通信電子線路第四章第1~5節(jié).ppt
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1,第4章正弦波振蕩器,2,4.1概述4.2反饋型正弦波自激振蕩器基本原理4.3三點(diǎn)式LC振蕩器4.4改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題4.6石英晶體諧振器4.7石英晶體振蕩器電路4.8陶瓷振子和陶瓷振子電路4.9單片集成振蕩電路E1648,本章內(nèi)容,3,本章重點(diǎn)與難點(diǎn),(一)本章重點(diǎn)1.振蕩器的種類及應(yīng)用;2.三點(diǎn)式振蕩器;3.改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器,即克拉潑電路和西勒電路;4.振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題;5.壓電效應(yīng),石英晶體諧振器;石英晶體振蕩器電路。(二)本章難點(diǎn)克拉潑電路和西勒電路,4,4.1概述,振蕩器是指在沒(méi)有外加信號(hào)作用下的一種自動(dòng)將直流電源的能量變換為一定波形的交變振蕩能量的裝置。,5,一、正弦波振蕩器的應(yīng)用,1.在信息傳輸系統(tǒng)的各種發(fā)射機(jī)中,就是把主振器(振蕩器)所產(chǎn)生的載波,經(jīng)過(guò)放大、調(diào)制而把信息發(fā)射出去的。,6,一、正弦波振蕩器的應(yīng)用,2.在超外差式的各種接收機(jī)中,是由振蕩器產(chǎn)生一個(gè)“本地振蕩”信號(hào),送入混頻器,才能將高頻信號(hào)變成中頻信號(hào)。,7,3.在研制、調(diào)測(cè)各類電子設(shè)備時(shí),常常需要信號(hào)源和各種測(cè)量?jī)x器,在這些儀器中大多包含有振蕩器。例如高頻信號(hào)發(fā)生器、音頻信號(hào)發(fā)生器、Q表以及各種數(shù)字式測(cè)量?jī)x表等。4.在工業(yè)生產(chǎn)中的高頻加熱、超聲焊接以及電子醫(yī)療器械也都廣泛應(yīng)用振蕩器??梢?jiàn)正弦波振蕩器在電子技術(shù)領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用。,8,1.“反饋式振蕩器”和“負(fù)阻式振蕩器”兩大類:從所采用的分析方法和振蕩器的特性來(lái)看,我們只討論反饋式振蕩器。2.RC振蕩器與LC振蕩器按選頻網(wǎng)絡(luò)(元件組成)來(lái)看3.正弦波振蕩器與非正弦波振蕩器按振蕩器所產(chǎn)生的波形來(lái)看本書(shū)只介紹LC正弦波振蕩器。主要討論正弦波振蕩器的基本原理。將詳細(xì)分析各種正弦波振蕩器的振蕩與穩(wěn)頻原理,并對(duì)幾種典型振蕩電路進(jìn)行分析。,二、振蕩器的種類,9,反饋放大器,振蕩的基本原理,開(kāi)環(huán)增益K(或A):,反饋系數(shù):,閉環(huán)增益:,10,產(chǎn)生正弦波振蕩的條件,,,由放大到振蕩的示意框圖,,當(dāng)K接在1端時(shí),;再將K接到2端,,要維持不變則必須使。,,,,11,事實(shí)上,自激振蕩器并不需要外部Ui激發(fā)。開(kāi)關(guān)始終接在2端。只要接通電源,UO就會(huì)從無(wú)到有,逐漸增大,最后達(dá)到平衡,輸出穩(wěn)定的正弦波。整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)由三個(gè)條件保證:,(1)起振條件,(2)平衡條件,(3)穩(wěn)定條件,12,要實(shí)現(xiàn)正弦波振蕩還有一個(gè)條件:整個(gè)環(huán)路中必須含有選頻網(wǎng)絡(luò)(LC選頻、RC選頻或石英晶體選頻),用來(lái)選出振蕩頻率。,13,起振條件,振幅起振條件:KF>1(使信號(hào)從無(wú)到有逐漸增大),相位起振條件:φK+φF=2nπ(正反饋),14,平衡條件,起振后,為了防止輸出UO無(wú)限制的增大,整個(gè)環(huán)路必須有穩(wěn)幅電路,使輸出穩(wěn)幅振蕩。穩(wěn)幅振蕩的平衡條件:,振幅平衡條件:KF=1(使信號(hào)穩(wěn)幅振蕩),相位平衡條件:φK+φF=2nπ(正反饋),15,平衡的穩(wěn)定性,16,穩(wěn)定條件,,由于振蕩電路內(nèi)部或外部(溫度、UCC等)的干擾,使KF發(fā)生改變,破壞了原有的平衡狀態(tài)。