3-正弦波振荡器解析

第三章正弦波振荡器重点反馈式振荡器的基本工作原理，起振与平衡条件三点式振荡器的组成原则及电路分析方法晶体振荡器的分类及分析方法难点起振与平衡条件分析三点式振荡器的分析判断方法概述一、振荡器的功能无输入信号情况下，将直流电源的能量转换成按特定频率变化的交流信号的能量二、振荡器分类§3.1反馈振荡器的工作原理放大器选频网络反馈网络•放大器：具有放大能力的有源器件。它的作用是不断地向振荡系统补充能量，以维持等幅振荡并输出给负载。•选频网络：由储能元件组成。选频网络决定振荡频率。•反馈网络：控制能量补充的正反馈网络。该网络控制能量适时、适度地补充给振荡系统。一、基本构成1.当刚接通电源时，振荡电路中各部分总是会存在各种电的扰动，它们包含了非常多的频率分量。2.由于选频网络的选频作用，只有频率等于振荡频率fO的分量才能被送到反馈网络。3.通过反馈网络送到放大器输入端的频率为fO的信号，就是原始的输入电压。4.该输入电压被放大器放大后，再经选频和反馈网络，得到反馈电压再送到放大器输入端。该输入电压（即反馈电压）与原输入电压相位相同，振幅增大。这样，经放大、选频和反馈的反复循环，振荡电压振幅就会不断增大。二.振荡的建立过程5.随着振幅的增大，放大管进入大信号的工作状态。当振幅增大到一定程度后，由于晶体管的自限幅作用，放大倍数A将下降（反馈系数F一般为常数），于是环路增益AF逐渐减小，输出振幅Uom的增大变缓，直至AF=1时，反馈电压振幅与原输入电压振幅相同，电路达到平衡状态，于是振荡器就输出频率为fO、且具有一定振幅的等幅振荡电压。这样，一个微弱的电扰动就能使振荡器建立起自激振荡。AuFu=1uouiuf平衡条件iouuAuofuuFu放大器Au反馈网络FuUoUfUi1/FuOuiuoAuuoAuFu1AuFu1Ui1Uo1Uf1Ui2Uo2Uf2Ui3Uo3Uf3Ui4Uo4ufuf起振稳幅起振条件1FA1FAAuFu=1三．振荡器的平衡条件和起振条件起振条件：1AF1AF平衡条件：振荡两个条件中，关键是相位平衡条件，如果电路不能满足正反馈要求，则肯定不会振荡。至于振幅条件，可以在满足相位条件后，调节电路的参数来达到。判断相位条件，通常采用“瞬时极性法”。1FA1FA振幅条件：相位条件:相位条件:振幅条件：四.振荡器的平衡稳定条件当平衡破坏时，振荡器能自动恢复平衡的条件：1.振幅平衡稳定条件：AF对Ui的变化率为负值：由于F一般为常数，当Ui减小时，放大器的A增大；Ui增大时，放大器的A减小。这个条件可以通过正确设置放大器的工作点来满足。如前述振荡建立曲线所示。2.相位平衡稳定条件：相位对频率的变化率为负值：当f发生变化时，产生一个新的、反方向的相位变化。对于反馈式正弦波振荡器，相位平衡稳定条件一般都能够满足。振荡频率的稳定度=tff/0max五.频率准确度与稳定度频率准确度绝对频率准确度：相对频率准确度：Δf＝f－f0频率稳定度（时间间隔）一、影响频率稳定度的因素1.振荡回路参数对频率的影响振荡频率2.回路品质因素Q值对频率的影响。Q值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。3.有源器件的参数对频率的影响振荡管为有源器件，若它的工作状态(电源电压或周围温度等)有所改变，也会引起振荡频率的改变。（a）低Q曲线f△Φ-△f(b)高Q曲线fΦ△Φ△fLCfo21二、振荡器稳定频率的方法1.减小外因变化，根除“病因”1)减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；2)减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。3)减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。4)减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。5)消除机械振动的影响通常可加橡皮垫圈作减振器。2.减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲器。