《第3章 正弦波振荡器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 正弦波振荡器.ppt（51页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
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：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.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。 振荡器需要的激励电压则取自输
2、出电压的 一部分，不靠外界供给。,三.振荡器的分类,按输出波形分,按选频回路元件分,按原理、性质分,四.振荡器的用途 1.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 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,3.2 振荡器的基本原理,自激振荡的基本原理 反馈振荡原理 反馈振荡器的振荡条件,3.2.1自激振荡的基本原理,LC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,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
3、中获取 ：放大器的输出反馈至输入； 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,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。,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
4、定因素影响而受到破坏）。,一、振荡的建立过程,如此周而复始下去，其过程可以用下列循环表示,放大器的放大倍数,降低，从而出现下面的循环过程,晶体管将出现饱和截止，使,根据左图知，各信号电压具有如下关系,所以,环路增益：,反馈型振荡器组成框图,二、起振条件,由振荡建立过程的起振循环得出，使振幅不断增长的条件（起振条件）是,即起振条件为：,或,或表示为,三、平衡条件,持续振荡。所以，维持等幅振荡的平衡条件为,或表示为,则必须维持在,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，环路增益的模值应该具有随振幅,由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图所示的形状，
5、所以这一条件很容易得到满足，只要保证起振时环路增益幅值大于即可。而环路增益的相位,增大而下降的特性, 如图所示。,振荡建立过程的波形,停止增长，振荡器进入平衡状态。在相应的振幅在,上维持等幅振荡。如图所示。,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破坏后，电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A处，,由A点知,当外界因素的影响，使,时，由图知，,满足起振条件和平衡 条件的环路增益特性,所以，得到振荡器振幅稳定的条件是：,即在平衡点附近，环路增益的幅频特性具有负斜率变化的规律。,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
6、件,在讨论相位稳定条件之前，有两点需要说明：,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。,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。,（2）由于外界因素的影响，使,振荡频率升高。,则可抵消外界因素的影响。,负斜率变化的特性，即,使每次经过放大和反馈后,振荡周期增长，频率降低。,在振荡器的平衡条件的分析中，已知 由两部,反馈网络的反馈电压,几乎不随频率而变，所以有,或者说，只要选频网络具有负斜率变化的相频特性，即,的变化特性。,振荡电路就可满足
7、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 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、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。,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。,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
8、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。,调基电路,(a) 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。,（b）调集电路,调集电路,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。,（c）调发电路,调发电路,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，常用于收音机中本振。 缺点：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。由于互感耦合元件分布电容的存在，使高频
9、时分布电容影响大，输出波形不好，频率稳定性差，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。,3.3.2 三点式LC振荡电路,LC三端式振荡器组成法则 电感三点式振荡电路 电容三点式振荡电路,1.LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则),三端式振荡器的原理电路,三端式LC振荡器是一种反馈式 LC振荡器。,当回路元件的电阻很小，可以 忽略其影响，同时也忽略三极 管的输入阻抗与输出阻抗的影 响，则电路要振荡必须满足条 件： xbe+xce+xcb=0,电路特点简言之就是“ce，be同抗件，cb反抗件”。以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理
10、，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。,(a) 共发电感反馈三端式振荡器电路,(b) 等效电路,电感三端式振荡电路,由Y参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件,电感反馈三端电路的振荡频率为,2.电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路),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、
11、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。,3.电容反馈三端振荡器(考毕兹电路),电容三端式振荡电路,可推导电容反馈三端电路的起振条件,电容反馈三端电路的振荡频率,考毕兹电路的优点：,1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。,2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可 以减小不稳定因素对振荡频率的影响。,3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作 频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。,电路的缺点：,调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整
12、频率时，基本上不会影响反馈系数。,例1 试判断下列各图所示的交流等效电路中，哪些可能产生振荡？哪些不能产生振荡？,(a),(b),(c),(d),(e),(f),例2 下图表示三回路振荡器的交流等效电路，假定有以下六种情况，即： 试问哪几种情况可能振荡？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什么关系？,作业 利用相位平衡条件的判断准则，判断下图所示的三点式振荡器交流等效电路，哪个不可能振荡，哪个有可能振荡，属于哪种类型的振荡电路，有些电路应说明在什么条件下才能振荡。,(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),(h),3.4 振荡器的频率稳定问题,频率稳定
13、，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。,振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。,绝对准确度,相对准确度,短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体的老化特性，与频率的瞬间变化无关。而瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。,一、影响频率稳定度的因素,1. 振荡回路参数对频率的影响,因为振荡频率,其相对频率变化量为,2. 回路品质因素Q值对频率的
14、影响,如右图，Q值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。,3. 有源器件的参数对频率的影响,振荡管为有源器件，若它的工作状态(电源电压或周围温度等)有所改变，则由式,如果晶体管参数h与hi将发生变化，即引起振荡频率的改变。,另外， 当外界因素(如电源电压、温度、湿度等)变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。,二、振荡器稳定频率的方法,1. 减小外因变化，根除“病因”,减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振 荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L、C，抵消L、C。,减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。,3) 减小湿度和大气压力的影响，通常
15、将振荡器密封起来。,4) 减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。,5) 消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。,减小负载的影响，在振荡器和下级电路之间加缓冲 器，提高回路Q值；本级采用低阻抗输出，本级输出与下一级采取松耦合；采取克拉泼或西勒电路，减弱晶 体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，提高频率稳定度。,2. 提高回路的标准性,所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。,要提高回路标准性即要减小L和C，因此可采取优质材料的电感和电容。,3. 减小相角AF及其变化量AF,为使振荡器的频率稳定度高，则要求AF的数
16、值小，且变化量小。,可使振荡器的工作频率比晶体管的的特性频率低很多，即ffT并选用电容三端式振荡电路，使振荡波形良好。,串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路),（a）克拉泼电路的实用用电路,（b）高平等效电路,因为C3远远小于C1或C2，所以三电容串联后的等效电容,振荡角频率,故克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关。,(1)由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。,(2)调整C1 C2的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。,由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故:,(3)调整值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。,(1) 克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。,(2) 工作波段内输出波形随着频率的变化大。,克拉泼电路的特点:,反馈系数：,接入系数：,并联型改进电容三端式振荡器(西勒(Seiler)电路),(a)实际电路,(b)高频等效电路,其回路等效电容,振荡频率,工作频率上升时放大倍数线性上升,电流放大倍数下降。,其特点：,(1) 波段覆盖率宽。,(2) 工作波段内,输出波形随频率变化。,接入系数：,