1、1,笫5章 正弦波振荡器,本章主要内容 5.1、振荡器 概述 5.2、LC 振荡器的基本工作原理 LC振荡器的基本构成 振荡的三大条件 5.3 LC 振荡器的电路分析5.3.1 互感耦合振荡器5.3.2 三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型） 5.4、振荡器的频率稳定度 5.4.1频率稳定度的计量 5.4.2导致振荡频率不稳定的原因 5.4.3主要稳频措施 5.4.4晶体振荡器 石英谐振器的基本特性 晶体振荡器电路 5.5其他振荡器与特殊振荡现象,2,（1）定义：振荡器是一种不需外加信号激励能自动将直流 能量变换为特定频率和幅度的交变能量的装置。,（2）分类：,按振荡波形分：正弦波振荡器和
2、非正弦波(波形为方波、矩形波或其它波形)振荡器.,按构成原理分：,按选频网络分：,5.1振荡器 概述,RC振荡器(f低）,LC振荡器,晶体振荡器,反馈型振荡器,负阻型振荡器（微波段）,声表振荡器（SAW）,返回,3,振荡器 概述（续）-应用,（3）应用：,无线发射机调制用的载波信号。,超外差接收机混频用的本地振荡信号（本振）。 同步解调用的本地载波信号（同步信号）,各种电子测量设备和计时仪表用它产生各种频率信号和频率（时间）基准信号。例如 时钟、定时，信号源。,工业生产部门高频电加热设备如微波炉，电疗设备等。,对于以上应用，振荡器的主要指标是频率稳定度和准确度；振幅的大小与稳定性；波形的失真。
3、,要求振荡器有高的效率和功率。,4,产生振荡的机理,S,1,2,0,t,LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是基于二阶RLC回路的自由振荡现象。,考虑了回路损耗后，当 时 回路将产生振幅衰减的阻尼振荡,：衰减常数,无阻尼振荡频率,：有阻尼振荡频率,5,为什么是衰减振荡？,从能量角度：振幅衰减由于回路存在损耗。 维持等幅振荡措施： 适时地补充必要的交变能量， 以维持回路内部 的能量平衡。 （方法：正反馈）反馈振荡器 抵消回路存在损耗，用负阻器件,如隧道二极管 负阻振荡器 这里只讨论反馈型振荡器（包括原理、设计方法、影响指标因素及典型线路）。 本质上反馈型振荡器就是负阻振荡器，可
4、用负阻的原理来分析。,6,（4）反馈振荡器基本构成：,一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。,一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换能机构。（有源器件-放大器）,一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路。,一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。,事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换 的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。,振荡器 概述（续）反馈振荡器基本构成,7,（5）分析方法：,正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭环系统，或说是一个非线性动态网络，要对它进行分析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。,为便于定性分析振荡
5、器的振荡特性，在进行电路分析时，仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法。,在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此，可以引用线性系统的分析方法传递函数，来确定这一时期振荡器的工作状态。,振荡建立后，用准线性方法（如用表示基波电流与基波电压的关系的平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析。,振荡器 概述（续）分析方法,8,以互感耦合 LC 振荡电路为例进行讨论,（1） 工作原理：,正弦波振荡器是基于二阶RLC回路的自由振荡。反馈振荡器是靠正反馈补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。讨论工作原理揭示电路产生等幅持续振荡条件。,互感耦合 LC 振荡器实际是含正反馈的谐振放大器，正反馈
6、靠变压器初、次级线圈同名端保证。,5.2、LC 振荡器的基本工作原理,9,振荡的产生-初始阶段(小信号）,LC 振荡电路的振荡是如何建立的？,频域：电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或电扰动 包含许多频率分量 谐振回路选出谐振频率分量 正反馈到输入端 放大 回路选频 反馈输入端 放大，反复循环 信号足够大，晶体管进入非线性区，振荡达到平衡状态。,反馈振荡器原理框图,当 时系统不需输入就有输出振荡器,闭环：,环路增益 （开环增益）,反馈放大器,10,由以上分析得到：,反馈振荡器振荡必须满足三大条件：起振条件：振荡电压从无到有逐步增长的条件。平衡条件：使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条
