通信电路与系统-第三章

第三章第三章振荡电路振荡电路第三章第三章振荡电路振荡电路北京理工大学本章主要内容本章主要内容†3-1LC正弦波振荡器†32LC正弦振荡电路的频率稳定性†3-2LC正弦振荡电路的频率稳定性†33石英晶体振荡器†3-3石英晶体振荡器北京理工大学2本章学习重点本章学习重点†正反馈起振与平衡的原理、条件†基本型LC三点式振荡器的原理与分析†改进型LC三点式振荡器的原理与分析†晶体振荡器原理北京理工大学3谐振功率放大器(第二章)vs.振荡电路(第三章)谐振功率放大器(第二章)vs.振荡电路(第三章)谐功放大弦波荡†谐振功率放大器与LC正弦波振荡器的共同特点：1大多情况下工作于丙类工作状态1、大多情况下，工作于丙类工作状态2、负载都是并联LC谐振回路2、负载都是并联LC谐振回路¾带通滤波器¾正反馈网络3、都是非线性电路北京理工大学43-0本章知识点脉络30本章知识点脉络1、在谐振放大器中引入正反馈，以自激方式产生振荡电压（正反馈的原理；自激条件；振荡电路结构）（正反馈的原理；自激条件；振荡电路结构）2、基本型LC三点式振荡器建立正反馈振荡基本理论⇓（三点式振荡器组成原则；LC电容/电感三点式振荡器分析，考比兹、哈特莱）如何提高振荡器输出信号的频率稳定性建立基本的振荡电路概念⇓如何提高振荡器输出信号的频率稳定性（影响频稳度的因素与改进频稳度的措施）提高频稳度的电路措施⇓提高频稳度的电路措施⇓3、改进型的LC三点式振荡器（振荡器组成特点、原理分析，克拉泼、西勒）继续提高频稳度的电路措施⇓4、晶体振荡器（晶体谐振特性；基音与泛音晶振）继续提高频稳度的电路措施⇓北京理工大学5（晶体谐振特性；基音与泛音晶振）3-1LC正弦波振荡器3-1-1反馈型振荡器的工作原理31LC正弦波振荡器引入“反馈”的放大器：要么负反馈放大；要么正反馈自激主放大器反馈网络＋＋＋主放大器反馈网络＋－＋－＋－iU.fU.oU.iouoUUA=ofUUB=＋－SU.＋－fU.闭环增益：)()(1)()(/)(1)(/)()()()()()()(ωωωωωωωωωωωωωjBjAjAjUjUjUjUjUjUjUjUjUjAuouoifiofioSouf−=−=−==环路增益或回归比：BAjjuouoifeBeAjBjAjUjUjTφφωωωωω⋅===)()()()()(北京理工大学63-1LC正弦波振荡器3-1-1反馈型振荡器的工作原理31LC正弦波振荡器¾振荡器的起振条件：)210(2+nnπφφφ相位条件),2,1,0(2L==+=nnBAπφφφ1×=BATuoo相位条件：幅度条件：在起振阶段，振荡输出电压从无到有、从小到大建立起来，反馈电压Uf要大于净输入电压Ui；总相移应满足正反馈的要求；上电瞬间，集电极电流波形非常杂乱，正是这些“杂乱波形”包含了丰富的频率分量，其中就包含有谐振频率分量，该分量经正反馈选频放大，振荡电压才得以逐步建立起来北京理工大学73-1LC正弦波振荡器3-1-1反馈型振荡器的工作原理31LC正弦波振荡器¾振荡器的平衡条件：)210(2+φφφ相位条件),2,1,0(2L==+=nnBAπφφφ1=×=BATuoo相位条件：幅度条件：反馈电压Uf与净输入电压Ui幅度和相位完全相等，振荡电路工作处于稳态或平衡状态；可以不需要输入电压源Us而维持振荡电压输出；自激产生的交流振荡输出电压，是经过放大器这一换能装置将自激产生的交流振荡输出电压，是经过放大器这换能装置将直流电源能量换成了交流输出能量北京理工大学83-1LC正弦波振荡器3-1-1反馈型振荡器的工作原理31LC正弦波振荡器¾振荡频率的确定在谐振频率附近并联谐振回路相频特性(第二章知识)为在谐振频率附近，并联谐振回路相频特性(第二章知识)为]2arctan[]2arctan[]2arctan[0fffQffQQPPP−−=Δ−=Δ−ωω000ffω此即为主放大器引入的相位：2]2arctan[200πφπ−−=−fffQPA0f考虑到通常情况下，反馈网络引入的相位：0=Bφ起时位条根据振荡的起振/平衡时的相位条件),1,0(2L==+=nnBAπφφφLCffgπ210==振荡频率北京理工大学9LCπ23-1LC正弦波振荡器3-1-1反馈型振荡器的工作原理31LC正弦波振荡器CCV+L¾振荡过程：1BR1CcCL正是直流负反馈确保管子最终工作在丙类情上电时刻起振阶段[暂态]平衡阶段[稳态]↓2BRbCRFC2C3CLR正是直流负反馈确保管子最终工作在丙类情况，确保了振荡器的平衡状态时刻[暂态]平衡阶段[稳态]↓随着输出幅度的变大，正反馈到输入的电压也在增大，直到eRt到输入的电压也在增大，直到晶体管工作在大信号非线性状态，特别是进入截止区，放大器将工作在丙类状态，放大器itjtst0器将工作在丙类状态，放大器的增益将逐渐下降，最终输出幅度平衡在某一固定值上北京理工大学103-1LC正弦波振荡器3-1-2电路组成原则31LC正弦波振荡器¾根据反馈网络形式，反馈式LC振荡器可分为：互感耦合(变压器)反馈式振荡器；()电容或电感反馈三点式振荡器¾三点(三端)式振荡器的振荡回路¾三点(三端)式振荡器的振荡回路bb电容三点式电感三点式ebecc振荡回路的三个抽头分别与振荡管的三个极e、b、c相连北京理工大学11振荡回路的三个抽头分别与振荡管的三个极e、b、c相连3-1LC正弦波振荡器3-1-2电路组成原则31LC正弦波振荡器¾晶体管功率放大器的特点†共射放大器：输入-输出反相，电压增益1参考点：射极；输入：基极；输出：集电极†共集放大器：输入-输出同相，电压增益1参考点：集电极；输入：基极；输出：射极参考点：集电极；输入：基极；输出：射极†共基放大器：输入-输出同相，电压增益1参考点：基极；输入：射极；输出：集电极XceXcb无论放大器是何组态(共基/共射/共集),就交流电压的瞬时极性而言：射极与集电极相位相同;Xeb射极与集电极相位相同;基极与射极相位相同;基极与集电极相位相反北京理工大学123-1LC正弦波振荡器3-1-2电路组成原则31LC正弦波振荡器¾三点式振荡器的电路组成原则UbUcXceXcb电流b既然基极与集电极相位相反,有bcAUU−=反馈电压bebcebfUXXAUXXU=−=Xeb流IceceXX为了确保正反馈，Uf与Ub必须同相，所以和必须为同性电抗UfXeb和Xce必须为同性电抗考虑到回路应处于谐振状态，有)()(ceebcbcbceebfcXXXIXXXIUU+−=⇒−=+=−即，Xcb与Xeb和Xce必须为异性电抗北京理工大学133-1LC正弦波振荡器3-1-2电路组成原则¾三点式振荡器的电路组成原则31LC正弦波振荡器与发射极相连的两个电抗元件(Xce,Xeb)为同一性质，而与基极－集电极间连接的另一个电抗元件(X)应为不同性质¾三点式振荡器的电路组成原则基极－集电极间连接的另一个电抗元件(Xcb)应为不同性质1.对于电容三点式振荡器b谐振时满足谐振频率LXCXCXcbebce0201011ωωω=−=−=ec1谐振时满足:Xce＋Xeb＋Xcb=0,谐振频率212121CCCCLfg+=π12.对于电感三点式振荡器b谐振时满足:Xce＋Xeb＋Xcb=0,谐振频率CXLXLXcbebce020101ωωω−===ec)(21LLCfg+=π北京理工大学14)(221LLC+π3-1LC正弦波振荡器3-1-3基本三点式振荡电路直流等效电路交流等效电路31LC正弦波振荡器A.直流等效电路vs.交流等效电路¾直流等效电路用于合理选择功率晶体管的静态工作点，使其工作在线性放大区¾直流等效原则：电容和电感视为理想元件，电容开路，电感短路作在线性放大区路¾交流等效电路是指在振荡频率上对振荡电路的等效；交流等效电路中的电抗(电感与电容)是在振荡频率上呈现的电抗¾交流等效原则：电容按照电容值大小和功能分为耦合电容和回路电容，耦合电容短路，回路电容保留；电感按照电感值大小和功能分为射频扼流圈(RFC)和回路电感射频扼流圈开路回功能分为射频扼流圈(R.F.C.)