第5章正弦波振荡器.ppt

《第5章正弦波振荡器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章正弦波振荡器.ppt（86页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、第5章15.概述概述5.反馈振荡原理反馈振荡原理5.LC振荡器振荡器5.晶体振荡器晶体振荡器5.压控振荡器压控振荡器5.集成电路振荡器集成电路振荡器5.7 实例介绍实例介绍第第5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器第5章2第第 5 章章正正 弦弦 波波 振振 荡荡 器器 5.1 5.1 概述概述 1、振荡器：不需要外信号激励，自身将直流电能转换为交流电能的装置称为振荡器。2、特点：无需外加激励信号；输出信号为具有一定频率、波形和振幅的交流信号；使用方便、灵活性大（功率大小、频率高低可调）。3、分类：按产生的波形不同，分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者产生正弦波，后者产生矩形波、三角波、锯齿

2、波等。第5章3 4、正弦波振荡器：产生波形为正弦波，其组成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，故也称反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同，可分为：振荡器、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：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。第5章45.2 反馈振荡原理反馈振荡原理5.2.1并联谐振回路中的自由振荡现象并联谐振回路中的自由振荡现象 02011122020udtdudtuddtduCRuLCdtudRuudtLdtducee 图示为LC并联谐振回路与一个直流电

3、压源US的连接图。其中e0是并联回路的谐振电阻。由电路理论可得：teUtutS0cos)(由初始条件，且在欠阻尼条件 下得：)/21(0CLRe第5章5 其中振荡角频率0=1 ，衰减系数=。当谐振电阻较大时，并联谐振回路两端的电压变化是一个振幅按指数规律衰减的正弦振荡。其振荡波形如图所示。cRe021LC 说明：并联谐振回路中自由振荡衰减的原因在于损耗电阻的存在。当e0，则衰减系数，此时 回路两端电压变化将是一个等幅正弦振荡。如果采用正反馈的方法，不断地给回路补充能量，使之刚好与e0上损耗的能量相等，那么就可以获得等幅的正弦振荡，这就是反馈振荡器的基本原理。第5章6 5.2.2 振荡过程与振荡

4、条件振荡过程与振荡条件 反馈振荡器是由主网络和反馈网络组成的一个闭合环路，如图所示。其主网络一般由放大器和选频网络组成,反馈网络一般由无源器件组成。1、起振条件：保证接通电源后能逐步建立起振荡。2、平衡条件：保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态。3、稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏。一个反馈振荡器必须满足三个条件：第5章7 1、起振过程与起振条件、起振过程与起振条件 在图示闭合环路中，在处断开，定义环路增益为:.0.)(FAUUTif （1）、起振过程）、起振过程：在刚接通电源时，电路中存在的各种电扰动产生的各种噪声均具有很宽的频谱，如果由C并联谐振回路组成选频网络，则此时

5、只有谐振角频率0的分量才能通过反馈产生较大的反馈电压 Uf；如果在谐振频率处，Uf与原输入电压 Ui同相，并且具有更大的振幅，则经过线性放大和反馈的不断循环，振荡电压振幅就会不断增大。第5章8)()()()(0000iiifUUTU1)(0.T 1)(20TnT 在起振过程中，直流电源补充的能量大于整个环路消耗的能量。（2）、起振条件）、起振条件：(n=，1，2，)振幅起振条件相位起振条件 、平衡过程与平衡条件平衡过程与平衡条件 （1）、平衡过程：随着振幅的增大，放大器逐渐由放大区进入饱和区或截止区，工作于非线性的甲乙类状态，其增益逐渐下降。当放大器增益下降而导致环路增益下降到时，振幅的增长过

