第四章 正弦波振荡器

1第四章正弦波振荡器熟练掌握反馈型正弦振荡器的工作原理；正确理解振荡的平衡条件、起振条件和稳定条件；正确理解频率准确度和稳定度的概念；正确理解石英晶体振荡器的组成和工作原理。了解其他振荡器及特殊振荡现象。24.1概述振荡器的作用直流电源的能量具有一定波形的交变振荡能量振荡器振荡器不需外部信号的控制，即没有输入信号。振荡器的应用无线电发射机中的载波信号源超外差式接收机的本机振荡电子测量仪器中的正弦波信号源数字系统中的时钟信号3正弦波振荡器的分类反馈型振荡器负阻型振荡器利用有源器件和选频回路，根据正反馈原理组成把一个呈现负阻性的二端有源器件直接与谐振回路相连各个频段的振荡器RC振荡器LC振荡器石英晶体振荡器微波电子管微波半导体器件44.2LC振荡器的基本工作原理4.2.1振荡的建立ViVf+-Vo-+一、产生振荡的原理5二、振荡建立的过程1、最初的输入信号如何得到？A、接通直流电源时电路中的瞬变过程B、放大器件内部的热噪声2、振荡建立的波形变化6三、正弦振荡电路的基本组成1、振荡回路，包含两个或两个以上的储能元件A、存储能量B、决定振荡频率C、具有选频特性，保证输出单一正弦波2、能量来源3、控制设备，即有源器件和正反馈电路A、控制能量补充B、保证能量交换74.2.2振荡器的平衡与稳定条件放大器A反馈网络FViVoVf设：放大器的开环增益为A反馈网络的电压传输系数为F振幅平衡条件：相位平衡条件：1AF),3,2,1,0(2nnFA一、平衡条件8二、振荡器的起振条件放大器A反馈网络FViVoVf振幅起振条件：相位起振条件：1AF),3,2,1,0(2nnFA1、平均放大倍数A2、起振条件AF越大，起振越容易，通常取F=1/2~1/8当要求输出波形非线性失真很小时，AF应尽量接近194.2.3振荡器平衡状态的稳定条件——当振荡器受到外部因素的扰动，破坏了原平衡状态，振荡器应具有自动恢复到原平衡状态的能力。稳定平衡不稳定平衡一、振幅平衡的稳定条件QVomQ1、当VomVomQ时V’oQ2、当VomVomQ时0omQomVVomVA软自激10硬自激0omBomVVomVA0omQomVVomVA——需要预先加上一个有一定振幅的信号才能起振11二、相位平衡的稳定条件——当相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件。1、频率与相位的关系dtd放大器A反馈网络FViVoVf00增大，，超前时，当ifVV00减小，，滞后时，当ifVV频率随相位的变化关系：0相位平衡的稳定条件为：0FAFfeZZLC并联谐振回路的相移晶体管的相移122、LC并联谐振回路的相频特性oFfef电路的振荡频率为很小，和ZoAoff时，当有外因使0oAf电路在foA处建立起新的平衡ooAZff时，当外因消失时，0电路在fo处恢复平衡相位平衡的稳定条件为：00134.3反馈型LC振荡器线路按反馈耦合元件分为：–互干耦合振荡器–电感反馈式振荡器–电容反馈式振荡器集电极直流电源与基极偏压的供给方式–并馈、串馈–具有高稳定性的混合反馈式偏置电路144.3.1电感反馈式三端振荡器（哈脱莱电路）BCEECB一、电路形式15二、交流等效电路三、起振条件feoeiefehMLMLhhh121四、振荡频率)2(2121MLLCf164.3.2电容反馈式三端振荡器（考毕兹电路）一、电路形式BCEBCE17二、交流等效电路四、起振条件21CCF三、振荡频率)(2121CCLf改变C1、C2的值，在一定条件下可改善起振条件C1/C2通常取0.1~0.5为易18电容三点式与电感三点式电路的比较电容三点式电感三点式1、输出波形好差2、频率稳定度相对较高相对较低3、输出频率范围可达到100MHz以上可达到甚高频段4、应用点频振荡器应用较少194.3.3LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则X2X1X3CEB1、XCE与XBE的电抗性质相同；2、XBC与XCE、XBE的电抗性质相反；3、对于振荡频率fo，应满足：XCE+XBE+XBC=0集基相同余相反CEBC1C2LCEBL1CL2考毕兹电路哈脱莱电路20例1：图示为振荡电路的交流通路，根据产生自激振荡所需相位条件，判断其是否能振荡，或是在某种限定条件下能振荡。abcd21例2：图示为一个三回路振荡器的等效电路，设有下列四种情况：（1）L1C1＞L2C2＞L3C3；（2）L1C1＜L2C2＜L3C3；（3）L1C1=L2C2＞L3C3；（4）L1C1＜L2C2=L3C3；C3C2C1L1L2L3fo3fo2fo1224.4振荡器的频率稳定问题振荡器的性能指标：–频率和振幅的准确度与稳定度4.4.1频率准确度与频率稳定度一、频率准确度（频率精度）——振荡器在规定条件下，实际振荡频率f1与要求的标称频率fo之间的偏差。