高频电子线路正弦波振荡器

第4章正弦波振荡电路正弦波振荡器的概念概念一种能量转换装置无需外加信号，自动地将直流电能转换成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流信号分类正弦波振荡器反馈式振荡器负阻振荡器非正弦波振荡器反馈振荡器的工作原理要点反馈振荡器振荡的基本原理振荡的平衡条件和起振条件1振荡的平衡条件2振荡的起振条件振荡的稳定条件1振幅稳定条件2相位稳定条件正弦波振荡电路的组成要点反馈振荡器振荡的基本原理自激振荡自激振荡现象不外接信号将输出信号的一部分正反馈到输入端以代替输入信号输出端仍有一定频率和幅度的信号输出反馈振荡器振荡的基本原理放大器A反馈网路FoUfUiUS12LR原理分析当开关S在1的位置开关由1接到2位置放大器和反馈网路构成一个闭环回路iUoUfUfiUU放大器A反馈网路FoUfUiUS12LR正弦波振荡器构成框图放大器A反馈网路FLR选频网路oUiUfU正弦波振荡器构成要点反馈振荡器结构利用选频网络筛选出所需的正弦波LC振荡器晶体振荡器放大器A反馈网路FLR选频网路oUiUfU振荡的平衡条件和起振条件振荡器的工作条件为起振条件电路开始工作时的条件平衡条件输出能够维系电路输入的条件稳定条件振荡器不易受外界干扰从而产生稳定振荡信号输出的条件振荡的平衡条件放大器A反馈网路FoUfUiUS12LRA是放大电路，放大系数为A；F是反馈电路，反馈系数为F。oiUAUfoUFUfoiUFUFAU根据振荡器平衡的要求fiUU，得出振荡器平衡的条件1AF振荡的振幅和相位平衡条件1AFAjAAeFjFFe()1AFjTAFAFe1AF振幅平衡条件相位平衡条件2AFn振荡的起振条件起振过程是从1AF到1AF的过程。起振条件可以归结1TAFCiCiBEutOOQtBEU0CI振荡的稳定条件振幅稳定条件相位稳定条件oU,ifUUOA反馈特性曲线放大特性曲线oU,ifUUO反馈特性曲线放大特性曲线90o90o(a)(b)B软激励Θ≥90°放大特性曲线斜率大于反馈特性曲线斜率，当接通电源瞬间产生的电压就会使电路从O点过度到A点oU,ifUUOA反馈特性曲线放大特性曲线oU,ifUUO反馈特性曲线放大特性曲线90o90o(a)(b)B硬激励Θ90°O点本身也是稳定的，如果接通电源时产生的信号不足够大则无法从O点过渡到B点。oU,ifUUOA反馈特性曲线放大特性曲线oU,ifUUO反馈特性曲线放大特性曲线90o90o(a)(b)B相位稳定条件0ff外界干扰不稳定不稳定稳定稳定正弦波振荡电路的组成要点(1)放大电路由三极管或集成运算放大器组成，具有足够大的电压放大倍数，以能够获得较大的输出电压(2)反馈回路必须引入正反馈，把输出信号反馈到输入端，作为放大器的输入信号(3)选频回路用于确定振荡频率，使电路中只有这种频率的信号才能满足自激振荡的条件而产生振荡正弦波振荡器的分析判断正弦波振荡器能否振荡(1)是否满足相位平衡条件(2)放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适(3)是否满足幅度平衡条件变压器反馈LC振荡器变压器反馈LC振荡器的交流通路如图所示试分析图示电路是否满足相位平衡条件iUoUfUfUoUiU()a()b(a)图电路分析共射极电路信号由发射极输入，由集电极输出输出信号在二次线圈两端形成反馈电压送回到放大器的输入端瞬时极性分析输出电压和输入电压反相根据同名端输出电压和反馈电压也反向输入电压与反馈电压同相iUoUfUfUoUiU()a()b(b)图电路分析共基极电路信号由发射极输入，集电极输出输出信号在二次线圈两端形成反馈电压送回到放大器的输入端瞬时极性分析输出电压和输入电压同相根据同名端输出电压和反馈电压反向输入电压与反馈电压反相iUoUfUfUoUiU()a()b基本组态与电压关系-瞬时极性法iUoU(a)(b)iUoU(c)iUoU-小结振荡器原理起振条件平衡条件稳定条件变压器反馈振荡器瞬时极性法LC振荡器LC振荡器要点概念以LC谐振回路作为选频网路的反馈式振荡器振荡频率由振荡回路的总电感和总电容决定基本种类变压器反馈LC振荡器三端振荡器三端振荡器基本工作原理iUoUfUI1jX2jX3jXceb1X、2X、3X组成LC谐振回路谐振时1X、2X、3X组成的LC谐振回路等效为纯电阻1X+2X+3X＝0满足相位条件则fU与iU需要同相，fU与oU反相2fUjIX1oUjIX1X、2X是相同性质3X和1X、2X是不同性质的电抗元件三端振荡器构成法则三端振荡器的构成原则“射同基反”“源同栅反”iUoUfUI1jX2jX3jXceb基本的三端振荡器电容三点式电感三点式(a)(b)(c)cbe1X3X2Xcbe1C2CLcbeC1L2L电感三点式振荡器又称为哈特莱（Hartley）振荡器iUfU(a)(b)iUfUoUCCV1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LEC2LLR1LCBRceb(c)2L1LCL电感三点式振荡器分析iUfU(a)(b)iUfUoUCCV1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LEC2LLR1LCBRceb(c)2L1LCL电阻1BR、2BR、ER为基极直流偏置电阻BC、1CC、2CC、EC分别为耦合电容和旁路、滤波电容CL为高频扼流圈1L、2L、C为振荡器的选频网络等效电路iUfU(a)(b)iUfUoUCCV1BR2BRBCERCL1CC2