调谐放大器和正弦波振荡器

《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案53第6章调谐放大器和正弦波振荡器本章重点1．了解调谐放大器的电路结构、工作特点及工作原理。2．理解正弦波振荡电路的工作原理、振荡条件。3．掌握变压器耦合及三点式LC振荡电路的工作原理及振荡频率。4．了解石英晶体振荡电路。本章难点1．调谐放大器的选频能力。2．正弦波振荡电路的振荡条件。学时分配序号内容学时16.1调谐放大器226.2正弦波振荡器63实验九调谐放大器24实验十LC正弦波振荡器25本章小结与习题6本章总学时126.1调谐放大器调谐放大器：具有选频放大能力的放大电路。电路特点：LC谐振回路作负载。应用：无线电发射和接收设备。6.1.1.调谐放大器的工作原理动画调谐放大器的工作原理一、LC并联电路图6.1.1所示。R为并联电路损耗电阻。1．阻抗频率特性图6.1.2(a)所示。它表示了LC并联电路的阻抗Z与信号频率f之间的变化关系。当ff0时，LC并联电路发生谐振，阻抗最大。当ff0或ff0时，电图6.1.1LC并联电路《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案54路失谐，阻抗很小。因此，f0称为谐振频率，又称固有频率，即LCf210可见，元件L、C取定值时，谐振频率f0是一个常数。2．相位频率特性图6.1.2(b)所示。它表示了LC并联电路两端电压v和流进并联电路电流i之间的相位角之差与信号频率f之间的变化关系。当ff0时，0，电路呈纯阻性；当ff0时，0，电路呈感性；当ff0时，0，电路呈容性；可见，LC并联电路随信号频率的变化呈现不同的性质。3．选频特性阻频特性和相频特性统称为LC并联电路的频率特性。它说明了LC并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。如图6.1.3所示。品质因数为RLfRLRXQL002它表征了LC并联电路选频特性的好坏。实验和理论证明：R越小，Q值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强；R越大，Q值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。LC并联电路的Q值，一般在几十到一二百之间。4．选频放大器图6.1.4(a)所示。电路特点是利用LC并联电路作为负载，因此放大电路具有选频放大能力。工作原理：当信号频率等于谐振频率时，即ff0，放大器输出电压最大；放大倍数AVO最大。如图6.1.4(b)所示。这种表示选频放大器的放大倍数与信号频率关系的曲线，称为调谐放大器的谐振曲线。图6.1.4选频放大器原理图6.1.5单回路调谐放大器图6.1.3阻频特性与Q值关系图6.1.2LC并联电路的频率特性《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案556.1.2两种基本的调谐放大电路一、单回路调谐放大器单回路调谐放大器如图6.1.5所示。工作原理：输入信号vi经T1通过Cb和Ce送到晶体管的b、e极之间，放大后的信号经LC谐振电路选频由T2耦合输出。电感抽头和变压器的作用是减少外界对谐振回路的影响，保证有高的Q值。单回路调谐放大器的通频带和选择性取决于图6.1.4(b)谐振曲线，它与理想的矩形谐振曲线比相差甚远，因此这种电路只能用于通频带和选择性要求不高的场合。电路优点：调整方便、工作稳定；缺点：失真大。二、双回路调谐放大器图6.1.6所示。电路特点是集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。1．互感耦合图6.1.6(a)所示。电路特点是双调谐回路依靠互感实现耦合。调节L1、L2之间的距离或磁芯的位置，改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。工作原理：假定L1C1和L2C2调谐在信号频率上，输入信号vi通过T1送到V时，集电极信号电流经L1C1产生并联谐振。此时，由于互感耦合，L1中的电流在L2C2回路电感的抽头处产生很大的输出电压vo。2．