3.优化设计，选用优质元器件，提高回路Q值；本级采用低阻抗输出等。一、变压器反馈式振荡器变压器反馈式振荡电路,又称互感耦合振荡电路,它是利用变压器耦合获得适量的正反馈来实现自激振荡的。§3.2LC正弦波振荡器1、相位平衡条件在放大电路的输入端加信号,回路谐振时,U0与Ui反相选择变压器同名端,使反馈电路又引入180o相移，即Uf与U0反相因此Uf与Ui同相，电路满足振荡的相位平衡条件。放大器必须有选频网络（LC回路），其Q值尽量高。变压器的同名端必须保证正反馈（射同基异）。与晶体管集电极和基极相连的绕组必须互为异名端，与晶体管集电极和发射极相连的绕组必须互为同名端。2、振荡频率在Q值足够高（回路的损耗很小）的条件下,振荡电路的振荡频率就是L1C回路的谐振频率,即LCf2103、起振的振幅条件rCrbeM＜＜L式中M为绕组L1与L2之间的互感系数,rbe为三极管b、e间的等效电阻,r为绕组L1的串联损耗电阻。显然，选用β大的三极管和增大管子的静态电流（减小rbe）电路容易起振。4、电路特点（1）采用变压器耦合,容易满足阻抗匹配要求;（3）由于变压器分布参数的限制,振荡频率不能太高,一般小于几十MHz,且输出波形不太好。（2）C可以采用可变电容器,因而调节频率方便;5.电路形式：d.差分对管振荡器两差分对管的集电极分别接有由L1、C1、R1和L2、C2、R2组成并联谐振回路。反馈电压和输出电压分别由两管的集电极取出。图中A与D同相，环路满足正反馈特性。再调节互感M使之满足振幅平衡条件，电路便可进入振荡状态。优越性：1.负载与环路处于隔离状态，振荡器的频率稳定度和幅度稳定度都会有所提高；2.输出不含有偶次谐波，且奇次谐波成分比较小，故失真大为减小。恒流源共基共射二、三点式振荡器1.什么是三点式振荡器？cebX1X2X3晶体管有三个电极（b、e、c）分别与三个电抗性元件相连接形成三个接点故称为三点式振荡器三点式振荡器要实现振荡，必须满足相位平衡条件与振幅平衡条件.为此电路组成结构必须遵循射同它异原则.cebX3X1X2与晶体管发射极相联结的电抗X1、X2性质必须相同。即射同不与晶体管发射极相联结的另一电抗X3的性质必须与其相反。即它异遵循以上原则就能足：相位条件适当选择X1与X2的比值就能满足：振幅条件-++--+ceb电容反馈三点振荡器C1C2L由图可见:与晶体管发射极相连接的电抗性元件C1和C2为容性,不与发射极相连接段另一电抗性元件X3为感性,满足三端式振荡器的组成原则。因反馈网络是由电容元件完成的,适当选择C1与C2的比值,则可满足振幅条件,故称为电容反馈三点振荡器.三端式振荡器有二种基本电路:其一为电容三点式振荡器也称为考必兹振荡器,电路组成特点是:ceb电感反馈三点振荡器L1L2C其二为电感三点式振荡器也称为哈特莱振荡器,电路组成特点是:由图可见:与晶体管发射极相连接的电抗性元件L1和L2为感性,不与发射极相连接的另一电抗性元件C为容性,满足三端式振荡器的组成原则。因反馈网络是由电感元件完成的,适当选择L1与L2的比值,则可满足振幅条件,故称为电感反馈三点振荡器.2电感三点式振荡器由电感三点式振荡器交流通路看出,谐振回路有三个端点与三极管的三个电极相连,而且与发射极相接的是L1、L2,与基极集电极相接的是C，即满足“射同它异的原则。因此电路必然满足相位平衡条件。相位平衡条件当回路的Q值较高时,该电路的振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率,即2、振荡频率式中L=L1＋L2＋2M为回路总电感。3、电路特点优点：1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；2、振荡频率调节方便，调整电容C基本上不影响电路的反馈系数。缺点：1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，L太小分布参数的影响太大。3.电容三点式振荡器电容三点式振荡电路又称考毕兹振荡电路,其结构与电感三点式振荡电路相似,只是将电感、电容互换了位置。为了形成集电极回路的直流通路,增设了电阻RC。该电路的交流通路如右图所示。