第3章正弦波振荡器.ppt

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1、第3章 正弦波振荡器 3.1 概述 3.2 振荡器的基本工作原理 3.3 LC正弦波振荡电路 3.4 振荡器的频率稳定度3.1 概述一.自激振荡的概念自激振荡的概念 自激振荡：是指在没有外加信号的作用下，电路能自动产生交流信号的现象。可以将直流电源的能量自行转换为交流振荡的能量，不需要外界激励就能自动的将直流电能转换为具有一定频率和一定振幅的正弦的交流电能的电路就称为自激振荡电路。二二.振荡器和放大器的异同振荡器和放大器的异同 共性：二者都是变直流能为交流能的部件。它们 的输出交流能量都来自供给晶体管集电极的直流电源。因此，二者都是能量转换器。不同：放大器需要一个外来的输入信号源激励。振荡器需

2、要的激励电压则取自输出电压的 一部分，不靠外界供给。三三.振荡器的分类振荡器的分类 按输出波形分按输出波形分 正弦波振荡器非正弦波振荡器按选频回路元件分按选频回路元件分 RCLC振荡器振荡器按原理、性质分按原理、性质分 反馈振荡器负阻振荡器四四.振荡器的用途振荡器的用途 1.在信息传输系统中的应用在信息传输系统中的应用在发射机中产生“载波”在接收机中产生“本地振荡”2.在各种无线电测量仪器中应用在各种无线电测量仪器中应用正弦波信号发生器各种数字式测量仪定时系统中用作时间基准信号3.医用电疗仪中，用高频加热医用电疗仪中，用高频加热 3.2 振荡器的基本原理n自激振荡的基本原理n反馈振荡原理n反馈

3、振荡器的振荡条件3.2.1自激振荡的基本原理LiiELiLicucut3t2t1tLC回路中的振荡现象等幅振荡S接“1”：电源E向回路电容C充电S接“2”：电容C通过L放电u问题 怎样才能维持持续的等幅振荡呢？采用“负电阻”；从外部能源中获取：放大器的输出反馈至输入；u 结论 内因 LC的自由振荡 外因 采用能量补充的方法，以抵消或补 偿回路的损耗3.2.2 反馈振荡原理+vf vo L C+vi K 1 2 Rb2 Re Ce+VCC M+Rb1 通过调谐放大器的工作过程分析其能量是如何补充的。将放大器改为振荡器，理解反馈振荡器的工作原理。(a)放大器反馈网络UfUiUoUfUfUoUiUf

4、LfLC谐振放大器反馈网络(b)反馈振荡器的组成方框图3.2.3 反馈振荡器的振荡条件 利用正反馈方法获得等幅的正弦波振荡，这就是反馈振荡器的基本原理。反馈振荡器由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路，如图。反馈网络一般由无源器件组成。一个反馈振荡器必须满足三个条件：起振条件（保证接通电源后能建立起振荡），平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）和稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。jAjkf一、振荡的建立过程一、振荡的建立过程电路中的初始扰动将产生微弱的电信号电路中的初始扰动将产生微弱的电信号 iV，利用，利用如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示如此周而复始下

5、去，其过程可以用下列循环表示()fkj反馈，产生的反馈，产生的 fV反送到放大器的输入端作为新的反送到放大器的输入端作为新的 iV，()A j放大后，主网络输出放大后，主网络输出 ocV V()，再经过反馈网络，再经过反馈网络 放大器放大器iV cVV0jAjkffV当当 iV增加到一定值时，增加到一定值时，放大器的放大倍数放大器的放大倍数()A j降低，从而出现下面的循降低，从而出现下面的循环过程环过程晶体管将出现饱和截止，使晶体管将出现饱和截止，使最终将使最终将使()oiV V保持恒定不变，保持恒定不变，从而形成等幅持续振荡。从而形成等幅持续振荡。iV cVV0jAjkffV 根据左图知，

6、根据左图知，各信号电压具有如各信号电压具有如下关系下关系()()()()()AkjoifjffoVA jAeVVkjkeV所以所以()()()ffofiVkjVA jkjV环路增益：环路增益：()()()AkfjffiVTjA jkjAk eV 反馈型振荡器组成框图二、起振条件二、起振条件 由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增长的条件（起振条件）是长的条件（起振条件）是 即即起振条件为：起振条件为：1fosciVTjV或(1)fAk或表示为或表示为()12oscTTn 或 1(2fAkAkn振幅起振条件）（相位起振条件）（n=0,1,2,）三、平

7、衡条件三、平衡条件持续振荡。所以，维持等幅振荡的平衡条件为()1()2oscToscTn振幅平衡条件相位平衡条件或表示为 12fAkAkn振幅平衡条件相位平衡条件当 fiVV时（非线性阶段），电路维持等幅()Tosc 则必须维持在则必须维持在2n上，即保证为正反馈。上，即保证为正反馈。满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性 根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值根据振幅起振条件和平衡条件，环路增益的模值应该具有随振幅应该具有随振幅 由于一般放大器的由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图增益特性曲线均具有如图所示的形状，所以这一条所示的形状，所以这一条件很容易得到满足，只要件很容易得到满足，

8、只要保证起振时环路增益幅值保证起振时环路增益幅值大于即可。而环路增益大于即可。而环路增益的相位的相位 iV增大而下降的特性增大而下降的特性,如图所示。如图所示。结论结论：振荡器起振时，：振荡器起振时，()1,osciTV迅速增长，而后迅速增长，而后 振荡建立过程的波形()oscT下降，下降，的增长速度变慢，直到的增长速度变慢，直到()1oscT时，时，iViV停止增长，振荡器进入平衡状态。在相应的振幅在停止增长，振荡器进入平衡状态。在相应的振幅在 iAV上维持等幅振荡。如图所示。上维持等幅振荡。如图所示。四、振荡器平衡状态的稳定条件四、振荡器平衡状态的稳定条件 平衡状态的稳定是指当平衡条件遭到

