1、通信電子電路,文鳳,書山有路勤為徑 學(xué)海無崖苦作舟,第四章 正弦波振蕩器,第四章 正弦振蕩器的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn),4.1 概述 4.2 反饋型正弦振蕩器的原理 4.3 反饋型LC振蕩電路分析 4.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定性分析 4.5 石英晶體振蕩電路分析 4.6 RC電路的分析 4.7 振蕩頻率可調(diào)的壓控振蕩器,4.1 概述,第四章 正弦波振蕩器,一、振蕩器的概念,振蕩器是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為所需的交流電能的能量轉(zhuǎn)換器。放大器也是能量轉(zhuǎn)換器，振蕩器與放大器的區(qū)別在于：,放大器：它激，必須在輸入信號(hào)控制下，才能把直流電源提供的直流能量轉(zhuǎn)換為按信號(hào)規(guī)律變化的交變能量。（應(yīng)防止自激現(xiàn)象產(chǎn)生）,振蕩器：自激，不

2、需要輸入信號(hào)控制，自動(dòng)地將直流能量轉(zhuǎn)換為頻率和振幅特定的正弦交變能量。 其輸出信號(hào)的頻率、波形和幅度僅由電路本身的參數(shù)決定。,二、正弦波振蕩器的應(yīng)用,1作信號(hào)源(本章將討論),正弦波信號(hào)源：電子測量儀器；,載波信號(hào)：無線發(fā)射機(jī)；,本振信號(hào)：超外差接收機(jī)；,時(shí)鐘信號(hào)：數(shù)字系統(tǒng)。,要求：振蕩頻率和振幅尤其是振蕩頻率的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。,2正弦交變能源(本章不討論),用途：高頻加熱設(shè)備和醫(yī)用電療儀器中的正弦交變能源。,要求：功率足夠大，高效。,三、振蕩器的分類,第四章 正弦波振蕩器,1.按振蕩原理分類,反饋振蕩器：利用正反饋原理構(gòu)成，應(yīng)用廣泛。,負(fù)阻振蕩器：利用負(fù)電阻效應(yīng)抵消回路中的 損耗，以產(chǎn)生等幅

3、自由振蕩。 工作于微波段。,2.按輸出波形分類,本章主要討論反饋型的正弦波振蕩器。,反饋型振蕩器的工作原理,正弦波振蕩器,非正弦波振蕩器：,矩形脈沖、三角波、鋸齒波。,3.按選頻回路元件分類,LC振蕩器,RC振蕩器,晶體振蕩器,4.按振蕩頻率分類,低頻振蕩器,高頻振蕩器,4.2.1 反饋型正弦振蕩器的原理,第四章 正弦波振蕩器,一、 組成：,由主網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉合環(huán)路。,放大器主網(wǎng)絡(luò)： 負(fù)載為諧振回路的調(diào)諧放大器,(2) 反饋網(wǎng)絡(luò)： 一般是由無源器件組成的線性網(wǎng)絡(luò)。,反饋型振蕩器方框圖,主網(wǎng)絡(luò),反饋網(wǎng)絡(luò),能產(chǎn)生自激振蕩一個(gè)基本的條件是必須構(gòu)成正反饋回路，即反饋到輸入端的信號(hào)vf和放大器

4、輸入信號(hào)vi相位相同。,二、 振蕩條件分析及平衡條件,第四章 正弦波振蕩器,閉環(huán)電壓放大倍數(shù),反饋系統(tǒng)的環(huán)路增益,在某頻率fosc處，若T=A(jfosc)F(jfosc)=1，即vf=vi，此時(shí)有Af(jfosc)，即表明沒有外加信號(hào)，也可以維持振蕩輸出。,維持振蕩的基本條件：,_振蕩的平衡條件,振幅平衡條件：,相位平衡條件：,平衡條件,(n = 0，1，2，),該閉合環(huán)路產(chǎn)生等幅持續(xù)振蕩的條件。,(1) 剛通電時(shí)，須經(jīng)歷一段振蕩電壓從無到有逐步增長的過程；,(2) 進(jìn)入平衡狀態(tài)時(shí)，振蕩電壓的振幅和頻率要能維持在相應(yīng)的平衡值上。,(3) 當(dāng)外界不穩(wěn)時(shí)，振幅和頻率仍應(yīng)穩(wěn)定，而不會(huì)產(chǎn)生突變或停止

5、振蕩。,閉合環(huán)路成為反饋振蕩器(Feedback Oscillator)的三個(gè)條件：,(1) 起振條件保證接通電源后從無到有地建立起振蕩。,(2) 平衡條件保證進(jìn)入平衡狀態(tài)后能輸出等幅持續(xù)振蕩。,(3) 穩(wěn)定條件保證平衡狀態(tài)不因外界不穩(wěn)定因素影響而受到破壞。,4.2.1 起振條件,第四章 正弦波振蕩器,返回,在剛接通電源時(shí)，電路中的各部分存在著各種電的擾動(dòng)ui，這些擾動(dòng)(電流突變或管子、電路中的固有噪聲)具有很寬的頻譜。,(2) 諧振回路具有選頻功能，只有角頻率為 osc 的分量(osc 0) 才能在諧振回路兩端產(chǎn)生較大的電壓。,(3) 變壓器繞向正確可保證反饋信號(hào)vf 和輸入信號(hào)vi同相，