可以看出,它符合三点式振荡电路“射同基异的构成原则,满足自激振荡的相位平衡条件。相位平衡条件在LC谐振回路Q值足够高的条件下,电路的振荡频率为（2）振荡频率其中考毕兹电路的优点：1）电容反馈三端电路的振荡波形好。2）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。3）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。电路的缺点：调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。为此在L两端并上一个可变电容器调整频率，而以C1与C2固定电容确定反馈系数。此时2121CCCCCC4.改进型电容三点式振荡器电容三点式振荡器缺点：调节频率会改变反馈系数，管子的输入电容Ci和输出电容C0对振荡频率的影响限制了振荡频率的提高。（1）串联改进型电容三点式振荡器下图是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路。特点是用一电容C3与原电路中的电感L相串联后代替L，由于C3较小，与C1C2串联后，回路总电容由它决定，振荡频率也就由它来调节，C1C2仅用作确定反馈系数。C3由上式可见,振荡频率基本上与C1、C2、C0、Ci无关,因此,可选C1、C2的值远大于极间电容,这就减小了极间电容变化对振荡频率的影响,提高了振荡频率的稳定性。振荡频率302121LCLCf调节C3改变振荡频率时,不影响反馈系数。即克拉泼振荡器的振荡频率与反馈系数可分别独立调节。缺点：由上可知，C1和C2必须远大于C3,但是1、如C1、C2过大，振荡幅度就太低；2、若想减小C3以提高振荡频率，可能会停振，因此也就限制了振荡频率的提高。3、频率覆盖系数不高。一般在1.2~1.3。33211111CCCCCCCioc3（2）并联改进型电容三点式振荡器如下图是并联型三点式振荡电路,又称西勒振荡电路,它是在串联型电容三点式振荡电路的电感L旁再并接一个电容C4而构成的。而C3仍为远小于C1C2的固定电容。c4回路总电容及振荡频率分别为3421341111CCCCCCC)(2121340CCLLCf西勒振荡器的反馈系数FU和接入系数p与克拉泼振荡器相同，因此它也具有频率稳定度高和振荡频率、反馈系数可分别独立调节的优点。由于LC回路的谐振电阻R0反射到三极管集、射极间的等效负载电阻而C3＞C4,当C4变小时,变化程度不如克拉泼电路中那样显著,从而削弱了振荡幅度受频率改变的影响。因此,西勒振荡电路的频率调节范围较克拉泼电路要宽。频率覆盖率比较大，可达1.6-1.8；02343'RCCCRL3.3石英晶体振荡器1.石英晶体及其特性(1)结构及外形正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时，就在垂直于电轴的两面上产生正、负电荷，呈现出电压。负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交变电压时，晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形（伸张或压缩），称为机械振动。(2)符号及等效电路当石英晶体发生谐振现象时，在外电路可以产生很大的电流，这种情况与电路的谐振现象非常相似。因此，可以采用一组电路参数来模拟这种现象，Lq、Cq、rq分别为石英晶体的模拟动态等效电感、等效电容和损耗电阻，C0为静态电容，它是以石英为介质在两极板间所形成的电容。rq＝10～140Ω；Lq＝0.01～10H;Cq=0.004～0.1pF；C0=2～4pF。（3）石英谐振器的特点高Q值由于参数Lq很大，而Cq又很小，串联支路中的Q值达104～106谐振频率只与晶片的几何尺寸有关，所以，具有很高的频率精确度和稳定度。接入系数很小用石英谐振器构成振荡器时，外电路一般接在A、B端，即C0两端，因此接入系数很小，一般为10-3～10-4数量级；所以，石英晶体与外电路的耦合是很弱的，从而保证了石英谐振器的高Q值，因此，石英晶体振荡器振荡频率的稳定度和标准性都很高泛音