RC正弦波振荡电路

RC正弦波振荡电路14:2713.8RC振荡器较低的振荡频率一般都采用RC振荡器RC振荡器的主要优点:结构简单经济方便RC振荡器和LC振荡器工作原理相同,结构上也是由放大器和正反馈网络两部分,区别仅在于用RC选择网络来代替LC回路.RC振荡器也必须满足振幅和相位条件.即:AF=1...)2,1,0(,2nnFA根据RC网络不同可将RC振荡器分为:相移振荡器桥式振荡器选频特性比LC选频网络差得多，电路中常采用负反馈以提高电路的选频特性。放大器工作于线性(甲类),故不能用自生反偏压稳幅，常采用非线性惰性反馈实现稳幅。14:272具有正负反馈两个通路的RC正弦波振荡器正负反馈两个通路的RC正弦波振荡器框图正反馈网络B+:产生振荡所必须；负反馈网络B-:抑制高次谐波。1、B+为带通特性，B-为全通特性实现振荡器的两种方案2、B-为带通特性，B+为全通特性在f0附近，正反馈负反馈，满足起振条件；远离f0时，负反馈正反馈，抑制高次谐波。14:273文氏电桥振荡器电阻Rf1和Rf2组成负反馈网络，全通网络正反馈网络有电阻R1﹑R2和电容C1﹑C2组成，具有带通特性两个反馈网络构成一个电桥，故此振荡器称为文氏电桥振荡器。起振条件正反馈网络的传输系数：)1(1121121221211CRCRjRRCCZZZBRRR21CCC21)1(31RCRCjB负反馈系数211fRfRfRB电路的环反馈系数为)(BBAAB1)(21131fRfRfRAABRC1o31BA131fRfRfR211B31B122ffRR平衡时要求12ffR2R31B振荡频率为RCf21014:2740oUA0oUBoU●稳幅措施因为不可能有，故应使，使负反馈随输出电压的增大而增大。具体措施采用非线性惰性反馈稳幅。采用正温度系数的元件,采用负温度系数的元件。♦非线性热惰性元件稳幅:用钨丝灯泡等正温度系数元件；用热敏电阻等负温度系数元件。要求非线性惰性元件有足够的惰性,使其非线性特性在信号周期内显现不出来。所以超低频正弦波振荡器不能使用非线性惰性元件稳幅。1fR1fR2fR2fR14:275♦二极管自动稳幅电路将二极管串接在通路中，利用二极管微变电阻随导通电流变化的特性改变负反馈深度。例如，当输出幅度增大时，流过二极管的电流增大，二极管的等效微变电阻减小，电路的负反馈增大，使输出幅度降低。2fR14:276♦场效应管稳幅将场效应管当作一个压控电阻使用，代替电阻Rf1，当输出电压幅度增大时，使场效应管的等效电阻也增大，负反馈加强，从而使输出电压幅度减小，实现稳幅。14:277C3C2C1CeR1R2Rb2Rb1ReRcEcRCRCRC相移振荡器1,电路结构输出电压从集电极经RC相移器反馈到基极,为满足振荡器的相位平衡条件,RC相移器必须具有相移180o的功能.2,RC相移器的工作原理相位超前的相移网络相位滞后的相移网络U1+Uc-UoU1+UR-UoIIUoIUCU1φφU1Uo两种相移网络具有如下特点:(1)单节RC相移电路所产生的相移在0—90o之间,但最大相移不超过90o(2)输出电压幅度也随频率变化而变化,但输出电压总小于输入电压,且相移越大,输出越小,当相移90o时,输出趋于零.(3)相移值与频率相关,因此,当RC参数一定时,相位值与一定的信号频率相对立.故为了使相移网络倒相180o,至少要用三节移相网络,且可以证明如果采用相同的RC相移网络,振荡频率为:RC621f起振条件为:29hfeIUR14:279积分式RC正弦波振荡器•1.基本原理•积分式RC正弦波振荡器的基本原理是用积分器•模拟微分方程的求解。已知自由振荡的数学模型是二阶微分方程：0222oooooudtdudtud上式经两次微分可得：200ooouudtudtdtdtdtuuoo0014:2710只有当ε=0时，其解为等幅振荡。但是，由于开机时电路初始状态的随机性，容易造成使ε0，而使电路停振。故一般选ε0，电路起振后产生增幅振荡，再增设限幅电路使其趋于等幅振荡。0dt0dt14:2711对于同相积分器A2可有011vtvtdtRC对于反相积分器A1可有101vtvtdtRC11221vtvtdtdtRC21122210dvtvtdtRC它是一个标准正弦振荡方程式，其解为1000sincosvtAtvtAt01RC3.4石英晶体振荡电路1.正弦振荡器的频率稳定问题一、频率稳定性振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化，引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度。一般用角频率或频率的相对变化量，即=–0为角频率偏移，f=f-f0为频率偏移，称为绝对频率稳定度。另一种表示，即/0或f/f0来表示，其中0为振荡角频率，称为相对频率稳定度；根据测试时间的长短,将频率稳定度分成长期频稳度、短期频稳度和瞬时频稳度三种,测试时间分别为一天以上、一天以内和一秒以内频率稳定度通常用PPM来表示长期频稳度主要取决于元器件的老化特性,短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等,而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。14:2712Z)(FA•01定性分析1,外界因素仅使谐振回路固有频率0变化,即Z)'(000曲线平移)'(111•在这种情况下有:10'0'1••2谐振回路的品质因数Q变化)()(111曲线斜率变化ZQQQ•'11•Q'Q3-(FA)的变化当-(FA)变化1)(曲线上下平移FA•1•'1故可看出提高频率稳定度的方法:值增大减少减少QFA)(0o1114:2713三,振荡器的稳频措施1,提高振荡器回路的标准性提高回路元件L,C的标准性,而温度是引起元件L,C变化的主要原因,电感L和电容C随温度变化的大小通常用温度系数来表示.