第6章-振荡器分析课件.ppt

1、第第6章章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第6章章 正弦波振荡器正弦波振荡器音 频 放 大高 频 振 荡倍 频高 频 放 大调 制缓 冲传 输 线话 筒声 音（ 直 流 电 源 未 画 ） 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F 高频电路高频电路1.1.定义定义高功放高功放不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。6.1 概述a、振荡器：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。 b、振荡器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

2、振幅的交流信号。 2.2.振荡器的分类振荡器的分类正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器:矩形波、 三角波、 锯齿波振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器按照选频网络按照选频网络所采用元件的不同所采用元件的不同负阻式振荡器负阻式振荡器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 反馈型反馈型LC振荡器振荡器高频正弦波反馈型反馈型RC振荡器振荡器低频正弦波 本章主要介绍反馈型本章主要介绍反馈型LCLC正弦波正弦波振荡器振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器高频正弦波6.1 概述 所谓所谓“谐振谐振”，就能量关系而，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量

3、是不言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。振荡。6.2 LCR回路中的瞬变现象回路中的瞬变现象220202021d idiidtdtRLLC衰减系数：固有角频率： 图6.2.1 LCR自由振荡电路由基尔霍夫定律可得：10diLRiidtdtC000, (),tditiLVdt时，代入初始条件：222200220()2tttVieeeL解上述微分方程得： 图6.2.1 LCR自由振荡电路1）过阻尼220220sinh()

4、tVietL220(2)LRC2）临界阻尼tVieL220(2)LRC3）欠阻尼220(2)LRC222200,sintjVietL记:则：振荡频率为222021112224RfLCL20,0,0,RLRRR回路衰减系数LR26.2 LCR回路中的瞬变现象回路中的瞬变现象1）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。如LC2）一个能量来源

5、，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。成的。CCV如有源器件和正反馈电路6.3 LC振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理End-+6.3 LC振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理1 FA， fidXX， iXoX)( )(fafaAFFAF

6、A1)()( FA2)()(fan Xo 基本放大基本放大 电路电路 Xid A Xf+Xi反馈网络反馈网络FiX6.4 由正反馈的观点来决定震荡的条件由正反馈的观点来决定震荡的条件6.4 由正反馈的观点来决定震荡的条件由正反馈的观点来决定震荡的条件End6.4 由正反馈的观点来决定震荡的条件由正反馈的观点来决定震荡的条件6.5.1 振荡器的平衡条件6.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件6.5 振荡器的平衡与稳定条件振荡器的平衡与稳定条件1 FA， fidXX， iXoXfafa AFFAFA1)()( FA2)()(fan Xo 基本放大基本放大 电路电路 Xid A Xf+Xi反馈网络反馈网

7、络F6.5.1 振荡器的平衡条件（从无到有）（从无到有）（由弱到强）（由弱到强）1)()(00FA2)()(0f0an6.5.1 振荡器的平衡条件End（由增到稳）（由增到稳）6.5.1 振荡器的平衡条件 以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的平衡条件。的平衡条件。 实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器

8、的平衡状态不因外界因素变化而受该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。到破坏的稳定条件。 稳定条件也分为稳定条件也分为振幅稳定振幅稳定与与相位稳定相位稳定两种。以两种。以下分别讨论。下分别讨论。6.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件1 1）振幅平衡的稳定条件）振幅平衡的稳定条件 要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，化时，AF的大小朝反方向变化。的大小朝反方向变化。0:omQomomVVVA振幅稳定条件6.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件 相位稳定条件是指相位

9、平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。外部外部扰动扰动 稳定原理：稳定原理： 频率频率 相位相位 频率频率 tttd)()(6.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件 12QQ 2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件0011L0jQAAvv00arctanQ6.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件End 从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们振荡，必须满足振荡的

10、起振条件、平衡条件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：1 AF1AF幅度稳定幅度稳定相位稳定相位稳定6.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件6.6 反馈型反馈型LC振荡器线路振荡器线路放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能，不同之处在于：放大器需要外加控制信号而流电能，不同之处在于：放大器需要外加控制信号而振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡入端，以提供控制能量转换的信号

11、，就可能形成振荡器。器。 由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高而而LC回路电容较小时，将影响稳定性。回路电容较小时，将影响稳定性。End 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。(+)(-)(+)(+)MLMLF12L1L2CMLMLF1212LL电路的特点电路的特点: :4容易起振容易起振FA1变电容而不影响变电容而不影响F。4调整频率方便调整频率方便4振荡波形不够好振荡波形不够

