高频电子系统课件-正弦波振荡器

第7章正弦波振荡器第7章正弦波振荡器7.1振荡器的基本原理介绍7.2LC正弦波振荡器7.3反馈式LC振荡器线路7.4振荡器的频率稳定度7.5石英晶体振荡器7.6负阻振荡器7.7RC振荡器第7章正弦波振荡器概述振荡器是不需要外信号激励、自身将将直流电源的能量特定频率变化的交流信号的能量的装置。常用的振荡器是由电子管、晶体管等器件与L、C和R等组成，它的优点：1）自身不做机械运动；2）产生等幅振荡；3）使用方便；第7章正弦波振荡器概述用途：电子设备高频加热设备医疗仪器发射机(载波频率fC）接收机（本地振荡频率fL）仪器仪表振荡源数字系统时钟信号第7章正弦波振荡器概述电子振荡器的输出波形可以是正弦波，也可以是非正弦波。正弦波振荡器按工作原理分类：1）反馈式振荡器；2）负阻式振荡器。正弦波振荡器通常工作于丙类，它的工作状态是非线性的。本章将振荡器用甲类线性工作来分析。第7章正弦波振荡器振荡器的类型：概述第7章正弦波振荡器概述本章主要讨论反馈型正弦波振荡器的基本工作原理；起振、平衡、稳定的条件；电路的判断准则；电路特点、性能指标等。第7章正弦波振荡器7.1振荡器的基本原理介绍LCR回路中的瞬变现象220202012didiidtdtRLLC12sVLRC+-i2222002202tttVieeeL10diLRiidtdtC第7章正弦波振荡器7.1振荡器的基本原理介绍1）回路衰减系数过阻尼状态2)回路衰减系数临界阻尼状态3）回路衰减系数自由振荡状态2202202tVieshtL2022022022tViteLsintVietL222021112224RfLCL第7章正弦波振荡器7.1振荡器的基本原理介绍0000102030405060708090100-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.810102030405060708090100-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.810102030405060708090100-4-3-2-1012300第7章正弦波振荡器7.2LC正弦波振荡器振荡器必须具备的基本条件：1）一套振荡回路，包括两个（或两个以上）储能元件；2）一个能量来源；3）一个控制设备。第7章正弦波振荡器7.2LC正弦波振荡器第7章正弦波振荡器以互感耦合调集型振荡电路说明其工作原理：LC正弦波振荡器1bReR2bRCCVbceeC1LLMcCrbC(a)实际电路ibhCefbihbceC1LLMLiobh1rCicrbhei(b)h参数等效电路第7章正弦波振荡器参数等效电路：由共发射极参数等效电路得到网络方程：LC正弦波振荡器hhiehbfeIhbceoeh1cIcereVhbI共发射极h参数等效电路beVceV0..ceVbbeieIVh0..bIcebereVVh0..ceVbcfeIIh0..bIcecoeVIhberebiebehIhV.....ceoebfechIhI第7章正弦波振荡器LC正弦波振荡器.2.11.VyVyIri.2I.1I.1V.2Viyoy.2Vyr.1Vyf.2.12.VyVyIofY参数等效电路：第7章正弦波振荡器11fbeLLobobLCLeibrbCLCLChidiiLirhhdtiiidiihhvMdtdivLiridtdtC221110bLLibbfbLibibbobibfbrbhdidiCrhLhhMrihLCdtLChdthhhhh其中回路方程：ibhCefbihbceC1LLMLiobh1rCicrbhei第7章正弦波振荡器LC正弦波振荡器产生等幅振荡时必须有衰减系数为零，因此得到振荡条件为：用这种近似方法只能解决起始振荡的条件和振荡频率的问题，并不能决定稳定振幅的大小。振荡器的振荡频率取决于储能回路参数；振荡幅度则主要取决于电路中的非线性器件。MhLCrhhbibfb011bLibhriLCh第7章正弦波振荡器由正反馈的观点来决定振荡的条件：反馈放大器的方框图中，假设基极电路在S处断开。当输入信号为时，输出电压为，再经由反馈网络输出的反馈电压为。LC正弦波振荡器反馈振荡器方框图ioVVA0oVcVfVcfVVFiVSiV)(coVVfV第7章正弦波振荡器如果将S接通，撤取外加信号，而以代替它，维持工作。由于此时没有外加信号，所以它变成了振荡器。在产生振荡时，应等于。因此振荡条件为反馈系数或者LC正弦波振荡器iVfVcfVFV00AVAVVcoifViV01AF010FA第7章正弦波振荡器反馈放大器的闭环增益为：当时，，放大器变成了振荡器。例7.2.1试以本节所叙述的方法，求出图7.3.1调集振荡器的振荡条件和振荡频率。LC正弦波振荡器FAAAf001010FAfA第7章正弦波振荡器[解]将图7.3.1该画成图7.4.2的形式，反馈网络是由L、C、M和L1组成。无反馈时共基放大器的电压增益为谐振回路的输出电压为L1两端的感应（反馈）电压为LC正弦波振荡器pZ1LLMrCIiVcVcVpbibpfbZhhZhA0)(LjrIVcIMjVi第7章正弦波振荡器LC正弦波振荡器因此反馈系数为，代入，得到由此可知，无论是由瞬变的观点，还是由正反馈的观点，所得到的振荡条件都是一样的。LjrMjVVFi0CLjrLjrCjZp1)(1010FA11ibbhrhLCMhLCrhhbibfb第7章正弦波振荡器LC正弦波振荡器振荡器起振之后，振荡振幅便由小到大地增长起来，但它不可能无限制地增长，而是在达到一定数值后，便自动稳定下来。