6、程将停止,振荡器达到平衡,进入等幅振荡状态。此时直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。第5章9（2）、平衡条件:1)(20TnT振幅平衡条件相位平衡条件 如图所示，根据振幅的起振条件和平衡条件，环路增益的模值应具有随振幅Ui增大而下降的特性，由于一般放大器的增益特性曲线均具有如图所示的形状，所以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T（0）必须维持在2n上，保证为正反馈。第5章10 3、平衡状态的稳定性和稳定条件平衡状态的稳定性和稳定条件 （1）、平衡状态的稳定性 不稳定平衡状态：振荡器在工作过程中，受到外界各种因素变化的影响，使(0)或T（0）发生变化，破坏原来的平衡条

7、件，结果通过放大和反馈的不断循环，振荡器越来越偏离原来的平衡状态。稳定平衡状态：与上相反，如通过放大和反馈的不断循环，振荡器能够产生回到原平衡点的趋势，并且在原平衡点附近建立新的平衡状态。（2）、稳定条件 a）稳定振幅原理：满足振幅稳定条件的环路增益特性与满足起振和平衡条件所要求的环路增益特性是一致的。第5章11b）相位稳定原理：振幅稳定条件不稳定因素不稳定因素在平衡点附近0|)()()()(00iAiUUiifiifiiAiUTUUTUUUTUUU 相位稳定条件即产生不稳定因素产生不稳定因素在平衡点附近0|)()()()()()(0000TTTTT第5章12 5.2.3 反馈振荡电路判断反馈

8、振荡电路判断 根据反馈振荡电路的基本原理和应当满足的起振、平衡和稳定三个条件，一个反馈振荡电路能否正常工作，需考虑以下几点：可变增益放大器件(晶体管,场效应管或集成电路)，开始时应工作在甲类状态，便于起振。开始起振时，环路增益幅值AF(0)应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成，反馈系数F小于1，故A(0)必须大于1。共射、共基电路都可以满足这一点。为了增大A(0)，负载电阻不能太小。环路增益相位在振荡频率点应为2的整数倍,即环路应是正反馈。第5章13 选频网络应具有负斜率的相频特性。因为在振荡频率点附近，可以认为放大器件本身的相频特性为常数，而反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组

9、成，其相频特性也可视为常数，所以相位稳定条件应该由选频网络实现。注意LC并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的相频特性是负斜率，而LC并联回路导纳的相频特性和LC串联回路阻抗的相频特性是正斜率。以上第点可根据直流等效电路进行判断，其余3点可根据交流等效电路进行判断。第5章14 例例 5.1 判断图例4.1所示各反馈振荡电路能否正常工作。其中（）、（）是交流等效电路，（）是实用电路。解：图示三个电路均为两级反馈，且两级中至少有一级是共射电路或共基电路，所以只要其电压增益足够大，振荡的振幅条件容易满足。而相位条件一是要求正反馈，二是选频网络应具有负斜率特性。第5章15 图(a)所示电路由两级共

10、射反馈电路组成，其瞬时极性如图所示为正反馈。并联回路同时担负选频和反馈作用，且在谐振频率点反馈电压最强。并联回路输入是V2管集电极电流ic2，输出是反馈到V1管be两端的电压ube1，所以考虑其阻抗特性，由于并联回路的阻抗相频特性是负斜率，故图(a)所示电路能满足相位条件，能够正常工作。第5章16 图()所示电路由共基共集两级反馈组成。把并联回路看成一个电阻，用瞬时极性断法判定知其为正反馈。此时，由于并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大，正反馈最弱。同时其输入是电阻e2上的电压，而输出是电流故考虑其导纳特性。由于并联回路导纳的相频特性是正斜率，故图()所示电路不满足相位稳定条件，不能正常工作。图

11、()所示电路与图（）不同之处在于用LC串联回路置换了并联回路。由于其导纳的相频特性是负斜率，满足相位稳定条件，所以图（）电路能正常工作。第5章17 5.3.1互感耦合互感耦合振荡器振荡器 互感耦合变压器有三种形式：调集电路、调基电路、调发电路，如图示为调集振荡电路，其在高频输出方面较其它二种电路稳定，而且幅度较大，谐波成份也较小。为满足相位条件，在接线时需注意同名端的正确连接，图中用.标出同名端。另调整反馈（改变M）时，基本上不影响振荡频率。由于分布电容的存在，在频率较高时难以做出稳定性高的变压器，故其工作频率不宜过高。5.3、LC振荡器振荡器第5章180bccebeXXX 5.3.2 三点式

