第四章 第1～5节PPT课件

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1、4.1 4.1 概述 4.2 4.2 反馈型正弦波自激振荡器基本原理4.3 4.3 三点式LC振荡器4.4 4.4 改进型电容三点式振荡器4.5 4.5 振荡器的频率稳定问题 4.6 4.6 石英晶体谐振器4.7 4.7 石英晶体振荡器电路 返回总目录本章内容本章内容第1页/共53页本章重点与难点本章重点与难点（一）本章重点（一）本章重点 1. 1. 振荡器的种类及应用；振荡器的种类及应用； 2. 2. 三点式振荡器；三点式振荡器； 3. 3. 改进型电容三点式振荡器，即克拉泼改进型电容三点式振荡器，即克拉泼 电路和西勒电路；电路和西勒电路； 4. 4. 振荡器的频率稳定问题；振荡器的频率稳定

2、问题； 5. 5. 压电效应，石英晶体谐振器；石英晶压电效应，石英晶体谐振器；石英晶 体振荡器电路。体振荡器电路。（二）本章难点（二）本章难点 克拉泼电路和西勒电路克拉泼电路和西勒电路第2页/共53页4.1 4.1 概概 述述 振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。能量的装置。一、振荡器的种类一、振荡器的种类1.1.根据振荡原理分类根据振荡原理分类: : “反馈式振荡器反馈式振荡器”和和“负阻式振荡器负阻式振荡器”两大两大类类; ;第3页/共53页2.2.根据选

3、频网络分类根据选频网络分类: : RC振荡器与振荡器与LC振荡器振荡器3.3.根据振荡器所产生的波形分类根据振荡器所产生的波形分类: : 正弦波振荡器正弦波振荡器与非正弦波振荡器与非正弦波振荡器 本书主要讨论本书主要讨论反馈式反馈式LC正弦波振荡器正弦波振荡器。的基本原理。的基本原理, ,详细分析正弦波振荡器的详细分析正弦波振荡器的振荡与稳频原理，并介绍几种典型振荡电路振荡与稳频原理，并介绍几种典型振荡电路. .二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用第4页/共53页1.1.在发射机中作主振荡器在发射机中作主振荡器第5页/共53页2.2.在接收机中作本地振荡信号在接收机中作本地振荡信号第6

4、页/共53页 3. 3.在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多包含有振荡器。些仪器中大多包含有振荡器。 例如高频信号发生器、音频信号发生器、例如高频信号发生器、音频信号发生器、Q表以及各种数字式测量仪表等。表以及各种数字式测量仪表等。 4.4.在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。荡器。 可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。第7页/共53页4.2

5、4.2 反馈型正弦波自激振荡器基本原反馈型正弦波自激振荡器基本原理理 一、从调谐放大到自激振荡一、从调谐放大到自激振荡 图为调谐放大器电路，图为调谐放大器电路， 输入信号经输入信号经互感互感M1耦合，耦合， 加到晶体管基极和发射极之加到晶体管基极和发射极之 间，以间，以ube 表示，在谐振回路表示，在谐振回路 两端得到已经放大的信号两端得到已经放大的信号uce， 再经过再经过互感互感M2 从线圈次从线圈次 图图4-2 4-2 调谐放调谐放大器大器 级得到输出信号级得到输出信号uo，如果把，如果把uo再送回到输入端，再送回到输入端，uo的相位和大小同原来的输入信号的相位和大小同原来的输入信号ui

6、一样，就成为自一样，就成为自激振荡器了。激振荡器了。 第8页/共53页二、自激振荡的平衡二、自激振荡的平衡1.1.反馈必须是正反馈反馈必须是正反馈 即即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。与输入电压（电流）同相。其中其中 总相移，总相移，n整数。整数。2.2.反馈必须反馈必须足够大足够大 如果从输出端送回到输入端的信号太弱，如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不会产生振荡了，在图就不会产生振荡了，在图4-34-3电路中，可以调整电路中，可以调整M、L的数值以及放大量来实现这一要求。的数值以及放大量来实现这一要求。 360FK n 第9页

