反馈振荡器课件

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1、LOGO第三章第三章 正弦波谐振器正弦波谐振器光学与电子信息工程学院光学与电子信息工程学院1 1第三章 正弦波谐振器光学与电子信息工程学院1o不需要输入信号控制就能自动将直流能量转换为不需要输入信号控制就能自动将直流能量转换为特定功率和振幅的交变能量的电路。特定功率和振幅的交变能量的电路。2 2不需要输入信号控制就能自动将直流能量转换为特定功率和振幅的交3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o反馈振荡器：决定振荡频率的选频网络+维持振荡的正反馈放大器按照选频网络所采用元件的不同,分 vLC振荡器 -高频正弦波vRC振荡器 -低频正弦波v晶体振荡器 -高频正弦波正反馈放大器既可以由晶体管、

2、场效应管等分立器件组成,也可以由集成电路组成,但前者的性能可以比后者做得好些,且工作频率也可以做得更高。本章介绍高频振荡器时以分立器件为主,介绍低频振荡器时以集成运放为主。3 33.1 反馈振荡器原理反馈振荡器：33.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o反馈振荡器组成反馈振荡器组成q必须满足三个条件：v起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡）v平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）v稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。4 43.1 反馈振荡器原理反馈振荡器组成必须满足三个条件：43.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o起振过程与起振条件起振过程与起振

3、条件起振过程中,直流电源补充的能量大于整个环路消耗的能量振幅起振条件相位起振条件5 53.1 反馈振荡器原理起振过程与起振条件起振过程中,直流3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o平衡过程与平衡条件平衡过程与平衡条件随着振幅的增大,放大器逐渐由放大区进入非线性区,其增益逐渐下降。当放大器增益下降而导致环路增益下降到时,振幅的增长过程将停止,振荡器达到平衡,进入等幅振荡状态。振荡器进入平衡状态以后,直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。满足起振和平衡条件的环路增益特性满足起振和平衡条件的环路增益特性6 63.1 反馈振荡器原理平衡过程与平衡条件满足起振和平衡条件3.1 3.1 反

4、馈振荡器原理反馈振荡器原理o稳定条件：稳定条件：振幅稳定条件相位稳定条件q A为稳定平衡点 B为不稳定平衡点v在稳定平衡点A附近，环路增益T作为输入电压Ui的函数，应具有负斜率7 73.1 反馈振荡器原理稳定条件：A为稳定平衡点在稳定平衡3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理q为了保证相位稳定,要求振荡器的相频特性T()在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力.8 83.1 反馈振荡器原理为了保证相位稳定,要求振荡器的相频3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o反馈振荡电路判断反馈振荡电路判断判断一个反馈振荡电路能否正常工作判断一个反馈振荡电路能否正常工作,需考虑的几点：需考虑的几点：

5、v可变增益放大器件应有正确的直流偏置,开始时应工作在甲类状态,便于起振v起振时,T应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成,反馈系数F小于1,故A必须大于1。共射、共基电路都可以满足v环路应是正反馈v选频网络应具有负斜率的相频特性。在振荡频率点附近,可认为放大器件本身的相频特性为常数,而反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组成,其相频特性也可视为常数。所以相位稳定条件应该由选频网络实现。注意LC并联回路阻抗阻抗的相频特性和LC串联回路导纳导纳的相频特性是负斜率,而LC并联回路导纳的相频特性和LC串联回路阻抗的相频特性是正斜率。9 93.1 反馈振荡器原理反馈振荡电路判断93.2 3.2

6、 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器q 注意耦合电容Cb的作用。如果将Cb短路,则基极将通过变压器次级直流接地,振荡电路不能起振。根据瞬时极性判断法，是正反馈。互感耦合型互感耦合型LC振荡器：振荡器：10103.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器 注意耦合电容Cb的作用1111113.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o三点式振荡电路的原理电路（交流环路）三点式振荡电路的原理电路（交流环路）电容三点式电路（电容三点式电路（Colpitts电路）电路）(a)图图电感三点式电路（电感三点式电路（Hartely电路）电路）(b)图图12123.2 反馈振荡器LC正

