正弦波振荡器

1第4章正弦波振荡器2扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声,其形成的过程如图所示。扩音机扬声器话筒自激振荡现象常见的自激振荡现象3本章知识点及结构正弦波振荡器工作原理（功能？如何实现功能？）4.1-4.2性能指标（有哪些？如何计算或评价）4.5，及穿插在4.3，4.4，4.6，4.7电路构成（有哪几部分？不同形式电路的优缺点比较？）4.3，4.4，4.6，4.74本节问题：1、正弦波振荡器在无线收发系统中的位置?2、振荡器的实质？与放大器实质有何不同？4、评价振荡器性能的主要技术指标？4.1概述3、振荡器的种类？5一、正弦波振荡器的应用与位置1.在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。2.在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个“本地振荡”信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。6783.在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多包含有振荡器。例如高频信号发生器、音频信号发生器、Q表以及各种数字式测量仪表等。4.在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。9二、振荡器的实质(能量转换器件)在没有外加信号的情况下，自动地将直流电源的能量转换为一定波形的交流振荡能量的装置。——自激振荡放大器的实质(能量转换器件)在外加信号的激励下,将直流电源的能量转换为交流能量。PK101.“反馈式振荡器”和“负阻式振荡器”两大类从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，我们只讨论反馈式振荡器。2.RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器按选频网络（元件组成）来看3.正弦波振荡器与非正弦波振荡器按振荡器所产生的波形来看本书只介绍LC正弦波反馈式振荡器。主要讨论正弦波振荡器的基本原理。将详细分析各种正弦波振荡器的振荡与稳频原理，并对几种典型振荡电路进行分析。三、振荡器的种类11四、评价振荡器性能的主要技术指标？（1）振荡频率（2）频率稳定度不同类型的振荡器所适宜的工作频段12Review1、什么是反馈？2、正反馈PK负反馈？3、负反馈在放大器设计中的作用？稳定放大电路的工作点和放大倍数减少非线性失真抑制噪声、扩展频带调节和控制放大器的输入和输出阻抗13基本放大电路A反馈网络Fxi净输入量xid正向传输反向传输xf反馈量输出量xo(a)14一、从调谐放大电路到自激振荡电路二、维持自激振荡的两个条件（即振荡的平衡条件）三、振荡的起振条件（即通电之初，振荡是如何建立起来的？）四、振荡的稳定条件4.2反馈型正弦波自激振荡器原理15图为调谐放大器电路，输入信号经互感M1耦合，加到晶体管基极和发射极之间，以ube表示，在谐振回路两端得到已经放大的信号uce，再经过互感M2从线圈次级得到输出信号uo，如果把uo再送回到输入端，若uo的相位和大小同原来的输入信号ui一样，就成为自激振荡器了。一、从调谐放大到自激振荡16正弦波反馈振荡器主要由三个部分构成电源有源器件选频网络反馈网络根据反馈网络互感反馈振荡器：由互感构成反馈网络电感反馈振荡器：由电感构成反馈网络电容反馈振荡器：由电容构成反馈网络17图4-3互感反馈振荡器18二、产生自激振荡的两个条件——振荡的平衡条件360FKn1KF19两个平衡条件1.反馈必须是正反馈即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。其中——总相移，n——整数。2.反馈必须足够大如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不会产生振荡了，在图4-3电路中，可以调整M、L的数值以及放大量来实现这一要求。满足振荡的幅度平衡条件为：KF=1自激振荡平衡条件的复数表达式为：360FKn1FK20在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极LC振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。三、振荡的建立和起振条件振荡器的初始激励21图4-3互感反馈振荡器22由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：12(1,1,)KFKFnn1KF其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。KF＋+–vi+–vo振荡的起振条件23起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放大—选频—反馈—再放大等多次循环，于是一个与振荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。三、振荡的建立和起振条件24振荡的幅度会不会无止境增长下去？由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。2526四、振荡器平衡状态的稳定条件27所谓平衡状态的稳定条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。振荡器的平衡条件为1KF1()2(1,1,)()KFKFnn振幅平衡相位平衡在平衡状态下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使振荡器得以维持。28放大器增益K与晶体管输入电压幅度Vbe之间的关系叫振荡特性，F与Vbe之间的关系叫反馈特性。K0QVbeQ反馈特性振荡特性VbeF1软激励起振特性分析：1）振幅稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件29在实际设计中，如果设计不当，振荡特性可能不是单调下降的，而如下图所示。其静态工作点太低，ICQ太小，因而K0太小，以至不满足。