7、/共53页满足振荡的幅度平衡条件为：满足振荡的幅度平衡条件为： KF=1自激振荡平衡条件的复数表达式为：自激振荡平衡条件的复数表达式为：1FKK K为放大环节的增益为放大环节的增益,F,F为反馈系数为反馈系数, ,定定义为反馈电压与输出电压之比义为反馈电压与输出电压之比. .第10页/共53页 图图4-3 4-3 互感反馈振荡器互感反馈振荡器 第11页/共53页4.3 4.3 三点式三点式LC振荡器振荡器 一、组成原理一、组成原理 LCLC回路引出三个端点，分别同晶体管的三个电极相连的振荡器，构成三点式振荡器。回路引出三个端点，分别同晶体管的三个电极相连的振荡器，构成三点式振荡器。 有电容三点

8、式和电感三点式。有电容三点式和电感三点式。第12页/共53页（1 1）电容三点式）电容三点式（2 2）电感三点式）电感三点式 射同集（基）反射同集（基）反与射极相连元件电抗与射极相连元件电抗性质相同，与集电极、基极相连元件的电抗性性质相同，与集电极、基极相连元件的电抗性质相反。质相反。该规律对于三点式电路有普遍意义。该规律对于三点式电路有普遍意义。第13页/共53页图图4-9 4-9 电容三点式振荡器电容三点式振荡器第14页/共53页图图4-12 4-12 电感三点式振荡器电感三点式振荡器第15页/共53页假定在晶体管的假定在晶体管的b、e间有一输入信号间有一输入信号 ，当振荡频率等，当振荡频

9、率等于于LC回路谐振频率时，回路谐振频率时， 与与 反相，电感电流反相，电感电流 滞后滞后于于 9090度。度。C2 上的反馈电压滞后电流上的反馈电压滞后电流 9090度，故度，故 与与 同相，满足相位平衡条件。同相，满足相位平衡条件。 beUceUbeUIceUIfUbeU第16页/共53页二、电容三点式振荡器电路分析二、电容三点式振荡器电路分析 电容反馈三点线路，也叫电容反馈三点线路，也叫“考毕兹考毕兹”振荡电振荡电路。路。图图4-9 4-9 电容三点式振荡器电容三点式振荡器第17页/共53页1. 电路相位平衡条件的判断电路相位平衡条件的判断 满足满足“射同集（基）射同集（基）反反”1 1

10、）与发射极相连的两电抗）与发射极相连的两电抗Xce和和Xbe性质相同；性质相同；2 2）Xcb和和Xce 、Xbe性质相反。性质相反。注：对于场效应管振荡器，将发射极改为源极即注：对于场效应管振荡器，将发射极改为源极即可。可。第18页/共53页 从电容从电容C2两端取得两端取得，送回放大器输入端，送回放大器输入端( (发射结上发射结上) )，又因为，又因为LC谐振回路的谐振回路的三个端点分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路叫三个端点分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路叫电容反馈三点式振荡器。电容反馈三点式振荡器。2. 反馈信号从哪取得？反馈信号从哪取得？第19页/共53页图图4-11 4-

11、11 图图4-94-9的等效电路的等效电路第20页/共53页 求出放大倍数求出放大倍数K 和反馈系数和反馈系数F，看它们的看它们的乘乘积是否大于积是否大于1 1。图中：。图中： RS 晶体管输出电阻；晶体管输出电阻； Co 晶体管输出电容；晶体管输出电容； Ri 晶体管输入电阻；晶体管输入电阻； Ci 晶体管输入电容；晶体管输入电容； R0 回路损耗电阻回路损耗电阻i2o1ceebCCCCUUF ,CCC,)(1o1)(2i2CCCCCF21 3. 起振条件起振条件 KF1第21页/共53页 现把各元件都折合到现把各元件都折合到c-ec-e端。端。如果如果 则回路损耗可以忽略，得则回路损耗可以

12、忽略，得通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失真通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失真严严重，重，F F都选得较小，大约在都选得较小，大约在0.010.5之间，之间， iRRK 1i FRRFK FRnRFRS02i11S02RRn FFRR 1Si FRR1ci 120iCCRR i202S111RFRnRR)(212CCCn 第22页/共53页其中其中 012121122fC CLCLCC 2121CCCCCio21i2o1)(1CCCCCCCCL 4. 振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率 f0第23页/共53页 三三. . 电感三点式振荡器电路分析电感三点式振荡器电路分析 图图4.1

