北邮信通院通信电子电路第3章_正弦振荡电路

第三章：正弦波振荡电路信息与通信工程学院高频放大高频调制及功放高频振荡声音话筒音频放大高频放大解调音频放大内容提要内容提要本章着重讨论正弦波振荡电路的构成、工作原理、分析方法以及常用的正弦振荡电路振荡电路的定义及其分类：正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路高频放大高频调制及功放高频振荡声音话筒音频放大高频放大解调音频放大正弦振荡电路的分类第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法从工作原理来看：根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三端型LC、RC、晶体反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振回路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡。工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多从构成来看：根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电路、压控等等反馈式正弦波振荡电路的工作原理构成反馈式正弦波振荡电路的条件：放大电路的正反馈，从而产生自激振荡选频网络或者相移网络，以控制振荡频率和波形放大电路的非线性，以控制振荡幅度第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法反馈式正弦波振荡电路的自激条件00()()1AF方框图的结构说明巴克豪森准则(BarkhousenCriterien)：开环法相位平衡条件是先决的、最本质的条件()A()FoViViZfV11'()A()FoViViZfViZ第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法000|()()|1()2,0,1,2,AFAFnn反馈式正弦波振荡电路自激条件举例互感耦合调集振荡电路的说明除满足相位平衡条件外还必须满足幅度平衡条件CILI2L1LfVMCVCrbIiV第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法振荡幅度的建立和稳定过程(一)起振过程的定性解释000|()()1()2,0,1,2,AFAFnn故起振条件为：稳幅过程内稳幅：靠放大电路中晶体管所固有的非线性特性达到稳定值假定晶体管不进入饱和区且忽略基区调宽效应。。。第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法CILI2L1LfVMCVCrbIiV振荡幅度的建立和稳定过程(二)当输入为小信号时当输入为大信号时在谐振频率下：000100000(,)()(,)|(,)||(,)/()|iciiiiVVZIVAVVVVciCQI0BEQV0()ivtBEv()citt()cit()ivtC0()ZLr0()vtt0()ivtQt0()vtt0第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法振荡幅度的建立和稳定过程(三)在谐振频率下：输出电压从起振到稳定的全过程：000100000(,)()(,)|(,)||(,)/()|iciiiiVVZIVAVVVVDBCiVicV*iViDVA001|()|F0|(,)|iAVtOv*0V*0V线性区非线性区第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法稳定条件(一)振荡电路的平衡条件不能说明振荡电路在外来干扰作用下平衡状态是否稳定，只是维持振荡的必要条件而不是充分条件稳定平衡状态，干扰因素消失后振荡能自动回到原来的平衡状态两种可能的平衡状态：不稳定平衡状态，干扰因素消失后越来越偏离原来的平衡状态第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法稳定条件(二)：振幅稳定条件振幅稳定条件的定义左图中的B点即为稳定平衡状态稳定过程叙述振幅稳定条件：*0|(,)|0iiiiVVAVV硬激励和软激励的区别DBCiVicV*iViDVA001|()|F0|(,)|iAVEBiVibVieV00|(,)|iAV0|()|F第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法稳定条件(三)：相位稳定条件相位稳定条件的定义环路相位变化对角频率的影响相位稳定过程叙述相位稳定条件：0()0AFddt()AF22B0C0CD0D第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法正弦波振荡电路的线性频域分析方法(一)首先要检查电路的结构是否满足反馈型正弦振荡电路的必要因素判别正弦振荡电路能否振荡的步骤：其次是分析振荡的平衡条件任何振荡电路起振时，都很小，放大电路工作在晶体管的线性工作区，因此在起振阶段可以用小信号模型构成的微变等效电路进行计算。只要满足起振条件，靠晶体管的非线性最终一定能够得到稳定的等幅振荡iv第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法正弦波振荡电路的线性频域分析方法(二)画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件画微变等效电路，并在某一点开环。