9、破坏后，电是指当平衡条件遭到破坏后，电路能够在原平衡点附近重新建立起新的平衡。路能够在原平衡点附近重新建立起新的平衡。1.振幅稳定条件：在平衡点在平衡点A处，处，由由A点知点知 当外界因素的影响，使当外界因素的影响，使 iiAVV时，由图知，时，由图知，()1oscT造成造成()ocV V 下降，从而下降，从而 fV降低，降低，满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性 iV降低而回到降低而回到 iAV点。点。最终最终()1oscT所以，得到振荡所以，得到振荡器振幅稳定的条器振幅稳定的条件是：件是：()0iiAosciVVTV 即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负即在平衡点附近，环路增益的幅频

10、特性具有负斜率变化的规律。斜率变化的规律。同理，当外界因素的影响，使同理，当外界因素的影响，使 iiAVV时，由图知，时，由图知，()1oscT造成造成()ocV V增加，从而增加，从而 fV升高，最终升高，最终 iV增加而回到增加而回到 iAV点。点。满足起振条件和平衡条件的环路增益特性2、相位（频率）稳定条件、相位（频率）稳定条件在讨论相位稳定条件之前，有两点需要说明：任何正弦振荡()cosmtVt的角频率与相位 的内在关系是：ddt 这就是说，相位变化必然引起频率变化。在相同时间内，相位超前，意味着频率必然上升；相位滞后，必然是频率下降，因此振荡器的相位稳定条件也就是振荡器的频率稳定条件

11、。一个正弦波振荡器的角频率 osc值是根据其相位平衡条件求出的，也就是说在此频率 osc处，经过一个循环，反馈振荡器的反馈电压 fV与 iV相位相差 2，环路增益()oscT j的相位为 2（或者为 2n,n=0,1,2.3）。相位（频率）稳定条件是指当相位平衡条件遭到破坏时，电路本身能重建新的平衡的条件。（1）设在）设在 osc处处()2Toscn（2）由于外界因素的影响，使）由于外界因素的影响，使()2(Toscn 相位偏移）A、当、当 0时，说明时，说明 fV超前超前 iV一个一个 相角，使每次相角，使每次经过放大和反馈后，经过放大和反馈后，fV一次比一次超前一次比一次超前 iV，振荡周

12、期缩短，振荡周期缩短振荡频率升高。振荡频率升高。所以振荡频率随所以振荡频率随 的变化关系为：的变化关系为：0又知：又知：TAk本身是频率的函数，当本身是频率的函数，当 变化时，变化时，T变化，若使变化，若使 T随随 的变化具有的变化具有则可抵消外界因素的影响。则可抵消外界因素的影响。负斜率变化的特性，即负斜率变化的特性，即0oscT B、当、当 0 时，说明时，说明 fViV一个一个 相角，相角，滞后滞后 使每次经过放大和反馈后使每次经过放大和反馈后 fV一次比一次滞后一次比一次滞后 iV，使，使振荡周期增长，频率降低。振荡周期增长，频率降低。()T特性 满足相位稳定条件的 在振荡器的平衡条件

13、的分析中，已知在振荡器的平衡条件的分析中，已知 由两部由两部()T 分组成：放大器输出电压分组成：放大器输出电压 oV对输入电压对输入电压 iV的相移的相移()mAzg(mg放大管产生的相移，放大管产生的相移，z并联谐振回路的相移）并联谐振回路的相移）fV对对 oV的相移的相移()k，即，即()()()()mTkAzkg 反馈网络的反馈电压反馈网络的反馈电压 其中其中 mg和和()k 几乎不随频率而变，所以有几乎不随频率而变，所以有mgkTZz因此，因此，()z 随随 的变化特性可代表的变化特性可代表()T 随随 或者说，只要选频网络具有负斜率变化的相频特或者说，只要选频网络具有负斜率变化的相

14、频特性，即性，即的变化特性。的变化特性。()0oscz 振荡电路就可满足相位稳定条件。振荡电路就可满足相位稳定条件。3.3 LC正弦波电路 互感耦合LC振荡电路 三点式LC振荡电路 3.3.1 3.3.1 互感耦合式振荡电路互感耦合式振荡电路 LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡器、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。电感反馈式振荡器和电容反馈式振荡器三种类型。互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈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，选择合适的耦合量的，耦合线圈同名端的

15、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。，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：互感耦合振荡器有三种形式：调基电路调基电路、调集电路调集电路和和调发调发电路电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射，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。极电路来区分的。本部分内容重点介绍不同型式的反馈型本部分内容重点介绍不同型式的反馈型LC振荡器，以振荡器，以三点式振荡器作为重点。三点式振荡器作为重点。由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调

16、基和值，故在调基和调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分耦合。耦合。调基电路振荡频率调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。振幅比较平衡。VCC Rb1 Rb2 Cb Ce M C L1 L2 Re L 调基电路调基电路(a)调基电路调基电路调集电路在高频输出方调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成而且幅度较大，谐波成分较小。分较小。（b）调集电路）调集电路调集电路调集电路 由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分耦合。耦合。VCC Rb1 Rb2 Ro Cb Ce M C L2 L1（c）调发电路）调发电路调发电路调发电路n优点：易起振，输出电压较大，结构简单，调优点：易起振，输出电压较大，结构简单，调频方便，且调频时输出电压变化不大，常用于频方便，且调频时输出电压变化不大，常