高频电子线路正弦波振荡器

第4章正弦波振荡器4.1反馈振荡器的原理4.2LC振荡器4.3频率稳定度4.4LC振荡器的设计4.5石英晶体振荡器4.6振荡器中的几种现象第4章正弦波振荡器4.1反馈振荡器的原理4.1.1反馈振荡器的原理分析反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路,放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载,是一调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。第4章正弦波振荡器第4章正弦波振荡器()()()()()()()()()()()ouSoiioisiUsKUsUsUsKsFsUsUsUsUsUs()()()()()()()()1()()()()()()()()()1()iuiiiiuKUsKsKsKsUsUsKsFsKsFsUsTsKsFsUsKTsss结果：其中：(4─1)(4─2)(4─3)(4─4)(4─5)(4─6)由得其中第4章正弦波振荡器()()()1()))(1(uKsKsKsKsTsFs结果：自激振荡的条件就是环路增益为1,即1)()()(jFjKjT(4─7)通常又称为振荡器的平衡条件。由式(4─5)还可知,)()(,1)(,)()(,1)(sUsUjTsUsUjTiiii形成增幅振荡形成减幅振荡(4─8)第4章正弦波振荡器4.1.2平衡条件振荡器的平衡条件即为()()()1()120,1,2TKFTjKjFjTjKFnn也可以表示为(4─9a)(4─9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。现以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义。若(),()()oocibiUsUUUUKsUs由于()()coccfLcobbUUIUKjYjZUUUI(4─10)第4章正弦波振荡器LfccbcbcooZjYIUUIUUUUjK)()((4─10)式中,ZL为放大器的负载阻抗LjLccLeRIUZ(4─11)Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳。fjfbcfeYUIjY)((4─12)第4章正弦波振荡器与F(jω)反号的反馈系数F′(jω)cijUUjFFejFF)()((4─13)这样,振荡条件可写为1)()()()()(jFZjYjFZjYjTLfLf(4─14)振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为2,1,021nnFRYFLfLf(4─15a)(4─15b)由K(jω)F(jω)＝1决定振幅大小和振荡频率的高低。振荡频率ω一般在回路谐振频率ω0附近。第4章正弦波振荡器4.1.3起振条件为了使振荡过程中输出幅度不断增加,应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大,即振荡开始时应为增幅振荡：1)(jT称为自激振荡的起振条件,也可写为,2,1,021)(nnFRYjTFLfTLf(4─16a)(4─16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件,其中起振的相位条件即为正反馈条件。第4章正弦波振荡器0UoUb(a)A反馈特性放大特性0KuUb(b)F1AK图4─2振幅条件的图解表示第4章正弦波振荡器4.1.4稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件振幅稳定条件为0iiAUUiTU(4─17)由于反馈网络为线性网络,即反馈系数大小F不随输入信号改变,故振幅稳定条件又可写为0iAiUUiUK(4─18)第4章正弦波振荡器一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间的关系dtdtd(4─19a)(4─19b)相位稳定条件为10L(4─20)第4章正弦波振荡器012－－(f＋F)′L－(f＋F)′L,图4─4互感耦合振荡器10L第4章正弦波振荡器互感耦合式的反馈振荡器实际电路,图中反馈网络由L和L1间的互感M担任,又称为变压器耦合振荡器。第4章正弦波振荡器4.2LC振荡器4.2.1振荡器的组成原则基本电路：三端式(又称三点式)的振荡器,即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路Ic.VUb.Uc.X2X1＋－＋－X3I.图4─5三端式振荡器的组成第4章正弦波振荡器根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯电阻性,有1230XXX(4─21)•回路Q值很高,回路电流远大于晶体管的基极电流İb、集电极电流İc以及发射极电流İe21bcUjXIUjXI(4─22a)(4─22b)因此X1、X2应为同性质的电抗元件。第4章正弦波振荡器三端式振荡器组成原则：满足三端式振荡器的组成原则(a)电容反馈振荡器,也称为考必兹(Colpitts)振荡器(b)电感反馈振荡器，也称为哈特莱（Hartley）振荡器LC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2图4─6第4章正弦波振荡器01020301003010203020030102010203010200033(4(1)(2)()3)ffffffffffffffffffffff不能振荡第4章正弦波振荡器常见振荡器的高频电路,判断它们是由哪种基本线路演变而来的(d)Cbc(a)(b)(c)(e)(f)图4─8几种常见振荡器的高频电路第4章正弦波振荡器4.2.2电容反馈振荡器图(a)是一电容反馈振荡器的实际电路,图(b)是其交流等效电路。CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)VLC2C1V(b)第4章正弦波振荡器＋－gieUb.C1C2egieUb.