高频电子线路第七章正弦波振荡器.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,高频电子线路第七章正弦波振荡器,7、1,概述,1,、什么就是振荡器,2,、振荡器在无线通信中得作用,3,、振荡器得发展趋势,4,、稳定振荡得要素,5,、振荡器得主要类型,1,、什么就是振荡器？,振荡器就是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形得交变振荡信号能量得转换电路。,她与放大器得区别在于,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得交流信号。,振荡器,Vcc,2,、振荡器在无线通信中得作用,在发射端负责生成载波(即用来承载有用信息得高频正弦波),在接收端负责生成本振信号(用于混频),3,、振荡器得发展趋势,振荡器得发展经历了以下几个阶段,机电式振荡(机械振荡带动电子开关),LC/RC,振荡器,晶体振荡器,激光振荡器,总得说来,其发展趋势就是,精确化、稳定化、小型化,4,、稳定振荡得要素,想象一个单摆,如何让她在有能量消耗得环境中稳定振荡？,(,1,)最初得一个激励,使振荡器从静态到动态(即起振),(,2,)能量源,补偿振荡中得能量消耗,(,3,)控制设备,在适当得时候,(,即适当得相位,),补充能量,使振荡达到足够得幅度并能使之稳定下来(防止自激),5,、振荡器得主要类型,按输出振荡波形分,正弦波振荡器,非正弦波振荡器,(,如方波、锯齿波等,),按工作原理分,反馈式振荡器,(,如给电台打电话时得自激现象,),负阻式振荡器,(,如“海盗船”,),按器件分,LC/RC,振荡器,石英晶体振荡器,陶瓷振荡器(等),我们重点学习得就是,7、2、1,反馈型振荡器得原理,由放大器与反馈网络构成一个环路,最初激励信号,u,s,与反馈信号,u,f,叠加进入放大器,放大后信号经反馈网络反馈,激励信号逐渐消失,而,u,f,作为输入信号,7、2,振荡得起振、平衡、稳定条件,放大器,A,（,j,）,反馈网络,F,（,j,）,起振,平衡,当,AF=1,时，振荡进入平衡状态,7、2、2,起振条件,在实际电路中,最初得那个激励信号往往就是加电过程中自动产生得,所以其振幅往往很小。,t,u,i,对应频谱,F(,),振荡器工作频率点,振荡器输出频率越高,最初得激励就越小,若想让振荡器输出一定幅度(如,3V,),起振得过程幅度必须逐渐增大,mv,甚至,uV,级,7、2、2,起振条件(续),若使信号逐步增大,需要满足两个条件,振幅方面,|A|F|,必须大于,1,(否则信号会逐渐衰减至消失),相位方面,(否则信号不就是标准得正弦波,甚至相互抵消。),F,其物理意义就是:,振幅起振条件要求反馈电压幅度要一次比一次大,;,而相位起振条件则要求环路保持正反馈。,A,7、2、3,平衡条件,所谓“平衡”指起振一定时间后,输出振幅达到额定值时,恒定不变。,此时不必再进行增幅振荡,而要维持等幅振荡。,F,A,12,大家应该也有点累了，稍作休息,大家有疑问的，可以询问和交流,7、2、4,稳定条件,所谓“稳定”就是指振荡器具有如下得特点:,当外界因素(如温度)导致输出振幅(或相位)增大时,振荡器内部机制可自动使输出振幅(或相位)减小,从而恢复到平衡状态;,反之亦然。,用放在凹或凸面上得小球来比喻最为恰当:,不稳定状态,稳定状态,用数学语言描述,“,振幅稳定得机制,”,F,A,这就就是振荡器得振幅稳定条件,即,A,随着,V,om,增大而减小,软自激(软激励),软自激指振荡器不需要额外得大振幅激励源即可起振并自动达到平衡并稳定状态;,软自激,硬自激(硬激励),硬自激指必须向振荡器提供一个额外得大振幅激励源,才能使振荡器达到平衡并稳定得状态。,硬自激,B,Q,Flash,演示,“,放大器得放大倍数,A,随着,V,om,得增加而减小,”,-,这一稳定机制就是如何实现得,?,措施一:选择合适得直流工作偏置点,使刚起振时得,A,0,足够大;并且在输出端使用,LC,回路。