第4章正弦波振荡器ppt课件.ppt
《第4章正弦波振荡器ppt课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第4章正弦波振荡器ppt课件.ppt(148页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、. 概述 . 反馈振荡原理 . LC振荡器 . 改进型电容三点式 . 频率稳定问题 . 石英晶体谐振器 .石英晶体振荡器 .章末小结,第4章 正弦波振荡器,4.1 概 述 振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别在于, 无需外加激励信号, 就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。 根据所产生的波形不同, 可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波, 后者能产生矩形波、 三角波、 锯齿波等。 本章仅介绍正弦波振荡器。,常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成, 这就是反馈振荡
2、器。按照选频网络所采用元件的不同, 正弦波振荡器可分为振荡器、振荡器和晶体振荡器等类型。其中振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波, 振荡器用于产生低频正弦波。正反馈放大器既可以由晶体管、 场效应管等分立器件组成, 也可以由集成电路组成, 但前者的性能可以比后者做得好些, 且工作频率也可以做得更高。本章介绍高频振荡器时以分立器件为主, 介绍低频振荡器时以集成运放为主。 另外还有一类负阻振荡器, 它是利用负阻器件所组成的电路来产生正弦波, 主要用在微波波段, 本书不作介绍。 ,4.2 反馈式振荡的基本原理,图3.1示出的是一个反馈式放大器的框图。它由放大器和反馈网络组成,图中, 是放大器输出电压复
3、振幅, 是放大器输入电压复振幅, 是反馈网络输出反馈电压复振幅, 是外加电压复振幅,放大器的增益 为,(3.11),图3.1 反馈放大器,A为 超前 相角。反馈网络的反馈系数 为,(3.12),F为 超前 相角。 图中,,(3.13),由此可得闭环的放大器增益 为,4.2.2 平衡条件 根据式(3.13)可见,振荡条件是 ,这是振荡的必要条件。它是一个复数方程,因此可以写成两个方程,一个是振幅方程式,称为振幅平衡条件,可表示为,(3.14a),另一个是相位方程式,称其为相位平衡条件,可表示为,(3.14b),1.振幅平衡条件 振幅平衡条件AF=1中,A=Uo/Ui,即Uo=AUi,Uo与Ui的
4、关系由放大特性曲线决定,如图3.2所示。反馈系数F=Uf/Uo,由于反馈网络常由恒参数线性网络构成,所以,Uo、Uf的关系曲线为一直线,如图3.3所示。这组曲线称为反馈特性曲线。 根据A、F表示式,振幅平衡条件又可写成,即,图3.2 放大特性曲线,这就是说,振幅平衡条件是反馈电压的幅值等于放大器输入电压幅值。由此将图3.2、图3.3画在一个坐标上,凡是满足Uf=Ui的点即为满足振幅平衡条件的平衡点,对应这些点的输出电压Uo值,就是振荡器产生的电压幅值,如图3.4所示。,图3.3 Uo与Uf的关系曲线,图3.4 振荡器产生的电压幅值,2.相位平衡条件 根据相位平衡条件A+F=2n,说明反馈电压
5、与输入电压 同相,即正反馈,正反馈是通过振荡器电路来保证的。A是 超前 的相位,当放大器是一个非线性工作的晶体管放大器时,输出电压为,(3.15),是集电极电流基波分量, 是集电极负 载阻抗,则,(3.16),其中A=Y+Z,Y是晶体管集电极电流基波分量 超前输入电压 的相角,Z是负载的相角,即 超前 的相角。因此相位平衡条件又可写为,(3.17),若令Y+F=E,则,(3.18),相位是频率的函数,在晶体管的特征频率fT远大于振荡器工作频率时,可近似认为Y与频率无关,且数值很小。反馈网络的相移F通常在窄带范围内也可认为与频率无关。负载的相角Z与负载的形式有关,图3.5LC并联振荡回路负载相角
6、与频率的关系若采用LC并联振荡回路,它的相角与频率的关系如图3.5中曲线所示。,将E随频率变化的曲线同时画在一个坐标中,两条曲线的相交点即满足相位平衡条件的平衡点,如图3.5所示,A点即为相位平衡点,对应的角频率g即为振荡器的工作频率,所以,相位平衡条件决定了振荡器的工作频率。为了保证振荡器的工作频率是惟一的,满足相位平衡条件的平衡点只能有一个。,图3.5 LC并联振荡回路负载相角与频率的关系,4.2.3 稳定条件 由于振荡电路中存在各种干扰,如温度变化、电压波动、噪声、外界干扰等,这些干扰会破坏振荡的平衡条件,因此,为使振荡器的平衡状态能够存在,只有使它成为稳定的平衡具有返回原先平衡状态能力
