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第四章正弦波振蕩器,高頻正弦波振蕩器在通信系統(tǒng)中起何作用？,反饋型正弦波振蕩器如何構(gòu)成？它的工作應(yīng)滿足什么條件？,如何識(shí)別常用正弦波振蕩器類型并判斷能否正常工作？,頻率穩(wěn)定度與哪些因素有關(guān)？如何提高頻率穩(wěn)定度？,為什么晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度很高？它如何構(gòu)成？,振蕩器,振蕩器沒(méi)有外加激勵(lì)信號(hào)，而自動(dòng)地將直流電源產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流信號(hào)。振蕩器一般由晶體管等有源器件和具有選頻能力的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)所組成。,放大器,輸入為外加激勵(lì)信號(hào)，直流能量轉(zhuǎn)換為按信號(hào)規(guī)律變化的交流能量的電路。,,,,,4.1反饋振蕩器的振蕩條件分析,4.1.1反饋振蕩器振蕩的基本原理,反饋振蕩器的原理框圖如圖4.1所示。反饋振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)所組成的一個(gè)閉環(huán)環(huán)路，其中反饋網(wǎng)絡(luò)由無(wú)源器件組成。,圖4.1反饋振蕩器的原理框圖,4.1.2振蕩器的起振條件和平衡條件,在圖4.1所示的電路中，在“”處斷開，定義環(huán)路的閉環(huán)增益為,1．起振條件,振幅起振條件,相位起振條件,在起振的開始階段，振蕩的幅度還很小，電路尚未進(jìn)入非線性區(qū)，振蕩器可以作為線性電路來(lái)處理，即可用小信號(hào)電路等效模型分析起振條件。,2．平衡條件,振幅平衡條件,相位平衡條件,圖4.2滿足起振與平衡條件的環(huán)路增益特性,4.1.3振蕩平衡的穩(wěn)定條件,1．振幅穩(wěn)定條件,2．相位穩(wěn)定條件,圖4.3滿足相位穩(wěn)定條件的回路的相頻特性,,相位穩(wěn)定條件,4.1.4反饋振蕩器的判斷,1、振幅條件,放大器件一般都滿足圖4.2所示的平衡與穩(wěn)定的振幅條件，僅需對(duì)起振的振幅條件進(jìn)行討論。,(1)在起振時(shí)，放大器應(yīng)具有正確的直流偏置，開始時(shí)應(yīng)工作在甲類狀態(tài)。,(2)開始起振時(shí)，環(huán)路增益T應(yīng)大于1；由于反饋網(wǎng)絡(luò)F是一個(gè)常數(shù)，且小于1，因此要求放大器的增益A大于1/F；對(duì)于共射或者共基組態(tài)的放大器，負(fù)載設(shè)計(jì)合理，可以滿足這一要求。,(1)對(duì)于放大器的起振與平衡的相位條件，都是要求環(huán)路是正反饋。,2．相位條件,(2)對(duì)于平衡的穩(wěn)定條件，要求環(huán)路應(yīng)具有負(fù)斜率的相頻特性曲線。,相位平衡的穩(wěn)定狀態(tài)負(fù)斜率的相頻特性取決于選頻網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗特性以及LC串聯(lián)諧振回路的導(dǎo)納特性都具有負(fù)斜率的相頻特性，而對(duì)于LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)納特性以及LC串聯(lián)諧振回路的阻抗特性都具有正斜率的相頻特性。,相位條件的判別:,?起振和平衡時(shí)的相位條件是相同的。?相位條件是振蕩器正常工作的必要條件。?瞬時(shí)極性判定方法：(1)將環(huán)路斷開，引入Vi(2)觀察Vf的瞬時(shí)極性,當(dāng)Vf與Vi瞬時(shí)極性一致，即滿足相位條件，反之則不滿足。,【例4.1】圖4.4所示為一LC振蕩器的實(shí)際電路，圖中反饋網(wǎng)絡(luò)是由電感L和L1之間的互感M來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱之為L(zhǎng)C互感耦合振蕩器，其中電容Cb為耦合電容，電容Ce為高頻旁路電容，都為大電容。畫出交流等效電路，分析該電路滿足正反饋時(shí)其同名端的位置。,圖4.4例4.1圖,根據(jù)瞬時(shí)極性法，當(dāng)電路滿足正反饋時(shí)，其同名端如圖4.4(b)所示。