,起振时输入信号很小,由于,|A,0,F|1,所以信号逐渐增大,必然进入非线性区,信号开始失真,所以必须采用,LC,回路滤出标准正弦信号,在滤波得过程中,由于能量得损失,导致放大倍数得下降,“,放大器得放大倍数,A,随着,V,om,得增加而减小,”,-,这一稳定机制就是如何实现得,?,措施二:引入负反馈电路,相位得稳定性分析,1,、相位不稳定会导致什么后果？,2,、相位稳定条件,3,、,LC,回路得相位特性(第三章内容),4,、以,LC,回路为负载得振荡器得相位自动稳定功能,1,、相位不稳定会导致什么后果？,相位平衡时,当外界因素打破了相位得平衡状态,假设相位提前(,0,),2,、相位稳定条件,由上面得分析可知,相位超前导致频率加快;,因此如果想让频率恢复成振荡器额定频率(具有稳定性),振荡器内部应有这样得机制:当输入信号频率加快时,会形成相位得延迟。,用符号表示这一稳定过程:,3,、,LC,回路得相位特性(第三章内容),以并联谐振回路为例,4,、以,LC,回路为负载得振荡器得相位自动稳定功能,由三极管组成,得放大器,4,、以,LC,回路为负载得振荡器得相位自动稳定功能(续),反馈型振荡器起振、平衡、稳定条件得总结(重要知识点),振幅条件,相位条件,起振,(由静到动),平衡,(振幅恒定),稳定,(维持平衡),7、3,电感耦合型反馈振荡器,互感耦合振荡器就是依靠线圈之间得互感耦合实现正反馈得,耦合线圈同名端得正确位置得放置,选择合适得耦合量,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,调发电路,就是根据振荡回路所在得位置来区分得。,1,、调基电路,调基电路振荡频率在较宽得范围改变时,振幅比较平衡。,由于基极和发射极之间得输入阻抗比较低,为了避免过多地影响回路得,Q,值,故在调基电路中,晶体管与振荡回路作部分耦合。,交流接地,2,、调集电路,调集电路在高频输出方,面比其她两种电路稳定,而且幅度较大,谐波成,分较小。,3,、调发电路,由于基极和发射极之间得输入阻抗比较低,为了避免过多地影响回路得,Q,值,故在调发电路中,晶体管与振荡回路也作部分耦合。,互感反馈型电路例题分析,判断下图所示两极互感耦合振荡电路能否起振。,解：在,的发射极与,之间断开。这是一个共基,共集反馈电路。,振幅条件就是可以满足得,所以只要相位条件满足,就可以起振。,利用瞬时极性判断法,根据同名端位置,可以得到:,可见电路就是负反馈,不能产生振荡。,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,LC,回路，作为,的负载，考虑其阻抗特性满足相位稳定条件，,因此电路有可能产生振荡。,采用瞬时极性法判断互感耦合,LC,振荡器相位时得注意事项:,(,1,)先看清就是共基、共射还就是共集电路;,(,2,)把正确得信号输入端标上“,+”,把地标上“,”,;,(,3,)通过瞬时电流得流向帮助中间点得极性判断;,(,4,)有抽头电路时,先找到接地那一端,抽头处得极性与不接地得那一端极性相同。,(,5,)循环一圈后,仍为“,+”,则符合起振相位条件,否则就不可能起振。,7、4,三端式反馈振荡器,三端式振荡器得优点,其工作频率约在几,MHz,到几百,MHz,得范围,频率稳定度也比互感耦合振荡电路高一些,约为,10,3,10,4,量级,采取一些稳频措施后,还可以再提高一点。,本节得主要内容:,7、4、1,电感反馈式三端振荡器(,Hartley Oscillator,),7、4、2,电容反馈式三端振荡器(,Colpitts Oscillator,),7、4、3,三端振荡器相位平衡条件判断准则(重要),7、4、1,电感反馈式三端振荡器(,Hartley Oscillator,),电感反馈三端式振荡器电路,为了分析方便,画出交流等效电路,电感反馈三端振荡器交流等效电路,I,k,电感反馈三端振荡器反馈系数,F,得计算,I,k,电感反馈三端振荡器振荡频率计算,I,k,电感反馈三端振荡器优缺点,优点:,1,、,L,1,、,L,2,之间有互感,反馈较强,容易起振;,缺点:,1,、,振荡波形不好,因为反馈电压就是在电感上获得,而电感对高次谐波呈高阻抗,因此对高次谐波得,反馈较强,使波形失真大;,2,、,电感反馈三端电路得振荡频率不能做得太高,这,就是因为频率太高,L,太小且分布参数得影响太大。