第4章正弦波振荡器.docx
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第4章正弦波振荡器
第4章正弦波振荡器
一、本章的基本内容
(1)掌握反馈正弦波振动器的工作原理及振荡的起振、平衡条件
(2)掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理及其性能特点
(3)了解频率稳定度的概念,了解影响频率稳定度的主要因素及稳频措施。
(4)了解RC振荡器的工作原理
二、重点和难点
重点:
(1)反馈正弦波振动器的工作原理及振荡的条件
(2)三点式LC振荡器电路组成原则、使用电路分析及振荡频率的计算。
(3)石英晶体谐振特性、晶体振荡器构成特点及优点。
难点
(1)振动器的相位平衡条件的判断
(2)振荡条件与电路参数的关系,振幅起振条件的计算。
(3)使用振荡电路的分析。
引言
振荡器的作用:
产生一定频率和幅度的信号
按振荡波形不同分
正弦波振荡器
非正弦波振荡器
按组成原理不同分
负阻振荡器
利用负阻器件的负阻效应产生振荡
反馈振荡器
利用正反馈原理构成,本质上也是负阻振荡器
4.1反馈振荡器的工作原理
主要要求:
掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理
理解反馈振荡器的起振条件和平衡条件,
了解其稳定条件。
掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。
4.1.1反馈振荡器的组成与基本工作原理
一、反馈振荡器的组成
无外加输入信号正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成
图4-1反馈振荡器构成框图
二、反馈振荡器的工作原理
首要条件满足
起始信号来自电扰动
输出信号大小满足要求时,要能自动稳定输出电压,实现
使电路进入稳定状态,输出幅度和频率都稳定的信号。
故要有稳幅环节(正弦波还要有选频网络)。
4.1.2振荡的平衡条件和起振条件
一、振荡的平衡条件
由于
,
(4-1)
故
(4-2)
有
,可得AF=1
由于环路增益T=AF
可得T=1
振荡器的振幅平衡条件
T=|AF|=1(4-3)
相位平衡条件
(4-4)
振荡器要到达必须振幅条件和相位条件同时满足。
相位平衡条件确定振荡频率;
振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值
二、振荡的起振条件
振幅起振条件
(4-5)
相位平衡条件
(4-6)
相位平衡条件
(4-7)
三、振荡条件讨论与小结
振荡条件:
同时满足起振条件和平衡条件,引入正反馈是构成振荡器的关键。
同时T必须具有随振荡电压Ui增大而下降的特性。
为获得这样的环路增益特性,反馈环路中要有非线性环节。
为获得正弦波,振荡电路中要有选频环节。
振荡频率通常就由选频环节确定。
图4-2满足起振和平衡条件的环路增益特性
4.1.3振荡的稳定条件
干扰破坏原平衡状态后,振荡器自动回到原平衡状态所需条件。
图4-3振荡的稳定条件
一、振幅稳定条件
(4-8)
二、相位稳定条件
(4-9)
指:
相位平衡遭到破坏时,电路本身能重建相位平衡的条件
相位稳定条件也就是频率稳定条件
若
具有随
增大而减小的特性则可阻止上述频率的变化。
通过不断的反馈,最终回到原平衡状态。
际电路中
在
处的变化率主要由选频网络决定,通常能满足之。
LC回路Q值越高,相位稳定度越好,频率也越稳定
4.2LC正弦波振荡器
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
正弦波振荡器按选频网络不同分:
ARC振荡器
BLC振荡器
C石英晶体振荡器
LC振荡器的分类
A变压器反馈式
B电感三点式
C电容三点式
本节的主要要求:
(1)了解变压器反馈式振荡器的工作原理和分析方法
(2)掌握三点式振荡器的组成原则和工作原理
(3)掌握电感三点式和电容三点式振荡器的典型电路、工作原理、工作特点和分析方法。
(4)了解集成LC振荡器
4.2.1变压器反馈式振荡器
一、电路组成
三极管、LC谐振回路构成选频放大器,变压器Tr构成反馈网络。
放大器在小信号时工于甲类,以保证起振时有较大的环路增益。
图4-4变压器耦合LC振荡器
图4-5变压器反馈式振荡器交流通路
在回路谐振频率上构成正反馈,满足了振荡的相位条件。
起振时放大器工作于甲类,T>1。
随着振荡幅度的增大,放大器进入非线性状态,且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非线性工作状态,使T减小,直至T=1,进入平衡状态。
二、振荡条件的分析
(4-10)
Yfe为晶体管的正向传输导纳
(4-11)
4.2.2三点式振荡器的基本工作原理
三个电抗元件组成LC谐振回路谐振回路既是负载,又构成正反馈选频网络。
图4-6三点式振荡器的基本结构
三点式振荡器组成原则:
与放大器同相输入端相连的为同性质电抗,不与同相输入端相连的为异性质电抗。
与E相连的为同性质电抗,不与E端相连的为异性质电抗。
只有这样,才能构成正反馈!