6、且vf vi ，經(jīng)放大和反饋的循環(huán)振蕩電壓的振幅不斷增長。,振蕩器接通電源后，能夠從小到大地建立起振蕩的條件是：,振幅起振條件：,相位起振條件：,起振條件,(起振條件),振蕩開始時(shí)應(yīng)為增幅振蕩！,穩(wěn)定條件之振幅穩(wěn)定條件,要維持振蕩器穩(wěn)定工作，只滿足起振條件和平衡條件是不夠的，還得保證平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。,因振蕩電路中存在干擾(內(nèi)部固有噪聲、外部電源、溫度等變化）,通過放大和反饋的反復(fù)循環(huán)，振蕩器離開原平衡狀態(tài)，導(dǎo)致停振或突變到新的平衡狀態(tài)。原平衡狀態(tài)是不穩(wěn)定的。,通過放大和反饋的反復(fù)循環(huán)，振蕩器能夠產(chǎn)生回到平衡狀態(tài)的趨勢。當(dāng)干擾消失后，能回到平衡狀態(tài)。原平衡狀態(tài)是穩(wěn)定的。,要使振幅穩(wěn)定，振蕩器在

7、平衡點(diǎn)必須具有阻止振幅變化的能力，即在平衡點(diǎn)Vi=ViA附近，當(dāng)不穩(wěn)定因素使Vi的振幅Vi增大時(shí)，環(huán)路增益幅值|T(o)| 減小，使反饋電壓振幅Vf減小，從而阻止Vi增大；反之，當(dāng)不穩(wěn)定因素使Vi的振幅Vi減小時(shí)，環(huán)路增益幅值|T(o)| 增大，使反饋電壓振幅Vf增大，從而阻止Vi減小。,即要平衡點(diǎn)穩(wěn)定，|T(o)| 須在ViA附近具有負(fù)斜率變化，即隨Vi增大而下降的特性，,即振幅穩(wěn)定條件為：,當(dāng)Vi增加到一定數(shù)值后，放大器進(jìn)入大信號(hào)工作，由于放大特性非線性，放大器的增益將隨Vi的增大而減小，從而T或A隨Vi的增大而減小。自然具有穩(wěn)定幅度的功能。,斜率越陡，系統(tǒng)回到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短，調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)

8、。,環(huán)路增益存在兩個(gè)平衡點(diǎn)的情況,第四章 正弦波振蕩器,環(huán)路增益存在兩個(gè)平衡點(diǎn)的情況,如圖所示，振蕩器存在著兩個(gè)平衡點(diǎn) A 和 B，其中 A 是穩(wěn)定的，B 點(diǎn)是否穩(wěn)定？,分析：若使Vi ViB ，則T(osc) 隨之增大，導(dǎo)致Vi 進(jìn) 一步增大，從而更遠(yuǎn)離平衡點(diǎn)B。最后到達(dá)平衡點(diǎn)A。,可見，這種振蕩器不滿足振幅起振條件，必須加大的電沖擊，產(chǎn)生大于ViB 的起始擾動(dòng)電壓，才能進(jìn)入平衡點(diǎn)A，產(chǎn)生持續(xù)等幅振蕩。,硬激勵(lì)：靠外加沖擊而產(chǎn)生振蕩。,軟激勵(lì)：接通電源后自動(dòng)進(jìn)入穩(wěn)定平衡狀態(tài)。,返回,第四章 正弦波振蕩器,穩(wěn)定條件之相位（頻率）穩(wěn)定條件,即相位穩(wěn)定條件為：,返回,若某原因使 T(osc) 0，

9、則通過每次放大和反饋后的電壓相位都將超前于原輸入電壓相位。這種相位的不斷超前表明振蕩器的角頻率osc。,即要保證相位平衡點(diǎn)穩(wěn)定, 振蕩電路內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)的相位變化, 與外因引起的相位變化 的符號(hào)應(yīng)相反,以消弱或抵消由外因引起的變化。,若某原因使 T(osc) 0，則通過每次放大和反饋后的電壓相位都將滯后于原輸入電壓相位。這種相位的不斷滯后表明振蕩器的角頻率 osc。,若此時(shí)振蕩器本身的T() 0， Vi 的超前勢必受到阻止。,若此時(shí)振蕩器本身的T() 0， Vi 的滯后勢必受到阻止。,由于 即相位變化時(shí),頻率也變化,故相位穩(wěn)定條件也就是頻率穩(wěn)定的條件。,相位平衡的穩(wěn)定條件要求選頻網(wǎng)絡(luò)的相頻特性曲