这种振荡器电路一般不能自行起振，而必须给以一个较大幅度的初始激励，使动态点越过不稳定平衡点B才能起振，这叫硬激励起振，设计电路要力加避免。VbeK0F1F1KBQ硬激励起振特性01KF30分析：2）相位稳定条件31小结：振荡器平衡状态的稳定条件形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即omomomQKVVV02)相位稳定条件1)振幅稳定条件相位稳定条件指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；若能建立则仍能保持其稳定的振荡。相位稳定条件应为032一、电容反馈三点式振荡器（考毕兹振荡器）二、电感反馈三点式振荡器（哈特莱振荡器）三、三点式LC振荡器相位平衡条件的判断准则（重点）4.3三点式LC振荡器（重点）33一、电容反馈三点式振荡器（考毕兹振荡器）二、电感反馈三点式振荡器（哈特莱振荡器）1、电路结构2、验证相位平衡条件1、电路结构2、验证相位平衡条件三、总结出：三点式LC振荡器相位平衡条件的判断准则分析思路：342、相位平衡条件3、起振条件4、振荡频率一、电容反馈三点式振荡器（考毕兹振荡器）1、电路结构（对应电路名称的来历）35假定在晶体管的b、e间有一输入信号，当振荡频率等于LC回路谐振频率时，与反相，电流滞后于90度。C2上的反馈电压滞后电流90度，故与同相，满足相位平衡条件。beUceUbeUIceUIfUbeU363、起振条件关键问题：求出放大倍数K和反馈系数F，看它们的乘积是否大于1？37图中：RS—晶体管输出电阻；Co—晶体管输出电容；Ri—晶体管输入电阻；Ci—晶体管输入电容；R0—回路谐振电阻be1oce2iUCCFUCC,CCC,')(1o1)(2i2'CCC''CCF2138现把各元件都折合到c-e端。22S0i111FRRnRR)('2'1'2CCCnCe间总的电阻：放大器的放大倍数：iicbIRRKIRR39现把各元件都折合到c-e端。起振条件：如果则回路损耗可以忽略，得通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失真严重，F都选得较小，大约在0.01~0.5之间，iRRK1iFRRFKi2011sRFFRnRS02RRnFFRR1SiFRR1ci'1'20iCCRR22S0i111FRRnRR)('2'1'2CCCn40其中01212112π2πfCCLCLCC'2'1'2'1CCCCC01o2i12oi1()()CCCCLCCCC4.振荡器的振荡频率f0412、相位平衡条件1、电路结构（对应电路名称的来历）二、电感反馈三点式振荡器（哈特莱振荡器）3、起振条件4、振荡频率42三、LC振荡器相位平衡条件的判断准则X1+X2+X3=0,|X1+X2|=|X3|1、晶体管发射极所接的两个电抗元件性质相同,而不与发射极相接的回路元件,其电抗性质与前者相反.2、谐振频率满足:|X1+X2|=|X3|43电容反馈三点式（考毕兹）电感反馈三点式（哈特莱）反馈电压取自反馈元件对高次谐波呈现的阻抗特性输出波形振荡频率优点444.4改进型电容三端式振荡器电路一、串联改进型电容三点式振荡器——克拉泼振荡器二、并联改进型电容三点式振荡器——西勒振荡器一、串联改进型电容三点式振荡器——克拉泼振荡器C1C2CiCoL1212()()oioiCCCCCCCCC1.当工作环境改变或换管子时，频率及频率稳定度受到影响。2.频率调整不方便C1C2CiCoLC3LC10iCCCCCC20131111若选C3C1,C3C2，则3CC301LC反馈系数：iCCCCF201C1C2LC3RR’R：LC电路的谐振电阻。R’：折合到ce间的电阻，即放大器的交流负载电阻。RR'2n21L301'LCQRRce1、如果C1、C2过大，则振荡幅度就太低。2、当减小C3来提高振荡频率f0时，振荡幅度显著下降；当C3减小到一定程度时，可能停振。因此，限制了f0的提高。3、用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率增加而下降，在频段范围内幅度不平稳，频率覆盖系数不大，约为1.2-1.3。,)(22122CCCCCCCCCn46二、并联改进型电容三点式振荡器——西勒振荡器1.振荡频率：LC1032011111CCCCCCCi•若选C3C1,C3C2，则3CCCC1C2CiC0LCC3472.折合到晶体管输出端的谐振电阻RnR2'求出分压比n])())((1[1])(1[1)(23231'23'231'23'23'1'23'23iioCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCn48改变C时，n、L、Q都是常数，则仅随一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，使在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大，可达1.6~1.8。另外，西勒电路频率定性好，振荡频率可以较高。因此，在短波、超短波通信机，电视接收机等高频设备中得到广泛的应用。R0由上式可知，n和C无关，当调节C来改变振荡频率时，n不变。把R折合到c-e端，LnQRnR02'494.5振荡器的频率稳定问题一、振荡器的频率稳定度二、造成频率不稳定的因素三、稳频措施fff0000fffff1.绝对频率稳定度2.相对频率稳定度一、振荡器的频率稳定度51二、造成频率不稳定的因素1.客观原因：外界温度变化，使LC参数、晶体管参数不稳定；电源不稳定，引起振荡器工作点变化、晶体管参数变化。2.主观原因：电路结构本身的不稳定（如：哈特莱振荡器的频率稳定性不如考毕兹振荡器）521.振荡器置于恒温箱内；或屏蔽振荡器；或使之远离干扰源。2.采用良好的稳压电源供电3.提高振荡回路的品质因数4.减小负载（或下一级电路）对振荡器的影响方法：振荡器后加缓冲级5.采用稳定性好的振荡电路三、稳频措施53缓冲级1.作用：隔离（或减弱）其后一级电路对其前一级电路的影响。2.构成电路：一般为射级跟随器（即共集电极放大器）。因为该电路输入电阻高，可减小放大器从前级所取的信号电流；而，它的输出电阻低，可减小负载变动对前级的影响。544.6石英晶体谐振器一、石英晶体谐振器的等效电路二、石英晶体的阻抗特性三、石英谐振器频稳度高的原因55一、石英晶体谐振器的等效电