電路本身必須具有自動(dòng)恢復(fù)平衡的能力。鑒于此,除了平衡條件外還必須有穩(wěn)定條件。,振幅穩(wěn)定條件:,相位穩(wěn)定條件:,17,,縱坐標(biāo)為環(huán)路增益KF,18,穩(wěn)幅電路,內(nèi)穩(wěn)幅:,通過(guò)放大器本身的非線性特性實(shí)現(xiàn)。,過(guò)程:KF>1?Ui’↑?放大器進(jìn)入非線性區(qū)間?K↓?KF↓?KF=1,外穩(wěn)幅:,反饋網(wǎng)絡(luò)采取措施,隨著KF的增大,正反饋減弱或負(fù)反饋增強(qiáng),使KF下降最終達(dá)到平衡條件。,19,維持或者說(shuō)維持與同相的條件。方法:如果能實(shí)現(xiàn)ω的變化引起的φΣ變化與外界因素引起的φΣ變化相反,則相位穩(wěn)定平衡就可實(shí)現(xiàn)。以n=0為例,這一過(guò)程可用如下流程關(guān)系表示:,相位的變化率就是角頻率→相位穩(wěn)定條件,20,,21,,判斷電路是否產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟:,(1)是否為正反饋,(2)是否有選頻網(wǎng)絡(luò),且選頻網(wǎng)絡(luò)是否滿足相位條件,(3)是否KF>1,(4)是否有穩(wěn)幅電路,(5)是否滿足穩(wěn)定條件。,22,,判斷下面電路是否能產(chǎn)生正弦波振蕩:,無(wú)選頻網(wǎng)絡(luò),23,,,,,,,,,,判斷下面電路是否能產(chǎn)生正弦波振蕩:,選頻網(wǎng)絡(luò)無(wú)法實(shí)現(xiàn)選頻,,,,,,,,,,,,,,,,,,24,,判斷下面電路是否能產(chǎn)生正弦波振蕩:,可以產(chǎn)生正弦波振蕩,,,,,,,,,,,,,,,25,4.2反饋型正弦波自激振蕩器基本原理,一、從調(diào)諧放大到自激振蕩如果把uo再送回到輸入端,uo的相位和大小同原來(lái)的輸入信號(hào)ui一樣,就成為自激振蕩器了。,,,,,,,26,二、自激振蕩的平衡,1.反饋必須是正反饋即反饋到輸入端的反饋電壓(電流)必須與輸入電壓(電流)同相。其中——總相移,n——整數(shù)。,27,2.反饋必須足夠大如果從輸出端送回到輸入端的信號(hào)太弱,就不會(huì)產(chǎn)生振蕩了,在下圖所示電路中,可以調(diào)整M、L的數(shù)值以及放大量來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。滿足振蕩的幅度平衡條件為:KF=1自激振蕩平衡條件的復(fù)數(shù)表達(dá)式為:,圖4-3互感反饋振蕩器,28,4.3三點(diǎn)式LC振蕩器,一、組成原理LC回路引出三個(gè)端點(diǎn),分別同晶體管的三個(gè)電極相連的振蕩器,稱三點(diǎn)式振蕩器。分為電容三點(diǎn)式和電感三點(diǎn)式。,29,(1)電容三點(diǎn)式,(2)電感三點(diǎn)式,射同集(基)反——與射極相連元件電抗性質(zhì)相同,與集電極、基極相連元件的電抗性質(zhì)相反。該規(guī)律對(duì)于三點(diǎn)式電路有普遍意義。,30,,圖4-9電容三點(diǎn)式振蕩器,31,32,圖4-12電感三點(diǎn)式振蕩器,33,34,二、電容三點(diǎn)式振蕩器,電容反饋三點(diǎn)線路,也叫“考畢茲”振蕩電路。,,圖4-9電容三點(diǎn)式振蕩器,35,1.電路相位平衡條件的判斷,滿足“射同集(基)反”1)與發(fā)射極相連的兩電抗Xce和Xbe性質(zhì)相同;2)Xcb和Xce、Xbe性質(zhì)相反。注:對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器,將發(fā)射極改為源極即可。,,假定在晶體管的b、e間有一輸入信號(hào),當(dāng)振蕩頻率等于LC回路諧振頻率時(shí),與反相,電流滯后于90度。C2上的反饋電壓滯后電流90度,故與同相,滿足相位平衡條件。,,,,,,,,,,37,2.反饋信號(hào)從哪取得?,從C兩端取得,送回放大器輸入端。由于它是利用電容將諧振回路的一部分電壓反饋到基極上,而且也是將LC諧振回路的三個(gè)端點(diǎn)分別與晶體管三個(gè)電極相連,所以這種電路又叫電容反饋三點(diǎn)式振蕩器。