10、線在osc附近應(yīng)具有負(fù)斜率, 斜率越陡，干擾引起的頻率波動(dòng)越小。,實(shí)際中的并聯(lián)LC諧振回路正好具有這種相頻特性,故可自然滿足.,第四章 正弦波振蕩器,3. 1.2 反饋振蕩器的基本組成及其分析方法,總之，要產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦振蕩，振蕩器必須滿足: 起振條件、平衡條件和穩(wěn)定條件，缺一不可。,1. 閉合環(huán)路組成,A.可變增益放大器:提供足夠的增益，且其增益隨輸入電壓增大而減小。,B. 相移網(wǎng)絡(luò):具有負(fù)斜率變化的相頻特性，為環(huán)路提供合適的相移，保證 在諧振頻率上的相移為:2n,2. 分析方法,或四個(gè)環(huán)節(jié)：放大環(huán)節(jié)、選頻環(huán)節(jié)、正反饋環(huán)節(jié)、穩(wěn)定環(huán)節(jié)。,(1) 首先檢查環(huán)路是否包含可變增益放大器和相頻特性具有

11、負(fù)斜率變化的相移網(wǎng)絡(luò)；閉合環(huán)路是否是正反饋。,(2) 其次，分析起振條件。起振時(shí)，放大器小信號(hào)工作，可用小信號(hào)等效電路分析方法導(dǎo)出T(j)，并由此求出起振條件及由起振條件決定的電路參數(shù)和相應(yīng)的振蕩頻率。,若振蕩電路合理，又滿足起振條件，就能進(jìn)入穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，相應(yīng)的電壓振幅通過實(shí)驗(yàn)確定。,(3) 最后，分析振蕩器的頻率穩(wěn)定度，并提出改進(jìn)措施。,第四章 正弦波振蕩器,第四章 正弦波振蕩器,4.3 LC 正弦波振蕩器,LC 正弦波振蕩器：采用 LC 諧振回路作為相移網(wǎng)絡(luò)的振蕩器,種類：兩點(diǎn)式振蕩電路：直接反饋和變壓器耦合振蕩電路 三點(diǎn)式振蕩電路（電感三點(diǎn)式和電容三點(diǎn)式振蕩電路）,4.3.1 變壓器

12、耦合振蕩電路（舉例）,互感耦合振蕩器的LC回路作為整體運(yùn)用于振蕩環(huán)路，回路有兩個(gè)引出端，因而也稱為兩點(diǎn)式振蕩電路。,變壓器振蕩電路,根據(jù)相移網(wǎng)絡(luò)的不同，將振蕩器分為： LC 振蕩器、RC振蕩器、石英晶體振蕩器等。,振蕩環(huán)路內(nèi)流動(dòng)的信號(hào)是帶方向性的，并且是無頭無尾的環(huán)流信號(hào)，對(duì)這種信號(hào)的判斷可以從環(huán)路中的任意信號(hào)位置開始，即并不一定非從放大器部分的vi位置開始。,結(jié)合習(xí)題P102 4-2,第四章 正弦波振蕩器,變壓器耦合振蕩電路,變壓器振蕩電路續(xù),第四章 正弦波振蕩器,振蕩環(huán)路內(nèi)流動(dòng)的信號(hào)是帶方向性的，并且是無頭無尾的環(huán)流信號(hào)，對(duì)這種信號(hào)的判斷可以從環(huán)路中的任意信號(hào)位置開始，即并不一定非從放大器

13、部分的vi位置開始。,直接反饋型振蕩電路,集成放大器組成的振蕩器,4.3.2 直接反饋振蕩器,第四章 正弦波振蕩器,（屬LC兩點(diǎn)式振蕩電路）,三點(diǎn)式振蕩電路,第四章 正弦波振蕩器,4.3.3 三點(diǎn)式振蕩電路,變壓器耦合振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高且由于互感耦合元件分布電容的存在，限制了振蕩頻率的提高，只適用于較低頻段（中、短波波段），為了提高振蕩頻率，可采用無變壓器的三點(diǎn)式振蕩器（幾MHz和幾百M(fèi)Hz之間）。,三點(diǎn)式電路：是指諧振回路引出的三個(gè)端點(diǎn)與非線性增益 元器件的三個(gè)信號(hào)端相連接而成的電路。,三點(diǎn)式振蕩電路：只有滿足相位平衡條件的三點(diǎn)式電路才可 能構(gòu)成三點(diǎn)式振蕩電路。,三點(diǎn)式判別原則,組成:,

14、并聯(lián)諧振回路：決定振蕩頻率。 反饋網(wǎng)絡(luò)：構(gòu)成正反饋。,三個(gè)電抗元件X1、X2、X3：,可以是三極管的基極B，或場效應(yīng)管的柵極G,可以是三極管的發(fā)射極E，或場效應(yīng)管的源極S,4.3.3 三點(diǎn)式振蕩電路,變壓器耦合振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高且由于互感耦合元件分布電容的存在，限制了振蕩頻率的提高，只適用于較低頻段（中、短波波段），為了提高振蕩頻率，可采用無變壓器的三點(diǎn)式振蕩器（幾MHz和幾百M(fèi)Hz之間）。,三點(diǎn)式電路：是指諧振回路引出的三個(gè)端點(diǎn)與非線性增益 元器件的三個(gè)信號(hào)端相連接而成的電路。,三點(diǎn)式振蕩電路：只有滿足相位平衡條件的三點(diǎn)式電路才可 能構(gòu)成三點(diǎn)式振蕩電路。,三點(diǎn)式判別原則,并聯(lián)諧振回路：決

