《振荡电路》PPT课件.ppt

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1、 例 4.5 图例4.（）是一个数字频率计晶振电路, 试分析其工作情况。 解: 先画出V1管高频交流等效电路, 如图例4.（）所示, .F电容较大, 作为高频旁路电路, V2管作射随器。 由高频交流等效电路可以看到, V1管的c、e极之间有一个回路, 其谐振频率为: MHzf 0.4 10330107.42 1 1260 所以在晶振工作频率MHz处, 此回路等效为一个电容。可见, 这是一个皮尔斯振荡电路, 晶振等效为电感, 容量为pFpF的可变电容起微调作用, 使振荡器工作在晶振的标称频率MHz上。 图例4.5 20 k C5 MHz5.6 k20 p 535 p200 p330 p 0.01

2、 4.7 2.7 kV1 1.5 kV2 UCC 20 p 535 p200 p V1330 p 4.7 (a) (b) . 密勒（）振荡电路 图4.4.4是场效应管密勒振荡电路。 石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间, 并联回路在振荡频率点等效为电感, 作为另一电感元件连接在漏极和源极之间, 极间电容gd作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于gd又称为密勒电容, 故此电路有密勒振荡电路之称。 密勒振荡电路通常不采用晶体管, 原因是正向偏置时高频晶体管发射结电阻太小, 虽然晶振与发射结的耦合很弱, 但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性, 所以采用输入阻抗高的场效应管。 图4.

3、4.4 密勒振荡电路 300 pUCC61122 Cgd1 MHz 10 M 2.2 k 0.02 . 泛音晶振电路 从图4.4.1(c)中可以看到, 在石英晶振的完整等效电路中, 不仅包含了基频串联谐振支路, 还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路, 这就是前面所说的石英晶振的多谐性。但泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高, 可能获得的机械振荡和相应的电振荡越弱。 在工作频率较高的晶体振荡器中, 多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶振电路有些不同。在泛音晶振电路中, 为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上, 不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡, 而且必须正确地调节电路的环

4、路增益, 使其在工作泛音频率上略大于1, 满足起振条件, 而在更高的泛音频率上都小于1, 不满足起振条件。 在实际应用时, 可在三点式振荡电路中, 用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件, 使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则, 不能起振； 而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则, 达到起振。 图4.4.5（）给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。 假设泛音晶振为五次泛音, 标称频率为MHz, 基频为MHz, 则 1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样, 在 MHz 频率上, 1回路呈容性, 振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说,

5、1回路呈感性, 电路不符合组成法则, 不能起振。 图 4.4.5 并联型泛音晶体振荡电路及LC1回路的电抗特性(a) 并联型泛音晶体振荡电路； (b) LC1回路的电抗特性 C2C1 L C3 X0 1 2 3 4 5 6 7 f / MHz(a) (b) 串联型晶体振荡器 串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中, 利用其串联谐振时等效为短路元件, 电路反馈作用最强, 满足振幅起振条件, 使振荡器在晶振串联谐振频率s上起振。图4.4.6（）给出了一种串联型单管晶体振荡器电路, （）是其高频等效电路。 这种振荡器与三点式振荡器基本类似, 只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。, 1 , 2和

6、3组成并联谐振回路而且调谐在振荡频率上。 图4.4.6 串联型晶体振荡电路 Rb1 Cb Re C1C2UCCR(a) Cc20 kRb22.2 k C3300 pL3.8 1600 p680 C1C2 C3 L(b)ReC 4.5.1变容二极管 变容二极管是利用结的结电容随反向电压变化这一特性制成的一种压控电抗元件。变容二极管的符号和结电容变化曲线如图4.5.1所示。 变容二极管结电容可表示为: nBjj UuCC 1 )0( 4.5 压 控 振 荡 器(4.5.1) 其中为变容指数, 其值随半导体掺杂浓度和结的结构不同而变化, j（0）为外加电压u时的结电容值, UB为结的内建电位差。 变

