G通信电子线路电子教案CH.ppt

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1、第五章 正弦波振荡器 5.1 概述 5.2 反馈振荡器的工作原理 5.3 LC正弦振荡器 5.4 LC正弦振荡器的频率稳定度 5.5 晶体振荡器 正弦波振荡器： 能自动将直流电能转换成（具有一定 频率和振幅的）正弦交流电能的电路。它与放大器的区 别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信 号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。 应用： 通信电路中作载波，本振信号；信号源及无线 电测量仪表中。 产生方式： 反馈式振荡器和负阻式振荡器 分类： 频率： 低频，高频，微波振荡器 输出波形： 正弦振荡器和非正弦振荡器 要求： 输出功率大，效率高，波形失真小，频率稳定度高 5.1 概述 开关

2、K接在 1端， U o=AUi。这时将开关迅速地转换到 接于 2端， 去掉外部输入 ，此时 Uf=UoF=UiAF 若 AF=1，则 Uf=Ui，没有输入也能维持输出，构成了 振荡电路。 回归比： T= AF为反馈放大器的 环路增益。 T1： 增幅振荡； T1 ， 则每循环一次，幅度就 增大一次，产生增幅振荡，如图所 示。 增幅振荡 等幅振荡 起振和稳幅过程 T1 T=1 A Ui UiA 0 U0 F1 Q T1 振幅起振条件： T = A F 1 相位起振条件： T（ ） =A+ F=2n (n=0,1,2,3 ) 二、振荡条件 3、 振荡稳定条件 当振荡器受到外部因素的干扰失去平衡后，

3、能自动恢复到原来的平衡状态，或能够在原平衡 状态附近重建平衡的，称为稳定的平衡。 稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件， 振幅稳定条件是指当外界因素造成振荡幅度变化 后，振荡器能够自动恢复原来振荡幅度所需满足 的条件。相位稳定条件是指相位平衡条件被破坏 时，电路能够重新建立相位平衡的条件。相位稳 定条件同时也是频率稳定条件，因为相位的变化 必然引起频率的变化 。 0 iAUiU T 综上所述 振幅稳定条件： 图中 A、 B均为平衡点，其中 A 点为稳定平衡点，当某中扰动使电 路离开 A点（ T1）时，电路会自动 回到 A点； B点是非稳定平衡点，受 到扰动时电路会停振（左移）或过 渡到 A点

4、（右移）。 上图的电路中起始扰动电压必须 大于 UiB，称为硬激励；下图的电 路开机即可振荡，称为软激励。振 荡电路应避免硬激励状态。 A B Ui T UiB UiA 1 硬激 励 T 1 A Ui UiA 软激 励 （ 1）振幅稳定条件 相位稳定条件： 0)( A T 负载回路 相频 特性： 增大 ， T 减小 相位条件的稳定是靠 增大 ， T降低来 实现的 回路 Q值越高稳定性越好 A T () 0 A B 0 T () （ 2）相位稳定条件 图中 A点为稳 定平衡点， B点 为非稳定平衡点。 互感耦合反馈式振荡电路 利用互感耦合实现反馈振荡 5.3 LC正弦波振荡器 改变同名端的位置，

5、则反馈极 性改变 CML LC g ) 1 0 （ 回路的谐振频率振荡近似等于 5.3.1 互感耦合振荡器 发射极调谐 R1 R2 R e Ce Cb C L UCC M 集电极调谐 M Cb R2 R1 C L Cc Re UCC M R2 UCC C L Re Ce R1 基极调谐 Cb 根据 LC回路与三极管不同电极的连接方式分为集电极调 谐型、发射极调谐型和基极调谐型电路，如图所示 三种电路相比较，集电极调谐型电路在高频输出方面比 其它两种电路稳定，而且输出幅度大，谐波成分小。而基极 调谐型电路的振荡频率可以在较宽的范围内变化，仍能保持 振荡幅度平稳。 互感耦合振荡器一般工作于工作频率

6、不太高的中、短波 波段。 5.3.2 三端式振荡器 一、三端式振荡器构成原则： 构成原则 ： 射同它反 ，即与发射极相连的两电抗 X1、 X2性质相同； X3与 X1、 X2的电抗性质相反。 若为场效应管，则管脚对应关系为： b e cg s d X1、 X2、 X3组成谐振回路 谐振时： X1+X2+X3=0 回路电流处处相同 I 构成正反馈： X1、 X2为 同性质电抗 1 2 1 20 1 2 32 2 0 )( X X A X X U U AF X X XX X U U F f f X1 X2 X3 uf u0 I ui 两种典型的三端式振荡器的简化电路： 左图： 电容三端式电路 ，又