15、定振蕩頻率。 反饋網(wǎng)絡(luò)：構(gòu)成正反饋。,三個(gè)電抗元件X1、X2、X3組成諧振回路,可以是三極管、場效應(yīng)管、集成運(yùn)放等 BG(或運(yùn)放的反相輸入端） ES(或運(yùn)放的同相輸入端） CD(或運(yùn)放的輸出端）,第四章 正弦波振蕩器,（Vce與Vbe 反相）,第四章 正弦波振蕩器,一、電路相位組成法則 （相位判別依據(jù)）,X1、X2 、X3為純電抗元件，構(gòu)成振蕩回路。,X1 + X2 + X3 = 0,諧振條件：,電路中三個(gè)電抗元件必須由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。,相位平衡條件，即正反饋條件,X1、X2為同性質(zhì)電抗元件,因?yàn)閄1X2 X3，,即同為電容或同為電感,即若X1 、X2為電容元件，則X3應(yīng)為電感元件

16、，對(duì)應(yīng)的振蕩電路為電容三點(diǎn)式振蕩電路；若X1 、X2為電感元件，則X3為電容元件，對(duì)應(yīng)的振蕩電路為電感三點(diǎn)式振蕩電路。,與發(fā)射極（或源極，或集成運(yùn)放的同相輸入端）相連的為兩同性質(zhì)的電抗元件，集-基（或漏柵，或集成運(yùn)放的反相輸入端輸出端）間接反性質(zhì)的電抗元件。 三點(diǎn)式振蕩電路相位組成法則（射同余反）。,可根據(jù)該組成法則，判斷三點(diǎn)式振蕩電路的連接是否正確。,電容三點(diǎn)式,X3的電抗性質(zhì)與X1 、X2的電抗性質(zhì)相反。,例子,例子：圖為三回路振蕩器交流通路，,分別為三個(gè)回路的固有諧振頻率，寫出它們之間能滿足相位平衡條件的兩種關(guān)系式，并指出兩種情況下振蕩頻率處在什么范圍內(nèi)。,解：已知串、并聯(lián)諧振回路在忽略

17、回路損耗時(shí)電抗特性曲線如圖,并聯(lián)中， 0，X 0，呈感性,1若構(gòu)成電容三點(diǎn)式電路,L1C1、L2C2 回路呈容性失諧，L3C3 回路呈感性失諧。,容性失諧：fosc f02 ；感性失諧：fosc f03 。,2若構(gòu)成電感三點(diǎn)式電路,L1C1、L2C2 回路呈感性失諧，L3C3 回路呈容性失諧。,感性失諧：fosc f01，fosc f03 。,第四章 正弦波振蕩器,返回,二、三點(diǎn)式振蕩器電路,1. 電容三點(diǎn)式,RB1、RB2、 RE 分壓式偏置電阻，,第四章 正弦波振蕩器,（發(fā)射極：為兩同性質(zhì)的容性電抗，集-基： 感性電抗。相位組成法則滿足。）,典型的電容三點(diǎn)式振蕩電路.其反饋電壓取自 L 和

18、C2組成的分壓器電容三點(diǎn)式。滿足相位平衡條件,只要適當(dāng)選取C1與C2的比值,并使放大器有足夠的放大量,電路就能產(chǎn)生振蕩.,振蕩頻率的計(jì)算,CE、CB和CE 旁路電容和耦合電容（隔直電容）,L、C1、C2 并聯(lián)諧振回路,直流偏置電路決定了起振時(shí)電路的工作點(diǎn),當(dāng)振蕩以后RE,CE構(gòu)成自給偏壓電路，LC高頻扼流圈可以用一個(gè)大電阻代替，防止電源對(duì)回路旁路。,其他電容三點(diǎn)式振蕩電路,起振幅值條件的分析,第四章 正弦波振蕩器,討論 起振與平衡,T 為可變增益器件，偏置電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)同時(shí)，隨Vi 的增大產(chǎn)生自給偏置效應(yīng)，加速放大器增益的下降。,起振時(shí)，加在發(fā)射結(jié)上的偏置電壓即為靜態(tài)偏置電壓,當(dāng)vi

