高频电子线路阳昌汉版正弦波振荡器.ppt

,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,*,*,*,高频电子线路阳昌汉版正弦波振荡器,4.1 概 述,一、振荡器的功能,在无输入信号情况下，,将电源的直流能量转换成具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号能量输出。,二、振荡器与放大器的区别,振荡器：不需外加激励信号,相同点：,直流能量 交流能量,不同点：,放大器：需外加的激励信号,2,振荡器,正弦波,非正弦波：,反馈型,振荡器,负阻型振荡器,LC,振荡器,晶体振荡器,RC,振荡器,三、振荡器的分类,产生三角波、锯齿波、矩形波等,负阻器件+振荡回路,（正反馈原理）,3,四、正弦波振荡器的用途,高频加热设备,医疗仪器,发射机(载波频率,f,c,),接收机(本地振荡频率,f,L,),数字系统：时钟信号,通信系统：,测量仪器：信号源,高频能源：,五、主要技术指标,振荡频率、振荡波形、振荡幅度、,频率稳定度,4,4.2 反馈型,LC,振荡原理,定义：从放大器的输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号，能产生等幅正弦波输出称为反馈型振荡器。,一、反馈型正弦波振荡器的组成,正反馈,网络,放大器,（选频网络）,5,组成：,放大器,是对反馈信号进行放大；,正反馈网络,是将输出回路中的能量取出一部分加 到放大器的输入端；,选频网络,是获得单一确定的振荡频率；,稳幅环节,使振荡的输出稳定。,内稳幅,外稳幅,利用放大器,件的非线性,6,二、振荡的建立与起振条件,放大器的电压增益：,反馈系数：,这时调谐放大器与反馈网络就构成了自激振荡器。,环路增益,调谐放大器,反馈网络,7,起振条件：,n,=0,1,2,振幅起振条件,相位起振,条件,增幅振荡,正反馈,调谐放大器,反馈网络,8,三、振荡的平衡条件,刚起振时，起始偏压为正偏置,电路的偏置电压为：,I,E,U,B,+,U,E,_,+,U,BE,_,9,U,o,O,A,振荡特性,反馈特性,10,n,=0,1,2,振幅平衡条件,相位,平衡条件,平衡条件：,等幅振荡,丙类,乙类,甲乙类,甲类,放大器进入平衡的原因：,（1）放大器固有的非线性特性,（2）自给偏压效应,从起振到平衡，放大器工作状态的变化,:,11,晶体管,反馈网络,LC,选频网络,平衡条件的另一种表示形式：,振幅平衡条件:,相位平衡条件:,12,四、振荡器平衡状态的稳定条件,1)稳定平衡与不稳定平衡,2)振荡器的稳定平衡,因某一外因的变化，振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新的条件下建立新的平衡，当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。满足这样条件的平衡称为稳定平衡。,13,3）振幅平衡的稳定条件,U,o,O,A,Q,外因变化,F,1/,F,Q1,AF,1,（增幅振荡）,输出增大,Q,1点达到新的平衡,外因消失,F,AF,1,（增幅振荡）,输出增大,Q,1点达到新的平衡,F,1/,F,Q1,外因消失,AF,1,（减幅振荡）,输出减小,回到,Q,点达到平衡,F,Q,点稳定：,软激励,硬激励,振幅的稳定条件：,（应避免）,14,t,u,i,4）相位平衡的稳定条件,频率随相位变化的关系：,频率与相位的关系：,（频率的稳定条件）,信号周期,信号频率,信号频率,信号周期,15,O,o,0,),(,+,+,w,j,w,j,j,j,Z,F,Z,Y,相位平衡的稳定条件：,即要求选频网络的相频特性曲线,在工作频率附近应具有负斜率。,实际中的,并联,LC,谐振回路正好具有这种相频特性。,16,总 结,1)正弦振荡器工作条件包括,起振条件：,平衡条件：,稳定条件：,保证振荡器从无到有建立起振荡,保证振荡器进入平衡状态，产生持续的等幅振荡,保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏,振幅稳定条件,相位稳定条件,17,2),振荡器的静态工作点应设计在,软激励状态,4)判断能否产生正弦振荡的方法,a),是否可能振荡首先看电路供电是否正确；二是看是否满足相位平衡条件（,正反馈,）,b),是否起振看是否满足振幅起振条件,c),是否产生正弦波看是否有正弦选频网络,3)从振荡到平衡是由晶体管非线性与自给反偏压共同作用的结果，称为,内稳幅；,需要外加稳幅电路的称为,外稳幅,18,4.3 反馈型,LC,振荡器,以,LC,谐振回路作选频网络,的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器,LC,振荡器,互感耦合,电感三点式,电容三点式,19,一、互感耦合,LC,振荡器,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、调集电路和调射电路，,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。