7、弦波振荡器三点式振荡电路的原理电路3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o电路组成法则电路组成法则三个电抗元件三个电抗元件X1，X2，X3分别与分别与三极管的发射级、基极和集电极三极管的发射级、基极和集电极相连，相连，如果忽略三极管输入阻抗和输出如果忽略三极管输入阻抗和输出阻抗，且回路品质因数足够高阻抗，且回路品质因数足够高为满足相位条件，为满足相位条件，Vf，VO必须反相必须反相所以，所以，X1，X2同性质电抗，同性质电抗，X3为异性质电抗为异性质电抗13133.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器电路组成法则为满足相位条3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡

8、器正弦波振荡器o三点式振荡器实际电路三点式振荡器实际电路n 起振相位条件：三端式电路保证n 振幅起振条件：受静态工作点影响，与管子参数相关，也与负载，反馈系数相关14143.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器三点式振荡器实际电路 起3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器15153.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器153.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器电感反馈振荡器及其交流等效电路问：负载接在哪？问：负载接在哪？16163.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器电感反馈振荡器及其交流等3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o电容

9、三点式与电感三点式振荡器各有优缺点。线路简单，易起振。线路简单，易起振。电容三点式优点：电容三点式优点：反馈电压取自反馈电压取自2,而电容对高次谐波而电容对高次谐波呈现低阻抗呈现低阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量很小所以反馈电压中高次谐波分量很小,因而因而输出输出波形好波形好,接近于正弦波。接近于正弦波。v缺点：反馈系数因与回路电容有关,如果用改变回路电容的方法来调整振荡频率,必将改变反馈系数,从而影响起振。电感三点式优点：电感三点式优点：便于便于用改变电容的方法来用改变电容的方法来调整振荡频调整振荡频率率,而不会影响反馈系数而不会影响反馈系数v 缺点：反馈电压取自L2,而电感线圈对高次谐波呈

10、现高阻抗,所以反馈电压中高次谐波分量较多,输出波形较差。17173.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器电容三点式与电感三点式振3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器例：如图所示为三回路振荡器的交流回路，例：如图所示为三回路振荡器的交流回路，f01，f02，f03为三个为三个回路的固有谐振频率。写出它们之间能满足相位平衡条件的回路的固有谐振频率。写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下，振荡频率处在什么范围内。两种关系式，并指出两种情况下，振荡频率处在什么范围内。解串联谐振的电抗特性曲线串联谐振的电抗特性曲线并联谐振的电抗特性曲线并联谐振的电抗特性曲线1

11、8183.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器例：如图所示为三回路振荡3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器19193.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器193.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o例：分析各电路能否起振，并讨论满足起振所需例：分析各电路能否起振，并讨论满足起振所需的相位条件，的相位条件，P79例例3.2-120203.2 反馈振荡器LC正弦波振荡器例：分析各电路能否起振，3.3 3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度o影响频率稳定的因素o改善频稳度的措施长期、短期稳定度、瞬时稳定度。p减小外界因素的变化减小外

12、界因素的变化 p提高振荡回路的标准性提高振荡回路的标准性v 选用参数高度稳定的选用参数高度稳定的LC元件元件v 减小不稳定的寄生参量减小不稳定的寄生参量p减少晶体管对振荡频率的影响减少晶体管对振荡频率的影响v 减小与回路之间的耦合减小与回路之间的耦合稳频的主要措施有：21213.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度影响频率稳定的因素长期3.3 3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度o改进型的电容三点式电路：克拉泼（克拉泼（clapp）电路电路osc主要由主要由C3决定。与决定。与C1、C2并联的极间电容并联的极间电容Cce、Cbe、Ccb对对osc的的影响大大减小，振荡器