7、称为 考毕兹电路 ，它的反馈 电压取自 C1和 C2组成的分压器； 右图： 电感三端式电路 ，又称为 哈特莱电路 ，它的反馈 电压取自 L1和 L2组成的分压器。 X1 X2 X3 uf u0 I ui X1 X2 X3 uf u0 I ui 二、 电容三端式振荡器 R1、 R2、 Re 为 直流偏置电阻；振荡产 生后作为自偏压电阻，稳幅作用。 Lc高频扼流圈，防止电源旁路 Ce旁路电容 、 Cb 隔直流电容 L 、 C1、 C2 构成谐振回路，决定振 荡频率： 1 21 0 ) 11 ( 1 CC C LC g Cb R2 R1 Re Ce C1 C2 L LC UCC Rb包含在 gie中

8、； yfe=gm 忽略晶体管内部反馈： yre=0 Cie、 Coe 包含在 C1 、 C2； gL是集电极等效负载 ; Zce为三极管 c、 e端的等效阻抗； 12 0 2 1 )( ieLoece ce cem i o f gFggR Z Zg U U A C C U U F 为纯电阻，即谐振时 12 F gFgg g AFT ieLoe m 振幅起振条件为： Rb C1 C2 L Rie C 1 C2 L gie goe gL gie Ui Uf U0 gmUi Zce 拆环等效电路 拆环：将闭合反馈 环路的输入端断开， 考虑到输入回路对 输出回路的影响， 在输出端加入 gie。 一般取

9、： F=0.1 0.5，起振时 T=3 5 电容三端式振荡器的特点： 优点： 输出波形较好，工作频率较高，主要是由 于其反馈支路采用了电容元件，高频时电抗小， 能较好的滤除高次谐波。若直接采用极间电容代 替回路电容，工作频率可以提高很多。 缺点： 频率不易调整，因为改变回路电容会同时 改变反馈系数，甚至可能造成回路停振。 三、 电感三端式振荡器 紧耦合时，反馈系数为线圈匝数比 ML ML U U F F gFgg g FZgT LC f ieLoe m cem 1 2 0 2 211 2MLLL, 1 其中 回归比 其中 L1 L2 C u0 u i C L2 L1 gie goe gL gi

10、e Ui Uf U0 gmUi Zce 拆环等效电路 通过改变回路电容调 整频率时，基本不影 响 F；但产生信号的频 率较低；由于反馈电 压取自 L2，使输出含 有较大的谐波电压。 两种振荡器的比较 电容三点式 电感三点式 改变 C1、 C2比值来改变 F 能够振荡的最高频率较高： 极间电容与 C1、 C2并联。 输出电压波形好： c、 e间接 C2，高次谐波阻抗 小，谐波电压小。 改变抽头位置来改变 F 能够振荡的最高频率较低： 极间电容与 L1、 L2并联 ,高频时 会改变电抗性质。 输出电压波形差： c、 e间接 L2，高次谐波阻抗大， 谐波电压大。 5.3.3 两种改进型电容反馈式振荡

11、器 引入： 晶体管各个电极与电抗元件并联，极间电容对振荡 器的影响很大，为提高频率稳定性，要尽量减小晶体管与 回路的耦合。 一、克拉泼振荡器 晶体管以部分接入方式与回路连接 3 1 321 0 ) 111 ( 1 C CCC C LC g C3小， C主要由 C3决定， C3小，频率可调范围小。 321 1 111 1 1 CCC Cn C1 C2 C3 L R 1 R2 Re L RC UCC C1 C2 C3 Cb Cb R1 R2 Re L RC UCC C1 C2 C4 C3 二、西勒振荡器 振荡频率主要 C4由决定，可调范围大。 C4的变化对三极管对回路接入系数 n1和 F都不改变，

12、展宽 了工作频带，常用于频率可调的振荡器。 接入系数与克拉泼电路相同 34 23 13 CC CC CC 44 1 321 0 ) 111 ( 1 CC CCC C LC g RL +UCC Rb Rb Cb Cc2 C L Cc1 C1 C2 L ui u0 uf -UBB I0 VT1 VT2 5.3.4 其它 LC振荡器简介 一、差分对振荡器 21 21 1 1 CC CC L g 二、集成 LC振荡器 VT14 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 VT7 VT8 VT9 VT10 VT11 VT12 VT13 VD2 VD1 L C Cb UCC 输 出 14 1 3 5