7、容二极管必须工作在反向偏压状态, 所以工作时需加负的静态直流偏压UQ。若交流控制电压u为正弦信号, 变容管上的电压为: u=-(UQ+u)=-(UQ+U m cost) 图 4.5.1 变容二极管 (a) 符号； (b) 结电容-电压曲线 t0uu 0 0 Cj Cj(t) Cj(0) CjQ UQ Um t (a) (b) 代入式(4.5.1), 则有: njQnQB jQj tmCUU uCC )cos1(1 其中静态结构电容 nBQjjQ UUCC 1 )0(结电容调制度1 QB mUUUm 4.5.2变容二极管压控振荡器 将变容二极管作为压控电容接入振荡器中, 就组成了压控振荡器。一般

8、可采用各种形式的三点式电路。 需要注意的是, 为了使变容二极管能正常工作, 必须正确地给其提供静态负偏压和交流控制电压, 而且要抑制高频振荡信号对直流偏压和低频控制电压的干扰, 所以, 在电路设计时要适当采用高频扼流圈、旁路电容、隔直流电容等。 无论是分析振荡器还是压控振荡器都必须正确画出振荡器的直流通路和高频振荡回路。对于后者, 还须画出变容二极管的直流偏置电路与低频控制回路。 例4.6说明了具体方法与步骤。 例 4.6 画出图例4.6(a)所示中心频率为360MHz的变容二极管压控振荡器中晶体管的直流通路和高频振荡回路, 变容二极管的直流偏置电路和低频控制回路。 解: 画晶体管直流通路,

9、只需将所有电容开路、 电感短路即可, 变容二极管也应开路, 因为它工作在反偏状态, 如图(b)所示。 画变容二极管直流偏置电路, 需将与变容二极管有关的电容开路, 电感短路, 晶体管的作用可用一个等效电阻表示。 由于变容二极管的反向电阻很大, 可以将其它和它相连的电阻作近似处理。如本例中变容二极管的负端可直接与15 V电源相接, 见图(c)。 1000 p C4 1 p C1 R4 1000 p C3 R3 470 15 V 0.5 p C2 Cj 1000 p C5 R2 R1 10 V u 15 V (a) 15 V R4 R3 15 V (b) 15 V 10 V R1 R2 L Cj

10、C2 C1 (c) (d ) Cj u (e) L Cj R4图例4.6 画高频振荡回路与低频控制回路前, 应仔细分析每个电容与电感的作用。对于高频振荡回路, 小电容是工作电容, 大电容是耦合电容或旁路电容, 小电感是工作电感, 大电感是高扼圈。 当然, 变容二极管也是工作电容。保留工作电容与工作电感, 将耦合电容与旁路电容短路, 高扼圈开路, 直流电源与地短路, 即可得到高频振荡回路, 如图(d)所示。正常情况下, 不需画出电阻。 判断工作电容和工作电感, 一是根据参数值大小, 二是根据所处的位置。电路中数值最小的电容(电感)和与其处于同一数量级的电容(电感)均被视为工作电容(电感), 耦合

11、电容与旁路电容的值往往要大于工作电容几十倍以上, 高扼圈的值也远远大于工作电感。 另外, 工作电容与工作电感是按照振荡器组成法则设置的, 耦合电容起隔直流和交流耦合作用, 旁路电容对电阻起旁路作用, 高扼圈对直流和低频信号提供通路, 对高频信号起阻挡作用, 因此它们在电路中所处位置不同。 据此也可以进行正确判断。 对于低频控制通路, 只需将与变容二极管有关的电感短路(由于其感抗相对较小), 除了低频耦合或旁路电容短路外, 其它电容开路, 直流电源与地短路即可。由于此时变容二极管的等效容抗和反向电阻均很大, 所以对于其它电阻可作近似处理。 本例中1000 pF电容是高频旁路电容, 但对于低频信号

12、却是开路的。 图(e)即为低频控制通路。 压控振荡器的主要性能指标是压控灵敏度和线性度。其中压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的增量, 用表示, 即ufS (4.5.3) 图4.5.2时变容二极管压控制震荡器的频率一电压特性。一般情况下，之一特性是非线性的，其非线性程度与变容制数和电路结构有关。在中心频率附近较小区域内线性较好，灵敏度也较高. 图4.5.2 变容二极压控振荡器的频率电压特性 ff00 U 【例 47】 在图例4.6()所示电路中, 若调整2使变容二极管静态偏置电压为, 对应的变容二极管静态电容jQ F, 内建电位差UB. , 变容指数。求振荡回路的电感和交流控制信号u为