12、振荡器三点式振荡器 、电路组成法则、电路组成法则 （1）、定义：回路的三个端点与晶体管的三个电极分别相连接，用电容耦合或自耦变压器耦合代替互感耦合，达到克服互感耦合振荡器振荡频率低的缺点，具有上述特点振荡器称为三点式振荡器，其工作频率可达到几百兆赫（）。（2）、电路中电抗元件性质（电路原理图如图示）当回路元件的电阻很小，可以忽略，则zce、zbe和zbc 可以用其电抗值ce、be和bc表示，要产生振荡，就必须满足下列条件：第5章19由于Uf是Uc 在bebc支路分配在Xbe上的电压，有：CcebebebeCbefUXXXXjUjXU)(.01800cebeificXXUUUU同相的条件需与和相

13、位相差与为满足 即：be与ce必须是同性质电抗，而Xbc必须是异性质电抗。这就是三点式电路组成的相位判断依据，也称为三点式电路的组成法则。凡是违反这一准则的电路都不能产生振荡。bcbeceXXX第5章20 电容三点式电路：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，也称为考毕兹电路。电感三点式电路：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，也称为哈特莱电路。2、电容三点式电路（又称考毕兹电路、电容三点式电路（又称考毕兹电路,Coplitts）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。由于电容三点式电路已满足

14、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。第5章21 其中ZL为高频扼流圈，防止高频交流接地。Rb1、Rb2、Re为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，下图 分别画出了交流等效电路和Y参数等效电路。电容三点式振荡器的等效电路电容三点式振荡器的等效电路第5章22 容易判断振荡器属并-并联接，电压取样电流求和的反馈放大器。设其信号源电流为 ，负载电流为 ，显然sILIooifLoriisUYUYIUYUYI 式中:Yi网络aa-bb的大信号输入导纳；Yr网络aa-bb的大信号反向传输导纳；Yf网络aa-bb的大信号正向传输导纳；Yo网络aa-bb的大信号输出导纳。实际上 ，这只不

15、过是虚构的。而意味着其为线性齐次方程。即:00LsII，00oiUU，第5章23 其系数行列式为0，即:00iirofiooYUYUY UYUr o Y0 YifYY 因网络aa-bb是两个网络(有源和无源)并-并联接，所以rrTrnrTorTonoT Y Y Y Y0 Y Y Y YiiTiniTinrnffTfnfTfnonYYYYYYYYYYYY 式中，T表示晶体管，n表示无源网络。即:第5章24 这就是反映振荡器满足平衡条件。使用上述方法时，应使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条件。上式中yT是晶体管参数，可以测得和计算出，yn则可以由具体网络根据y参数的定义求得。假设

16、，振荡器的工作频率远低于fT，且忽略内部反馈的影响和不计晶体管的电抗效应，有 0iTinoTonrTrnfTfnYYY YYYYYYrnoe 0G GieTGY第5章25 由下图，根据y参数的定义，可求得无源网络|yn|为：2000101111oioiiiniUirnoUofniUoonoUIYj CUj LIYUj LIYUj LIYj CUj L 无源网络无源网络第5章26 将上述2组公式 代入下式：0111112LjGLjLjCjGLjCjGrnoeie整理后可得：021212221LCCCCGGjLGGGGCGCoeieoeiernoeie 可得：第5章27 令其虚部等于0，可求得振荡频率为：211CGCGLCoeieg式中：2121CCCCC 可见，电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振频率，且与晶体管的参数有关。第5章28 令其实部等于0，并近似认为 ，可求得其振荡平衡条件为LC1ieoemGCCGCCG2112 用微变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小跨导(gm)min，其起振条件为：ieoemmgCCgCCgg2112min因2112CCCjICjIUUFo