13、8 12 10 7 下图是 CE1648单片集成振荡器的内部电路。 由 VT10VT14组 成直流馈电电路； VT7、 VT8、 VT9 及外接的 LC并联 回路构成差分振 荡器； VT4、 VT5 组成共射 共基 放大器，对 VT8的 集电极输出电压 进行放大， VT2、 VT3组成第二级差 分放大，最后经 射随器 VT1输出。 VT6组成直流负反馈电路，当 VT8输出电压增大时， VT6 集电极直流电压减小，使差分振荡器恒流源 I0减小，跨导 gm减小，限制输出电压的增大，提高输出振幅的稳定性。 振荡器的工作频率： )( 1 1 i g CCL Ci是 CE1648第 10、 12脚间的输

14、入电容，典型值为 6pF。当 fg=100MHz时， C1取值为 17pF， L1取值约 0.22H；当 fg=10MHz时， C1取值为 15150pF， L1取值约 2.72H。 外部连接电路。如图所示 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 +5V +9V L C 0.1 0.1 输出 CE1468 5.4 LC振荡器的频率稳定度 0 01 0 01 f ff f f fff 设实际工作频率为 f1， 标称频率为 f0 绝对频率偏差： 相对频率偏差： 频率稳定度： 在一定时间间隔内振荡频率的相对变化 量，即 时间间隔）(0 0 f ff 频率稳定度是振荡器最重要

15、的性能指标之一。频率稳定， 频率稳定是指当外界条件发生变化时，振荡器的实际工作频率 与标称频率间的偏差尽可能小。 5.4.1 频率稳定度的概念 对频率稳定度的要求视用途而异，一般的 短波、超短波发射机的相对频稳度为 10-410-5 数量级；电视发射机为 10-7数量级；卫星通信 发射机为 10-910-11数量级。普通信号发生器为 10-410-5数量级，高精度信号发生器为 10-710-9 数量级。用于国家时间标准的频率源，要求在 10-12数量级。 5.4.2 LC振荡器的频率稳定分析 其中 ， fe是 BJT正向传输导纳 Yfe()的相移 ， F是反馈系数 F()的相移 C1 C2 L

16、 Rb Rie U0 Uf 电容三端式振荡器交流通路 Ui 决定 , 振荡器的振荡频率由相位平衡条件 0)( T 以图所示电容三端式振荡电路为例来分析频率稳定 程度与元件参数的关系。 由电路可得到： 凡能引起 z、 fe和 F变化的因素都会引起振荡频率的变化 FfeZFAT )()()( 因为在谐振频率附近， fe 和 F随 的变化远小于 z ()的变化， 在分析时将 F +fe近似为一个常数，这样相位条件就变为： 0)( fZ f Z() 0 g 已知 LC并联谐振回路的等效阻抗的幅角 z(）为： 代入相位平衡条件式，得 0 0 )(2)( ge Z Qa r c t ga r c t g

17、)(2 00 f e g tgQ z(） 与 f的交点就是 相位平衡点 ，交点处对应的频率就是 振荡频率 g。 外界因素通过改变 0、 Qe和 f来影响 g。其变化用全 微分表示： f fe ef ee f e L g f f g g Q Qtg QQ tg Q Q g 2 0 2 0 0 0 0 c os22 ) 2 1( 从公式可以看出，增大 Qe和减小 f ，可以减弱 0、 Qe和 f造成的频率偏移。 - f Z() (a) 0变化的影响 0 0+0 g g+g Z() f 0 g g+g Qe Qe+Q (b) Qe变化的影响 f Z() 0 g g+g (c) f变化的影响 f+f

18、右图形象 的表示了 0、 Qe和 f分别变 化时 g相 应的变化 过程。 5.4.3 提高频率稳定度的措施 二、提高振荡回路的标准性 一、减小外界因素的变化 采用恒温槽减小温度变化的影响；采用屏蔽措施减小磁 场变化的影响；加入减振装置减小机械振动的影响；采用隔 离电路减小负载变化的影响等 。 选用参数高度稳定的 L、 C元件，如用石英晶体替代谐振 回路的 L，或者采用温度补偿来减小温度变化对元件带来的影 响。 已知： LC 1 0 与谐振回路元件参数 L、 C的关系为： 0 ，则 0 00 0 )(2 1 C C L LC CLL 三、减小晶体管对振荡频率的影响 采用加大回路总电容的方法可以减

