就越高。,(4)對頻穩(wěn)度的不同要求,3.3.1提高頻率穩(wěn)度的基本措施,首先分析外界因素對振蕩頻率變化的影響。,一、頻穩(wěn)度的定性分析,1振蕩頻率的圖解,由相位平衡條件 T(osc) = 0,即,說明：, A() 主要取決于并聯(lián)諧振回路的相移 z() ，它在諧振頻率附近隨 的變化十分劇烈；, f() 隨 的變化相對要緩慢得多，可近似認(rèn)為它是與頻率無關(guān)的常數(shù)，用

25、f 表示。,得：Z(osc) = - f,故： Z() 曲線與高度為 -f 水平線相交點(diǎn)上所對應(yīng)的角頻率振蕩角頻率 osc 。,2影響振蕩頻率 osc 的參數(shù),圖 3-3-1(a),由,可知：影響振蕩頻率 osc 的參數(shù)是 0、Qe 和f 。故討論頻穩(wěn)度就是分析外界因素通過這三個(gè)參數(shù)對振蕩頻率變化的影響。,(1)諧振頻率 0 變化,若 L 、C 變化，0 產(chǎn)生 0 的變化，則 z()曲線沿橫坐標(biāo)平移 0，曲線形狀不變。參看圖 3-3-1(a)。,圖 3-3-1(b),(2)Qe 變化,若負(fù)載和管子參數(shù)變化，使諧振回路 Qe增加 Qe，則 z()曲線變陡。Qe 引起振蕩頻率的變化量與f 大小有關(guān)

26、。參看圖 3-3-1(b)。,(3)若 f 產(chǎn)生 f，則 z()曲線形狀不變，而交點(diǎn)移動(dòng)。,f 引起振蕩頻率的變化與 f(同條曲線)、Qe 的大小有關(guān)。,3討論,提高 LC 振蕩器頻穩(wěn)度的基本措施：,圖 3-3-1 (c), 減小 0、Qe 和 f，故應(yīng)減小外界因素變化引起 0、Qe 和 f 的變化。, 減小 f 和增大 Qe ，以減小由 Qe、f 引起的振蕩頻率變化量。,二、提高頻穩(wěn)度的基本措施,1減小外界因素的變化,外界因素：溫度、濕度、大氣壓、 電源電壓、周圍磁場、機(jī)械振動(dòng)及負(fù)載變化等，其中以溫度的影響最嚴(yán)重。,措施：減振、恒溫、密封(濕度、大氣壓)、高穩(wěn)定度電源、屏蔽罩、振蕩器與負(fù)載間

27、插入跟隨器。,2提高振蕩回路標(biāo)準(zhǔn)性,(1)標(biāo)準(zhǔn)性,振蕩回路在外界因素變化時(shí)保持固有諧振頻率不變的能力。,標(biāo)準(zhǔn)性越高，0 就越小。,(2)0 與 L、C 的關(guān)系,將此式展開，忽略高階小量，化簡為,(3)分析,可見，為提高回路標(biāo)準(zhǔn)性，必須減小 L、C 的相對變化量。,措施：, 溫度補(bǔ)償。電感和部分寄生參量有正值的溫度系數(shù)，選用有負(fù)溫度系數(shù)的陶瓷電容器，且數(shù)值合適，正負(fù)可補(bǔ)償。, 縮短引線，采用貼片元器件，減小分布參數(shù)。, 使用穩(wěn)定度高的外接集總電容、電感，減小不穩(wěn)定的寄生量及其在 L、C 中的比重。,(4)討論,fosc= (LC)-1/2穩(wěn)定，CL Q0 Qe 頻穩(wěn)度,所以，增加總電容是有限度的

