第4章正弦波振荡器.ppt
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1、第4章 正弦波振荡器,本章知识架构:,本章教学目标与要求:,了解振荡器的重要性 熟悉振荡器的起振、平衡和稳定原理 掌握三段式振荡电路的原理 掌握判断三段式电路是否能产生振荡器信号的方法 了解石英晶体振荡器的原理 掌握振荡电路的仿真方法,4.1 概述,本章将主要讨论电振荡信号的产生。不需要外加激励,自己就可以将直流能量转换为一定频率和一定幅度的交流信号输出的现象叫自激振荡。而能产生自激振荡的电路称为振荡器(oscillator),或自激振荡器。振荡器在现代科学技术领域中有着广泛地应用。例如:无线电发射机中的载波信号源,超外差接收机中的本地振荡信号源,在电子测量和自动控制系统中用来产生各种频段的正
2、弦波信号等。它的任务是提供一定的频率、一定输出电平且有响应的频率稳定度和振幅稳定度的正弦波信号。,振荡器按输出波形的不同可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器(如方波,三角波,锯齿波等。)按维持自激振荡的原理划分,自激振荡器可以分为反馈型和负阻型两种。本章仅讨论反馈型正弦波自激振荡器。根据电路的组成不同,可分成RC振荡器、LC振荡器和石英晶体振荡器。图4.1和图4.2所示为两种振荡器模块。,图4.1 超高频晶体振荡器,图4.2 温度补偿晶体振荡器,反馈式振荡器是振荡回路通过正反馈网络与有源器件连接构成的振荡电路,建立在放大和反馈基础上的振荡器,由放大器和反馈网络组成。反馈式振荡器的原理方框图如图4
3、.1所示。,4.2 反馈型振荡器工作过程分析,图4.3 反馈式振荡器的原理方框图,由图4.3可知,当开关S处在位置2时,在放大器输入端外加的输入信号Ui为一定频率和幅度的正弦波,此信号经放大器放大后产生输出信号Uo,而Uo又作为反馈网络的输入信号,在反馈网络输出端产生输出反馈信号Uf。若Uf和Ui不仅大小相等,而且相位也相同,假如这时除去外加信号并将开关S接到1端,即用Uf取代Ui,由放大器和反馈网络组成一闭环系统。这时,在没有外加输入信号的情况下,输出端仍可维持一定频率和幅度的信号Uo输出,从而实现了自激振荡。如果要使自激振荡器输出某一制定频率的正弦波,也就是说自激振荡只能在某一频率上产生,
4、而在其他频率上不能产生,则在图4.3所示的框图中尚需加入选频网络。选频网络可以由RC元件构成,也可由LC元件组成。RC振荡器用来产生1Hz至几兆Hz范围内的低频信号,LC振荡器一般用来产生几Mhz的高频信号。由此可见,反馈式正弦波振荡器应包括放大器、反馈网络和选频网络三个部分。,4.2.1 平衡状态,平衡条件是指在振荡建立后,为了维持自激振荡幅度和相位必须满足的关系,它包括振幅平衡条件和相位平衡条件。在图4.3中,当开关S由2端转接到1端,且反馈电压Uf等于放大器输入电压Ui时,振荡器就能维持等幅振荡,并有一个稳定的电压输出,我们称电路此时的状态为平衡状态,Uf=Ui称为电路振荡的平衡条件。由
5、图4.3可知,,(4-1),(4-2),则(4-3)所以,电路振荡的平衡条件又可写成(4-4)根据上式可以得到自激振荡的两个基本条件:相位平衡条件:(4-5)振幅平衡条件:(4-6),其中,A与F 分别是A(jw)和F(jw)的相位,A与F分别是A(jw)和F(jw)的幅值。要使反馈式振荡器输出一个具有稳定幅值和固定频率的交流电压,相位平衡条件和振幅平衡条件一定要同时得到满足。,4.2.2 起振状态,平衡条件只是维持振荡的条件,是对振荡器已经进入稳态振荡而言的。那振荡器是如何起振的呢?当振荡电路刚接通时,电路中各处的电流和电压都会发生一个突变,由于这种扰动的不规则性,它包含着频率范围很宽的频率