13、振幅Um=1 V的正弦波时对应的压控灵敏度。 解: 由图例4.6（）可知, 谐振回路总等效电容由三个电容串联而成, 所以静态时总电容为 jQQ CCCC 111 121 pF3279.02015.011 1 中心震荡频率MHzLCf Q 3602 10 所以HCfL Q 596.0103279.0)103602( 1)2( 1 122620 312 )cos6.611( 1020)cos1( ttUUU CC nQB m jQj pFCj 74.32)6.611( 1020 312max pFC j 10.13)6.611( 1020 312min pFCCCC j 330.0/1/1/1 1

14、 max21max 又 所以MHzLCf 87.3582 1 maxmin0 MHzLCf 62.3612 1 minmax0 由MHzfff 62.1 0max01 MHzfff 13.1min002 pFCCCC j 325.0/1/1/1 1 min21min 可求得压空灵敏度VMHzUfS m /62.111 VMHzUfS m /13.122 可见, 正向和负向压控灵敏度略有差别, 说明压控特性是非线性的。 4.5.3晶体压控振荡器 为了提高压控振荡器中心频率稳定度, 可采用晶体压控振荡器。在晶体压控振荡器中, 晶振或者等效为一个短路元件, 起选频作用； 或者等效为一个高值的电感元件

15、, 作为振荡回路元件之一。 通常仍采用变容二极管作压控元件。 在图4.5.3所示晶体压控振荡器高频等效电路中, 晶振作为一个电感元件。 控制电压调节变容二极管的电容值, 使其与晶振串联后的总等效电感发生变化, 从而改变振荡器的振荡频率。 图 4.5.3 晶体压控振荡高频等效电路 CjC1300 p C2470 p 晶体压控振荡器的缺点是频率控制范围很窄。图453所示电路的频率控制范围仅在晶振的串联谐振频率s与并联谐振频率p之间。 为了增大频率控制范围, 可在晶振支路中增加一个电感。越大, 频率控制范围越大, 但频率稳定度相应下降。 因为增加一个电感与晶振串联或并联, 分别相当于使晶振本身的串联

16、谐振频率s左移或使并联谐振频率p右移, 所以可控频率范围sp增大, 但电抗曲线斜率下降。从图4.5.4中可以很清楚地说明这一点。 图 4.5.4 串联或并联电感扩展晶振频率控制范围的原理 C0CqLq L X 0 XL fp fs sf f (a) B B1 0 BL fs fp pf B2 f (c) Lq Cq C0 L X 0 f s fp pf f (b) 在图4.5.4中, (a)图是串联电感扩展法原理。 其中左图为等效电路, 右图中两条虚曲线是晶振的电抗频率曲线, 一条斜直虚线XL=L表示加入的电感L的电抗特性。由于晶振与L串联, 所以两者的电抗频率曲线相加, 就是扩展后的总电抗频

17、率曲线, 如两条实线所示。fs是扩展后的串联谐振频率。 (b)图是并联电感扩展法原理。左图为等效电路, 右图中两条虚曲线是晶振的电抗频率曲线, 三条实线是扩展后的电抗频率曲线, fp是扩展后的并联谐振频率。由于分析并联关系采用电纳特性更加方便和清楚, 故(c)图给出了(b)图对应的电纳频率曲线。图中两条虚线B 1和B2是晶振的电纳频率曲线, 另一条虚线BL= 表示加入的电感L的电纳特性。 L1 由于晶振与L并联, 所以两者的电纳频率曲线相加, 就是扩展后的总电纳频率曲线, 如两条实线所示。这两条实线变换到(b)图, 即为扩展后的总电抗频率曲线。 图4.5.5是应用串联电感扩展法原理的晶体压控振

18、荡器实用电路。该电路中心频率约20 MHz, 频偏约为10 kHz。 图 4.5.5 晶体压控振荡器 L C10 k 6800 p5 u4.7 k 47 k 2.4 k 3.9 k24 k 62 k 510 p51 p6800 p 1 k 输出UEE 4.6.1差分对管振荡电路 在集成电路振荡器里, 广泛采用如图4.6.1（）所示的差分对管振荡电路, 其中V2管集电极外接的回路调谐在振荡频率上。（）图为其交流等效电路。 (b)图中Ree为恒流源I0的交流等效电阻。可见, 这是一个共集共基反馈电路。由于共集电路与共基电路均为同相放大电路, 且电压增益可调至大于, 根据瞬时极性法判断, 在V1管基