19、小极间电容的相对 影响，但是大电容会使频率调谐范围变窄，使振荡变弱； 减弱三极管与回路之间的耦合，也就是将三极管以部分接 入方式接入回路，也可以减小极间电容对谐振回路的影响； 通过稳定晶体管的工作点可以减小 gm的变化，从而减小 f 的变化，也能够稳定振荡频率等方法。 5.5 晶体振荡器 优点： 频率稳定度高。 缺点： 单频工作 标称频率。 串联谐振频率： 并联谐振频率： qq CLqs 1 0 0 0 110 CCs L q qCC qCC )1( 00 CCq q (CqC0) q 0 X 0 感性 容性 容性 C0 Cq1 Lq1 Rq1 i u + - JT 5.5.1 石英晶体谐振特

20、性 并联型晶体振荡器： 含有石英晶体的电容三端式振荡器 ， 也称为皮尔斯振荡器 ， 如图所示 。 振荡器的振荡频率在晶体 的串联谐振与并联谐振频率之间 ， 晶体等效为一个非线性 电 感 。 5.5.2 晶体振荡器 R1 Rc R2 C1 C2 JT RL Cc UCC Cb (a) 皮尔斯振荡器 Re Re C1 C2 RL L (b) 等效交流通路 一、并联型晶体振荡器 密勒振荡器： 属于电感三端式电路。 晶体和 L1C1回路均等效为电感，因 此要求振荡器工作频率 g低于 L1C1回路的固有谐振频率 01。输 出波形较好，但有载 Qe值低，与皮尔斯振荡器相比，频率稳定 度较低，为了减少三极管

21、输入电阻对石英晶体的影响，可以采 用场效应管代替三极管构成振荡电路。 R1 R2 JT Re Ce L1 C1 UCC (a) 密勒振荡器 C2 L1 C1 C2 JT (b) 等效交流通路 4.7H 200pF 310PF 20PF 5MHZ UCC 0 .01 0 .1 20 330pF 20K 5.6K uo 4.7H 330pF 200pF 310pF 20pF 5MHz 15MHz UCC C1 6.6H L1 220pF 430pF 20pF 315pF 6.6H 430pF 220pF 315pF 20pF 泛音晶体振荡器 串联型晶体振荡器： 电路通过晶体形成正反馈，振荡器的 振

22、荡频率等于晶体的串联谐振频率，即 os，晶体等效为选 频开关（一小电阻或近似短路线）。晶体工作于 fs附近，呈现 低阻抗，这时反馈最强且不带来附加相移，因此在这个频率上 产生振荡。 二、串联型晶体振荡器 12V 0.01F 0.03F C1 C2 C3 R1 Rc L Re Cb R2 JT 图所示电路，是一个 电容三端式振荡器，在谐 振回路与三极管之间的反 馈支路中接入了一个具有 选频能力的晶体。 L、 C1、 C2、 C3组成并联谐振回路， 振荡频率调谐在串联谐振 频率处，石英谐振器阻抗 最小为，相移为 0，形成正 反馈，满足振幅和相位条 件，产生振荡。 +24V 2.4k 2k 1.5k

23、 2k 3.9k 4.3k 2.4k 680 JT 100pF 10 10 0.04 10 20F 20F L 下图是某通信机用的 9kHz串联晶体振荡器。 9kHz石英谐 振器串接在两级放大器的反馈支路上，只有在晶体和负载电 容 CL所决定的串联谐振频率上，正反馈最强，才产生振荡。 第一级放大器采用谐振回路作负载，利用它的选频作用，输 出端可以得到波形较好的正弦波。 三、集成晶体振荡器 下图是用 E1648组成的 100MHz晶体振荡器，晶体标称 频率为 100MHz， LC回路应调谐于晶体标称频率处，不过 回路谐振频率与标称频率偏差 10%时仍能工作，但频率稳 定度会受影响。实测此振荡器的

24、频率稳定度为 10-5，输出电 压峰 峰值不小于 750mV。 0.22 3300p 2-10p 0.1 JT +5V 输出 3300p 1k 1k 0.1 47p 86 10 0.1 100MHz 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 5.6 振荡器中的几种现象 在实际振荡电路中，由于各种原因，还可能产生一些特 殊的振荡现象。如寄生振荡，间歇振荡，频率占据，频率拖 曳等。这些振荡现象一般应尽量避免，但有时也可以利用间 歇振荡和频率占据现象来实现某些功能。 5.6.1 寄生振荡 寄生振荡是指某些特定频率上，由电路中某些集总参 数和分布参数构成的闭合环路，满足振荡条件