,頻率穩(wěn)定度在數(shù)量上通常用頻率偏差來(lái)表示。頻率偏差是指振蕩器的實(shí)際頻率和標(biāo)稱頻率之間的偏差。它可分為絕對(duì)偏差和相對(duì)偏差。設(shè)f0是標(biāo)稱頻率，f是實(shí)際工作頻率，則定義絕對(duì)頻率偏差為：,4.1.5頻率穩(wěn)定度,1、頻率穩(wěn)定度的定義,,相對(duì)頻率偏差為：,測(cè)量時(shí)，要取多次測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值。,長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以上以致幾個(gè)月的時(shí)間間隔內(nèi)的相對(duì)變化，其主要取決于元器件的老化特性。,短期頻率穩(wěn)定度：一般指一天以內(nèi)，以小時(shí)、分鐘或秒計(jì)的時(shí)間間隔內(nèi)頻率的相對(duì)變化。其主要取決于電源電壓、環(huán)境溫度的變化等。,瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度：一般指秒或毫秒時(shí)間間隔內(nèi)的頻率相對(duì)變化，這種頻率變化一般都具有隨機(jī)性質(zhì)。其主要取決于元器件的內(nèi)部噪聲。,中波廣播電臺(tái)發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為,電視發(fā)射機(jī)的頻率穩(wěn)定度為,普通信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為~,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度為~,2.提高頻率穩(wěn)定度的措施,1)減小外界因素變化的影響,采用高穩(wěn)定度直流穩(wěn)壓電源以減少電源電壓的變化；采用恒溫或者溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ缘窒麥囟鹊淖兓?；采用金屬罩屏蔽的的方式減小外界電磁場(chǎng)的影響；采用密封、抽空等方式以削弱大氣壓力和濕度變化的影響等。,2)提高回路的標(biāo)準(zhǔn)性,諧振回路在外界因素變化時(shí)保持其諧振頻率不變的能力稱為諧振回路的標(biāo)準(zhǔn)性，回路的標(biāo)準(zhǔn)性越高，頻率穩(wěn)定度越好?；芈返钠焚|(zhì)因數(shù)Q值越大，則回路的相頻特性曲線在諧振點(diǎn)的變化率越大，其相位越穩(wěn)定，從相位與頻率的關(guān)系可得，此時(shí)的穩(wěn)頻效果越好，因此需選擇高Q值的回路元件。,4.2LC三點(diǎn)式正弦波振蕩器,以LC諧振回路為選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋振蕩器稱為L(zhǎng)C正弦波振蕩器，常用的電路有互感耦合振蕩器和三點(diǎn)式振蕩器。互感耦合振蕩器是以互感耦合方式實(shí)現(xiàn)正反饋，其振蕩頻率穩(wěn)定度不高，且由于互感耦合元件分布電容的存在，限制了其振蕩頻率的提高，只適合于較低頻段。三點(diǎn)式振蕩器是指LC回路的三個(gè)電抗元件與晶體管的三個(gè)電極組成的一種振蕩器，使諧振回路既是晶體管的集電極負(fù)載，又是正反饋選頻網(wǎng)絡(luò)，其工作頻率可達(dá)到幾百兆赫茲，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。,4.2.1三點(diǎn)式振蕩器的電路組成法則,,三個(gè)電抗元件不能同時(shí)為感抗或容抗，必須由兩種不同性質(zhì)的電抗元件組成。,圖4.5三點(diǎn)式電路結(jié)構(gòu),要產(chǎn)生振蕩，電路應(yīng)滿足相位平衡條件，即電路構(gòu)成正反饋，此時(shí)LC回路中三個(gè)電抗元件的性質(zhì)應(yīng)滿足一定的條件。為了便于分析，這里略去晶體管的電抗效應(yīng)。設(shè)LC回路由三個(gè)純電抗元件構(gòu)成，其電抗值分別為Xbe、Xce和Xbc，當(dāng)回路諧振時(shí)，回路等效阻抗為純電阻，則,為便于說(shuō)明，忽略電抗元件的損耗及管子輸入、輸出阻抗的影響。,通常Q值很高，故回路諧振電流遠(yuǎn)大于b、c、e極電流,為了便于記憶，可將上述規(guī)則簡(jiǎn)單的記為“射同它異”。