7、的平衡。鉴于此,除了平衡条件外还必须有稳定条件。稳定条件同样分成振幅稳定条件和相位稳定条件。,1. 振幅稳定条件 从图3.6可以看出,当90时,放大特性与反馈特性有两个交点O、A。当电源接通瞬间, =0,Ui=0,由于外界电磁感应在放大器输入端感应一个Ui电压,在此电压作用下,放大器输出Uo1电压,经过反馈网络,反馈电压为Uf1,由于Uf1Ui,振荡器就会脱离开原点而振荡起来。,图3.6 90时的放大特性与反馈特性,由上面对平衡点稳定性的分析可知,在满足振幅稳定的平衡点P上,都具有放大特性斜率小于反馈特性斜率的特点。即,由于Uf=AFUi,在平衡点P上AF|P=1,则,当F=常数时,振幅稳定条
8、件为,根据此条件可知,要使振幅稳定,在稳定平衡点上,放大器的增益应随输入电压的增大而减小。当输出电压Uo增加时,反馈电压Uf增加,由于Uf=Ui,Ui增加,A减小,使Uo减小,恢复为正常值,达到稳幅。要使放大器增益A随Ui变化,放大器一定要工作在非线性状态。所以说振幅稳定是由放大器的非线性工作保证的,振荡器必然是非线性电子线路。称这种振幅稳定方式叫内稳幅方式。当A=常数时,振幅稳定条件为,根据这个条件可知,要使振幅稳定,在稳定平衡点上,反馈网络的反馈系数应随电压的增大而减小。当Ui增加时,A=常数,Uo增加,F减小,Uf减小,由于Uf=Ui,Ui减小,使之恢复到正常值,达到振幅稳定。反馈网络的
9、反馈系数F随电压Ui变化,反馈网络只能是非线性网络或时变网络。称这种振幅稳定方式叫外稳幅方式。,4.2.4 起振条件 电源刚一接通的瞬间,振荡器起始振荡,起始振荡的条件应为,(3.114a),(3.114b),式(3.114a)为振幅起振条件,式(3.114b)为相位起振条件。由于UfUi,所以在极其微小的电磁感应激励下,通过选频网络就可取出工作频率的电压形成增幅振荡,直至在稳定平衡点工作。,根据振荡器的振荡条件,可归纳如下: (1)振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件,可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。 (2)相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相,即正反馈。根据
10、相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。 (3)振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的,所以振荡器是非线性电路。,(4)振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。 (5)振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络,它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。 (6)利用自偏置保证振荡器能自行起振,并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。,4.2.4 振荡器的频率稳定度 1. 频率稳定度定义 反馈振荡器若满足起振、平衡、稳定三个条件, 就能够产生等幅持续的振荡波形。 当受到外界不稳定因素影响时, 振荡器的相位或振荡频率可能发生些微变化, 虽然能自动回到平衡状态, 但振荡频率在平衡点附近
11、随机变化这一现象却是不可避免的。 为了衡量实际振荡频率相对于标称振荡频率0变化的程度, 提出了频率稳定度这一性能指标。,频率稳定度是将振荡器的实测数据代入规定的公式中计算后得到的。根据测试时间的长短, 将频率稳定度分成长期频稳度、 短期频稳度和瞬时频稳度三种, 测试时间分别为一天以上、 一天以内和一秒以内。时间划分并无严格的界限, 它是按照引起频率不稳定的因素来区别的。长期频稳度主要取决于元器件的老化特性, 短期频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电路参数的变化等等, 而瞬时频稳度则与元器件的内部噪声有关。,通常所讲的频率稳定度一般指短期频稳度, 定义为,(4.2.11),其中, (f