,圖4-11圖4-9的等效電路,,,39,3.起振條件,求出放大倍數(shù)K和反饋系數(shù)F,看它們的乘積是否大于1。圖中:RS—晶體管輸出電阻;Co—晶體管輸出電容;Ri—晶體管輸入電阻;Ci—晶體管輸入電容;R0—回路諧振電阻,,40,現(xiàn)把各元件都折合到c-e端,,,,,,41,如果則回路損耗可以忽略,得通??紤]易起振又不致使振蕩波形的非線性失真嚴(yán)重,F(xiàn)都選得較小,大約在0.01~0.5之間,,,,,,,42,4.振蕩器的振蕩頻率f0,其中,43,一、串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)線路(克拉潑電路)二、并聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)線路(西勒電路),4.4改進(jìn)型電容三點(diǎn)式電路,44,LC振蕩器的振蕩頻率不僅與諧振回路的LC元件的值有關(guān),而且還與晶體管的輸入電容以及輸出電容有關(guān)。當(dāng)工作環(huán)境改變或更換管子時(shí),振蕩頻率及其穩(wěn)定性就要受到影響。例如,對(duì)于電容三點(diǎn)式電路,晶體管的電容Co、Ci分別同回路電容C1、C2并聯(lián),振蕩頻率可以近似寫(xiě)成:(4-22),46,如何減小Co、Ci的影響,以提高頻率穩(wěn)定度呢?表面看來(lái),加大回路電容C1與C2的電容量,可以減弱由于Co、Ci的變化對(duì)振蕩頻率的影響。但是這只適用于頻率不太高,C1和C2較大的情況。當(dāng)頻率較高時(shí),過(guò)分地增加C1和C2,必然減小L的值(維持振蕩頻率不變),這就導(dǎo)致回路的Q值下降,振蕩幅度下降,甚至?xí)拐袷幤魍U?。這就有待于改進(jìn)。,47,一、串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)線路(克拉潑電路),48,把基本型的電容反饋三點(diǎn)線路集電極-基極支路的電感改用L-C串聯(lián)回路代替,這正是它的名稱的由來(lái)——串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)線路,又叫“克拉潑”電路。,,,,,,,,,,1.電路特點(diǎn),49,選,時(shí),振蕩頻率可近似寫(xiě)成這就使Co和Ci幾乎與值無(wú)關(guān),它們的變動(dòng)對(duì)振蕩頻率的穩(wěn)定性就沒(méi)有什么影響了,提高了頻率穩(wěn)定度。,,,,,,,,,,(4-23),2.振蕩頻率,50,3.電容C1、C2的選取,成立的條件是C1和C2都要選得比較大。但是不是C1、C2愈大愈好呢?為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,我們從分析回路諧振電阻入手。,,,,,,,,,,,51,折合到晶體管端的電阻式中n——接入系數(shù),也叫分壓比。因?yàn)閯t,,,,,,,,,,,52,諧振電阻可表示為又因,53,4.優(yōu)缺點(diǎn),克拉潑振蕩器雖然可以提高頻率穩(wěn)定度,但存在以下缺點(diǎn):1)C1、C2如過(guò)大,則振蕩幅度就太低。2)當(dāng)減小C來(lái)提高f0時(shí),振蕩幅度顯著下降;當(dāng)C減到一定程度時(shí),可能停振。3)用作頻率可調(diào)的振蕩器時(shí),振蕩幅度隨頻率增加而下降,在波段范圍內(nèi)幅度不平穩(wěn),因此,頻率覆蓋系數(shù)(在頻率可調(diào)的振蕩器中,高端頻率和低端頻率之比稱為頻率覆蓋系數(shù))不大,約為1.2~1.3。,54,二、并聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點(diǎn)線路(西勒電路),55,除了采用兩個(gè)容量較大的C1、C2外,主要是把基本型的電容反饋線路集電極-基極支路改用LC并聯(lián)回路再與C3串聯(lián),所以叫并聯(lián)改進(jìn)型,也叫“西勒”電路。,,,,1.電路特點(diǎn),56,2.諧振頻率,57,3.折合到晶體管輸出端的諧振電阻,,,,求出分壓比n,58,改變C時(shí),n、L、Q都是常數(shù),則僅隨一次方增長(zhǎng),易于起振,振蕩幅度增加,使在波段范圍內(nèi)幅度比較平穩(wěn),頻率覆蓋系數(shù)較大,可達(dá)1.6~1.8。