13、2(a)4.12(a)所示振荡器电路中，电阻所示振荡器电路中，电阻R RB1B1、R RB2B2、R RE E为基极直流偏置电阻；为基极直流偏置电阻；C CB B、C CC1C1、C CC2C2、C CE E分别分别为耦合电容和旁路、滤波电容，它们对交流均为耦合电容和旁路、滤波电容，它们对交流均可认为短路；可认为短路；L LC C为集电极直流馈电扼流圈，对为集电极直流馈电扼流圈，对交流可认为开路；交流可认为开路；L L1 1、L L2 2、C C为振荡器的选频网为振荡器的选频网络；电感络；电感L L1 1、L L2 2构成反馈网络，反馈电压构成反馈网络，反馈电压 取取自自L L2 2两端。由此

14、可画出该电路的交流等效电路，两端。由此可画出该电路的交流等效电路，如图如图4.12(b)4.12(b)所示。是电感反馈三点式振荡器，所示。是电感反馈三点式振荡器，放大器为共射电路。放大器为共射电路。fU第24页/共53页图4.12 电感三点式振荡器电路(a)L1CC1RERB2CBRB1LC ECCEL2CCC2RLUiUf在fTfg条件下，晶体管极间电容的影响可忽略不计。振荡器的工作频率121()gLL C第25页/共53页图4.12 电感三点式振荡器交流等效电路RBRLcL1L2Cbe(b)(c)RBRLcL1L2CerbebUiUfgmUiI1I2第26页/共53页 L L1 1的匝数为

15、的匝数为N N1 1，L L2 2的匝数为的匝数为N N2 2，在，在L L1 1、L L2 2相互相互独立，不存在互感并且忽略晶体管极间电容和并联电独立，不存在互感并且忽略晶体管极间电容和并联电阻影响的条件下，反馈系数阻影响的条件下，反馈系数2211LNFLN(3.211)证明:12212211,LLUUFIIILjUILjUceffce负号表示负号表示Uf与与Uce反相反相第27页/共53页 电容三点式与电感三点式振荡器电路各电容三点式与电感三点式振荡器电路各有特点。电容三点式振荡器电路由于输出端有特点。电容三点式振荡器电路由于输出端和反馈支路都是电容，对于高次谐波，容抗和反馈支路都是电容

16、，对于高次谐波，容抗小，所以滤除高次谐波的能力强；高次谐波小，所以滤除高次谐波的能力强；高次谐波的反馈电压小，振荡器的波形质量好。由于的反馈电压小，振荡器的波形质量好。由于晶体管极间电容晶体管极间电容C Cbebe、C Ccece均与回路电容均与回路电容C C2 2、C C1 1并联，因此极间电容均可并入回路电容中并联，因此极间电容均可并入回路电容中一起考虑。一起考虑。 第28页/共53页 电感三点式振荡器由于放大器输出和反馈电压电感三点式振荡器由于放大器输出和反馈电压都取自于电感，电感对高次谐波呈现的阻抗大，都取自于电感，电感对高次谐波呈现的阻抗大，所以谐波的反馈电压大，波形失真也大。此外，

17、所以谐波的反馈电压大，波形失真也大。此外，晶体管极间电容晶体管极间电容C Cbebe、C Ccece分别与分别与L L2 2、L L1 1并联。并联。当工作频率较高极间电容的影响不能忽略时，当工作频率较高极间电容的影响不能忽略时，晶体管晶体管c c、e e两极之间外接的是由两极之间外接的是由L L1 1和和C Ccece组成的组成的并联回路，并联回路，b b、e e两极之间外接的是由两极之间外接的是由L2L2、C Cbebe并联组成的回路，振荡器成为多回路电路，如并联组成的回路，振荡器成为多回路电路，如下图下图(C)(C)所示。所示。 第29页/共53页多回路三点式振荡器组成 (a)C1C2C

18、3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)(01)(c)L2L3C2C1L1(01)(02)第30页/共53页一、串联改进型电容反馈三点线路一、串联改进型电容反馈三点线路 （克拉泼电路）（克拉泼电路）二、并联改进型电容反馈三点线路二、并联改进型电容反馈三点线路 （西勒电路）（西勒电路）4.4 改进型电容三点式电路改进型电容三点式电路第31页/共53页 LC振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的不仅与谐振回路的LC元件的值有关，元件的值有关，而且还与晶体管的输而且还与晶体管的输入电容以及输出电容有关。入电容以及输出电容有关。当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要当工作