电容耦合图6.1.6(b)所示。电路特点是通过外接电容Ck实现两个调谐回路之间的耦合，改变Ck的大小就可改变耦合程度，从而改善通频带和选择性。图6.1.6双回路调谐放大器图6.1.7双回路调谐的谐振曲线3．选择性和通频带与耦合程度的关系：如图6.1.7(a)所示。(1)弱耦合时，谐振曲线出现单峰；(2)强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率f0处下凹的程度与耦合强度成正比；(3)临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率f0处曲线较平坦。可见，谐振曲线在临界耦合时，与理想的矩形谐振曲线很接近。结论，双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案566.2正弦波振荡器正弦波振荡器：一种不需外加信号作用，能够输出不同频率正弦信号的自激振荡电路。6.2.1自激振荡的工作原理动画自激振荡的工作原理一、LC回路中的自由振荡如图6.2.1(a)所示。自由振荡——电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。阻尼振荡——因损耗等效电阻R将电能转换成热能而消耗的减幅振荡。图6.2.1(b)所示。等幅振荡——利用电源对电容充电，补充电容对电感放电的振荡过程，图6.2.1(c)所示。这种等幅正弦波振荡的频率称为LC回路的固有频率，即LCf210(6.2.1)图6.2.1LC回路中的电振荡二、自激振荡的条件振荡电路如图6.2.2所示。振荡条件：相位平衡条件和振幅平衡条件。1．相位平衡条件反馈信号的相位与输入信号相位相同，即为正反馈，相位差是180的偶数倍，即2n(6.2.2)其中，为vf与vi的相位差，n是整数。vi、vo、vf的相互关系参见图6.2.3。2.振幅平衡条件反馈信号幅度与原输入信号幅度相等。即AVF1(6.2.3)图6.2.2变调谐放大器为振荡器图6.2.3自激振荡器方框图《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案57三、自激振荡建立过程自激振荡器：在图6.2.2中，去掉信号源，把开关S和点“2”相连所组成的电路。自激振荡建立过程：电路接通电源瞬间，输入端产生瞬间扰动信号vi，振荡管V产生集电极电流iC，因iC具有跳变性，它包含着丰富的交流谐波。经LC并联电路选出频率为f0的信号，由输出端输出vo，同时通过反馈电路回送到输入端，经过放大、选频、正反馈、再放大不断地循环过程，将振荡由弱到强的建立起来。当信号幅度进入管子非线性区域后，放大器的放大倍数降低到AVF1时，振幅不再增加，自动维持等幅振荡。如图6.2.4所示。[例6.2.1]判断图6.2.5(a)所示电路能否产生自激振荡。解(1)振幅条件：因V基极偏置电阻Rb2被反馈线圈Lf短路接地，使V处于截止状态，故电路不能起振。(2)相位条件：采用瞬时极性法，设V基极电位为“正”，根据共射电路的倒相作用，可知集电极电位为“负”，于是L同名端为“正”，根据同名端的定义得知，Lf同名端也为“正”，则反馈电压极性为“负”。显然，电路不能自激振荡。如果把图6.2.5(a)改成图(b)。因隔直电容Cb避免了Rb2被反馈线圈Lf短路，同时反馈电压极性为“正”，电路满足振幅平衡和相位平衡条件，所以电路能产生自激振荡。图6.2.5自激振荡的判别图6.2.6共发射极变压器耦合振荡器6.2.2LC振荡器一、变压器耦合式LC振荡器电路特点：用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。常用的有以下两种。1．共发射极变压器耦合LC振荡器(1)电路结构图6.2.4振荡的建立过程《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案58如图6.2.6(a)所示。图中V为振荡放大管，电阻R1、R2、R3为分压式稳定工作点偏置电路，C1、C2为旁路电容，LC并联回路为选频振荡回路，L3-4为反馈线圈，L7-8为振荡信号输出端，电位器RP和电容C1组成反馈量控制电路。(2)工作原理交流通路如图6.2.6(b)所示。