,由上式可知,n和C無(wú)關(guān),當(dāng)調(diào)節(jié)C來(lái)改變振蕩頻率時(shí),n不變。把R折合到c-e端,,59,振蕩器的頻率穩(wěn)定是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。例如:通信系統(tǒng)的頻率不穩(wěn),就會(huì)漏失信號(hào)而聯(lián)系不上;測(cè)量?jī)x器的頻率不穩(wěn),就會(huì)引起較大的測(cè)量誤差;在載波電話中,載波頻率不穩(wěn),將會(huì)引起話音失真。,4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定問(wèn)題,60,振蕩器的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)是用頻率穩(wěn)定度來(lái)衡量的。頻率穩(wěn)定度有兩種表示方法:1.絕對(duì)頻率穩(wěn)定度。它是指在一定條件下實(shí)際振蕩頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率的偏差2.相對(duì)頻率穩(wěn)定度。它是指在一定條件下,絕對(duì)頻率穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的比值常用的是相對(duì)頻率穩(wěn)定度,簡(jiǎn)稱頻率穩(wěn)定度。注:“一定條件”可以指一定的時(shí)間范圍或一定的溫度或電壓變化范圍。,一、振蕩器的頻率穩(wěn)定度,61,例如,在一定時(shí)間范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度可以分為以下幾種情況:短期穩(wěn)定度——一小時(shí)內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度。一般用來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量?jī)x器和通信設(shè)備中主振器的頻率穩(wěn)定指標(biāo);中期穩(wěn)定度——一天內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度;長(zhǎng)期穩(wěn)定度——數(shù)月或一年內(nèi)的相對(duì)頻率穩(wěn)定度。,62,頻率穩(wěn)定度用10的負(fù)幾次方表示,次方絕對(duì)值越大,穩(wěn)定度越高。中波廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)的中期穩(wěn)定度是210-5/日;電視發(fā)射臺(tái)是510-7/日;一般LC振蕩器是10-3~10-4/日;克拉潑和西勒振蕩器是10-4~10-5/日。,63,二、造成頻率不穩(wěn)定的因素,LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定溫度變化和機(jī)械振動(dòng)都會(huì)影響L、C的數(shù)值;晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定溫度變化和電源變化會(huì)影響晶體管的工作點(diǎn)和寄生參數(shù);,64,三、穩(wěn)頻措施,減小溫度的影響穩(wěn)定電源電壓減少負(fù)載的影響晶體管與回路之間的連接采用松耦合。提高回路的品質(zhì)因數(shù)使振蕩頻率接近于回路的諧振頻率屏蔽、遠(yuǎn)離熱源。,65,晶體管輸出電壓對(duì)輸入電壓有一附加相移,所以晶體管總是工作在失諧狀態(tài),也引起了附加相移,于是,相位平衡條件變?yōu)椋?回路品質(zhì)因素對(duì)穩(wěn)定度的影響,相位平衡條件,當(dāng)和由于某種原因發(fā)生變化,為了維持振蕩,必須產(chǎn)生相反的變化,使相位平衡成立,而是LC回路的相移,它的變化必然引起頻率的變化。,66,當(dāng)Q增加時(shí),附近相頻特性斜率的絕對(duì)值加大。,回路品質(zhì)因素對(duì)穩(wěn)定度的影響,LC回路的相移(阻抗角),對(duì)的變化率是:,,67,圖4-19相頻特性曲線,- 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