28、。因此一般都串聯(lián)電容，減小管子與回路間耦合的方法。例如：clapp 電路,3.3.2克拉潑振蕩電路,1電路,2特點(diǎn),為電容三點(diǎn)式振蕩器的改進(jìn)型電路，其差別：與 C1、C2 串聯(lián)的電容 C3。且C3 取值較小。滿足 C3 C1，C3 C2，回路總電容取決于 C3。,3原理,回路總電容取決于 C3，減小了極間電容 Cce、Cbe、Ccb(并聯(lián)在 C1、C2 上)對頻率的影響。 C3 越小，影響越小，回路標(biāo)準(zhǔn)性越高。,比電容三點(diǎn)式高一個(gè)數(shù)量級。,4討論,接入 C3 后，雖反饋系數(shù)不變(上節(jié)例 2)，但接在 A、B 兩端的電阻 折算到集電極間的數(shù)值 減小，,C1，2 是 C1、C2 極間電容的總和，因

29、而環(huán)路增益減小。C3 越小，環(huán)路增益越小。可見，在這種振蕩電路中，減小 C3 提高標(biāo)準(zhǔn)性是以犧牲環(huán)路增益為代價(jià)的。C3 過小，就不會滿足振幅起振條件，而停振。,下節(jié)，討論晶體振蕩器。,第 3 章正弦波振蕩器,3.4.1石英諧振器的電特性,3.4.2晶體振蕩電路,3.4晶體振蕩器,3.4晶體振蕩器,晶體振蕩器：采用石英諧振器控制和穩(wěn)定振蕩頻率的振蕩器。,3.4.1石英諧振器的電特性,1石英晶體的性能與等效電路,(1)結(jié)構(gòu),利用石英晶體(Quartz-Crystal)的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件。,(a)(b)(c) 圖 3-4-1石英諧振器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),(2)性能, 晶片有一固有振動(dòng)頻率，與切割方

30、位、形狀、大小有關(guān)，且十分穩(wěn)定。,將其接到振蕩器的閉合環(huán)路中，利用其固有頻率，能有效地控制和穩(wěn)定振蕩頻率。, 壓電效應(yīng)：機(jī)械與電的相互轉(zhuǎn)換效應(yīng)。,正壓電效應(yīng)：外加力，產(chǎn)生電荷現(xiàn)象,逆壓電效應(yīng)：外加電壓，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象。, 振動(dòng)特性：具有多諧性，除基頻(Fundamental Frequency)振動(dòng)外還有奇次諧波的泛音(Overtones)振動(dòng)。,(3)等效電路,C0：靜態(tài)電容和支架引線分布電容之和；,Lq1、Cq1、rq1：晶體基頻等效電路；,Lq3、Cq3、rq3：晶體三次泛音等效電路 ,(Lq 很大、Qq 很大、Cq 很小且數(shù)值極其穩(wěn)定),當(dāng)外加交變電壓與石英晶片的機(jī)械振動(dòng)發(fā)生共振時(shí)，

31、石英晶片兩極上的交變電荷量即通過的交變電流量最大，因而具有串聯(lián)諧振特性。,2電抗特性,可證：忽略 rq 時(shí)，晶體兩端呈現(xiàn)純電抗，其值近似為,圖 3-4-3晶體的阻抗曲線,討論：, 在 s p 之間為正值，呈感性；其他頻段內(nèi)為負(fù)值，呈容性。, 在 s 上 Xcr = 0 ，為串聯(lián)諧振；在 p 上 Xcr ，為并聯(lián)諧振。,又,或,因?yàn)?C0 Cq，所以 p 很靠近 s ，例如 5 MHz 的晶振體,fp fs 6.5 kHz,小結(jié)：,晶振體兩個(gè)諧振頻率：fs、fp ；且 fs fp, 工作于 fs fp 之間為高 Q 電感，并聯(lián)諧振。, 工作于 fs 附近為串聯(lián)諧振，對 fs，相當(dāng)于短路。,晶振體

32、只能工作于上述兩種方式，否則頻穩(wěn)度下降。,3.4.2晶體振蕩電路,一、并聯(lián)型晶體振蕩電路,晶體振蕩器,1電路皮爾斯(Pirece)晶體振蕩電路,(a)實(shí)際電路(b)交流通路 圖 3-4-1皮爾斯振蕩電路,RB1、RB2 和 RE ： 分壓偏置電路， LC：高頻扼流圈， CB： 旁路電容， CC：耦合電容。,2原理,由等效電路，它與 Clapp 電路十分相似(Cq 類似于C3 )。,3頻率準(zhǔn)確度微調(diào),實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率往往有偏差，若要求準(zhǔn)確度高，必須設(shè)頻率微調(diào)。,4提高頻穩(wěn)度的措施,圖 3-4-6采用微調(diào)電容的晶體振蕩電路,(1)恒溫槽,將晶體或振蕩器置于恒溫槽內(nèi)，槽內(nèi)溫度控制在晶體拐點(diǎn)溫度(在