13、的频率稳定性提高。影响大大减小，振荡器的频率稳定性提高。22223.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度改进型的电容三点式电路3.3 3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度负载减小，放大器的开环增益相应减小，而反馈系数保持不变，则环路增益可能太小，而不能起振。p 克拉拨电路常用做固定频率或窄带的振荡器电路克拉拨电路常用做固定频率或窄带的振荡器电路。晶体管各端之间的接入系数均小于晶体管各端之间的接入系数均小于1。晶体管寄生参量对选频回路的影响大晶体管寄生参量对选频回路的影响大大减小。大减小。C3越小，接入系数越小，越小，接入系数越小，这种影响越小。这种影响越小。随随C3的减

14、小，克拉拨电路的稳定性提高，但起振条件越来越难满足。的减小，克拉拨电路的稳定性提高，但起振条件越来越难满足。23233.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度负载减小，放大器的开环3.3 3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度o西勒振荡器西勒振荡器(Seiler)C4C3振荡器工作频率的改变通过调整振荡器工作频率的改变通过调整C4实现。实现。C4改变改变C3不变，接入系数不不变，接入系数不变，对变，对T影响不大。展宽了振荡器的工作频段，稳定性也得以提高。影响不大。展宽了振荡器的工作频段，稳定性也得以提高。24243.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度西勒振荡器(Seile3.

15、3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器o石英晶振固有频率十分稳定固有频率十分稳定振动具有多谐性振动具有多谐性,即除了基频振动外即除了基频振动外,还有奇次谐还有奇次谐波泛音振动波泛音振动v基频晶体v泛音晶体v通常在工作频率大于通常在工作频率大于6 MHz时采用泛音晶体时采用泛音晶体25253.3 反馈振荡器石英晶体振荡器石英晶振253.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器(a)符号；符号；(b)基频等效电路；基频等效电路；(c)完整等效电路完整等效电路 p频率稳定度高：2)接入系数接入系数n=Cq/(C0+Cq)很小很小,外接元器件参数对石英晶振的影

16、响很小。外接元器件参数对石英晶振的影响很小。o安装电容安装电容C0 约约1pF10pFo动态电感动态电感Lq 约约10-3H102 Ho动态电容动态电容Cq 约约10-4pF10-1pFo动态电阻动态电阻rq 约几十约几十 到几百到几百 石英晶体谐振器石英晶体谐振器26263.3 反馈振荡器石英晶体振荡器(a)符号；(b)3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器石英晶体谐振器石英晶体谐振器基频等效电路基频等效电路石英晶振电石英晶振电抗频率特性抗频率特性 27273.3 反馈振荡器石英晶体振荡器石英晶体谐振器石英晶振电抗3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石

17、英晶体振荡器o并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路（Parallel-Mode Crystal Oscillator）当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时，晶体呈感性，满足电容三点式电路。28283.3 反馈振荡器石英晶体振荡器并联型晶体振荡电路（Par3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器假设泛音晶振为五次泛音,标称频率为5MHz,基频为1MHz,则LC1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样,在5 MHz 频率上,LC1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,LC1回路呈感性,电路不符合组成法则,不能起振。29293

18、.3 反馈振荡器石英晶体振荡器假设泛音晶振为五次泛音,3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器o串联型晶体管振荡电路串联型晶体管振荡电路（Series-Mode Crystal Oscillator）串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路 1.6KC1C3、C2、L构成普通的电容三端式振荡器，构成普通的电容三端式振荡器，晶体接入反馈支路。晶体接入反馈支路。C1C3、C2、L组成并组成并联谐振回路，并调谐与晶体串联谐振频率联谐振回路，并调谐与晶体串联谐振频率fs。石英晶体谐振阻抗最小，相移为石英晶体谐振阻抗最小，相移为0，形成正，形成正反馈，满足幅度和相位条件，产成振荡。反

19、馈，满足幅度和相位条件，产成振荡。30303.3 反馈振荡器石英晶体振荡器串联型晶体管振荡电路（Se3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器31313.3 反馈振荡器石英晶体振荡器31解解3232解323333333.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器oRC振荡器振荡器适用于振荡频率较低采用电阻和电容构成选频反馈网络，其选频特点是靠RC移相来满足相位平衡条件而实现的振荡器。pRC振荡器特点振荡器特点构造简单，经济方便，但频率稳定度较差，RC振荡器的频率范围较低，为几十KHz34343.4 反馈振荡器RC正弦波振荡器RC振荡器RC振荡器特点3.4