19、增大到振蕩管的非線性特性區(qū)時(shí)， vi的一部分進(jìn)入截止區(qū)，振蕩管的集電極電流(和相應(yīng)的基極電流)已不再是正弦波，而是失真的脈沖波，它們的平均值將大于靜態(tài)值，且隨vi的增大而增大，結(jié)果VBO減小， VBEQ減小，所以，振蕩振幅增大時(shí)，加在發(fā)射結(jié)上的偏置電壓將自靜態(tài)值向截止方向移動(dòng)，導(dǎo)致放大器增益即環(huán)路增益進(jìn)一步下降，從而進(jìn)一步提高了振蕩振幅的穩(wěn)定性。,返回,第四章 正弦波振蕩器,電容三點(diǎn)式 振蕩電路,（a)共射極，發(fā)射極通過CE交流接地。反饋電壓加到基極；,（b)共基極，基極通過CB交流接地。反饋電壓加到射極；,發(fā)射極：為兩同性質(zhì)的容性電抗，集-基：感性電抗。相位組成法則滿足。,返回,第四章 正弦

20、波振蕩器,振蕩頻率的分析計(jì)算,返回,用小信號(hào)Y參數(shù)等效電路等效,C1 =Coe+C1C1,C2 =Cie+C2C2,回路線圈的損耗及負(fù)載用 等效,令Z中的虛部X=0得到諧振頻率為：,osc 與L、C有關(guān)，還與 gie 、goe、gL 等有關(guān)，且 osc 0 。 實(shí)際電路中，一般滿足：,osc 0 =,即振蕩頻率主要由諧振回路的總電感和總電容決定，即有：,第四章 正弦波振蕩器,起振幅值條件分析,返回,1、反饋系數(shù)F為：,諧振時(shí):,諧振回路諧振時(shí)可以估算出放大器的電壓放大倍數(shù)：,要起振，須有：,若選用振蕩管，其 fT 大于振蕩頻率 5 倍以上，RL 又不太小( 1 k)，且 n(兩電容)取值適中，

21、一般都滿足起振條件。, 增大F (= n) ，k2gie 增大必將造成 Av(0) 減??；反之，減小F ，雖然提高 Av(0)，但也不能增大回路增益 T(0)。因此，要增大 T(0)，n 取值應(yīng)適中。（n=35), 提高 ICQ，可以增大 gm，從而提高 Av(0) ，但不宜過大，否則，gie ( 1/re = gm/) 會(huì)過大，回路有載品質(zhì)因數(shù)下降，影響頻率穩(wěn)定性。ICQ 一般取 (1 5)mA。,其中n2gie 為gie折合到放大器輸出端的等效電阻, 而折合系數(shù),第四章 正弦波振蕩器,2. 電感三點(diǎn)式振蕩器電路及其振蕩頻率等的分析,兩種三點(diǎn)式電路的比較,+ vbe -,+ vce -,令Z

22、中的虛部X=0得到諧振頻率為：,反饋系數(shù)：,起振時(shí)的gm應(yīng)滿足：,條件與電容反饋振蕩器相同！,其他形式的電感三點(diǎn)式振蕩電路,第四章 正弦波振蕩器,電感三點(diǎn)式振蕩器電路,(1) 電路與元件作用,(2) 組成法則判斷,反饋電壓取自 C 和L2組成的分壓器,返回,第四章 正弦波振蕩器,兩種基本三點(diǎn)式振蕩電路比較,1、電容三點(diǎn)式振蕩電路的反饋電壓取自反饋電容C2，而電容對(duì)高次諧波頻率呈低阻抗，因此因晶體管的非線性而產(chǎn)生的反饋電壓中的高次諧波可濾去，從而輸出波形好，接近于正弦波。 另外，晶體管的極間電容、分布電容和回路電容并聯(lián)，它可以作為諧振回路的一部分，只要增加回路電容就可以減少它們對(duì)振蕩頻率的影響，

23、從而提高頻率穩(wěn)定度，有時(shí)可直接利用晶體管的輸出、輸入電容與回路電感構(gòu)成振蕩電路，這樣可以得到較高頻率的振蕩。 缺點(diǎn)：作為波段振蕩電路調(diào)整頻率較困難，當(dāng)調(diào)節(jié)C1或C2時(shí)，會(huì)改變反饋系數(shù)，影響起振和波形。 2、電感三點(diǎn)式振蕩電路的反饋電壓取自反饋電感L2，它對(duì)高頻呈高阻抗，不易濾去高次諧波，故波形不理想。 此外，分布電容和晶體管的極間電容直接并接在反饋線圈上，會(huì)影響反饋系數(shù)，改變回路的特性，頻率越高影響越嚴(yán)重，當(dāng)頻率高到分布電容和極間電容起主要作用時(shí)，會(huì)不滿足相位平衡條件從而造成停振，故適用于工作頻率不太高的場合，一般幾十MHz。 優(yōu)點(diǎn)：可作波段振蕩器，調(diào)節(jié)回路電容能比較方便地改變振蕩頻率，L1、