,判断相位平衡条件是否满足的方法：通常采用,瞬时极性法。,20,共基调集型,b,c,e,高频旁路电容,1),判断是否可能振荡的基本准则：是否是正反馈。,正反馈系数:,振荡频率:,2),是否能起振：取决于变压器是否有足够的耦合量M,方法：瞬时极性法,21,共e调b型,b,c,e,高频旁路电容,共b调e型,高频旁路电容,e,b,c,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。但由于分布电容的存在，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。,22,二、电容反馈式振荡器(考毕兹电路),1、电路结构,直流通路,交流等效电路,电容三点式振荡器,b,e,c,C,1,C,2,L,反馈信号取自C,2,两端,23,2、相位平衡条件,用,矢量法,分析其交流通路是否满足相位平衡条件，即分析电路是否为正反馈。,+,-,-,+,+,-,24,3、起振条件,分析起振条件时可以利用,高频小信号放大器的,分析法。,（1）电压增益,25,（2）反馈系数（,忽略各个g的影响）,（3）起振条件,满足起振条件是选取晶体管的,从输出电导和负载电导的影响看，F越大越容易起振，从输入电导看，F不能太大。因而兼顾二者，,F一般选取0.1-0.5,。,26,4、振荡频率,振荡频率一般可以利用,相位平衡条件,求解。,在忽略 、等的影响，可得近似式为,若忽略晶体管输入电容和输出电容的影响,27,三、电感反馈式振荡器,(哈特莱电路),1、电路结构,电感三点式振荡器,b,e,c,C,b,c,e,e,L,2,L,1,b,反馈信号取自L,2,两端,28,b,e,c,L,2,L,1,C,2、相位平衡条件,+,-,-,+,+,-,3、起振条件,反馈系数:,若忽略互感M的影响则有：,4、振荡频率,29,四、电感三点式与电容三点式的比较,频率不易调（调L，调节范围小）,缺点：,优点：,(1)高次谐波成分小，输出波形好,(2)振荡频率可以做得很高,缺点：,(2)振荡频率不能太高,（1）输出波形差,优点：,频率易调（调C）,30,五、LC三点式振荡器相位平衡条件的判断准则,b,c,e,(1),X,be,、,X,ce,应为同性质的电抗元件；,(2),X,cb,与X,ce,、,X,be,的电抗性质相反。,结论：射同集（基）反,(3)对于振荡频率，应满足：,31,例1,判断下图电路能否振荡，能振荡的属于哪种类型振荡器,。,32,分析：,33,34,(e)经判断满足相位平衡条件，故可能振荡，为共基调射型互感耦合振荡器。,1,2,3,4,5,(f)经判断满足相位平衡条件，故可能振荡，为共射调基型互感耦合振荡器。,35,例2,36,例3,z,90,-90,0,0,L,C,37,z,90,-90,0,0,L,C,38,4.4 振荡器的频率稳定原理,一、频率稳定度的定义,频率稳定度的定义：,39,按照时间间隔长短的不同，频率稳定度分为,一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量,主要由于器件老化。,一天之内振荡频率的相对变化量,主要由于温度、电源电压等外界因素变化,长期频率稳定度,短期频率稳定度,瞬时频率稳定度,秒或毫秒内振荡频率的相对变化量,由电路内部噪声或突发性干扰引起。,中波广播电台发射机的频率稳定度为,电视发射机的频率稳定度为,标准信号发生器的频率稳定度为 ,40,二、频率不稳定的原因,晶体管,反馈网络,LC,选频网络,u,i,i,c1,u,c1,u,f,41,二、频率不稳定的原因,晶体管,反馈网络,LC,选频网络,u,i,i,c1,u,c1,u,f,振荡频率：,并联谐振回路的相角：,、,42,具体分析导致频率不稳定的因素：,(3)负载变化 影响回路Q值,（1）LC回路参数不稳定,温度,机械振动,（2）晶体管参数不稳定,温度,电源电压,43,三、振荡器的稳频措施,2、提高振荡回路的标准性,1、减小外界因素变化的影响,温度的影响,采用高稳定度直流稳压电源,采用金属屏蔽罩,采用减震器,在振荡器和负载之间加缓冲器,电压的影响,负载的影响,电磁场的影响,振动的影响,将振荡回路或整个振荡器置于恒温槽,44,三、振荡器的稳频措施,3、提高回路的品质因数,4、选用高稳定度的振荡电路,据LC回路的特性,Q值越大,相频特性曲线越陡峭,相位越稳定。,如克拉波振荡电路、西勒振荡电路、石英晶体振荡电路。,45,4.5 高稳定度的LC振荡器,一、一般电容三点式振荡电路的稳定性分析,工作状态和外界条件的变化都会改变,C,ie,和,C,oe,的值，从而改变振荡频率,f,0,，导致,f,0,不稳定。