6、成分。经过振荡器选频网络选频后,只将其中某一频率的信号反馈到放大器的输入端,而其他频率的信号将被抑制。经过放大、选频和反馈的多次循环,某一频率信号的幅度将不断增大,即振荡由小到大建立起来。当放大器进入非线性工作区时,放大器增益随之下降,最后反馈电压等于原输入电压时,振荡幅度不再增大从而进入平衡状态。,如图4.4所示,分别为基本放大器A和反馈网络1/F的曲线,如果设开启电源后产生扰动电压,可见起振初期是一个增幅的振荡过程,图4.4 振荡器的特性曲线,因此起振的条件是,起振时反馈电压Uf和输入电压Ui在相位上同相,幅度上UfUi即(4-7)(4-8)因此,为了使振荡器能产生自激振荡,开始振荡时,在
7、满足正反馈条件的前提下。必须满足AF1的条件。起振后,振荡幅度迅速增大,使晶体管工作进入到非线性区,以致放大器的增益A下降,直至AF=1,达到稳幅振荡。,4.2.3 稳定状态及稳定度,振荡器在工作时,不可避免地会受到干扰和噪声的影响,偏离原来的平衡状态。如果在干扰消失后,振荡器仍能恢复到原来的平衡状态,则称这个平衡状态为稳定平衡状态,称振荡器是稳定的。振荡器的平衡稳定条件包括振幅平衡稳定条件和相位平衡稳定条件。为了产生持续的等幅振荡,反馈型正弦波振荡器中,放大器的增益或反馈网络的反馈系数应该能根据输入信号的变化进行自动调节。若干扰使反馈电压增大时,放大器的增益可以自动减小,以保持输出电压幅度稳
8、定;反之,则放大器的增益自动提高,可使振荡器输出电压的振幅处于稳定状态。振荡器的振幅稳定条件用数学式表示为:,(4-9)U0为输出电压的振幅。振荡器能否稳定工作,除需满足振幅稳定条件外,还需满足相位稳定条件。相位平衡的稳定条件是指相位遭到破坏后,电路本身能重新建立起相位平衡的条件。要使相位稳定,振荡电路必须能够在振荡频率发生变化时,产生一个新的、相反方向的相位变化,用以抵消由外因引起的相位变化,即相位对频率的变化率为负值。所以相位平衡稳定条件是:(4-10),4.3 三端式反馈型LC振荡器的构成原则,三端式振荡器是一种广泛应用的LC振荡器,它的基本结构如图4.5所示。,图4.5 三端式振荡器的
9、基本结构,三端式振荡器由Xbe,Xce,Xcb三个电抗元件组成并联谐振回路,此回路决定了振荡频率,也构成了正反馈所需的反馈网络。因为三个端分别与晶体管的三个电极相连接,故称三端式振荡器。要使电路产生自激振荡,首先应满足相位平衡条件,即正反馈。对于三个电抗元件组成的回路,当回路元件的电阻很小时,可以忽略其影响,同时也忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗的影响,则电路要振荡必须满足条件:,(4-11)图中,令回路电流为I,忽略电抗元件损耗及晶体管参数的影响,则Vf=jIXbe,Vo=-jIXce,可见为使Vf和Vo反相,必须要求Xbe和Xce为性质相同的电抗元件,即同为感性或同为容性。,因此,可以得出三
10、端式振荡器的组成原则是:Xbe和Xce的电抗性质相同,Xcb与Xce(或者Xbe)的电抗性质相反,由于Xbe和Xce均与晶体管发射极相连,此原则可简称为“射同余异”。根据反馈元件的不同,三端式振荡器可分为电容三端式和电感三端式两种,其电路的基本形式分别如图4.6所示。,(a)电容三端式,(b)电感三端式,图4.6 三端式振荡电路的基本形式,4.4 LC正弦波振荡器电路,反馈型LC正弦波振荡器按反馈电路的形式划分,有三种基本形式,即电感反馈型、电容反馈型和变压器耦合反馈型。,4.4.1 电感反馈振荡器,电感三点式的构成法则是三极管的发射极接两个性质相同的感性元件(或感性支路),而集电极与基极间则
11、接不同性质的电抗元件。电感分压反馈型振荡器又称哈特莱(Hartley)振荡器,其电路如图4.7所示。,图4.7电感反馈振荡器,电路特点是电感线圈有中间抽头,使LC回路有三个端点,并分别接到晶体管的三个电极上(交流电路)。图中,L1、L2和C组成谐振回路,作为集电极交流负载;Rb1、Rb2和Re组成分压式偏置电路;C1、C2为隔直电容;Ce为旁路电容。,首先利用“瞬时极性法”来判断图4.4的电路是否满足相位平衡条件。所谓瞬时极性法,即假设放大电路中的输入电压处于某一瞬时极性(正半周为正,负半周为负),沿放大电路通过反馈网络再回到输入回路。依次定出电路中各点电位的瞬时极性。如果反馈信号与原假定的输