12、0)i=|fi-f0|是第次测试时的绝对频率偏差; 是绝对频率偏差的平均值, 也就是绝对频率准确度。 可见, 频率稳定度是用均方误差值来表示的相对频率偏差程度。,2. 提高LC振荡器频率稳定度的措施 反馈振荡器的振荡频率通常主要由选频网络中元件的参数决定, 同时也和放大器件的参数有关。各种环境因素如温度、 湿度、 大气压力等的变化会引起回路元件、 晶体管输入输出阻抗以及负载的微小变化, 从而对回路值和振荡频率产生影响, 造成频率不稳定。针对这些原因, 主要可采取两类措施来提高振荡器的频率稳定度。 (1) 减小外界因素变化的影响。可以采用稳压或振荡器单独供电的方法来稳定电源电压, 或采用恒温或温
13、度补偿的方法来抵消温度变化的影响, 还可以预先将元器件进行老化处理, 采取屏蔽、密封、抽真空方法减弱外界磁场、湿度、压力变化等等的影响。,(2) 提高电路抗外界因素变化影响的能力。这类措施包括两个方面: 一是提高回路的标准性, 二是选取合理的电路形式。 回路的标准性是指外界因素变化时, 振荡回路保持其谐振频率不变的能力。回路标准性越高, 则频率稳定度越高。采用温度系数小或温度系数相反的电抗元件组成回路, 注意选择回路与器件、负载之间的接入系数, 实现元器件合理排队以尽可能减小不稳定的分布电容和引线电感的影响, 这些措施都有助于提高回路的标准性。如果采用回路Q值很高的石英晶体谐振器,则可组成频率
14、稳定度很高的晶体振荡器。 选取合理的电路形式或采用自动调整电路来提高频率稳度是一项很重要的技术措施, 如下一节介绍的改进型电容三点式电路和第7、8章将要介绍的自动频率控制和锁相环技术都是普遍应用的例子。,4.3 LC 振 荡 器,4.3.1 互感耦合振荡器 图431是常用的一种集电极调谐型互感耦合振荡器电路。 此电路采用共发射极组态, 回路接在集电极上。 注意耦合电容Cb的作用。如果将Cb短路, 则基极将通过变压器次级直流接地, 振荡电路不能起振。根据瞬时极性判断法,此电路可以看成是一个共射电路与起倒相作用的互感耦合线圈级联而成,是正反馈。 读者可以画出其高频等效电路。,图 4.3.1 集电极
15、调谐型互感耦合振荡电路,互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈, 所以, 应注意耦合线圈同名端的正确位置。同时, 耦合系数要选择合适, 使之满足振幅起振条件。 互感耦合振荡器的频率稳定度不高, 且由于互感耦合元件分布电容的存在, 限制了振荡频率的提高, 所以只适用于较低频段。 另外,因高次谐波的感抗大,故取自变压器次级的反馈电压中高次谐波振幅较大,所以导致输出振荡信号中高次谐波分量较大,波形不理想。,【例4.2】 判断图例4.2所示两级互感耦合振荡电路能否正常工作。 解: 在V1的发射极与V2的发射极之间断开。从断开处向左看, 将V1的eb结作为输入端, V2的ec结作为输出端, 可
16、知这是一个共基共集反馈电路, 振幅条件是可以满足的, 所以只要相位条件满足, 就可起振。 利用瞬时极性判断法, 根据同名端位置, 有ue1uc1ub2ue2(ue1), 可见是负反馈, 不能起振。 如果把变压器次级同名端位置换一下, 则可改为正反馈。 而变压器初级回路是并联回路, 作为V1的负载, 此处应考虑其阻抗特性, 由于满足相位稳定条件, 因此可以正常工作。,图例4.2,4.3.2三点式振荡器 电路组成法则 三点式振荡器是指回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。 三点式振荡器电路用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合, 可以克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点, 是一
17、种广泛应用的振荡电路, 其工作频率可达到几百兆赫。 图432是三点式振荡器的原理图。 先分析在满足正反馈相位条件时, 回路中三个电抗元件应具有的性质。, 假定回路由纯电抗元件组成, 其电抗值分别为ce, be和bc, 同时不考虑晶体管的电抗效应, 则当回路谐振(0)时, 回路呈纯阻性, 有:ce+bebc=0,因此,cebebc,图4.3.2 三点式振荡器的原理电路, 由于 是 在bebc支路分配在Xbe上的电压, 有,因为这是一个正反馈反相放大器, 与 同相, 与 反相, 所以,即be与ce必须是同性质电抗, 因而Xbc必须是异性质电抗。,由上面的分析可知, 在三点式电路中, 回路中与发射极