24、L2間存在互感，起振容易。,返回,（1）兩種線路都簡單，容易起振。,（2）電感反饋振蕩器的工作頻率不能過高； 電容反饋振蕩器，工作頻率可以較高。,（3）電容反饋振蕩器的輸出波形好 電感反饋振蕩器的輸出波形差。,綜上，由于電容反饋振蕩器具有工作頻率高、波形好等優(yōu)點(diǎn)，在許多場合得到了應(yīng)用。,四、用工程估算法求起振條件(可大大簡化起振條件的分析),第四章 正弦波振蕩器,1. 將閉合環(huán)路開斷，畫出開環(huán)等效電路。,2. 求出固有諧振頻率 ，并令,3. 將諧振回路的電導(dǎo)折算到集電極上，求放大器回路諧振時(shí)的增益和反饋系數(shù)，便可確定振幅起振條件。,例1：判斷圖示交流通路能否滿足相位平衡條件？,解：若 L、C3

25、 串聯(lián)支路呈感性，則符合相位平衡條件。,該支路諧振頻率 ，當(dāng) 3 時(shí)，L、C3 串聯(lián)支路呈感性。,4.4 振蕩器的頻率穩(wěn)定性分析,一、頻率穩(wěn)定的重要性,第四章 正弦波振蕩器,振蕩器的頻率穩(wěn)定度是振蕩器的一個(gè)重要性能指標(biāo)。,1、各種無線電設(shè)備的性能穩(wěn)定與振蕩器的頻率穩(wěn)定度有著極為 密切的關(guān)系。（發(fā)射： 載波；接收端：本地振蕩信號(hào)）,2、多路通信中發(fā)射頻率的穩(wěn)定度決定著所占頻帶的寬窄，從而 決確定了通信的路數(shù)和抗干擾能力的強(qiáng)弱。 (穩(wěn)定度達(dá)不到要求可能會(huì)使通信中斷）,3、通信系統(tǒng)中的頻率穩(wěn)定度是能否正常通信的關(guān)鍵。 （穩(wěn)定度達(dá)不到要求可能會(huì)使通信中斷）,4、各種測量儀器的頻率穩(wěn)定度決定了測量的誤差

26、大小。,5、數(shù)字頻率計(jì)中，振蕩頻率的穩(wěn)定度決定了時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的精確度。,頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度,二、頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度,第四章 正弦波振蕩器,振蕩頻率的穩(wěn)定性常用頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度兩個(gè)指標(biāo)來衡量。,絕對(duì)頻率準(zhǔn)確度，又稱絕對(duì)頻偏：,相對(duì)頻率準(zhǔn)確度，又稱相對(duì)頻偏：,頻率穩(wěn)定度：,是表明在一定時(shí)間內(nèi)或一定溫度、電源電壓等變化范圍內(nèi)的相對(duì)頻率變化量,按時(shí)間長短分,長期頻率穩(wěn)定度：一天數(shù)月內(nèi)的相對(duì)頻率變化量。,短期頻率穩(wěn)定度：一天內(nèi)的相對(duì)頻率變化量。,瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：1s或1ms或1ns內(nèi)因干擾或起伏噪聲引起的相對(duì)頻率變化量,（主要用來評(píng)價(jià)天文臺(tái)或國家計(jì)量單位的高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)設(shè)備的穩(wěn)定指標(biāo)，它主要取決于有

27、源器件、電路原件、晶體管等的老化特性）,主要用來評(píng)價(jià)通訊和測量儀器中振蕩器的頻率穩(wěn)定指標(biāo)。主要與溫度、電源電壓變化和電路參數(shù)不穩(wěn)定等因素有關(guān)。外界因素引起的頻率變化大都屬于此類。,頻率穩(wěn)定度的表示方法：,頻率準(zhǔn)確度（頻偏）,實(shí)際應(yīng)用時(shí)，采用概率統(tǒng)計(jì)的方法來衡量頻率的穩(wěn)定性，用頻率偏移的均方根值作為衡量指標(biāo)。,其中：,數(shù)值越小，頻率穩(wěn)定度越高！,三、LC振蕩電路的頻率穩(wěn)定性分析,第四章 正弦波振蕩器,振蕩頻率決定于相位平衡條件。若相位平衡條件在平衡點(diǎn)穩(wěn)定，則振蕩器頻率就穩(wěn)定，即要求：,即要求諧振系統(tǒng)的相頻特性為負(fù)斜率特性，且 值越大，頻率穩(wěn)定性越高，即要求相頻特性在 附近越陡越好，另外若要相頻特

28、性曲線陡，就需要諧振系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)要高。,外界溫度等變化會(huì)引起：L、C變；晶體管參數(shù)變；（電源電壓變會(huì)引起工作點(diǎn)變，從而導(dǎo)致頻率變；機(jī)械振動(dòng)會(huì)引起LC元件發(fā)生變形，造成頻率變）從而造成頻率變。,對(duì)LC電容三點(diǎn)式振蕩電路的實(shí)際振蕩角頻率：,在實(shí)際電路中一般都滿足：,工程估算時(shí)：,反饋型振蕩電路的穩(wěn)頻措施,四、LC反饋型振蕩器的穩(wěn)頻措施,第四章 正弦波振蕩器,1、減少外界因素變化對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響,2、提高諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性,3、選擇合適的振蕩管,4、振蕩器的振蕩頻率盡量靠近諧振回路的頻率,1、減少溫度的影響：將振蕩器置于恒溫槽內(nèi),2、穩(wěn)定電源電壓：采用高穩(wěn)定度的穩(wěn)壓電源單獨(dú)供電,3、消除機(jī)械振動(dòng)對(duì)