7、件。稳定条件：受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。,LC 振荡器基本工作原理三大条件,11,为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建立过程中，反馈电压 和原输入电压 (噪声)必须同相，并且反馈振荡器的起振条件振幅起振条件（增幅）相位起振条件（正反馈）,1、反馈振荡器的起振条件,12,起振初始，放大器工作于小信号状态 线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增益A -为了获得较高的增益A，要适当设置晶体管工作点(A类）振荡建立过程中，环路增益恒大于1，放大器的输入Vi不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态 -如果外界不加任何措施，放大
8、器将从线性进入非线性工作（出现饱和与/或截止） ，此时放大器增益A的估算一般采用大信号平均参数（如平均跨导） 用准线性方法分析。 大信号非线性工作状态，晶体管集电极电流有丰富的谐波分量，输出信号有波形失真，我们关心的是其中 (基波)分量。,起振过程中的信号分析,13,零极点分析（见P263) 两个共轭极点在右半平面，系统是不稳定的。 起振过程就是系统从右半平面到左半平面的移动过程，当移到虚轴上后，即进入平衡状态，得到稳定的正弦波输出,利用平均跨导概念，用类似小信号分析方法，如传递函数法，分析起振过程.平均跨导 ，它表示基波电流与基波电压的关系，随振荡幅度而变。,忽略 损耗,准线性方法,互感耦合
9、振荡器起振条件为：,14,稳幅机理,反馈振荡器起振条件为T=AF1，保证了输出信号幅度的不断增长，但随后必须限制其增长，使其达到平衡，即满足平衡条件T=AF=1,稳幅根本原因：,晶体管本身的非线性，使得放大器的放大倍数A随输入信号的增大而减小，如图。,外加措施帮助振荡器由T1自动调节到T=1.注意管子不能饱和，因为饱和区的晶体管输出阻抗很低，使回路的Q值降低，影响频率的稳定度。,差分放大器代替单管。,采用混合偏置电路，自给偏置使 晶体管不工作于饱和区，并加速振荡器进入平衡状态。,15,（开环）环路增益平衡条件振幅平衡条件：开环增益的模为1相位平衡条件：在 上 与 同相， 满足正反馈,相位平衡条
10、件决定振荡频率；还可利用相位平衡条件判断电路能否振荡。振幅平衡条件决定振幅的大小。,2、反馈振荡器的平衡条件振荡的必要条件,16,平均跨导,由变压器初、次级线圈的同名端保证正反馈,平衡条件,举例：互感耦合 LC 振荡器的平衡条件,M,17,当工作频率较高时，引起回路传输系数和相移的因素很多的：,晶体管输入阻抗,晶体管电流增益,谐振回路阻抗（电压、电流方向如图）,反馈系数,振荡平衡条件表示为：,2. 振荡的平衡条件用电路参数表示,18,并联谐振回路的相频特性除 外， 晶体管跨导gm和反馈系数F的相角几乎不随频率的变化而变化，令相位平衡条件简化为,讨论：,n=0,1,2,相位平衡条件决定振荡频率,
11、19,（1）振荡器要产生振荡，必须同时满足振荡的起振条件和平衡条件。平衡条件是产生振荡必要条件。,（2）若假设：,振荡频率远小于晶体管的截止频率（ ）， 。,晶体管输入阻抗 是纯阻， 。,反馈回路： 。,振荡器工作于LC并联谐振回路的谐振频率处， 。,振荡器的振荡频率 = 并联谐振回路的谐振频率 。,这是理想情况,此时：,相位平衡条件决定振荡频率讨论（续）,20,（3）实际情况分析： ， 不是零， 或零,当 、 、 的数值已知 时，振荡器的实际振荡频率 也就确定了。,结论：实际振荡频率 由相位平衡条件决定,为满足相位平衡条件， 回路必须有相移,振荡频率偏离了回路自然谐振点,即,相位平衡条件决定
12、振荡频率讨论（续）,21,一般情况下，振荡频率不等于选频回路的自然谐振频率！,Q越高两者越接近,同一,返回,相位平衡条件决定振荡频率,22,振荡频率与选频回路中心频率,反馈振荡器的振荡频率由相位平衡条件决定 反馈振荡器的相频特性由环路中的选频回路决定 选频回路的Q值越大，相频特性的斜率越陡，选频回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率就越接近于选频回路的中心频率 选频回路的Q值越高，频率稳定性越好。振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率 一般情况下由于Q值高计算振荡频率只需算回路的谐振频率。,23,（1）振幅稳定条件,指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下（如在电压波动、温度变化、噪声
13、等作用下）偏离平衡状态时，系统自动恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。,P点是一个稳定的平衡点。,平衡点附近振荡特性斜率的变化应小于反馈线斜率的变化。,稳定点的条件为：,-振荡特性在平衡点附件为负斜率,3. 振荡的稳定条件,稳定平衡与不稳定平衡,振荡的稳定条件（振幅与相位）,24,若要使该振荡器能进入稳定的平衡点，在起振时应给晶体管加一电冲击，并使冲击电压大于,硬激励与软激励：,振荡器晶体管静态工作点位于转移特性接近截止的非线性区。,如图两平衡点中，P点为稳定的平衡点，B点为不稳定的平衡点。,这种起振时需要外加冲击的电振荡称为“硬激励”，那些不需冲击而能自由产生振荡的现象称为“软激励”。,（1