20、 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器oRC 移相网络移相网络RC导前移相网络导前移相网络RC串联导前网络频率特性串联导前网络频率特性该电路可实现该电路可实现090之间的相移，不同频率之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率对应不同的相移值。截止频率 c 对应的对应的 相相移移(c)=4535353.4 反馈振荡器RC正弦波振荡器RC 移相网络RC串联导3.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器o采用采用RC导前电路构成的导前电路构成的RC振荡电路如下：振荡电路如下：36363.4 反馈振荡器RC正弦波振荡器采用RC导前电路构成的R3.4 3.4

21、 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器oRC滞后移相网络滞后移相网络RC滞后移相电路RC串联滞后网络频率特性串联滞后网络频率特性该电路可实现该电路可实现090之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率止频率 c 对应的对应的 相移相移(c)=4537373.4 反馈振荡器RC正弦波振荡器RC滞后移相网络RC滞后3.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器oRC选频网络选频网络RC串并联网络RC串并联选频电路这种电路与这种电路与LC谐振电路相比，品质因数谐振电路相比，品质因数很低很低(Q1/3)，带宽很宽，选频特性远，带

22、宽很宽，选频特性远远低于远低于LC选频网络。这是选频网络。这是RC网络共有网络共有的特点，所以利用的特点，所以利用RC网络构成的振荡器网络构成的振荡器波形质量差。波形质量差。38383.4 反馈振荡器RC正弦波振荡器RC选频网络RC串并联选3.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器o串并联串并联RC振荡电路振荡电路集成运放接成同相放大器，RC串并联提供零相移，环路才能满足相位平衡条件：39393.4 反馈振荡器RC正弦波振荡器串并联RC振荡电路集成运3.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器40403.4 反馈振荡器RC正弦波振荡器403.4 3.4

23、 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器例：试根据振荡器得相位条件，判断下图所示例：试根据振荡器得相位条件，判断下图所示 的的RC振荡电路可能产生振荡吗？为什么？振荡电路可能产生振荡吗？为什么？41413.4 反馈振荡器RC正弦波振荡器例：试根据振荡器得相位条3.5 3.5 负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器42423.5 负阻正弦波振荡器42习题习题1）为什么晶体管振荡器大都采用固定偏置与自偏置的混合）为什么晶体管振荡器大都采用固定偏置与自偏置的混合偏置电路？偏置电路？2）以克拉泼振荡器为例说明改进型电容三点式电路为什么）以克拉泼振荡器为例说明改进型电容三点式电路为什么可以提高频率稳

24、定度？可以提高频率稳定度？3）用石英晶体稳频，如何保证振荡一定由石英晶体控制？）用石英晶体稳频，如何保证振荡一定由石英晶体控制？4）判断一个振荡电路能否正常工作，有几个基本考虑点？）判断一个振荡电路能否正常工作，有几个基本考虑点？4343习题1）为什么晶体管振荡器大都采用固定偏置与自偏置的混合偏置习题习题5）利用相位平衡条件的判断准则，判断三点式振荡器交流等效电路，）利用相位平衡条件的判断准则，判断三点式振荡器交流等效电路，哪个是错误的（不可能振荡）？哪个是正确的（可能振荡）？属于哪类哪个是错误的（不可能振荡）？哪个是正确的（可能振荡）？属于哪类振荡电路？有些电路应说明在什么条件下才能振荡？振荡电路？有些电路应说明在什么条件下才能振荡？对场效应管，源极对场效应管，源极S对应发射极，栅极对应发射极，栅极G对应基极，漏极对应基极，漏极D对应集电极对应集电极4444习题5）利用相位平衡条件的判断准则，判断三点式振荡器交流等效