29、振蕩頻率的影響：采用減震裝置、加鎖裝置,4、采用密封工藝減少溫度和氣壓的變化對(duì)頻率穩(wěn)定度的影響,5、采用屏蔽罩消除磁場感應(yīng)對(duì)頻率的影響,6、在振蕩器與不穩(wěn)負(fù)載間加緩沖級(jí)電路,1、采用高穩(wěn)定和高Q的電抗元件L、C,2、改進(jìn)電路（消除 Coe 、 Cie 等雜散電容的影響）,3、就近接地，引線短，焊接牢固，消除引線電感和分布 電容的影響,選擇高Q，高fT的管子（一般場效應(yīng)管和集成運(yùn)放的穩(wěn)定性好些）,（因?yàn)樵?附近相頻特性陡些）,串聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路：Clapp電路,則得到振蕩電路的振蕩頻率為：,并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路,第三章 正弦波振蕩器,而電壓反饋系數(shù):,若回路L兩端的等效負(fù)載RL

30、，折合到集電極回路作為集電極負(fù)載,克拉潑電路的一個(gè)主要缺點(diǎn)是波段范圍不寬,波段覆蓋倍數(shù)小,一般約為1.21.3,另外波段內(nèi)輸出幅度（隨RL變)不均勻,不易起振。,回路總電容主要由C3決定，極間電容對(duì)總電容的影響很小!,C1 、C2不能過大，否則停振,并聯(lián)改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩電路：Shelle電路,則得到振蕩電路的振蕩頻率為：,石英晶體振蕩電路,第三章 正弦波振蕩器,所以在波段內(nèi)振幅比較穩(wěn)定,且調(diào)諧范圍比較寬,實(shí)際中西勒振蕩電路常用于寬波段工作系統(tǒng)中。,改變頻率主要是通過調(diào)整C4完成的！,（1）C4的改變并不影響接入系數(shù) n，波段內(nèi)輸出幅度較平穩(wěn)。,（2）C4改變，頻率變化較明顯，故頻率覆蓋系數(shù)

31、較大，可達(dá)1.6 1.8。,4.5 石英晶體(Quartz-Crystal)振蕩電路,第四章 正弦波振蕩器,LC振蕩電路的頻率穩(wěn)定性決定于諧振回路的Q值和回路的標(biāo)準(zhǔn)性，實(shí)際上其頻率穩(wěn)定度為102104，很難到達(dá)105 。而石英晶體振蕩器其頻率穩(wěn)定度很容易做到105 ，采取一定措施可達(dá)到107109 ，甚至1011，因而它在電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。,石英晶體振蕩器：是利用石英諧振器（利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的機(jī)與電相互轉(zhuǎn)換的諧振系統(tǒng)）作為諧振系統(tǒng)的振蕩電路。,壓電效應(yīng)：就是當(dāng)石英晶體沿某一電軸受到交變電場的作用時(shí)，就能沿機(jī)械軸產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，反之，當(dāng)機(jī)械軸受力時(shí)，就能在電軸方向產(chǎn)生電場，石英晶體

32、存在固有頻率，當(dāng)晶體片的固有頻率與外加電源頻率相符時(shí)，晶體片就能產(chǎn)生諧振。,石英晶體的化學(xué)成分是SiO2，形狀為結(jié)晶六棱錐體。這種晶體的導(dǎo)電性能與金屬導(dǎo)電性能不同，它與晶格方向有關(guān)。專門用于基頻振動(dòng)的晶體稱為基音晶體， 專門用于泛音振動(dòng)的晶體稱為泛音晶體。,石英晶體的電路符號(hào)及等效電路,不同用途對(duì)頻率穩(wěn)定度的要求不一樣：,一石英晶體的性能與等效電路,第四章 正弦波振蕩器,(1)性能, 晶片有一固有振動(dòng)頻率，與切割方位、形狀、大小有關(guān)，且十分穩(wěn)定。,將其接到振蕩器的閉合環(huán)路中，利用其固有頻率，能有效地控制和穩(wěn)定振蕩頻率。, 壓電效應(yīng)：機(jī)械與電的相互轉(zhuǎn)換效應(yīng)。,正壓電效應(yīng)：外加力，產(chǎn)生電荷現(xiàn)象。,

33、逆壓電效應(yīng)：外加電壓，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象。, 振動(dòng)特性,具有多諧性，除基頻振動(dòng)外還有奇次諧波的泛音振動(dòng)。,(2)等效電路,包括泛音在內(nèi)的等效電路,諧振頻率附近的等效電路,C0：靜態(tài)電容， Cq :基頻等效電容， Lq :等效電感， rq :等效電阻，一般Lq很大， Cq值很小，Q值可達(dá)百萬(106)量級(jí)，rq不大。,國產(chǎn)B45 1MHz中等精度晶體的等效參數(shù)如下：Lq= 4.00H，Cq=0.0063pF， rq100200 ，Co=23 pF。因而晶體的品質(zhì)因數(shù)Qq很大，一般為幾萬至幾百萬,（12 50025 000）,第四章 正弦波振蕩器,二、石英晶體的電路符號(hào)及等效電路、阻抗特性,串聯(lián)諧振

