第3部正弦波振荡器

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1、第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器概概述述3.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度3.4晶体振荡器晶体振荡器3.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据寄生振荡、间歇振荡和频率占据 正弦波振荡器的振荡原理（振荡三条件），正弦波振荡器的振荡原理（振荡三条件）， LC三三点式振荡电路的组成原则，三点式振荡电路起振条件的点式振荡电路的组成原则，三点式振荡电路起振条件的工程估算法。工程估算法。 1.1. 基本要求与基本知识点基本要求与基本知识点

2、正弦波振荡器的振荡原理（振荡三条件）及正弦波振荡器的振荡原理（振荡三条件）及LC三点三点式振荡电路的组成原则，三点式振荡电路起振条件的分式振荡电路的组成原则，三点式振荡电路起振条件的分析方法。析方法。2 2掌握的基本理论和方法：掌握的基本理论和方法：概述概述一、一、与功放比较与功放比较( (从能量角度从能量角度) )1功率放大器功率放大器将将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。变能量。特点：被动地，需特点：被动地，需输入信号控制输入信号控制2正弦波振荡器正弦波振荡器( (Sinewave Oscillator) )将直流能量转换为

3、频率和振幅特定的正弦交变能量。将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：特点：自动地自动地，无，无需输入信号控制。需输入信号控制。二、二、正弦波振荡器的应用正弦波振荡器的应用1作信号源作信号源( (本章本章将讨将讨论论) ) 要求：要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。振荡频率和振幅的准确性和稳定性。 2正弦交变能源正弦交变能源( (本章本章不讨论不讨论) )要求：要求：功率足够大功率足够大，高效高效。有源器件特性和振荡原理：反馈振荡器，负阻振荡器有源器件特性和振荡原理：反馈振荡器，负阻振荡器波形：正弦波振荡器；非正弦波振荡器波形：正弦波振荡器；非正弦波振荡器选频网络：选频网络：LC

4、振荡器，晶体振荡器，振荡器，晶体振荡器，RC振荡器振荡器三、分类三、分类2022214jLCLR四、振荡的基本原理四、振荡的基本原理LCR 回路的自由振荡回路的自由振荡R=0 时时，有：有：LCosc10振荡器的振荡频率等于选频回路的中心频率。振荡器的振荡频率等于选频回路的中心频率。获得等幅持续振荡的条件：获得等幅持续振荡的条件：1、引入一个负电阻，以抵消引入一个负电阻，以抵消LC 回路中固有的正电阻；回路中固有的正电阻；2、引入正反馈；引入正反馈；LC 正反馈振荡器必须具备的三个条件：正反馈振荡器必须具备的三个条件： 1、一套振荡回路，包含两个（或两个以上的）异性、一套振荡回路，包含两个（或

5、两个以上的）异性质储能元件。能量在储能元件间交换，每秒钟能量交换质储能元件。能量在储能元件间交换，每秒钟能量交换的次数即为振荡器的振荡频率。该频率值取决于的次数即为振荡器的振荡频率。该频率值取决于LC的值，的值，即该回路决定即该回路决定 f0 ; ;2、一个能量来源，即直流电源；、一个能量来源，即直流电源； 3、一个控制元件（设备），由有源器件和正反馈电路、一个控制元件（设备），由有源器件和正反馈电路组成。组成。1组成组成主网络与反馈网络构成主网络与反馈网络构成闭合环路闭合环路。 图图 3- -1- -1反馈振荡器的组成方框及相应电路反馈振荡器的组成方框及相应电路例：变压器耦合反馈例：变压器耦

6、合反馈振荡器振荡器( (交流通路交流通路) )。3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理2等幅持续振荡的条件等幅持续振荡的条件 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程。的过程。 进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。在相应的平衡值上。 当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。产生突变或停止振荡。闭合环路成为反馈振荡器的闭合环路成为反馈振荡器的三个条件三个条件： 起振条件起振条件接通电源后可从无到有

7、建立起振荡。接通电源后可从无到有建立起振荡。 平衡条件平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。 稳定条件稳定条件平衡状态不因外界不稳定因素的影响平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏。而受到破坏。3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件 1分析分析 刚通电时刚通电时 谐振回路的选频功能谐振回路的选频功能 变压器绕向正确变压器绕向正确2 2起振条件起振条件)(j)(j)(jfofioif kAVVVVVVT ( (1) )振幅起振条件振幅起振条件ifVV ，或或环路增益环路增益1)(osc T( (2) )相位起振条件相位起振条件 T

8、( osc) = A( osc) + f( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) ) 二、二、平衡条件平衡条件1分析分析ifVV 同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一频率若在某一频率 osc 上，上，fV与与iV当当环路闭合环路闭合后：后：osc oV 主网络将输出正弦振荡电压主网络将输出正弦振荡电压 ，角频率为，角频率为 。 所需输入电压所需输入电压 全部由反馈电压全部由反馈电压 提供，无需外提供，无需外加输入电压。加输入电压。 iVfV2平衡条件平衡条件)(joscoscosce )()j ( TTT 由由则：则： 振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模 T( osc

9、) = 1 相位平衡条件：相位平衡条件：环路增益的相角环路增益的相角 T( osc) = 2n (n 0，1，2，) 3讨论讨论反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件： 起振时起振时，T( osc) 1，Vi 迅速增长；迅速增长； 随随后后，T( osc)下降，下降，Vi 的增长速度变慢；的增长速度变慢；图图 3- -1- -2 环 路 增 益 的 相 角环 路 增 益 的 相 角 T( osc) 则必须维持在则必须维持在 2n 上。上。 例例变压器耦合反馈振荡器变压器耦合反馈振荡器 符合符合起振与平衡条起振与平衡条件件对对 T( osc) 的要求。的要