CCLRC2L1LEC2LLR1LCBRceb(c)2L1LCL电路的振荡频率回路总电容为C总电感122LLLM01212(2)fLLMC01212()fLLC电容三点式振荡器又称为考毕兹（Colpitts）振荡器iUoUfU(a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRER1BR1C2CLLR1C2CLC(c)BC等效电路iUoUfU(a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRER1BR1C2CLLR1C2CLC(c)BC电容三点式振荡器分析iUoUfU(a)(b)CCV1BR2BRLCC1C2CERLRER1BR1C2CLLR1C2CLC(c)BC1BR、2BR、ER为直流偏置电阻BC是基极偏置的滤波电容，CC是集电极耦合电容1BR、2BR、ER为直流偏置电阻012fLC1212CCCCC例画出图示各电路的交流通路，并根据相位平衡条件，判断电路能否产生振荡，如果能求出振荡频率。CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)等效电路CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)例CCVCR1BR2BREREC2CBC1CL15V0.033uF0.033uF1.3uH1000pF2000pF(a)2C1CL(b)1BR、2BR、ER为直流偏置电阻BC是基极耦合电容，EC是发射极旁路电容电路的总电感1.3LuH总电容由1C、2C串联，1212CCCCC012121115.421000200021.3210002000fMHzLCCCLCC例有一振荡器的交流等效电路如图4.12所示。已知回路参数11LC＞22LC＞33LC。问该电路能否起振？等效为哪种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？1L1C2C2L3L3Cf01f02f03f(a)(b)3f1f2f4f1L1C2C2L3L3Cf01f02f03f(a)(b)3f1f2f4f令010203112233111,,2π2π2πfffLCLCLC因为：112233LCLCLC，即010203ffff为振荡电路的工作频率。当01ff时，1X、2X、3X均呈感性，不能振荡。当0102fff时，1X呈容性，2X、3X呈感性，不能振荡；当0203fff时，1X、2X呈容性，3X呈感性，构成电容三点式振荡电路改进电容三点式振荡器克拉泼振荡电路(a)(b)CCVCR1BR2BRBCER1C2CLLR3CcbC3C1C2CCRLERceCbeCLRcbe3C1C2CL(c)等效电路(a)(b)CCVCR1BR2BRBCER1C2CLLR3CcbC3C1C2CCRLERceCbeCLRcbe3C1C2CL(c)克拉泼振荡器分析克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与L串联的电容3C。电容取值必须满足：31CC、32CC。不考虑晶体管输入输出电容的影响，又因为3C远远小于1C或2C，所以1C、2C、3C三个电容串联后的等效电容：123333122313121CCCCCCCCCCCCCCC031122fLCLC克拉泼电路特点克拉泼电路的振荡频率几乎与1C、2C无关随3C的减小，虽然克拉拨电路的稳定性提高，但是起振条件越来越难满足。克拉拨电路常用做固定频率或窄带的振荡器电路。席勒振荡器电路CCVCR1BR2BRBCER1C2C3C4CLLR(a)(b)ER1C2C3C4CLLR1C2C3C4CL(c)0434112()2fLCCLC例有一LC振荡电路如图所示，试分析该电路，画出电路的交流通路，并求出振荡频率。ouEEV1BR2BR1CL22uH1C2C3CERCR2CL4C6C5C7CL8C9C0.033uF0.033uF1k3000.033uF4.7k3k20pF8.2pF2.2pF5pF0.5uH10pF10pFER5C4C6C7CL8C9C(a)(b)5C4C6C7CL8C9C(c)ouEEV1BR2BR1CL22uH1C2C3CERCR2CL4C6C5C7CL8C9C0.033uF0.033uF1k3000.033uF4.7k3k20pF8.2pF2.2pF5pF0.5uH10pF10pFER5C4C6C7CL8C9C(a)(b)5C4C6C7CL8C9C(c)1CL、2C、3C构成直流电源滤波电路1BR、2BR和ER是直流偏置电路1C为基极的旁路电容，8C、9C构成输出的电容分压电路电路ec、eb间接入的都是电容、而bc间接入的是一个由69~CC、L构成的回路所以该电路属于电容三点式振荡电路回路总电感为0.5LuH回路总电容由7C并联4C、5C、6C的串联电容再并联8C、9C的串联电容7456891111511.611111111118.2202.21010CCpFCCCCC6121166220.51011.610fMHzLC小结三端振荡器构成原则基本电路电容三点式电感三点式改进振荡器克拉泼振荡器席勒振荡器集成LC正弦波振荡器E1648单片集成振荡电路V10V11V12V13V14VD2VD1V6V7V8V5V4V3V2V1V9输出14781285131413121110981234567E1648LC0.1F+5V+5V1k0.1FUo1E1648（MC1648）特性其最高频率可以达到225MHz振