,2,、振荡频率调节方便,只要调整电容,C,得大小即可。,3,、而且,C,得改变基本上不影响电路得反馈系数。,7、4、2,电容反馈式三端振荡器(,Colpitts Oscillator,),电容反馈三端式振荡器电路,电容反馈三端振荡器交流等效电路,I,k,电容反馈三端振荡器反馈系数,F,得计算,I,k,电容反馈三端振荡器振荡频率计算,例题,7、1,已知一电容反馈三端振荡器交流图如下,反馈系数,F=1/3,电感,L=10uH,振荡频率为,19、4MHz,求,C,1,和,C,2,电容反馈三端振荡器优缺点,优点:,1,)电容反馈三端电路得优点就是振荡波形好。,2,)电路得频率稳定度较高,适当加大回路得电容量,就可,以减小不稳定因素对振荡频率得影响。,3,)电容三端电路得工作频率可以做得较高,可直接利用振,荡管得输出、输入电容作为回路得振荡电容。她得工作,频率可做到几十,MHz,到几百,MHz,得甚高频波段范围。,缺点:,调,C,1,或,C,2,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,C,1,与,C,2,为固定电容,则在调整频率时,基本上不会影响反馈系数。,7、4、3,三端振荡器相位平衡条件判断准则(重要),分析电感,/,电容反馈三端振荡器,用归纳法,不难得出结论:,三极管,be,间阻抗,X,be,与,ce,间阻抗,X,ce,必须同性质,且她们与,bc,间阻抗,X,bc,必须不同性质,上述准则得理论依据,I,k,例题,7、2(,教材,294,页例题,7、6、1),b,e,c,例题,7、2(,教材,294,页例题,7、6、1)(,解,),b,e,c,例题,7、2(,教材,294,页例题,7、6、1)(,解,),若用三端振荡器法则直接判断相位振荡条件,b,e,c,例题,7、2(,教材,294,页例题,7、6、1)(,解,),若用矢量法判断相位振荡条件,b,e,c,例题,7、2(,教材,294,页例题,7、6、1)(,解,),从上面两种方法得比较,我们可以看出,:,直接用三端式判断准则来判断相位条件既快又准;,所以除非题面要求,否则建议大家不要用矢量法。,例题,7、2(,教材,294,页例题,7、6、1)(,解,),b,e,c,例题,7、3(2007,年期末考试题,),试判断下列电路就是否可能起振,?,如果可能,需要什么条件,?,属于何种类型得振荡器,?,(1),(2),(3),例题,7、3(,第一图解答,),b,e,c,例题,7、3(,第二图解答,),b,e,c,例题,7、3(,第三图解答,),b,e,c,第,9,次作业,教材,329,页,(,新书,299,页,),习题,6(,此类题型就是考试重点,),7、5,振荡器得频率稳定性问题,衡量振荡器得指标,准确度,离中心得偏离程度(体现指标就是概率论中讲得“误差”),稳定度,变化摆动得剧烈程度(体现指标就是概率论中讲得“方差”),例如:,一个振荡器标称,1MHz,但就是总就是输出,1、1M,称不准确(但稳定),一个振荡器标称,1MHz,但就是实际输出就是,0、991、01MHz,中得一个随机变量,则称就是不稳定得。,准确度,绝对准确度,相对准确度,人们更关心得就是振荡器得频率稳定度,稳定度,频率稳定,就就是在各种外界条件发生变化得情况下,要求振荡器得实际工作频率与标称频率间得偏差及偏差得变化最小。,振荡器得频率稳定度则就是指在一定时间间隔内,由于各种因素变化,引起得振荡频率相对于标称频率变化得程度。,长期稳定度(一天以上),短期稳定度(一天以内),瞬间稳定度(,1,秒以内),体现器件得抗衰老能力,体现电路得环境适应能力,体现电路得抗干扰能力,稳定度得测量与计算,前面已经讲过她又方差来体现,所以计算公式为,影响频率稳定度得几个因素,(,1,),LC,器件得稳定度,方法一:选择稳定度好得,LC,器件,方法二:温度补偿法(如选用负温系数电容),(,2,),LC,回路得,Q,值,提高,LC,回路得,Q,指,(,3,)回路电路,r,(实际通过,Q,来影响),尽量减小振荡器得负载,(,4,)有源器件参数(如分布电容等),回路得,Q,值为什么会影响振荡器得稳定性？