对频率ff0的信号，LC选频振荡回路呈纯阻性，此时ov和vf，反相，即φ1180º。输出电压vo再通过反馈线圈L3-4，使4端为正电位，即fv与ov的φ2180º。于是36018018021，保证了正反馈，满足了相位条件。如果电路具有足够大的放大倍数，满足振幅条件，电路就能振荡。调节RP可改变输出幅度。2．共基极变压器耦合LC振荡器(1)电路结构如图6.2.7(a)所示。图中V为振荡放大管，电阻R1、R2、R3为分压式稳定工作点偏置电路，C1为基极旁路电容，C2为隔直耦合电容，L2为反馈线圈，L与C串联组成选频振荡电路。(2)工作原理交流通路如图6.2.7(b)所示。接通电源瞬间，LC回路振荡电压加到管子基射之间，形成输入电压，经V放大后，输出信号经反馈线圈L2与L之间的互感耦合反馈到管子基射之间，若形成正反馈。在满足振幅平衡条件下，电路产生振荡。综上分析，变压器反馈电路的反馈强度，可通过L2与L1之间的距离来调节。变压器耦合振荡电路的振荡频率为LCf210(6.2.4)若调节L、C，可改变振荡频率。二、三点式LC振荡电路电路特点：LC振荡回路三个端点与晶体管三个电极相连。图6.2.8电感三点式振荡器图6.2.9电容三点式振荡器1．电感三点式振荡器电路如图6.2.8(a)，交流通路如图6.2.8(b)所示。图6.2.7共基极变压器耦合振荡电路《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案59相位条件：当线圈1端电位为“”时，3端电位为“”，此时2端电位低于1端而高于3端，即vf与vo反相，经倒相放大后，形成正反馈，即满足相位条件。振幅条件：适当选择Ｌ2和Ｌ1的比值。使1FAV，满足振幅条件。电路就能振荡。由于反馈电压vf取自Ｌ2两端，故改变线圈抽头位置，可调节振荡器的输出幅度。Ｌ2越大，反馈越强，振荡输出越大，反之，Ｌ2越小，反馈越小，不易起振。电路振荡频率为CMLLLCf)2(212121(6.2.5)其中M是Ｌ1与Ｌ2之间的互感系数。优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫；缺点：波形失真较大。2．电容三点式振荡器电容三点式振荡器电路如图6.2.9(a)所示，交流通路如图6.2.9(b)所示。相位条件：当线圈1端电位为“”时，3端电位为“”。此电压经Ｃ1、Ｃ2分压后，2端电位低于1端而高于3端，即vf与vo反相，经V倒相放大后，使1端获“”电位，形成正反馈，满足相位条件。振幅条件：适当的选择Ｃ1、Ｃ2的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。电路振荡频率为CLf210(6.2.6)而2121CCCCC电路特点：频率较高，可达100MHz以上。优点：输出波形好。缺点：调节频率不方便。3．改进的电容三点式振荡器改进的电容三点式交流通路如图6.2.10(a)所示。图中，Ci和Co分别是三极管的输入和输出电容，其数值随温度而变化，直接影响LC回路的振荡频率。为此，取C1Co，C2Ci，以减小Ci和Co对振荡频率的影响，提高其稳定性。由于C1、C2的增大，会导致Q值下降，加之调节振荡频率时，必须同时改变C1、C2，实属困难。因此，在LC回路中的电感支路串入一小电容C3，得到改进的电容三点式振荡器如图6.2.10(c)所示，交流通路如图6.2.10(b)所示，并且选取13CC，23CC。这样，振荡频率f0与C1、C2、Ci、Co基本无关，只取决于C3和L，振荡频率为图6.2.10改进的电容三点式振荡器图6.2.11石英晶体谐振器结构示意图《电子线路》配套多媒体CAI课件电子教案603021LCf(6.2.7)电路特点：振荡波形好，频率比较稳定。缺点：调节C3时，输出信号幅度会随频率增大而降低。6.2.3石英晶体振荡器电路特点：频率稳定度高，可达101011量级。一、石英晶体的基本特性及其等效电路1．压电效应石英晶体谐振器如图6.2.11所示。它是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。如图6.2.12(a)所示。压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象