10、求。 到到 T( osc) = 1 时，时，Vi 停止停止增长，振荡器进入平衡状态，在增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振上维持等幅振荡。荡。3.1.2稳定条件稳定条件一、问题的提出一、问题的提出 稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素的稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素的影响受到破坏的条件。影响受到破坏的条件。平衡状态平衡状态稳定平衡状态稳定平衡状态不稳定平衡状态不稳定平衡状态1振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 外部：外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。回路参数的变化。 内部：

11、内部：存在固有噪声存在固有噪声。 均造成均造成 T( osc) 和和 T( osc) 的变化，破坏平衡条件。的变化，破坏平衡条件。2干扰对平衡状态的影响干扰对平衡状态的影响( (两种两种) )通过放大和反馈的反复循环：通过放大和反馈的反复循环： 振荡器离开原平衡状态，导致振荡器离开原平衡状态，导致停振停振或或突变突变到到新的平新的平衡状态衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。原平衡状态是不稳定的，应避免。 振荡器有回到平衡状态的振荡器有回到平衡状态的趋势趋势。当干扰消失后，能。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件

12、1稳定过程稳定过程 ,iAiVV 1)(osc T若若，干扰使：，干扰使：iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 环路特性环路特性 最后在新的最后在新的 上重新满足平衡条件上重新满足平衡条件 T( osc) = 1iAV 最后达到新的平衡。最后达到新的平衡。iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 环路特性环路特性2环路增益存在两个平衡点的情况环路增益存在两个平衡点的情况图图 3- -1- -3分析：分析：若使若使 Vi ViB ，则，则 T( osc) 随之增大，导致随之增大，导致 Vi 进进一步增大，从而更远离一步增大，从而更远离平衡点平衡点 B。最后到达。最后到达平衡点

13、平衡点 A。 iV反之反之，若，若iBiVV )(osc T ，直到停止振荡。直到停止振荡。可见，这种振荡器不满足振幅起可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，振条件，必必须加大的电冲击，产生大须加大的电冲击，产生大于于ViB 的起始扰动电压，的起始扰动电压，才能进入才能进入平衡平衡点点 A，产生持续等幅振荡。，产生持续等幅振荡。硬激励：硬激励：靠外加冲击而产生振荡。靠外加冲击而产生振荡。软激励：软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。接通电源后自动进入稳定平衡状态。3振幅稳定条件振幅稳定条件 要使平衡点稳定，要使平衡点稳定，T( osc) 必须在必须在 ViA 附近具有随附近具有随 Vi 增增大

14、而下降大而下降( (负斜率变化负斜率变化) )的的特性特性，即，即0)(iAiosc VVT 斜率越陡，则斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的的变化而产生的 T( osc) 变化越大，变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。三、相位三、相位( (频率频率) )稳定条件稳定条件1 T( osc) 的偏移对振荡频率的影响的偏移对振荡频率的影响 由由相位平衡条件相位平衡条件 T( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) )，表明每次放大和反，表明每次放大和反馈馈后后的电压与原输入电压同相。的电压与原输入电压同相。 若某种原因使若某种原因使 T( os

15、c) 0 若某种原因使若某种原因使 T( osc) 0( (即即 osc) )，由特性，由特性， T( ) 0， Vi 的超前势必受到的超前势必受到阻止阻止。 若某种原因使若某种原因使 T( osc) 0 ( (即即 0， Vi 滞后滞后必受阻必受阻。0)(oscT 3相位稳定条件相位稳定条件图图 3- -1- -4 4举举例例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。 T( ) 由由两部分组成：两部分组成： ( (1) )放大器输出电压放大器输出电压 对输入电压对输入电压 的相移的相移 A( )iVoV( (2) )反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 对对

16、 的相移的相移 f( )oVfV即即 T( ) = A( ) + f( ) T( ) = A( ) + f( ) A( )放大管放大管( (可略可略) )并联谐振回路相移并联谐振回路相移 Z( ) f( ) ，可认为它与，可认为它与 无关。无关。故故 Z( ) 随随 变化的特性可代表变化的特性可代表 T( ) 随随 变化的特性。变化的特性。( (a) )并联谐振回路并联谐振回路图图 3- -1- -5谐振回路的相频特性曲线谐振回路的相频特性曲线并联谐振回路，其相频特性并联谐振回路，其相频特性e00z)(2arctan)(Q 0 谐振频率谐振频率 Qe 有载品质因数有载品质因数 3.1.3基本组

17、成及其分析方法基本组成及其分析方法 要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、起振、平衡、稳定稳定三项条件三项条件。 1组成组成 可变增益放大器可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。 相移网络相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n 。或：四个环节或：四个环节 稳定环节稳定环节正反馈环节正反馈环节选频环节选频环节放大环节放大环节2种类种类 根据可变增益放大器和相移网络的

18、不同：根据可变增益放大器和相移网络的不同：( (1) )可变增益放大器可变增益放大器 按放大管按放大管 按实现可变增益的方法按实现可变增益的方法内稳幅内稳幅：利用放大管固有的非线性利用放大管固有的非线性 外稳幅外稳幅：放大器线性工作，另外插入非线性环节，共放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。同组成。( (2) )相移网络相移网络具有负斜率变化的相移具有负斜率变化的相移 LC 谐振回路谐振回路 RC 相移和选频网络相移和选频网络 石英晶体谐振器石英晶体谐振器2工程分析方法工程分析方法 首先，首先，检查环路是否包含可变增益放大器和相频特检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变

19、化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。 其次，其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出可用小信号等效电路分析方法导出 T( (j ) )，并由此求出起，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。 最后，最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。