19、环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响。受到影响。 例如，对于电容三点式电路，晶体管的电容例如，对于电容三点式电路，晶体管的电容Co、Ci 分别同回路电容分别同回路电容C1、C2 并联，振荡频率可以近似并联，振荡频率可以近似写成：写成： io21i2o10)(1CCCCCCCCL (4-22)第32页/共53页CCC1o1(),CCC2i2(),第33页/共53页 如何减小如何减小Co、Ci 的影响，以提高频率稳定度呢？的影响，以提高频率稳定度呢？ 表面看来，加大回路电容表面看来，加大回路电容 C1与与C2 的电容量，的电容量，可以减弱由于可以减弱由于Co、Ci 的变化对振荡频率

20、的影响。的变化对振荡频率的影响。但这只适用于频率不太高，但这只适用于频率不太高，C1 和和C2 较大的情况。较大的情况。 当频率较高时，过分地增加当频率较高时，过分地增加C1 和和C2，必然，必然减小减小L的值（维持振荡频率不变），将导致回路的值（维持振荡频率不变），将导致回路的的Q值下降，值下降，振荡幅度下降，甚至会使振荡器停振荡幅度下降，甚至会使振荡器停振。振。第34页/共53页 一、串联改进型电容反馈三点式一、串联改进型电容反馈三点式 （克拉泼电路）（克拉泼电路）第35页/共53页 把基本型的电容反馈三点线路把基本型的电容反馈三点线路集电极集电极- -基极支路的电感基极支路的电感改用改用

21、L-C串联回路代替串联回路代替，这正是它的名称的由来这正是它的名称的由来串联改进型电容反馈三点线路，又叫串联改进型电容反馈三点线路，又叫“克拉泼克拉泼”电路电路。1. 1. 改进方法改进方法第36页/共53页选选 ， 时时， 振荡频率可近似振荡频率可近似写成写成 这就使这就使Co和和Ci几乎与几乎与 值无关，它们的值无关，它们的变动对振荡频率的稳定性就没有什么影响了，变动对振荡频率的稳定性就没有什么影响了，提高了频率稳定度。提高了频率稳定度。LC10i2o11111CCCCCC CC 1CC 2CC LC100（4-23）2. 2. 振荡频率振荡频率第37页/共53页3. 电容电容C1、C2

22、的选取的选取 成立的条成立的条件件是是C1 和和C2都要选得比较都要选得比较大。大。但是不是但是不是C1、C2愈愈大大愈好呢？愈好呢？ 为了说明这个为了说明这个问题，问题，我们我们从分析回路谐振电从分析回路谐振电阻阻入手。入手。 LC10第38页/共53页 折合到晶体管端的电阻折合到晶体管端的电阻 式中式中 n 接入系数，也叫分压比。接入系数，也叫分压比。 因为因为 则则 RnR2, )(22122CCCCCCCCCnRCCCCCCCCCR222122)(CC 2RCCCRnR212)(第39页/共53页谐振电阻可表示为谐振电阻可表示为又因又因 CC 112011LCCCn2130212400

23、21LCQCLLQRnRLQR0第40页/共53页 克拉泼振荡器虽然克拉泼振荡器虽然可以提高频率稳定度，可以提高频率稳定度，但存但存在以下在以下缺点缺点： 1 1）C1 、C2 如过大，则振荡幅度就太低。如过大，则振荡幅度就太低。 2 2）当减小当减小C 来提高来提高 f0 时，振荡幅度显著时，振荡幅度显著下下降；当降；当C 减到一定程度时，可能停振。减到一定程度时，可能停振。 3 3）用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随）用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率频率增加而下降，在波段范围内幅度不平稳，因此，增加而下降，在波段范围内幅度不平稳，因此，频频率覆盖系数率覆盖系数（在频率可调的振荡器中，

24、高端频率（在频率可调的振荡器中，高端频率和和低端频率之比称为频率覆盖系数）低端频率之比称为频率覆盖系数）不大，约为不大，约为1.21.3 。 4. 优缺点优缺点第41页/共53页二、并联改进型电容反馈三点线路二、并联改进型电容反馈三点线路（西勒电路）（西勒电路）第42页/共53页 除了除了采用两个容量较大的采用两个容量较大的C1、C2外，主要是外，主要是把基本型的电容反馈线路把基本型的电容反馈线路集电极集电极- -基极支路基极支路改用改用LC并联回路再与并联回路再与C3串联，串联，所以叫并联改进型，也叫所以叫并联改进型，也叫“西勒西勒”电路。电路。1. 1. 电路特点电路特点第43页/共53页