＋－(c)goegL′bUb.gmI.电容反馈振荡器电路高频等效电路简化Y参数模型:Yre=0，Yfe→gm第4章正弦波振荡器图4─8电路的振荡频率为2121211)(1CCCCCCCgggLCLoeie(4─23)(4─24)C为回路的总电容10122111()1bFcLCUCCKFjUCC当不考虑gie的影响时,反馈系数F(jω)的大小为(4─25)(4─26)第4章正弦波振荡器将gie折算到放大器输出端,有222()111()bieieFiecLFieoeLmFmoeLieFLFUggKgUgKggggKggggKgK(4─27)因此,放大器总的负载电导gL为则由振荡器的振幅起振条件YfRLF′1,可以得到(4─28)(4─29)第4章正弦波振荡器4.2.3电感反馈振荡器电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2Ucb.＋－＋－Ub.CL2L1V(b)第4章正弦波振荡器＋－gieUb.L1cegieUb.＋－′(c)goegL′Uc.bUb.gmI.CL2M＋－图4─10(a)实际电路;(b)交流等效电路;(c)高频等效电路第4章正弦波振荡器振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示:101LC式中的L为回路的总电感:MLLL221(4─30)(4─31)由相位平衡条件,振荡器的振荡频率表达式为))((12211MLLgggLCLoeie(4─32)第4章正弦波振荡器工程上计算反馈系数不考虑gie影响,大小为MLMLjGKF12)((4─33)由起振条件分析,同样可得起振时的gm应满足FieFLoemKgKggg1)((4─34)＋－gieUb.L1cegieUb.＋－′(c)goegL′Uc.bUb.gmI.CL2M＋－第4章正弦波振荡器两种振荡器特点之比较(1)线路简单，容易起振。(2)电容反馈振荡器的输出波形好。（高次谐波在电容上产生的反馈压降较小）(3)电容反馈振荡器工作频率可以较高。（极间电容与反馈支路并联影响）(4)改变电容调整工作频率。电容反馈振荡器在许多场合得到了应用。第4章正弦波振荡器4.2.4两种改进型电容反馈振荡器1.克拉泼振荡器R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)LRoC1C2C3V图4-11(a)实际电路(b)交流等效电路第4章正弦波振荡器由图4─10可知,回路的总电容为312123311111CCCCCCCC(4─35)022310131()C1LoRCRpCpRCCRCC负载接入系数：结果：越大耦合越弱，频率更稳定。(4─36)(4─37)第4章正弦波振荡器克拉泼振荡器振荡频率1231211FLCLCCKC反馈系数：(4─38)(4─39)第4章正弦波振荡器2.西勒振荡器电感L并联一可变电容C4。R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V图4─11(a)实际电路;(b)交流等效电路第4章正弦波振荡器回路的总电容为3124341231234111111()CCCCCCCCCCLCLCC(4─40)(4─41)振荡器的振荡频率为第4章正弦波振荡器4.2.5场效应管振荡器RLCL2EcCGugsRGL1iDVDSGM(a)(b)＋EcL1C1CSRSRGGVSDRDCB第4章正弦波振荡器输出1.3H1M6.8kRL20MHz振荡器C1680pFC275pFVCF47pF＋Ec＋12VL－(c)－Ec图4─12(a)互感耦合场效应管振荡器;(b)电感反馈场效应管振荡器;(c)电容反馈场效应管振荡器第4章正弦波振荡器4.2.6压控振荡器压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量,用S表示,即ufS(4─42)图4─14示出了一压控振荡器的频率-控制电压特性,一般情况下,这一特性是非线性的,非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。第4章正弦波振荡器＋12VL1100pF输出V110k100pFC11.5pFC2V2控制电压100kCj0f0Uf图4─13压控振荡器线路图4─14压控振荡器的频率与控制电压关系第4章正弦波振荡器4.2.7E1648单片集成振荡器(a)V10V11V12V13V14VD2⑦⑩⑧⑤VD1V6V7V8V5V4V3V2V1③输出①V91214第4章正弦波振荡器1234567141312111098(b)0.1F0.1F＋15VC1CL1k输出＋9VRL10.1F图4─15E1648内部原理图及构成的振荡器第4章正弦波振荡器E1648单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和12脚之间的外接振荡电路的L、C值决定,并与两脚之间的输入电容Ci有关,其表达式为)(21iCCLf第4章正弦波振荡器4.3频率稳定度4.3.1频率稳定度的意义和表征由于外界条件的变化,引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度,它是振荡器的一个很重要的指标。长期稳定度、短期稳定度与瞬时稳定度(相位噪声)001001ffffffff(4─44)(4─43)第4章正弦波振荡器4.3.2振荡器的稳频原理由式(4─9b)有)(FiL设回路Q值较高,根据第2章的讨论可知,振荡回路在ω0附近的幅角φL可以近似表示为00)(2tanLLQ因此相位平衡条件可以表示为1002()tan[()]LfFQ第4章正弦波振荡器1000101111002()tan[()]tan()2()()LfFfFLLfFLfFQQQQ(4─45)(4─46)(4─47)考虑到QL值较高,即ω1/ω0≈1,有0010122()tan()2cos()2fFfFLfFLQQQ(4─48)第4章正弦波振荡器图4─16(a)相位平衡条件;(b)ω0的变化;(c)fFLQ、(a)01－(f＋F)′L(b