自给偏压的作用第7章正弦波振荡器第7章正弦波振荡器振荡器的平衡条件：正反馈放大器产生振荡的条件：定义：负载谐振阻抗上基波电压与基波输入电压之比称为平均电压放大倍数，即LC正弦波振荡器10100FAFA或者bpcbcVRIVVA11)cos1)(()(11max1ccbccCcVgiI)()cos1)((101cccpcARgA第7章正弦波振荡器对于乙类工作状态(c=90°)，1(c)=0.5；对于丙类工作状态(c=70°~80°)，1(c)=0.3~0.4；这就是说，振荡器在起振之后，随着振幅的不断增长，使振荡管的工作状态逐渐向乙类以至丙类过渡，因而A值也在不断下降。LC正弦波振荡器第7章正弦波振荡器在无源线性网络中要维持一定振幅的振荡，反馈系数应该设计要比正反馈放大器产生振荡条件中的F要大些。一般取F=0.5~0.125。这样就可以使得在的情况下起振，而后随着振幅的增强A0就向A过渡。直到振幅增大到某一程度，出现时，振荡就达到平衡状态。因此振荡器的起振条件：振荡器的平衡条件：LC正弦波振荡器10FA1FA10FA1FA0AA第7章正弦波振荡器复数形式的振荡器平衡条件：振荡平衡条件可以使用模和相角来表示，即将模和相角分开表示，则有LC正弦波振荡器1FAjjFeAe1FA),3,2,1,0(2nnFA振幅平衡条件相位平衡条件第7章正弦波振荡器振幅平衡条件说明：振幅在平衡状态时，其闭环增益（电压增益或者电流增益）为1。也就是说，反馈信号的振幅与原输入信号的振幅相等，即。相位平衡条件说明：振荡器在平衡状态时，其闭环总相移为零或者为2的整数倍，即反馈信号的相位与原输入信号的相位相同。利用振幅平衡条件可以确定振荡器的振幅；利用相位平衡条件可以确定振荡器的频率。LC正弦波振荡器imfmVVfViV第7章正弦波振荡器振荡器的另外一种表示形式：基波电流为其中振荡器回路输出电压于是回路的放大倍数为：因此LC正弦波振荡器bfecbfecVyVyI)(11)(;1cfefecfeyygy11pccZIV1pfebcZyVVA111pfeZFyFA第7章正弦波振荡器将各因子写成指数形式，有当变量与参变量之间发生相位偏差时，其对应的相角就会有超前或者滞后，也就是相角有正有负。因此LC正弦波振荡器YjfefeeyyzjppeZZ11FjFeF11FZypfe),3,2,1,0(2nnFZY第7章正弦波振荡器振荡器平衡状态的稳定条件：平衡状态是建立振荡的必要条件，还不是充要条件。已建立的振荡能否维持，还必须看平衡状态是否稳定。稳定平衡与不稳定平衡概念：LC正弦波振荡器不稳定平衡稳定平衡第7章正弦波振荡器振荡器稳定条件分为振幅稳定与相位稳定。1）振幅平衡的稳定条件振幅平衡条件表示式：其中A是振幅Vom的非线性函数，反馈系数F则与Vom无关。在起振时，稳定时，此时，A的曲线与1/F曲线相交于平衡Q点。LC正弦波振荡器FA1FA101FAA0AQF1OomQVomV第7章正弦波振荡器LC正弦波振荡器判断Q点是否为稳定平衡点：当振幅Vom增大超过VomQ时，出现A1/F，于是AF1。振幅就自动衰减从而回到VomQ点。当振幅Vom减小低于VomQ时，出现A1/F，于是AF1。振幅就自动增强从而又回到VomQ点。因此Q点是稳定平衡点。A0AQF1OomQVomV第7章正弦波振荡器LC正弦波振荡器形成稳定平衡点的根本原因：关键是在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化具有负的斜率。在本图中，Q点放大倍数曲线就具有负的斜率。该式即为平衡点的振幅稳定条件。A0AQF1OomQVomV0omQomVVomVA第7章正弦波振荡器振幅稳定条件说明：在反馈型振荡器中，放大器的放大倍数随振幅增强而下降，振幅才能处于稳定平衡状态。工作于非线性状态的有源器件（晶体管、场效应管等）正好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。当然偏置电路和反馈网络要设计正确。LC正弦波振荡器第7章正弦波振荡器软自激状态：放大器放大倍数是一条单调下降的曲线，且与1/F曲线只有一个交点。在开始起振时，A0F1，振荡处于增幅振荡状态，振荡幅度从小到大，直到达到Q点为止。LC正弦波振荡器A0AQF1OomQVomV第7章正弦波振荡器硬自激状态：如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反偏，反馈系数又比较小时，放大器放大倍数不再是一条单调下降的曲线，则与1/F曲线的交点将不止一个。这时将出现多个平衡点，其中有些平衡点就不是稳定平衡点。这种类型的振荡器不能自行振荡，必须在起振时预先外加一个大于非定平衡点的电压，冲过非定平衡点，才能达到稳定平衡点。LC正弦波振荡器第7章正弦波振荡器硬自激的振荡特性：如图所示。放大器放大倍数曲线，与1/F曲线的交点为B和Q两点。其中所以Q点是稳定平衡点，B点为非稳定平衡点。LC正弦波振荡器A0AQF1OomQVomVBomBV0omBomVVomVA0omQomVVomVA第7章正弦波振荡器LC正弦波振荡器非稳定平衡点工作分析：因为当振幅稍大于VomB时，则ABF1，成为增幅振荡，振幅越来越大。当振幅稍低于VomB时，则ABF1，成为减幅振荡，因此振幅将继续衰减下去，直到停振。所以，B点的平衡状态是不稳定的，是不能自行起振的。0omBomVVomVA第7章正弦波振荡器LC正弦波振荡器2）相位平衡的稳定条件是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。