25、 012 LC3i2o11111CCCCCCC 2. 2. 谐振频率谐振频率第44页/共53页3. 折合到晶体管输出端的谐振电阻折合到晶体管输出端的谐振电阻RnR2求出分压比求出分压比 n )()(1 1)(1 1)(2323123231232312323iioCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCn第45页/共53页 改变改变 C 时，时，n 、L、Q 都是常数，则都是常数，则 仅仅随随 一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，使使在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大，可达可达1.61.61.81.8。 另

26、外，另外，西勒电路频率定性好，振荡频率可以西勒电路频率定性好，振荡频率可以较高。较高。因此，在短波、超短波通信机，电视接收因此，在短波、超短波通信机，电视接收机等高频设备中得到广泛的应用。机等高频设备中得到广泛的应用。R0 由上式可知，由上式可知，n 和和 C 无关，无关，当调节当调节C 来改变振来改变振荡频率时，荡频率时，n 不变。不变。 把把 R 折合到折合到 c-e 端，端，LnQRnR02第46页/共53页 振荡器的频率稳定是一个十分重要的问题。例如振荡器的频率稳定是一个十分重要的问题。例如: : 通信系统的频率不稳，就会漏失信号而联系不上；通信系统的频率不稳，就会漏失信号而联系不上；

27、 测量仪器的频率不稳，就会引起较大的测量误差；测量仪器的频率不稳，就会引起较大的测量误差； 在载波电话中，载波频率不稳，将会引起话音失真。在载波电话中，载波频率不稳，将会引起话音失真。4.5 4.5 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题第47页/共53页 振荡器的频率稳定性是用频率稳定度指标来衡量的。频率稳定度有两种表示振荡器的频率稳定性是用频率稳定度指标来衡量的。频率稳定度有两种表示方法：方法：1.1.绝对频率稳定度绝对频率稳定度。它是指在。它是指在一定条件一定条件下实际振荡频率与标准频率的偏差下实际振荡频率与标准频率的偏差2.2.相对频率稳定度相对频率稳定度。它是指在一定条件下，绝对频

28、率稳定度与标准频率之间的比值。它是指在一定条件下，绝对频率稳定度与标准频率之间的比值 常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度。常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度。 注：注： “一定条件一定条件”指指一定的时间范围或一定的温一定的时间范围或一定的温度或电压变化范围。度或电压变化范围。0fff000fffff一、振荡器的频率稳定度一、振荡器的频率稳定度第48页/共53页 例如，在例如，在一定时间范围内一定时间范围内的频率稳定度可以分为以下几种情况：的频率稳定度可以分为以下几种情况： 短期稳定度短期稳定度一小时内的相对频率稳定度。一般用来评价测量仪器和通信设备一小时内的相对频率稳定度。一般用来评

29、价测量仪器和通信设备中主振器的频率稳定指标；中主振器的频率稳定指标； 中期稳定度中期稳定度一天内的相对频率稳定度；一天内的相对频率稳定度； 长期稳定度长期稳定度数月或一年内的相对频率稳定度。数月或一年内的相对频率稳定度。 第49页/共53页 频率稳定度用频率稳定度用1010的负几次方表示，的负几次方表示，次方绝对值越大，稳定度越高。次方绝对值越大，稳定度越高。 中波广播电台发射机的中期稳定度是中波广播电台发射机的中期稳定度是2 21010-5-5/ /日；日； 电视发射台是电视发射台是5 51010-7-7/ /日；日； 一般一般LC振荡器是振荡器是1010-3-31010-4-4/ /日；日； 克拉泼和西勒振荡器是克拉泼和西勒振荡器是1010-4-41010-5-5/ /日。日。第50页/共53页二、稳频措施二、稳频措施减小温度的影响减小温度的影响稳定电源电压稳定电源电压减少负载的影响减少负载的影响晶体管与回路之间的连接采用松耦合。晶体管与回路之间的连接采用松耦合。提高回路的品质因数提高回路的品质因数使振荡频率接近于回路的谐振频率使振荡频率接近于回路的谐振频率屏蔽、远离热源。屏蔽、远离热源。第51页/共53页图图4-19 4-19 相频特性曲线相频特性曲线第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页