19、极断开, 有ub1ue1(ue2)uc2ub1, 所以是正反馈。在振荡频率点, 并联回路阻抗最大, 正反馈电压uf（u o）最强, 且满足相位稳定条件。 综上所述, 此振荡器电路能正常工作。 4.集成电路振荡器 图 4.6.1 差分对管振荡电路 L CUBB UCCV2 V1 RL oUI0(a) V1 V2 RLCLRee oU iU (b) 4.6.2单片集成振荡器电路 现以常用电路为例介绍集成电路振荡器的组成。 单片集成振荡器是中规模集成电路, 其内部电路图如图4.6.2所示。 采用典型的差分对管振荡电路。该电路由三部分组成：差分对管振荡电路、放大电路和偏置电路。V7、V8、 V 9管与

20、10脚、12脚之间外接回路组成差分对管振荡电路, 其中V9管为可控恒流源。振荡信号由V7管基极取出, 经两级放大电路和一级射随后, 从脚输出。 图4.6.2 单片集成振荡器E1648内部电路图 V8 V7 V5V4R5V9 R6 R7V6V15 R8V10R4V11R3V12R2V13V16R1V14 R17R16 R15 R14 UCC2 R13 R12 R11R9 R10 输出V3 V2 UCC1V1AGCUEE 1 314 5812107 第一级放大电路由V5和V4管组成共射共基级联放大器, 第二级由V3和V2管组成单端输入、单端输出的差分放大器, V1管作射随器。偏置电路由V1014管

21、组成, 其中11与10管分别为两级放大电路提供偏置电压, V1214管为差分对管振荡电路提供偏置电压。V12与13管组成互补稳定电路, 稳定8基极电位。若8基极电位受到干扰而升高, 则有ub8(ub13)uc13(ub12)ue12(ub8), 这一负反馈作用使8基极电位保持恒定。 图4.6.3是利用E1648组成的正弦波振荡器。振荡频率其中Ci6 pF是10、12脚之间的输入电容。E1648的最高振荡频率可达225MHz。E1648有脚与脚两个输出端。由于脚和脚分别是片内V1管的集电极和发射极, 所以脚输出电压的幅度可大于脚的输出。当然, L2C2回路应调谐在振荡频率fg上。 如果10脚与1

22、2脚外接包括变容二极管在内的LC元件, 可以构成压控振荡器。显然, 利用E1648也可以构成晶体振荡器。 )(2 1 11 ig CCLf 图4.6.3 E1648组成的正弦波振荡器 E1648C1L1 0.1 0.1 1 k0.1 5 V RC2L20.1 9 V uo 8910111213141 2 3 4 5 6 7 4.6.3运放振荡器 由运算放大器代替晶体管可以组成运放振荡器, 图4.6.4是电感三点式运放振荡器。 其振荡频率 运放三点式电路的组成原则与晶体管三点式电路的组成原则相似, 即同相输入端与反相输入端、 输出端之间是同性质电抗元件, 反相输入端与输出端之间是异性质电抗元件。

23、 CMLLf )2(2 1210 图4.6.5是晶体运放振荡器, 图中晶体等效为一个电感元件, 可见这是皮尔斯电路。 运放振荡器电路简单, 调整容易, 但工作频率受运放上限截止频率的限制。 图 4.6.4 运放电感三点式振荡电路 Cb M C uoL2L1 图 4.6.5 运放皮尔斯电路 uoC2C1 C3 各种集成放大电路都可以用来组成集成正弦波振荡器, 确定该振荡器振荡频率的LC元件需外接。为了满足振幅起振条件, 集成放大电路的单位增益带宽BWG至少应比振荡频率f0大12倍。为了保证振荡器有足够高的频率稳定度,一般宜取BWf0或BWG(310)f0。集成放大电路的最大输出电压幅度和负载特性