电感:TLLL;电容:TCCCLC振荡回路的温度系数:)(210CLfTff可见回路中的电感和电容元件应选用温度系数小的元件,另外还可采用温度补偿的方法2,减少晶体管对振荡频率的影响①极间电容oeieCC,对o的影响,ⅰ加大回路总电容,ⅱ晶体管以部分接入方式接入回路（CLAPP或SEILOR）②工作点及内部状态的变化,对A和F的影响,可通过稳定工作点及相位补偿方法.3,减少负载的影响后级是振荡器作用的负载,负载对振荡器频率的影响负载阻抗的变化会引起谐振回路o和QL的变化QL的下降更易受到A和F等因素的影响减少后级负载影响的方法有:减弱与负载之间的藕合,振荡器后接缓冲器.4、减少温度影响5、稳定电源电压6、采取屏蔽措施14:27143.4.2石英晶体振荡器(CrystalOscillator)一,晶体谐振器(CrystalResonator)振荡回路的标准性和品质因数Q值是影响振荡器频率稳定性的关键因素,为了提高振荡回路的标准性和Q值.LC的频率稳定度通常为10-2～10-4，选用优质材料和先进的工艺结构,但从工艺水平看,Q值超过300相当困难.尽管减弱负载和晶体管本身的回路的藕合,这会引起等效谐振阻抗小,不易起振.利用石英晶体的压电效应,将它作为振荡回路元件构成石英晶体振荡器,可以获得很高的频率稳定度.14:2715石英晶体的压电效应基本特性是具有正压电效应和反压电效应。当交流电压加在晶体两端,晶体随电压变化产生应变称为反压电效应；而机械振动产生的应变又使晶体表面产生交变电荷成为正压电效应。当晶体几何尺寸和结构一定时,它本身有一个固有的机械振动频率。晶片厚度与振动频率成反比,工作频率越高,要求晶片越薄,因而机械强度越差,加工越困难,使用中也易损坏。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率ωs时,晶体片的机械振动最大,晶体表面电荷量最多,外电路中的交流电流最强,于是产生了谐振。石英谐振器产生机械振动时，有基音振动，还有各种奇次泛音振动。利用基音振动实现对频率控制的晶体称为基音晶体，其余称为泛音晶体。14:2716CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg石英晶体等效电路其中C0晶体静态电容,Cg:基频等效电容,Lg:等效电感,Rg:等效电阻,一般:Lg很大（高频约5mH、低频300H）,Cg值很小（0.01～0.2pF）,Rg为几十～几百欧，Q值可达百万(106)量级14:2717CoCgLgRg2,串,并联谐振频率串联谐振频率:ggqLC21f并联谐振频率:)21(121ogqoqqgogogpCCfCCfCCCCLf一般ogCC=(0.002---0.003)3,晶体谐振器电抗特性Xqfqfp电容性电容性电感性fXqO国产B451MHz中等精度晶体的等效参数如下：Lq=4.00H，Cq=0.0063pF，rq≤100～200Ω，Co=2～3pF。因而晶体的品质因数Qq很大，一般为几万至几百万qqqqqqq1CLrrLQ≥（12500～25000）14:2718CLJTC1C2JT二,晶体振荡器电路(CircuitofCrystalOscillators)并联型晶体振荡器:晶体以电感元件方式接入振荡电路,振荡频率pqfff串联型晶体振荡器:晶体以低阻抗方式串接在晶体与晶体管之间,振荡频率qff1,并联型晶体振荡器(PARALLELCRYSTALOSCILLATORS)这类晶体振荡器的振荡原因和一般反馈型LC振荡器相同,只要把晶体置于反馈网络和振荡回路中,作为一个感性元件,并与其它回路元件一起按照三点式电路的基本准则组成三点式振荡器.常用的有两种基本类型:PierceOcsillators(c---b)型振荡器MillorOcsillators(b---e)型振荡器14:2719ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc二,晶体振荡器电路(CircuitofCrystalOscillators)(1)Pierceocsillators1.电路结构右图为典型的并联晶体振荡器,晶体接在集电极与基极之间,振荡器工作频率为f,且有psfff,晶体呈电感性,相当于Clapp电路.C1,C2即是谐振回路的一部分,又构成反馈回路.C3即作为减弱晶体管与晶体间的藕合电容,也作为振荡频率的微调电容.晶体C1C2JTC314:2720LqrqCqCoCLLqCqrqCoC1C2C3gmubeg3ieLoqqLoLoqqqLoqLoqqoCCCCCCCCCLCCCCCCL11)(1利用二项式展开,并忽略高次项可得:))(21(LoqqoCCC另外由右图可以看出,晶体管与晶体之间的接入系数为:qLoqCCCCp由于Co+CL+CqCq,故晶体管与晶体振荡回路之间的藕合很松,减少了电路不稳定因素对晶体振荡回路的影响,提高了振荡回路的稳定性.2电路的谐振频率的估算:14:2721C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JT二,晶体振荡器电路(CircuitofCrystalOscillators)（2）MillorOscillator晶体接在基极与发射极之间该电路实质上是个双回路振荡电路,L1,C1是集电极回路元件,由于基极与发射极之间接入感性元件的晶体,根据相位平衡条件的判断准则,集电极回路必须等效为感性.可变电容C1作为集电极回路的调谐电容,可调高回路的固有谐振频率1f,使01ff,另外C1的改变也可改变振荡幅度的大小,又由于晶体被晶体管的低输入阻抗所并联,降低了有载QL值,所以稳定度较低,故不如Pierce电路.14:2722C1C2C3JTLRb1Rb2RcReC