33、該溫度范圍內(nèi)，晶振溫度系數(shù)為 0)附近。頻穩(wěn)度可達(dá) 10-10 數(shù)量級。,(2)變?nèi)莨艿臏囟妊a(bǔ)償電路, 電路,T1 Pirece 晶體振蕩電路, 原理,溫度控制電路中，熱敏元件使 Vi 反映了溫度的變化，作用到變?nèi)荻O管，使其電容改變，補(bǔ)償因溫度引起振蕩頻率的變化。,5泛音振動(dòng) 基波和低次泛音的抑制,(1)電路,將 Pirece 電路中 C1 用 LC1 諧振回路取代。,(2)原理,假設(shè)取五次泛音晶體，標(biāo)稱頻率 5 MHz，為了抑制基波和三次泛音的寄生振蕩，LC1 應(yīng)調(diào)諧在三次和五次泛音之間，例如 3.5 MHz。,圖 3-4-8,在 5 MHz 頻率上，LC1 呈容性，滿足電容三點(diǎn)式；,對基

34、頻、三次泛音， LC1 呈感性，組成法則不滿足；,對高于七次以上泛音，雖 LC1 呈容性，但分壓比 n 過小，不滿足起振條件。,二、串聯(lián)型晶體振蕩電路,1電路 1,當(dāng) f = fs 時(shí)，晶體串聯(lián)諧振，等效為短路元件，T1、T2管和外接晶體構(gòu)成正反饋放大器，滿足相位平衡條件，且反饋?zhàn)顝?qiáng)，滿足起振條件。,圖 3-4-9XK76 集成晶體振蕩的內(nèi)部電路,諧振頻率 fs,f fs 時(shí)，晶體呈高阻抗，反饋顯著減弱，不能滿足振幅和相位起振條件，所以這種振蕩器的振蕩頻率受晶體串聯(lián)諧振頻率的控制，具有很高的頻穩(wěn)度。,2電路 2,晶體串聯(lián)諧振頻率，等效為短路元件，電路符合三點(diǎn)式組成法則，為電容三點(diǎn)式電路。,偏離

35、串聯(lián)諧振頻率，晶體阻抗迅速增大，電路不能振蕩。,振蕩頻率取決于晶體的串聯(lián)諧振頻率。,為提高頻穩(wěn)度，可將 L、C1、C2、C3 回路調(diào)諧在串諧頻率附近。,第 3 章正弦波振蕩器,3.5RC 正弦波振蕩器,3.5.1概念,3.5.2移相網(wǎng)絡(luò),3.5.3RC 相移振蕩電路,3.5.4串、并聯(lián) RC 振蕩電路,3.5RC 正弦波振蕩器,1概念,采用 RC 電路作為移相網(wǎng)絡(luò)的振蕩器,振蕩頻率：低頻段，幾赫茲至 1 MHz 之間。,2移相網(wǎng)絡(luò),(1)導(dǎo)前移相電路, 電路, 表達(dá)式, 幅頻特性, 相頻特性,(2)滯后移相電路,(3)串、并聯(lián)選頻電路,(1) 和(2)構(gòu)成的振蕩器稱為RC(Phase Shif