25、而产生的自 激振荡，一般是叠加在正常振荡的波形上，引起振荡波形 的畸变。 低频寄生振荡 由电路中的电感量较大的高频扼流圈、 电容量较大的隔直流电容或旁路电容所引起。 超高频寄生振荡 分布参数（如引线电感、管子极间 电容）所引起。 Rb Cb Ce Re L C UBB UCC Uf Ub U0 (a) t1 t2 UB B ub t t (b) 5.6.2 间歇振荡 如果振荡电路中某些元件参 数选择不当，就会产生间歇振荡， 这时输出电压的波形如下图 (b)所 示。 电源接通后，振荡建立速度 快，振荡电压迅速增加，管 子进入非线性区域，实现稳 幅，振荡很容易趋于稳定 （图 b的 t1t2时间段内

26、）。如 果在 t2时刻， UBB继续变负， 振荡幅度会有所减小， A也随 之下降，造成环路增益小于 1， 若在此期间偏压不能迅速建 立，则振荡迅速衰减到零， 停振，直到偏压又增加到起 振时的电压，开始新一轮振 荡。 为防止间歇振荡的产生，偏置电压的变 化速度必须跟上振荡振幅的变化速度。为 此，可以通过增大回路的值来减小振荡振 幅的变化速度，同时要减小偏置电路中 Cb、 Ce取值来加快偏压建立的瞬态过程。 R1 R2 Cb Ce Re L C UCC Us f1 f2 f3 f4 f 1=f1 |fs f 1| f |fs f1| 45 5.6.3 频率占据 若从外部引入一个频率为的信号，当接近

27、振荡器的振荡频 率时，振荡器受外加信号的影响，会向 fs附近变化，甚至就等 于 fs ，产生强迫同步。 发生频率占据的 fs范围称为占据频带，用 f表示： f=f3-f2 实际中，外来信号往往来自周围的干扰或邻近的其它信 号，当发生频率占据时，整个系统的工作都受到影响，可 以采取措施切断或减弱振荡器与外来信号之间的耦合，以 防止产生频率占据。但在某些情况下，可以利用频率占据 现象实现注入同步，对振荡器进行强制的频率和相位的同 步，或者实现同步分频，即对振荡频率的某次谐波进行强 制同步。 R1 R2 Cb Ce Re L1 C1 UCC L2 C2 1 02 01 01 M N 5.6.4 频率

28、拖曳 在以耦合振荡回路作选频网络时，在一定条件下会产 生所谓的频率拖曳现象：当变化一个回路（如次级回路） 的谐振频率时，振荡频率会产生非单值的变化，即有频率 突跳的现象。 当双调谐回路处于过耦 合状态，谐振曲线为双峰， 初级回路谐振阻抗的幅角将 有三个零点，即对应有三个 谐振频率： ， ， ， 这三个频率与初次级的谐振 频率 01、 02有关，也和耦合 系数有关。曲线图显示了振 荡频率随次级回路谐振频率 02变化的曲线，也称为拖曳 环。振荡频率与初级回路谐 振频率 01之间也有类似的关 系曲线，图中的 、 是两 个可能的振荡频率，但不会 产生两个频率的同时振荡。 本章小结 本章介绍了反馈型正弦

29、波振荡器的组成、工作原理及几种常用反馈型 正弦波振荡器电路，要点如下： （ 1）反馈型正弦波振荡器是由放大电路、选频网络和反馈网络和稳幅 电路四个环节构成，必须满足起振、平衡、稳定三个条件，每个条件都 包含振幅和相位两个方面的要求。 （ 2） LC正弦波振荡器的主要形式是三端式振荡器，构成原则是“射 同它异”，分为电容三端式和电感三端式两种基本类型。主要内容包括 振荡频率估算、起振条件分析，以及两种电路特点的比较。克拉泼振荡 器和西勒振荡器是两种改进型电容三端式电路。 （ 3）频率稳定度是振荡器的一项重要性能指标。通过减小外界因素 变化、提高回路标准性和减小三极管极间电容影响等方法可以提高频率 稳定度。 （ 4）晶体振荡器分为并联型和串联型两类。并联型晶体振荡器，晶 体在电路中等效为电感元件；串联型晶体振荡器，晶体在电路中起短路 线作用。晶体振荡器由于回路元件标准性很高，所以频率稳定度很高。