为便于说明,忽略电抗元件的损耗及管子输入、输出阻抗的影响当X1+X2+X3=0路谐振,回路等效为纯电阻,得到
与
反相。
因此
必须与
反相,才能构成正反馈通常Q值很高,故回路谐振电流远大于B、C、E极电流
因为并联谐振回路谐振时,回路电流为输入电流的Q倍。
有电感三点式和电容三点式两种
4.2.3电感三点式振荡器(Hartley—哈脱莱)
(4-12)
电感三点式振荡器优点和缺点
优点:
易起振,频率易调(调C)
缺点:
高次谐波成分较大,输出波形差。
4.2.4电容三点式振荡器(Colpitts—考毕兹)
图4-7电感三点式振荡器
(a)原理电路(b)交流通路
图4-8电感三点式振荡器
(a)原理电路(b)交流通路
式中
为并联谐振回路的总电容值
增大C1/C2,可增大反馈系数,提高输出幅值,但会使三极管输入阻抗的影响增大,使Q值下降,不利于起振,且波形变差,故C2/C1不宜过大,一般取0.1~0.5。
电容三点式振荡器优点和缺点
优点:
高次谐波成分小,输出波形好。
缺点
频率不易调(调L,调节范围小)
4.2.5改进型电容三点式振荡器
图4-9克拉波振荡器
C3< (4-14) 实际振荡频率必定略高于f0,因为要使L、C3支路呈感性说明极间电容的影响很小,且调节反馈系数时基本不影响频率接入C3使三极管输出端(C、E)与回路的耦合减弱,三极管等效负载阻抗减小,放大器放大倍数下降,振荡器输出幅度减小。 C3越小,放大倍数越小,如C3过小则振荡器不满足振幅起振条件而停振。 克拉泼电路的改进——西勒(Seiler)振荡器 图4-10西勒(Seiler)振荡器 调频率时,不调C3,调C4。 故调频率时谐振回路反映到晶体管C、E间的等效阻抗变化很小,对放大器增益影响不大,从而保持振荡幅度的稳定。 一般C4与C3相同数量级,且都远大于C1、C2,故 4.3振荡器的频率和振幅稳定度 主要要求: 理解频率和振幅稳定度的概念 了解影响频率稳定度的主要因素和提高频 率稳定度的措施。 4.3.1频率稳定度 一、频率稳定度的概念 指在规定时间内,规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内,振荡频率的相对变化量。 频率的绝对偏差,又称绝对频率准确度为 f指实际频率,f0指标称频率 长期频率稳定度: 一天以上乃至几个月内振荡频率相对变化量 短期频率稳定度;一天之内振荡频率的相对变化量 瞬时频率稳定度: 秒或毫秒内振荡频率的相对变化量 二、导致频率不稳定的因素 振荡频率主要取决于谐振回路参数,也与其它元器件参数有关。 当外界因素变化影响这些参数,而电路本身稳频能力差时,就导致频率不稳定。 外因: 温度、电源电压和负载等外界因素的影响 影响回路电感线圈的电感量和电容器的电容量;改变晶体管结电容、结电阻;影响晶体管工作点和工作状态,使晶体管等效参数发生变化。 影响晶体管工作点和工作状态,使晶体管等效参数发生变化 内因: 影响回路Q值和振荡频率 三、提高频率稳定度的主要措施 1.减小外界因素变化的影响 将决定振荡频率的主要元件或整个振荡器置于恒温槽、采用高稳定度直流稳压电源、采用密封工艺减小大气压力和湿度的影响、在振荡器和负载之间加缓冲器 2.提高谐振回路的标准性 选用高质量的参数稳定的回路电感器和电容器。 选用具有不同温度系数的电感和电容构成谐振回路、改进按照工艺,缩短引线、加强引线机械强度。 4.3.2振幅稳定度 振幅稳定度表示为 Uo为输出电压的标称值,∆U为实际输出电压与标称值之差。 4.4石英晶体振荡器 主要要求: 了解石英谐振器的结构和特性 掌握典型石英晶体振荡器的组成和工作原理 定义: 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 4.4.1石英谐振器及其特 1.石英谐振器的结构 石英是一种各向异性的结晶体,其化学成分是SiO2。 从一块晶体上按一定的方位角切割成的薄片称为晶片。 在晶片的两面涂上银层作为电极,电极上焊出两根引线固定在管脚上,就构成了石英晶体谐振器。 2.石英谐振器的基本特性与等效电路 极板间加电场会使晶体机械变形,极板间加机械力会使晶体产生电场 当交变电压频率=固有频率时,共振,振幅最大,产生的交变电流最大。 类似串联谐振。 3.石英谐振器的基本特性与等效电路 图4-11石英晶体的等效电路 (a)代表符号(b)等效电路 串联谐振频率 (4-18) 并联谐振频率 (4-19) 4.石英谐振器的使用注意事项 1)要接一定的负载电容CL(微调),以达标称频率。 高频晶体通常标CL为30pF或 2)要有合适的激励电平。 过大会影响频率稳定度、振坏晶片;过小会使噪声影响大,输出减小,甚至停振。 5.泛音晶体 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。 利用泛音晶体时,要注意抑制低次谐波分量。 图4-12含泛音频率的等效电路 4.4.2晶体振荡器 并联型晶体振荡器 fs 晶体作为高Q电感元件与其它元件并联构成振动所需的并联谐振回路 串联型晶体振荡器 f=fs,晶体工作在串联谐振状态,在振荡器中用作高选择性短路元件。 一、并联型晶体振荡器 (a)皮尔斯晶体振荡电路(b)交流电路 图4-13并联型晶体振荡器 C1~C3串联组成CL振荡器。 调节C3可微调振荡频率。 (a)5MHz五次泛音晶体振荡器(b)L1C1电抗曲线 图4-14泛音晶体振荡器 L1C1回路调谐在三次(3MHz)和五次(5MHz)泛音之间,故回路对五次泛音频率呈容性,使电路构成电容三点式振荡器。 而对基频和三次泛音,回路呈感性,使电路不满足振荡的相位条件,不能产生振荡。 对七次及以上泛音,电路虽也构成电容三点式,但L1C1回路的等效电容太大,不能满足振幅起振条件,也不能产生振荡。 二、串联型晶体振荡器 (a)串联型晶体振荡器(b)交流通路 图4-15串联型晶体振荡器 为了减小L、C1、C2回路对频率稳定性的影响,应将该回路调谐在晶体的串联谐振频率上。
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