高频电子线路Chapter6正弦波振荡器(已排)11

Chapter6正弦波振荡器6.1概述6.2反馈型振荡器基本工作原理6.3反馈型LC振荡器线路6.4振荡器的频率稳定问题6.5石英晶体振荡器6.6其他形式的振荡器本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量电路。振荡器的分类：按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器按选频网络所采用的元件分：LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型6.1概述本章主要讨论反馈型正弦波振荡器的基本工作原理振荡器的起振条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡稳定条件正弦波振荡器三端电路的判断准则正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来，如右图。+–vfvoLC+–+viK12Rb2ReCe+VCCM+–自激振荡建立的物理过程若开关K拨向“1”时，该电路则为调谐放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器L2上的电压为vf，调整互感M及同名端以及回路参数，可以使vi=vf。此时，若将开关K快速拨向“2”点，则集电极电路和基极电路都维持开关K接到“1”点时的状态，即始终维持着与vi相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。6.2反馈型振荡器基本工作原理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。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。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。反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成：1)包含两个(或两个以上)储能元件的振荡回路。2)可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。3)使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。振荡器的起振条件AF＋+–vi+–vo基本反馈环FA1AAoof0VVVAfioo如右图：若在某种情况下1-=0时，此时即使没有输入信号(vi=0)时，放大器仍有输出电压放大器变为振荡器。FAo要维持一定振幅的振荡，反馈系数F应设计得大一些。一般取81~21这样就可以使得在＞1时的情况下起振。FAoofvvF由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：),1,0(21nnFAFAoFAo1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。振幅起振条件相位起振条件CbRbReCcCL+VCC(vf)VEBvfvs–+IBOIEO+–ReicoVBVBicoICQebebotICQt自给偏压使工作点下移(b)Q起振过程中偏置电压建立的过程振荡器的平衡条件所谓平衡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FA)(),1,1(2)(1相位平衡振幅平衡nnAFFA=1在平衡条件下，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。所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必需看平衡状态是否稳定。振荡器平衡状态的稳定条件两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念BQ1F1F假定由于某种因素使振幅增大超过了VomQ，可见这时A＜即出现AF＜1的情况，于是振幅就自动衰减而回到VomQ。反之，当某种因素使振幅小于VomQ，这时A＞，即出现AF＞1的情况。于是振幅就自动增强，从而又回到VomQ。因此Q点是稳定平衡点。，1)振幅平衡的稳定条件A0QVomQ反馈特性振荡特性VomF1B点的平衡状态是不稳定的。由于在Vom＜VomB的区间，振荡始终是衰减的，因此，这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个大于VomB的冲击信号，使其冲过B点，才有可能激起稳定于Q点的平衡状态。这样的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。VomA0F1F1ABQ如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向偏置，而且反馈系数F又较小时，可能会出现另一种振荡形式。这时A=F(Vom)的变化曲线不是单调下降的，而是先随Vom的增大而上升，达到最大值后，又随Vom的增大而下降。因此，它与1/F线可能出现两个交点B与Q。这两点都是平衡点。放大器增益A与输出电压幅度Vo之间的关系叫振荡特性，F与Vo之间的关系叫反馈特性。起振的幅度条件可用右上图表示。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，而如右下图所示。其静态工作点太低，ICQ太小，因而A0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。A0QVomQ反馈特性振荡特性VomF1起振条件与平衡条件图解(软激励起振)VomA0F1F1ABQ硬激励起振特性F1A0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omQomomVVVA02)相位平衡的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。振幅平衡的稳定条件工作于非线性状态的有源器件(晶体管、电子管等)正好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。)dtd(如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压一个相角,相位超前就意味着周期缩短,频率不断地提高。反之，如果为负，即滞后于原输入电压同理将导致频率的不断降低。从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相位的变化关系可表示为＞0相位稳定条件应为0)(FZY或为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为写成偏微分形式，即＜0＜0由于Y和F对于频率变化的敏感性一般远小于Z对频率变化的敏感性，即ZYZFZ因此，0振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线Z=f()在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳定条件。事实上，并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率，如图所示。因而LC并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。Z–YFoo2YFYFYFo2o2–ZYFQ2Q1Q1Q21o1o1Z=–(Y+F)=–YF如YF增大到YF，即产生了一个增量YF，从而破坏了原来工作于o2频率的平衡条件。这种不平衡促使频率o2升高。由于频率升高使谐振回路产生负的相角增量–Z。当–Z=YF时，相位重新满足=0的条件，振荡器在o2的频率上再一次达到平衡。但是新的稳定平衡点o2=o2+o2。毕竟还是偏离原来稳定平衡点一个o2。纵坐标也表示与Z等值异号的YF相角LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。本部分内容重点介绍不同型式的反馈型LC振荡器，以三点式振荡器作为重点。互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振条件很重要。互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。6.3.1互感耦合振荡器6.3反馈型LC振荡器线路由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。VCCRb1Rb2CbCeMCL1L2ReL(a)调基电路调基电路调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。v1Rb1Rb2ReCbCeVCCCM（b）调集电路LL1由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基和调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。VCCRb1Rb2RoCbCeMCL2L1（c）调发电路互感耦合振荡器在调整反馈(改变M)时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。根据h参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率LC1211hhLC121fio起振条件：MhLChbihf＞其中为L中的损耗电阻，h=h0hi–hfhr显然，M与hf越大，越容易起振。三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为10–3~10–4量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。三端式LC振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)；电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)；串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)；并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则)6.3.2三端式LC振荡器v1Rb1Rb2Cb＋VCCCLL1L2CeRe(a)共发电感反馈三端式振荡器电路v1CN1N2L1L2–+–++vivf(b)等效电路由h参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件MLMLRhRFh21piepiepfeieRhhhfe＞＞电感反馈三端电路的振荡频率为LC121)MLL(hh)M2LL(C121f221ieoe210电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路)MLMLF12iepfehRhApoeoeR1hhF值过小，A0F＞1不易满足；F值过大，L2+M由图可知，F，L2+M接入系数Pbe=管子输入阻抗Zi折合到cb的阻抗cb回路的Q值减小Rp，M2LLML2122beiiPZZCZiL1L2ecZibF不能取得太小，也不能取得太大，否则振荡条件均难以满足。即要求的hfe加大，难于起振，同时影响了振荡波形产生失真。MLMLF12哈特莱电路的优点：1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；电路的缺点：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太小且分布参数的影响太大。2、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。3、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。电容反馈三端振荡器(考毕兹电路)v1CbReCe＋VCCLRsCcC1C2v1C1C2–+–++Lvivf电容三端式振荡电路（a）（b）可推导电容反馈三端电路的起振条件12pieCCRhpfeieRhhhfe＞＞电容反馈三端电路的振荡频率21ieoe21210C