12、好高次谐波反馈较强，高次谐波反馈较强，波形失真较大。波形失真较大。4不适于很高频率工作不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于L1与与L2两端，两端，F随频率变化而改变。随频率变化而改变。ieCoeCL1L2CoVfV)(HPF 高通End(+)(-)(+)(+)CpI21CCF 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。C1C2LC1C2L电路的特点电路的特点: :ieCoeCoVfVEnd变电容影响变电容影响F，

13、变电感不便。，变电感不便。4调整频率不太方便调整频率不太方便4输出波形较好输出波形较好高次谐波反馈较弱，高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。波形接近正弦波。4频率稳定度较好频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于C1与与C2两端，被较大两端，被较大C1与与C2 吸收。吸收。4适用于较高的工作频率适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容甚至可只利用器件的输入电容和输出电容。和输出电容。)(LPF 低通L1L2CC1C2L 为简便起见，我们假定谐振回为简便起见，我们假定谐振回路三个元件都是纯电抗，即路三个元件都是纯电抗，即振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率，即振荡器的

14、振荡频率等于回路的固有谐振频率，即0cbcebeXXX结论结论: :4Xeb与与Xce同性质，它们与同性质，它们与Xcb相异；相异；4成立成立cbcebeXXXce1jXZ be2jXZ cb3jXZ End举例举例: : 振荡器的振荡频率应低于振荡器的振荡频率应低于L1和和C1支路的串联谐振频率，此支路的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率2121210)(1CCCCLL 评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与稳定评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与稳定度。振荡器实际

15、工作频率度。振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f 0之间的偏差，称为之间的偏差，称为振荡频率准确度。振荡频率准确度。6.7 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。影响振荡频率的有如下三种因素：影响振荡频率的有如下三种因素：）振荡回路参数）振荡回路参数与与;）回路电阻）回路电阻；）有源器件的参数。）有源器件的参数。6.7 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题1. 1. 克拉泼电路克拉泼电路3211

16、111CCCC21CCF131ceCCCCp232beCCCCp调频不太方便调频不太方便311LCLC6.7 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题End)(1143CCLLC2.2.西勒电路西勒电路LC1C2C3C4AB131ceCCCCp232beCCCCp6.7 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题6.8 石英晶体振荡器石英晶体振荡器一般一般LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度f /f0只能达到只能达到10-3 10-5。若。若要求频率稳定度超过要求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。，需用石英晶体振荡器。1. 石英晶体滤波器的特点石英晶体滤波器的特点2. 石英晶体滤波

17、器的应用石英晶体滤波器的应用 O X容性容性 容性容性 感感性性 sfpf4作电感用作电感用4工作于串联谐振状态工作于串联谐振状态 因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为串联谐振型晶体振荡器。串联谐振型晶体振荡器。2. 石英晶体滤波器的应用石英晶体滤波器的应用 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c) 石英晶体谐振器

18、(a) 符号 (b) 基频等效电路 (c) 完整等效电路 除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次（2n-1）谐波的泛音振动。）谐波的泛音振动。基频振动模式时，产生奇次谐波谐基频振动模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。振的支路因阻抗较高可忽略。4奇次谐波的泛音振动奇次谐波的泛音振动这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组性

19、元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型基本电路。基本电路。EndEnd石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。Endsn

20、Rr pnGg End7.10.1 寄生振荡现象寄生振荡现象7.10.2 自偏压建立过程与间歇振荡现象自偏压建立过程与间歇振荡现象1. 寄生振荡的危害寄生振荡的危害2. 寄生振荡的类型及产生原因寄生振荡的类型及产生原因2. 寄生振荡的类型及产生原因寄生振荡的类型及产生原因3. 寄生振荡寄生振荡的排除和防止措施的排除和防止措施End1. 间歇振荡间歇振荡2. 自偏压的建立过程自偏压的建立过程电电路路的的偏偏置置电电压压EeCC2b1b2bEBBEIRVRRRVVV2. 自偏压的建立过程自偏压的建立过程3. 频率占据（或牵引）频率占据（或牵引）4. 频率拖曳现象频率拖曳现象End(+)(+)(+)(+)(-)(-)(-)End1)()( FA2)()(fan Xo 基本放大基本放大 电路电路 Xid A Xf+Xi反馈网络反馈网络FEnd(+)(+)(+)(+)End(+)(-)(+)(+)(+)