18、相连接的两个电抗元件必须为同性质, 另外一个电抗元件必须为异性质。这就是三点式电路组成的相位判据, 或称为三点式电路的组成法则。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电容时的三点式电路, 称为电容三点式电路, 也称为考毕兹电路。 与发射极相连接的两个电抗元件同为电感时的三点式电路, 称为电感三点式电路, 也称为哈特莱电路。 ,电容三点式电路(又称考毕兹电路, ) 图4.3.3()是电容三点式电路一种常见形式,()是其高频等效电路。图中1、2是回路电容, 是回路电感, b和c分别是高频旁路电容和耦合电容。一般来说, 旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。有些电路里还接有高频扼
19、流圈, 其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高频振荡信号, 旁路电容和耦合电容可近似为短路, 高频扼流圈可近似为开路。,图 4.3.3 电容三点式振荡电路,由于电容三点式电路已满足反馈振荡器的相位条件, 只要再满足振幅起振条件就可以正常工作。因为晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化的特性与振荡的三个振幅条件一致, 所以只要能起振, 必定满足平衡和稳定条件。 由图4.3.3()可见, 这是一个共基电路。 利用晶体管共基组态简化等效电路可以将电容三点式电路画成如图4.3.4()所示的形式, 其中虚线框内是晶体管共基组态简化等效电路。 。 晶体管输出电容未考虑。,图 4.3.4 电
20、容三点式振荡器的交流等效电路,在图.()中的双电容耦合电路里, 可把次级电路元件e、e、be等效到初级中, 如图.()所示。其中接入系数,(因为reRe),图4.3.()又可以进一步等效为图4.()。 其中等效电导G=gL+g e, 式中, 。等效电纳B=C-1(L),因为,振荡角频率,由此可求得振幅起振条件为:,所以环路增益,即,其中,本电路的反馈系数,的取值一般为。 ,由式(4.3.1)可知, 为了使电容三点式电路易于起振, 应选择跨导m较大、r be较大的晶体管, 其负载L和回路谐振电阻e0也要大, 而接入系数要合理选择。实践表明, 如果选用截止频率T大于振荡频率五倍以上的晶体管作放大器
21、, 负载L不要太小(k以上), 接入系数取值合适, 一般都能满足起振条件。 ,. 电感三点式电路(又称哈特莱电路 ) 图4.3.5()为电感三点式振荡器电路。其中1, 2是回路电感, 是回路电容, c和e是耦合电容, b是旁路电容, 3和4是高频扼流圈。()图为其共基组态交流等效电路。 利用类似于电容三点式振荡器的分析方法, 也可以求得电感三点式振荡器振幅起振条件和振荡频率, 区别在于这里以自耦变压器耦合代替了电容耦合。,图 4.3.5 电感三点式振荡电路,振荡角频率,0=,其中L=L1+L2+2M, M为互感系数起振条件,其中接入系数,本电路反馈系数 的取值一般为。 电容三点式振荡器和电感三
22、点式振荡器各有其优缺点。 电容三点式振荡器的优点是: 反馈电压取自2, 而电容对晶体管非线性特性产生的高次谐波呈现低阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量很小, 因而输出波形好, 接近于正弦波。缺点是:反馈系数因与回路电容有关, 如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率, 必将改变反馈系数, 从而影响起振。,(4.3.5), 电感三点式振荡器的优点是便于用改变电容的方法来调整振荡频率, 而不会影响反馈系数, 缺点是反馈电压取自2, 而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量较多, 输出波形较差。 两种振荡器共同的缺点是:晶体管输入输出电容分别和两个回路电抗元件并联, 影响回路的等效
23、电抗元件参数, 从而影响振荡频率。 由于晶体管输入输出电容值随环境温度、电源电压等因素而变化, 所以三点式电路的频率稳定度不高, 一般在-3量级。,例 4.4 在图例4.所示电容三点式振荡电路中, 已知.H, 1F, 2F, 3F, Lk, mm, beF, 0, 试求能够起振的频率范围。 解: 参照图4.3.4所示交流等效电路, 可求得图例4.4所示电容三点式电路的有关参数。 ,图例4.,(1) 当C3=12 pF时,又,所以,根据振幅起振条件式(4.3.1),可见3F时, 电路满足起振条件, 相应的振荡频率, () 当3pF时, 可求出相应参数,可见这时电路不满足振幅起振条件。 ,() 低
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 正弦波 振荡器 ppt 课件
链接地址:https://www.31doc.com/p-2605307.html