,46,二、串联改进型电容三点式振荡器（克拉泼振荡器CLAPP）,C,3,C,1,，,C,3,C,2,振荡频率：,优点：频率可调,47,克拉泼振荡器的缺点,：,波段范围不宽，波段内输出幅度不平稳，波段覆盖系数一般约为1.2-1.3,实际中常用于固定频率振荡器,。,.,CLAPP电路的,主要缺点是：频率不能太高，,48,三、并联改进型电容三点式振荡器（西勒振荡器Seiler）,C,3,C,1,，,C,3,C,2,振荡频率：,b,c,e,49,改进,：克拉波电路中是改变C,3,来调节频率，而C,3,的改变,会,影响接入系数P，从而可能导致停振。但西勒电路中，改变C,4,来调节频率，而C,4,的改变,不会,影响接入系数P。,相对克拉泼振荡器的改进之处,：,故西勒电路的优点：振荡频率可以很高，且,在波段内振幅比较稳定，,调谐范围比较宽，实际中常用于波段振荡器,。,50,例：,-,+,-,+,分析：本题是一个西勒电路。,51,52,4.6 晶体振荡电路,以石英谐振器作选频网络,的反馈振荡器称为石英晶体振荡器,其频率稳定度可达 ，而LC回路的一般不超过,因为石英谐振器具有极高的Q值和良好的稳定性,53,一、石英晶体及其特性,从一块晶体上按一定,的方位角切割成的薄片,称为晶片,化学成分：SiO,2,1.石英晶体的结构和基本特性,基本特性：,压电效应,极板间加电场,晶体产生机械变形,反压电效应：,正压电效应：,极板间加机械力,晶体产生电场,交变电压,机械振动,交变电压,当交变电压频率=固有频率时，振幅最大。,压电谐振,当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一固定的机械振动频率。,54,2.石英晶体的等效电路,L,q,:,动态电感,表征质量,几十,mH,几百,H,r,q,:,动态电阻,表征,摩擦损耗,几几百欧,JT,符号,等效电路,C,0,:,静态电容,约,25PF,故晶体 Q值很高，一般为几万至几百万,C,q,:,动态电容,表征弹性,55,JT,符号,等效电路,串联谐振频率:,并联谐振频率：,通常,所以,56,3.石英晶体的电抗特性,f,X,f,P,f,q,容性,容性,感性,忽略 时，总阻抗为,呈感性,呈容性,相当于短路,X=0,相当于开路,X0,57,4、石英晶体的使用注意事项,标称频率,f,N,JT,C,L,负载电容,:外接一定的负载电容,C,L,时所对应的频率,58,二、晶体振荡器,并联型晶体振荡器,串联型晶体振荡器,f,q,f,f,p,，晶体,作电感元件使用,f=f,q,，晶体,作短路元件使用,59,1、并联型晶体振荡器,皮尔斯,密勒,两种基本类型电路,60,典型,皮尔斯,电路,负载电容,C,L,回路总电容,调节C,3,可使其工作在标称频率上,61,2、串联型晶体振荡器,JT,62,举例：,63,机械振动的谐波称为泛音。,利用基频振动称为,基频晶体,，利于泛音振动称为,泛音晶体,。,石英晶体基频越高，晶片越薄，加工难并易碎，故要求频率高时使用泛音频率。多用三次和五次的。,奇次,3、泛音晶体振荡器,晶体完整的等效电路,64,L,1,C,1,回路电抗曲线,C,L,3、泛音晶体振荡器,（1）对基频和三次泛音，回路呈感性，使电路不满足振荡的相位条件，不能产生振荡。,要构成5MHz五次泛音晶体振荡器，则,f,01,（2）对五次泛音频率,呈容性,，使电路构成电容三点式振荡器。,（3）对七次及以上泛音，电路虽也构成电容三点式，,但L,1,C,1,回路的等效容抗减小，不能满足振幅起振条件，,也不能产生振荡。,65,4.7,RC,振荡器,66,R,C,R,C,U,1,+,U,c,-,U,o,U,1,+,U,R,-,U,o,I,I,U,o,I,U,C,U,1,U,1,U,o,I,U,R,67,68,反相放大器三节超前移相网络,反相放大器三节滞后移相网络,振荡频率：,优点：,结构简单,缺点：,选频特性差，输出波形不好，频率调节不方便，因此一般用于固定频率且稳定性要求不高的场合。,69,R,3,R,4,R,1,R,2,C,1,C,2,U,0,+,U,f,-,二、文氏电桥振荡器,2、,RC,串并联选频网络的选频特性,Z,1,Z,2,当,R,1,=,R,2,=,R,C,1,=,C,2,=,C,时,同相放大器RC串并联选频网络,70,o,F,O,幅频特性,相频特性,当,O,o,2.,RC,串并联选频网络的选频特性,71,R,3,R,4,R,1,R,2,C,1,C,2,3.,振荡电路工作原理,而该放大器为同相放大器，,当,时，,U,i,电路满足相位平衡条件,（1）相位平衡条件,（2）起振条件,U,0,+,U,f,Ui,-,72,R,3,R,4,R,1,R,2,C,1,C,2,采用非线性元件,（3）,稳幅措施,R,3,采用热敏电阻,热敏电阻,（外稳幅）,假设R,3,的温度系数为负，它的阻值随温度升高而减小,U,0,73,