和回路电感，射频扼流圈开路，回路电感保留¾¾振荡器中的直流反馈是振荡器中的直流反馈是负反馈负反馈，而对交流信号的反馈为，而对交流信号的反馈为正反馈正反馈北京理工大学15振荡器中的直流反馈是振荡器中的直流反馈是负反馈负反馈，而对交流信号的反馈为，而对交流信号的反馈为正反馈正反馈3-1LC正弦波振荡器3-1-3基本三点式振荡电路直流等效电路交流等效电路31LC正弦波振荡器A.直流等效电路vs.交流等效电路RCCV+CLRCCV+CL直流等效电路1BR1CcC1BR1CcC直流等效电路2BRbCRFC2C3CLR2BRbCRFC2C3CLReReR北京理工大学163-1LC正弦波振荡器3-1-3基本三点式振荡电路直流等效电路交流等效电路31LC正弦波振荡器CCV+LA.直流等效电路vs.交流等效电路1CcCL1BRRCCV+CLbCRFC2C3CLR2BR1BR1CcCRFCeR2BRbCRFC2C3CLRC3C1LeRC3C2北京理工大学173-1LC正弦波振荡器3-1-3基本三点式振荡电路电容反馈三点式振荡电路考比兹振荡器31LC正弦波振荡器B.电容反馈三点式振荡电路(考比兹振荡器)¾起振所需放大器参数的近似计算为晶体管跨导，，式中益小信号工作时的电压增mPmPmiouogGgRgUUA===为负载电导，为振荡回路的固有电导，LLoLoPRGGGGG/1=+=UoA1根据起振的幅度条件C3C1LUiRLPPmuoGCGgBA)1(12+=⇒，根据起振的幅度条件：C2PmCBg)(1北京理工大学183-1LC正弦波振荡器3-1-3基本三点式振荡电路31LC正弦波振荡器B.电容反馈三点式振荡电路(考比兹振荡器)‹共基和共射组态的振荡器:反馈系数012505放大增益A1反馈系数=0.125~0.5；放大增益Au01‹共集组态的振荡器:反馈系数1；放大增益A1反馈系数1；放大增益Au01C.电感反馈三点式振荡电路(哈特莱振荡器)实际中特别是高频振荡般不使用该电路实际中，特别是高频振荡，一般不使用该电路¾电感元件对谐波的反馈要比电容强，容易造成输出谐波分量增加使输出正弦波失真增加，使输出正弦波失真¾晶体管结电容并联在电感线圈上，在频率较高时结电容影响很大，可能使电路不能起振北京理工大学193-1LC正弦波振荡器3-1-3基本三点式振荡电路D振荡器的偏置问题31LC正弦波振荡器D.振荡器的偏置问题起振时：给晶体管以正向偏置，管子处于放大区,这时的振荡器将处于“软激励状态”,否则为“硬激励状态”处于软激励状态,否则为硬激励状态平衡时：应避免晶体管进入饱和区工作，因为在饱和区时，直接与LC回路耦合的发射结与集电结均为正偏，极间阻抗很低，使路有载值严重下降选频效果降低输出波形失真PPRRQLCRQ/1+==使回路有载QP值严重下降，选频效果降低，输出波形失真RL,QPLRRL/1+‹晶体管应设置相对较小一些的正偏，既有利于起振，也能保证振幅增大后，在一个振荡周期内，部分时间管子处于截止区、另外的时间内处于放大区，而不会进入饱和区；这时的振荡器将处于“截止平衡状态”‹通常振荡管集电极静态电流IQ=(0.5~4)mA北京理工大学20‹通常振荡管集电极静态电流IeQ(0.54)mA3-1LC正弦波振荡器3-1-3基本三点式振荡电路例题31LC正弦波振荡器例题10.01μFC=已知210μHL=1200μHL=210μHL2300pFC=试求：试求：（1）画出交流等效电路；（）振荡频率-12V（2）振荡频率；（3）反馈系数值北京理工大学213-1LC正弦波振荡器3-1-3基本三点式振荡电路例题31LC正弦波振荡器例题解:(1)交流等效电路根据等效原则即耦合电容(C1C3C310nF0.3nF200H根据等效原则，即耦合电容(C1,C3,C4)短路，回路电容(C2)保留；射频扼流圈开路(L3)，回路电感(L1,L2)保留忽