36、t) 相移振蕩器。,(3)構(gòu)成的振蕩器稱為串、并聯(lián) RC 振蕩器。,3RC 相移振蕩電路,圖 3-5-2(a)為導(dǎo)前相移電路構(gòu)成的 RC 相移振蕩器電路。,(a)(b) 圖 3-5-2RC 相移振蕩電路,集成運(yùn)放：反相放大，相移 180，當(dāng) RC 導(dǎo)前相移電路提供 180 相移時(shí)，環(huán)路滿足相位平衡條件。,一節(jié) RC 電路提供最大相移小于 90(相位趨近 90 時(shí)，增益已趨于 0)，故需三節(jié) RC 電路才能提供 180 相移。,(a)(b) 圖 3-5-2RC 相移振蕩電路,將其在處斷開，斷開點(diǎn)的右端加 ，左端接運(yùn)放的輸入電阻(其值等于 R)，得圖 3-5-2(b)。可得出環(huán)路增益,由此可以得到

37、振蕩頻率和振幅起振條件分別為,由于 RC 相移電路的選頻特性不理想，因而它的輸出波形失真大，頻穩(wěn)度低，只能用在要求不高的設(shè)備中。,4串、并聯(lián) RC 振蕩電路,(1)電路,圖 3-5-3(a)集成運(yùn)放構(gòu)成的電路,運(yùn)放為同相輸入，相移 A = 0。,(2)原理,相位條件：當(dāng) osc = 0 時(shí)，RC F = 0，環(huán)路滿足相位平衡條件。,起振條件：諧振時(shí)，環(huán)路增益為,取 值使 Rt 2R1，即 T(0) 1，就可滿足起振條件。,圖 3-5-3(b)改畫成電橋形式的電路,平衡條件：Rt 為具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。,RC 串并、聯(lián)正弦波振蕩器,剛起振時(shí)，Rt 的溫度最低，相應(yīng)的電阻最大，因而運(yùn)放增益最

38、大，使 T(0) 1。,振幅過大，Rt 上消耗的功率增加，致使溫度上升，阻值減小，直到 T(0) = 1 ，進(jìn)入平衡狀態(tài)。,第 3 章正弦波振蕩器,3.6負(fù)阻正弦波振蕩器,3.6.1負(fù)阻器件,3.6.2負(fù)阻振蕩原理及其電路,3.6.3用負(fù)阻觀點(diǎn)討論 LC 反饋振蕩器,負(fù)阻振蕩器是采用負(fù)阻器件與 LC 諧振回路共同構(gòu)成的一種正弦波振蕩器，主要工作在 100 MHz 以上的超高頻段。,3.6.1負(fù)阻器件,負(fù)阻器件是指它的增量電阻為負(fù)的器件。,隧道二極管的伏安特性如圖 3-6-1 所示。,圖中,vD = VQ + v = VQ + Vmsin t,忽略失真的情況下,iD = IQ + i = IQ

39、+ Imsin t,增量電流,i = (-gn)v = (-gn)Vmsin t = - Imsin t,加到器件上的平均功率,vD = VQ + v = VQ + Vmsin t,iD = IQ + i = IQ + Imsin t,i = - Imsin t,器件給出交流功率,因?yàn)閂m 0,器件是將一部分直流功率轉(zhuǎn)換為交流功率。,當(dāng)器件工作在大信號時(shí)，定義器件的平均負(fù)增量電導(dǎo)為 -gn(av)。,圖 3-6-2 給出了隧道二極管工作在大信號時(shí)的特性，圖中電導(dǎo),式中： I1m 基波電流振幅。,3.6.2負(fù)阻振蕩原理及其電路,圖 3-6-3 給出了電壓控制型負(fù)阻振蕩器。,器件并接在諧振回路上。,電路方程為,式中：ge = ge0 - gn(av),ge0 諧振回路固有諧振電導(dǎo)。,當(dāng)時(shí),上式中，,當(dāng)時(shí)，受到擾動(dòng)時(shí)起振，振蕩角頻率為 。,gn ge0 振幅增長 gn(av)下降。,當(dāng) gn(av) = ge0，產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩，其角頻率為 0 。,起振條件：gn ge0 。,平衡條件：,或ge0 = gn(av) ，,振幅穩(wěn)定條件：,相位穩(wěn)定條件。,諧振回路的相頻特性予以保證 。,電流控制型負(fù)阻器件如圖 3-6-4 所示。,負(fù)阻器件串接在諧振回路中。,采用同樣的分析方法得到。,起振條件：rn re0,平衡條件：,振幅穩(wěn)