34、頻率：,并聯(lián)諧振頻率：,石英晶體電路類型,石英晶體的兩個(gè)自然諧振頻率：,一般 =(0.002-0.003),在 foq 上 Xe= 0 ，為串聯(lián)諧振；在 f0 上 Xe ，為并聯(lián)諧振。, 工作于 foq fo 之間為高 Q 電感，并聯(lián)諧振。, 工作于 foq附近為串聯(lián)諧振，晶體相當(dāng)于短路。,晶振體只能工作于上述兩種方式，否則頻穩(wěn)度下降。,與有源器件的接入系數(shù) n很小一般為103 10 4。,等效接入系數(shù),三、石英晶體振蕩電路,第四章 正弦波振蕩器,石英晶體振蕩電路分為兩類：,1、并聯(lián)型晶體振蕩電路：,并聯(lián)諧振頻率f 0L近似為：,晶體支路等效為電感，振蕩電路的諧振頻率往往由晶體外的電容來確定。

35、,其中CL 晶體外的總電容,2、串聯(lián)型晶體振蕩電路：,串聯(lián)諧振頻率f 0近似為：,晶體工作在其串聯(lián)諧振頻率上，晶體作為一個(gè)高選擇性的短路元件或小電阻來使用。,RC振蕩電路,泛音晶體振蕩電路振蕩電路,一般產(chǎn)品說明書上都標(biāo)有負(fù)載電容的數(shù)值，通常約為30-50pF，如JA5小型金屬殼高頻晶體的為30pF。,第四章 正弦波振蕩器,皮爾斯晶體振蕩電路（Pierce ocsillators）,另外一種皮爾斯振蕩電路,圖為典型的并聯(lián)晶體振蕩器,晶體接在集電極與基極之間,振蕩器工作頻率為f,且有fqffp,晶體呈電感性,相當(dāng)于Clapp電路.,C1, C2既是諧振回路的一部分,又構(gòu)成反饋回路.C3即作為減弱晶

36、體管與晶體間的藕合電容,也作為振蕩頻率的微調(diào)電容.,由于Co+CLCq ，故晶體管與晶體振蕩回路之間的藕合很松，減少了電路不穩(wěn)定因素對(duì)晶體振蕩回路的影響，提高了振蕩回路的穩(wěn)定性.,等效接入系數(shù),第四章 正弦波振蕩器,皮爾斯晶體振蕩電路（Pierce ocsillators）續(xù),返回,另外彌勒振蕩電路,交流等效電路,其適宜的工作頻率范圍為0.85 15 MHz。,第四章 正弦波振蕩器,密勒(Miler)振蕩器Millor Oscillator,返回,由于晶體與晶體管的低輸入阻抗并聯(lián)，降低了有載品質(zhì)因數(shù) QL ，故密勒振蕩器的頻率穩(wěn)定度較低。,由于皮爾斯振蕩器的頻穩(wěn)度比密勒振蕩器高，故實(shí)際應(yīng)用的晶

37、體振蕩器大多為皮爾斯振蕩器，在頻率較高時(shí)可以采用泛音晶體構(gòu)成。,2、串聯(lián)型晶體振蕩電路(SERIES CRYSTAL OSCILLATORS),第四章 正弦波振蕩器,返回,另外串聯(lián)型晶體振蕩電路,當(dāng) f = foq 時(shí)，晶體串聯(lián)諧振，等效為短路元件，電路滿足相位條件，且反饋?zhàn)顝?qiáng)，滿足起振條件。, f foq 時(shí)，晶體呈高阻抗，反饋顯著減弱，不能滿足振幅和相位起振條件。,因此這種振蕩器的振蕩頻率受晶體串聯(lián)諧振頻率的控制，具有很高的頻穩(wěn)度。,不需要外加負(fù)載電容CL。,通常這種晶體標(biāo)明其負(fù)載電容為無窮大。,在實(shí)際制作中，若fq有小的誤差，則可以通過回路調(diào)諧來微調(diào)。,串聯(lián)型晶體振蕩器能適應(yīng)高次泛音工作。,這是由于晶體只起到控制頻率的作用，對(duì)回路沒有影響，只要電路能正常工作，輸出幅度就不受晶體控制。,晶體接在振蕩器要求低阻抗的兩點(diǎn)間，通常在反饋電路中。,串聯(lián)型晶體振蕩電路續(xù),第四章 正弦波振蕩器,返回,補(bǔ)充說明：,通常這種晶體標(biāo)明其負(fù)載電容為無窮大。,不需要外加負(fù)載電容CL。,在實(shí)際制作中，若fq有小的誤差，則可以