24、也应满足要求。利用晶振可以提高集成正弦波振荡器的频率稳定度。采用单片集成振荡电路如E1648等组成正弦波振荡器则更加方便, 在4.6节中已有介绍。 4.7 实例介绍 用集成宽带放大电路F733和LC网络可以组成频率在120 MHz以内的高频正弦波振荡器, 典型接法如图4.7.1所示。如在脚与回路之间接入晶振(如图中虚线所示), 则可组成晶体振荡器。 用集成宽带(或射频)放大电路组成正弦波振荡器时, LC选频回路应正确接入反馈支路, 其电路组成原则与运放振荡器的组成原则相似。 图4.7.2是松下D型彩色电视机甚高频电调谐高频头中本机振荡器电路, 是由分立元件组成。 图4.7.1 集成正弦波振荡器

25、 LM73320 kR120 kR2 6 V6 V uo2 pC450 pC12 pC23 pC3 L10 141 5 7810 图4.7.2 高频头中的本振电路 R271.2 k 15 pC35 R2956 kR2827 kR26560C3412 pC332200 pC312200 p C36 12 p R3056 k R31 V2L14C3820 pC372200 pR324.7 k C392200 p L15L16C42 V3C20 R3327 k4 5BS BV AFC8 BT7V1 3 p 在高频头中, 本振的作用是产生一个与输入电视图像载频相差一个中频（MHz）的高频正弦波信号。甚

26、高频电视频道范围为频道, 其中频道（频段）图像载频范围为.MHz.MHz, 频道（频段）图像载频范围为. MHz.MHz。 图中开关二极管V1受频段选择的控制。频段时, BS30, , V1反偏截止, 交流等效电路如图4.7.3（）所示。频段时, 0V, , V 1导通, 16被短路(因2200pF电容对高频信号短路), 交流等效电路如图4.7.3（）所示。 V2是变容二极管, 其电容量受调谐电压控制。 改变 V2的电容量, 便可改变本振频率。 由图可知, 这是一个压控西勒电路。由于整个甚高频波段覆盖系数为, 数值较大, 分成和两个频段后, 波段覆盖系数均下降为., 正好在西勒电路的调节范围之

27、内。 图 4.7.3 本振交流等效电路(a) L频段； (b) H频段 L16 L15 C42V3 V2 L14 C38 去混频级 C20 C36 C35 C34 L15 V2 L14 C38 去混频级 C20 C36 C35 C34 (a) (b) 本章介绍了反馈振荡原理和反馈型正弦波振荡器的几种常用电路类型, 要点如下： () 反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的具有选频能力的正反馈系统。 反馈振荡器必须满足起振、平衡和稳定三个条件, 每个条件中应分别讨论其振幅和相位两个方面的要求。在振荡频率点, 环路增益的幅值在起振时必须大于1, 且具有负斜率的增益振幅特性, 这是振幅方面的要求。 在振

28、荡频率点, 环路增益的相位应为2的整数倍, 且具有负斜率的相频特性, 这是相位方面的要求。 4.8 章末小结 () 三点式振荡电路是正弦波振荡器的主要形式, 可分成电容三点式和电感三点式两种基本类型。 频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。 为了提高频率稳定度, 必须采取一系列措施, 包括减小外界因素变化的影响和提高电路抗外界因数变化影响的能力两个方面。克拉泼电路和西勒电路是两种较实用的电容三点式改进型电路, 前者适合于作固定频率振荡器, 后者可作波段振荡器。 (3) 晶体振荡器的频率稳定度很高, 但振荡频率的可调范围很小。泛音晶振可用于产生较高频率振荡, 但需采取措施抑制低次谐波振荡, 保证其只谐振在所需要的工作频率上。采用变容二极管组成的压控振荡器可使振荡频率随外加电压而变化, 这在调频和锁相环路里有很大的用途。 采用串联电感或并联电感的方法可以扩展晶体压控振荡器的振荡频率范围, 但频率稳定度有些下降。 () 集成电路正弦波振荡器电路简单, 调试方便, 但需外加元件组成选频网络。 () 学习本章内容之后, 要能够识别常用正弦波振荡器的类型并判断其能否正常工作。 在明确各种类型振荡器优缺点和适用场合的基础上, 既要掌握实用振荡电路的分析和参数计算,也要学会常用振荡电路的设计和调试。