12、入信号瞬时极性相同,则表明为正反馈,否则为负反馈。这就是瞬时极性法简称瞬时极性法。设输入信号在基极的瞬时极性为正,在共射放大器中,集电极输出信号在同一瞬间的瞬时极性为负。此信号经过电抗元件L1、L2和C构成的振荡回路,在L1上端的瞬时极性和集电极上的一样,也为负,则L2下端的瞬时极性就为正。反馈信号和输入信号的瞬时极性符号相同,因此满足相位平衡条件。,振荡的幅值条件可以通过调整放大电路的放大倍数和L2上的反馈量来满足,因此该电路可以起振。该电路的振荡频率基本上是由LC并联谐振回路决定的,如下式所示。(4-12)此电路的特点是:容易起振,且震荡幅度较大;可以通过调节电容大小来方便地调节振荡频率。
13、但是由于反馈电压取自L2两端,电感感抗随频率的增高而加大,有可能形成高频振荡,从而使输出波形中含有高次谐波分量,输出波形变差。,4.4.2 电容反馈振荡器,电容三点式构成法则是三极管的发射极接两个性质相同的容性元件(或容性支路),而集电极与基极则接不同性质的电抗元件。电容分压反馈型振荡器又称考毕兹(Colpitts)振荡器,其电路如图4.8所示。电容C1、C2与电感L组成选频网络,该网络的端点分别与三极管的三个电极或与运放输入、输出端相连接。,图4.8 电容反馈振荡器,图4.8 电容反馈振荡器,图4.8 电容反馈振荡器,依然利用“瞬时极性法”来判断电路是否满足相位平衡条件。社输入信号在基极的瞬
14、时极性为正,在共射放大器中,集电极输出信号在同一瞬间的瞬时极性为负。此信号经过振荡回路后,在C1上端的瞬时极性也为负,在C2下端的瞬时极性应为正,因此满足相位平衡条件。幅值条件如前所述,其振荡频率为,(4-13)特点:电容三点式振荡器由于反馈信号取自C2,对高次谐波的阻抗很小,所以反馈信号中高次谐波分量小,振荡输出波形好。另外当C1和C2容量选的较小时,振荡频率可以较高。由于电容的改变将直接影响反馈信号的大小,会改变电路的起振条件,容易停振,故频率的调节范围较小且不方便。,4.4.3 改进型电容反馈振荡器,前面介绍的LC振荡器,其频率稳定度有时还达不到我们的要求。改进型电容三点式振荡器减弱了晶
15、体管与谐振回路的耦合,所以其频率稳定度可达10-5-10-4数量级。包括克拉泼(Clapp)振荡器和西勒(Seiler)振荡器两种类型。克拉泼振荡器如图4.9所示。,图4.9 克拉泼振荡器及其交流等效电路,该电路的特点是在电感支路中串接一个容量较小的电容C3。其交流通路如图4.9(b)所示。在满足C3C1、C3C2时,回路总电容C主要取决于C3,回路总电容C为(4-14)所以 CC3因此该振荡电路的振荡频率为(4-15),由此可见,振荡频率主要由C3和L决定,即C1和C2对频率的影响大大减小。这时C1和C2的大小主要用来决定反馈系数的数值。即C1、C2构成正反馈,它们的容量相对来说可以取得较大
16、,从而减小与之相并联的晶体管输入电容、输出电容的影响,提高了频率的稳定度。分析可知,克拉泼振荡器的频率覆盖系数(即高端频率与低端频率之比)不可能做得很高,一般约为1.21.3。因此,该振荡器主要适用于产生固定频率的场合。为了克服克拉泼振荡器的缺点,可采用西勒振荡器。西勒振荡器原理图如图4.10所示。,图4.10 西勒振荡器及其交流通路,西勒振荡器与克拉泼振荡器相比,仅在电感L上并接了一个可调电容C4,用来调整振荡频率,而C3采用固定的电容。通常情况下,C1和C2都远大于C3,所以其振荡频率近似为,(4-16),提示:以上所有振荡器的最初的交流信号源均为直流电源闭合瞬间所产生的扰动信号,此脉冲信
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