开环后应保证原来的工作条件不变计算开环传递函数()()AF利用相位平衡条件确定振荡角频率0利用角频率下的平衡条件，确定维持振荡幅度所需要的值0mg0mg选择晶体管的使，此时电路满足起振条件mg0mmgg开环法的定义与步骤：第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法正弦波振荡电路的线性频域分析方法(三)画交流通路，判别是否满足振荡的相位平衡条件画微变等效电路，并列写出电路方程，这是一组线性齐次方程组令线性方程组复系数矩阵的行列式0选择晶体管的使，此时电路满足起振条件mg0mmgg闭环法的定义与步骤：解，可确定振荡角频率和维持振荡幅度所需的值0mg0mg0第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法正弦波振荡电路的线性频域分析方法(补)按照甲类的方法使用小信号交流等效电路来计算起振时的放大倍数但实际电路中往往在振幅达到平衡时已经进入强非线性区，此时应使用基波来进行分析，即利用丙类放大电路的分析方法注意这两种方法的局限性：经验的数据为在视器件输入端为开路时，设置反馈系数为1/5-1/10第一节：反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法利用LC组成选频网络的反馈型正弦波振荡电路统称为LC正弦波振荡电路LC振荡电路中晶体管的工作状态(一)第二节：LC正弦波振荡电路()BEonVBEQV0QCQICiCi00imVBEvttbev()BEonVBEQV0QCQICiCi00imVBEvttbev()BEonV0QCQICiCi00imVBEvttbev()BEonV0QCQICiCi00imVBEvttbev振荡电路的运用条件振荡电路的工作区域起振时的放大倍数工作点的选择振荡幅度的建立过程实用的小功率振荡器多工作于甲乙类LC振荡电路中晶体管的工作状态(二)()BEonV0QCQICiCi00imVBEvttbev静态工作点选在截止区时无法自动起振CLMCCVBBV第二节：LC正弦波振荡电路LC振荡电路中晶体管的工作状态(三)甲类起振丙类工作的自偏电路起振后工作点的移动过程简述C1LMCCVBC1BR2BREREC2L第二节：LC正弦波振荡电路BEOBEQBBOEEOBEQVVRIRIV212BBEQCCEEQBBRVVRIRR调谐型正弦波振荡电路采用互感耦合线圈(或变量器)作为反馈网络构成的振荡电路即为调谐型电路使用部分接入的原因第二节：LC正弦波振荡电路CILI2L1LfVMCVCrbIiV三端型LC振荡电路(一)三端电感振荡电路，通常也称为哈特莱(Hartley)电路亦可称为电感分压反馈式振荡电路第二节：LC正弦波振荡电路CCVCCCR1BR2BRBCERECC1L2L1nTBRCR2L1LC三端型LC振荡电路(二)三端电容振荡电路，通常也称为科皮兹(Colpitts)电路亦可称为电容分压反馈式振荡电路第二节：LC正弦波振荡电路TBRCR2C1CLCCVCCCR1BR2BRBCEREC1CL2C选频网络的反相作用(一)第二节：LC正弦波振荡电路选频网络的反相作用(二)第二节：LC正弦波振荡电路TBRCR2C1CLiRmigVoR0V1C2CLIfViVL0V1C2CLIfVL1221211psCCLCLCC当选频网络的输入信号频率为时pfV0VLI9090选频网络与放大电路的反相作用相加，从而可以构成正反馈BRCR0V1C2CfViVL选频网络的反相作用(三)第二节：LC正弦波振荡电路iRoR0V1LC1LIfViV2L2LIMmigV0V1L2LCIfVCfV0VCI9090选频网络的反相作用(四)BCEbjXcjXmjX左图所示三端型电路的判别准则：与的电抗性质相同bXcX与，的电抗性质相反bXcXmX可用于判别多个不同符号电抗元件构成的复杂电路第二节：LC正弦波振荡电路oR0VmjXCjXfViVBjXmigV射同基(集)反选频网络的反相作用(例)判别下图是否满足自激所需的相位条件，设201231/()LLLC0101LC1LC2LVT3L由于集射和基射之间为感抗，则基集之间必须为容抗即：故左图满足自激所需相位条件第二节：LC正弦波振荡电路例：判别以下电路能否起振(一)例题不可能LCCCVLERC1BR2BRCCVECT不可能例：判别以下电路能否起振(二)例题0112211LCLC1L1C2L2C3LT1L1C2L2C3CT2112CLCL01212121()CCLLCC分析三端型LC振荡电路的注意事项对于三端型LC振荡电路，不能象放大电路那样可以分为共射、共基和共集三种组态，原因如下：在放大电路中，三种组态的区分是依据信号源、负载和晶体管相连接的公共电极不同；信号源和负载是分开的，放大特性实质上代表信号源和负载的能量相对关系在三端型LC振荡电路中，晶体管的三个电极和LC谐振回路的三个点相连接，不存在像放大电路中那样的信号源和负载是两个分离体。从而不能将三种组态套用于振荡电路中切勿认为晶体管的哪个电极接地，就是共哪个极的振荡电路第二节：LC正弦波振荡电路三端电感振荡电路(一)使用闭环法，可得：02121212021010211(2)(2)11imiLLMCLLMLLMCrrLMLMgrLMrLM(0)ifM0121212021010211()()11imiLLLLCLLCrrLLgrLrL2121(,)ifMLLMnL022211100011(1)(1)1iminLnLCnLCrrngrnr第二节：LC正弦波振荡电路iRoR0V1LC1LIfViV2L2LIMmigV三端电感振荡电路(二)优点：容易起振，输出电压幅度较大容易通过调节电容改变振荡频率，调节时不影响反馈系数缺点：输出端和反馈端均为电感，振荡波形不太好电感上的分布电容和晶体管的极间电容影响环路增益，电路的振荡频率不能过高第二节：LC正弦波振荡电路CCVCCCR1BR2BRBCERECC1L2L1n三端电容振荡电路使用开环法(在基极开环)进行分析第二节：LC正弦波振荡电路iRmigVoR0V1C2CLIfViVLiRmigVoR0V1C2CLIfViVLiR()A()F01212012121221010211111imiCCCCrrCCLLCCCCCCgCrCr三端电容振荡电路的近似估算振荡角频率的近似估算：012121CCLCC210012(/),()/iifCrCLFCC分别计算、来估算起振条件：0()A0()F负号的含义反馈系数的决定22010,()1/1/miLLgCifrRACrR负号的含义阻抗变换作用第二节：LC正弦波振荡电路三端电容振荡电路的优缺点优点：输入端和反馈端都是电容，对高次谐波电抗较小，振荡波形好只要减小电容就能提高振荡频率，若不外加电容，仅利用晶体管的输入和输出电容作回路电容，则振荡频率可高达几百