14、）振幅稳定条件-硬激励与软激励,25,相位稳定条件：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的 干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于 时， 环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到 的条件。,系统相位平衡时振荡频率为 。,当外来干扰使环路总相移增加即产生超前相位增量+时，这就意味着反馈电压 超前于原有输入电压 （前一次反馈电压）一个相角,相位超前就意味着周期缩短，故环路的振荡频率也因而有所提高，若有一特性能产生一滞后的相移增量，则将阻止频率的升高。,（2）相位稳定条件,26,为减小频差 必须加大LC回路的有载Q值。因为当Q值提高时，回路相频特性斜率也相应加大。产生同样的相位增量，只需较小的频
15、率偏移，从而提高了系统的频率稳定性。,回路相频特性产生滞后相移，若干周期后等于外界因素引起的超前增量+，使环路总相移重新恢复为,相位稳定条件为：,即系统内应含有某一相频特性具有负斜率的单元.,为了抵消不稳定因素引入的相移增量，系统的振荡频率有相应的偏移，产生了频差 。,（2）相位稳定条件（续）,27,1、起振条件：振幅起振条件： AF 1相位起振条件：,2、平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件： 决定振荡频率,3、稳定条件：振幅稳定条件： 相位稳定条件：,增幅振荡,正反馈适时补充能量,提高回路Q可提高频率稳定度！,负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性,非线性器件使
16、得幅度受限，最终到达平衡；,振荡的三大条件小结：,28,起振时，晶体管处于A类放大，增益高,LC振荡器的偏置电路混合偏置,29,起振后，Vi的不断增高，晶体管进入非线性区，电流Ie正负半周不对称，平均电流 增大，大于 ，其在发射极上的压降 增大；同理， 也增大,管子直流工作点不断降低振荡器从A类到B类,甚至进入C类.减小， 减小,使得基波电流幅度和晶体管增益 减小，直至AF=1，电路进入平衡状态。,起振过程,自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。,LC振荡器的偏置电路混合偏置,30,画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。,图（A）,图（B）,
17、举例：习题 5-4,31,互感耦合振荡器符合相位平衡条件,互感耦合振荡器符合相位平衡条件同名端的判断： 1、共基接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相同的同名端。 2、共发接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具相反的同名端。,32,画高频（交流）等效电路的原则： 1、高频扼流圈开路，滤波电容短路 2、电源交流接地 3、旁路电容、耦合电容一般情况下短路 *画振荡器等效电路时，未旁路的偏置电阻可以不画,互感耦合振荡器符合相位平衡条件同名端的判断： 1、共基接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相同的同名端。 2、共发接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相反的同名端。,画高
18、频（交流）等效电路的原则,33,画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡， 请注明互感线圈各同名端的位置。,图（C）,举例： 5-4 （续）,34,下堂课： LC 振荡器的电路分析,35,画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡， 请注明互感线圈各同名端的位置。,返回,图（A）,举例： 5-4（A）,36,画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。,返回,图（B）,举例： 5-4（B）,37,画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡， 请注明互感线圈各同名端的位置。,返回,图（C）,举例： 5-4（C）,38,两种负
19、阻器件特性,39,隧道二极管振荡器原理电路,返回,负阻抵消正阻,40,差分对管互感耦合振荡器,振荡环路由 经回路 及其耦合线圈 与 基极相接，再通过公共发射极将信号反馈回 。图中， 与 同相，环路满足正反馈条件，振荡频率 。 该振荡器的优点是输出电路不在闭合反馈环路之内，只要不饱和，环路与负载将处于隔离状态，有利于振荡器的频率稳定和幅度稳定。,差分对管是依靠一管趋向截止而另一管恒流使其差模传输特性接入平坦区的，振荡器由起振进入平衡状态的稳幅作用是振荡管进入截止区而不是饱和区所引起的，这样就保证了回路Q值不会降低，进一步改善了频率和幅度的稳定性。,返回,41,无线收发信机中的振荡器,（a)发射机框图,二次变频接收机,返回,42,课堂练习1,已知LC,并联谐振回路电路及频率响应曲线如图1（a）（b） 所示，设电感Q值很高，其损耗可忽略不计， ，负 载 ，回路的谐振频率 ，试求： （1）回路的3dB带宽 （2）如果要使回路的3dB带宽扩大一倍，而L、和负载的值都不变，那么电路应作如何修改？画出满足要求的电路图,并标出所加元件的值。若要使回路的3dB带宽缩小一倍，可采取什么措施？,如图1（a） 如图1（b）,