offf1绝对频率偏差:相对频率偏差:ooofffff123二、频率稳定度——是指振荡器实际振荡频率f1偏离其标称频率fo而变化的程度，它定义为在规定时间间隔内，振荡频率的相对变化量的最大值。时间间隔offmax例3：某一振荡器在一天，，，则该振荡器的频率稳定度为：MHzf00001.1maxMHzfo1日日日）（566max10101000000.100001.1offnioiooffffnff121短期频率稳定度多用其均方误差来表示：24三、频率稳定度的划分时间间隔引起的原因长期一天以上乃至几个月内有源器件、电路元件的老化特性短期一天以内温度、电源电压变化和电路参数不稳定等因素瞬时秒或毫秒内设备内部噪声或各种突发性干扰对振荡频率稳定度的要求视振荡器的用途不同而不同：一般中波广播电台发射机：10-5电视发射机：10-7普通信号发生器：10-4~10-5精密信号发生器：10-7~10-9移动式超短波通信机：10-4~10-5单边带通信机：＞10-625四、导致频率不稳定的原因1、振荡回路元件L和C2、回路电阻r3、有源器件的参数五、提高频率稳定度的措施1、减小外界因素的影响2、提高谐振回路的标准性3、采用高稳定度的LC振荡器26六、高稳定度的LC振荡器1、串联改进型振荡器（克拉泼电路）VCCRb1Rb2RcReCbC1C2C3LCEBL1C2C1C3CEB3231321LCfCCCCo时，，当C3不能无限度地减小频率覆盖系数为1.2~1.3，主要适用于产生固定频率272、并联改进型振荡器（西勒电路）VCCRb1Rb2ReRcCbC1C2C3C4LC3BC2EC1CLC4)(2143432313CCLfCCCCCCo为同一数量级时，、，且，当可以通过调节C4来调节输出频率频率覆盖系数为1.6~1.828例1：振荡电路如图示，它是什么类型振荡器？有何优点？计算它的振荡频率。VCCC10.01uFC3LC21000pF1000pF100pF50uH29例2：分析图示振荡电路，画出交流通路，计算振荡频率，并说明电路特点。VCC0.01uFLC1C2C3C4C5100pF200pF200pF51pF5.1pF8uH304.5石英晶体振荡器频率稳定度可达到10-6~10-11。石英晶体振荡器的优点：–石英晶体的等效谐振回路有很高的标准性；–石英晶体的Q值可高达数百万量级；–在串并联谐振频率之间很窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线。分类：–并联谐振型晶体振荡器：等效为电感–串联谐振型晶体振荡器：等效为串联谐振回路314.5.1并联谐振型晶体振荡电路CEBC1C2LBL2EL1CCJTJTC-b型电路(皮尔斯电路)b-e型电路（密勒电路）VCCC2C1JTBECC1C2CoCqLqrq32使用石英晶体谐振器时需注意的问题：石英晶体只有在较窄的温度范围内工作时，才具有高频率稳定度，所以要注意采用恒温措施要接有一定的负载电容CL，以补偿生产中晶体频率误差和晶体的老化，使其达到标称频率334.5.2串联谐振型晶体振荡电路VCCC1CcC2C3CpJTLReC1C2C3LReJT34晶体振荡电路的实际电路举例135晶体振荡电路的实际电路举例2364.5.3泛音晶体振荡电路C3C2C1L1JT指石英片振动的机械谐波电气谐波：与基频是整数倍关系，且谐波与基波同时并存。泛音：是在基频的奇数倍附近，且两者不能同时并存。例：设晶体的基频为1MHz，若要得到五次泛音晶振，问回路参数如何设置？374.6负阻振荡器在100MHz以上的超高频段得到广泛应用，目前其频率范围已扩展到几十GHz。4.6.1负阻器件的伏安特性——具有负增量电阻特性的电子器件。iDuDABQDuDiDDuingnr1电压控制型负阻器件38电流控制型负阻器件iDuDABQI2IQI1DDuingnr1实用中，隧道二极管具有电压控制型负阻器件特性；单结晶体管、雪崩管具有电流控制型负阻器件特性。39t0UmiDt0IQIm设将负阻特性直线化，并在工作点电压UQ上叠加一正弦电压uiDuD0QUQtUumcostIrtUruimnmncoscostUUuUumQQDcostIIimQDcos器件消耗的平均功率：mmQQTDDIUIUdtiuTP2110直流电源供给的直流功率器件加上交流电压后形成交流电流所产生的功率404.6.2负阻振荡电路R1R2C1DCLRLV+-RLLCCdrnd1、振荡的建立2、振荡频率)(21doCCLf3、起振条件TnGg4、平衡条件TnGg