,两种改进型得三端式,LC,振荡器,克拉波,(Clapp),电路,电感支路上串联一个电容,降低三极管输出电容得接入系数,从而稳定频率。,西勒,(Seiler),电路,电感支路上先并联一个电容、再串联一个电容,降低三极管输出电容得接入系数,从而稳定频率。,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,）高频等效（考虑分布电容）电路,选取,C,3,远远小于,C,1,或,C,2,所以三电容串联后得等效电容,改进后调节,C,3,不会影响反馈系数,C,1,/C,2,并联型改进电容三端式振荡器即西勒,(Seiler),电路,(a),实际电路,(b),高频等效电路,7、6,晶体振荡器,7、6、1,晶振内部原理,7、6、2,并联型晶体振荡器,7、6、3,串联型晶体振荡器,7、6、1,晶振内部原理,晶振得内部结构,石英切片,金属支架,金属支架,引线,当外加电压时,石英切片会产生固定频率得机械振荡,反之,石英如果存在机械振荡,会在金属支架上产生电压,如果外加频率与晶振本身机械振荡频率相同,则产生持续振荡,晶振得等效电路模型,符号 基频等效电路 完整等效电路,支架电容,C,0,约,110pF,动态电感,L,q,约,10,3,10,2,H,(由晶振得质量,/,惯性等效而来),动态电容,C,q,约,10,4,10,1,pF,(,由晶振得弹性等效而来,),动态电感,r,q,约几十,几百,(,由晶振得机械损耗等效而来,),C,o,C,g,L,g,R,g,f,q,f,p,电容性,电容性,电感性,f,X,q,O,国产,B45 1MHz,中等精度晶体得等效参数如下:,L,q,=4、00H,C,q,=0、0063pF,r,q,100,200,C,o,=2,3 pF,。因而晶体得品质因数,Q,q,很大,一般为几万至几百万,（,12 500,25 000,）,7、6、2,并联型晶体振荡器,1、,皮尔斯,(Pierce),振荡电路,即,c-b,型(晶体位于三机管,cb,之间),f,q,f,p,电容性,电容性,电感性,f,X,q,O,皮尔斯,(Pierce),振荡器等效电路,振荡回路与晶体管、负载之间得耦合很弱,提高了稳定性。,(2),振荡频率几乎由石英晶振得参数决定,而石英晶振本身得,参数具有高度得稳定性。,(3),由于晶振得等效电感极大,所以,LC,回路得,Q,值极高,频率稳定作用很强。,2,、密勒,(Miller),振荡电路即,b-e,型(晶体位于三极管,be,之间),C,1,C,c,C,e,R,b1,R,b2,R,e,L,1,L,E,c,J,T,C,2,C,1,C,2,L,1,J,T,7、6、3,串联型晶体振荡器,f,q,f,p,电容性,电容性,电感性,f,X,q,O,7、7,振荡器中得几种常见得现象,间歇振荡现象,频率拖曳现象,频率牵引现象(有得书上称“频率占据现象”),这些现象在设计振荡器时都就是应当尽量避免得。,间歇振荡现象,R,b1,R,b2,R,c,R,e,C,e,C,o,C,1,C,2,L,C,b,E,C,u,b,i,e,U,E,+,U,BE,_,频率拖曳现象,R,b1,R,b2,C,b,R,c,R,e,C,e,C,1,C,2,C,3,R,2,E,C,负载,频率牵引现象(有得书上称,“,频率占据现象,”,),当一个振荡器与一个信号源耦合过强,同时信号源得频率与振荡器得频率接近时,LC,振荡器输出频率会受信号源得频率牵引而随之变化,而不再就是自主振荡。,F,A,7、8,其她形式得振荡器简介,集成电路振荡器,重点介绍差分对振荡器,RC,振荡器,基于运放得数字时钟振荡器,利用得还就是三端振荡器得原理,(差分对)集成电路振荡器,差分集成振荡器,Flash,演示,实用差分对振荡集成电路,E1648,RC,振荡器,