,三點(diǎn)式振蕩器有兩種基本的電路形式：與發(fā)射極相連同為電容的，稱為電容三點(diǎn)式振蕩器，也稱考必茲(Colpitts)振蕩器，如圖4.6(a)所示；與發(fā)射極相連同為電感的，稱為電感三點(diǎn)式振蕩器，也稱哈特萊(Hartley)振蕩器，如圖4.6(b)所示。,(a),(b),圖4.6三點(diǎn)式振蕩器的兩種基本形式,【例4.2】在圖4.7所示電路中，兩個(gè)LC并聯(lián)回路的諧振頻率分別是和，求振蕩頻率f0與f1、f2的關(guān)系。,,圖4.7例4.2圖,解：要使電路能夠正常振蕩，需滿足三點(diǎn)式電路的組成原則。而根據(jù)圖4.7，由于連接基極與集電極的為電容，故電路只能組成電感三點(diǎn)式振蕩器，即L1C1、L2C2回路應(yīng)呈感性。由于LC并聯(lián)回路諧振頻率f1、f2大于工作頻率f0時(shí)，回路呈感性，即應(yīng)滿足：,,4.2.2電容三點(diǎn)式振蕩器,圖4.8電容三點(diǎn)式振蕩器,圖4.8(b),一般來(lái)講，高頻旁路電容與耦合電容都比回路電容大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，對(duì)于高頻電路來(lái)講，可視為短路；高頻扼流圈LC比回路電感大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，對(duì)于高頻電路來(lái)講，可視為斷路。由于Rb1//Rb2比晶體管的輸入電阻大很多，這里作為斷路處理。4.8(b)是其交流等效電路。,下面分析該電路的起振條件。由于起振時(shí)晶體管工作在小信號(hào)線性放大區(qū)，因此可用Y參數(shù)等效電路，下圖是高頻小信號(hào)等效電路。,在圖中，忽略Yre、Cie、Coe，忽略晶體管正向傳輸導(dǎo)納的相移，用跨導(dǎo)gm表示。gp表示除晶體管外的電路中所有電導(dǎo)折算到ce兩端的總電導(dǎo)。,反饋系數(shù)：,將gie折算到ce端，有,因此放大器總的負(fù)載電導(dǎo)為,環(huán)路諧振時(shí)的增益為,振蕩器的振幅起振條件為,為了使電容三點(diǎn)式振蕩器易于起振，應(yīng)選擇跨導(dǎo)gm大、輸入輸出電阻大的晶體管；反饋系數(shù)要合理選擇，其一般選擇為0.1～0.5；實(shí)踐表明，如果選用特征頻率fT大于振蕩頻率5倍以上的晶體管作為放大器，負(fù)載電阻不要太小，反饋系數(shù)選擇合理，其一般都是滿足起振條件的。為保證放大器有一定大小的幅度且波形失真小，起振時(shí)環(huán)路增益一般取3～5倍。,該振蕩器的振蕩頻率為,4.2.3電感三點(diǎn)式振蕩器,圖4.10(a)是電感三點(diǎn)式振蕩器原理圖，4.10(b)是其交流等效電路。通常電感繞在同一磁芯的骨架上，它們之間存在互感M。,(a)實(shí)用電路,(b)交流等效電路,,圖4.10電感三點(diǎn)式振蕩器,類似于電容三點(diǎn)式振蕩器的分析方法，可求得電感三點(diǎn)式振蕩器起振時(shí)的條件電容三點(diǎn)式的一致，其：反饋系數(shù)為,,振蕩頻率為,,電容三點(diǎn)式振蕩器與電感三點(diǎn)式振蕩器的特點(diǎn)比較如下：,1．電容三點(diǎn)式振蕩器,優(yōu)點(diǎn)：其反饋電壓取自反饋電容，而電容對(duì)高頻電流呈現(xiàn)低阻抗，可以濾除反饋電壓中由于晶體管的非線性所產(chǎn)生的高次諧波，輸出波形好；晶體管的輸入、輸出電容同回路電容并聯(lián)，不會(huì)改變回路的電抗性質(zhì)，工作頻率可以較高。缺點(diǎn)：調(diào)整頻率較困難，因?yàn)楫?dāng)改變回路電容時(shí)，勢(shì)必改變反饋系數(shù)，影響起振和波形質(zhì)量。,2．電感三點(diǎn)式振蕩器,優(yōu)點(diǎn)：L1和L2間存在互感M，比較容易起振，調(diào)節(jié)回路電容，可以方便地改變振蕩頻率。缺點(diǎn)：反饋電壓取自電感L2，而電感對(duì)高頻電流呈高阻抗，不易濾去高次諧波，輸出波形不夠好；晶體管的輸入、輸出電容并聯(lián)在Ll與L2兩端，在頻率較高時(shí)其影響很大，可能使電抗性質(zhì)發(fā)生變化而不滿足三點(diǎn)式振蕩器的相位條件，所以這種振蕩器適用在工作頻率不太高的場(chǎng)合，一般為數(shù)十兆赫。,4.2.4改進(jìn)型電容三點(diǎn)式振蕩器,由于晶體管的輸入、輸出電容與電容三點(diǎn)式振蕩器和電感三點(diǎn)式振蕩器的回路并聯(lián)，影響回路的等效電抗元件參數(shù)。而晶體管的輸入、輸出電容受環(huán)境溫度、電源電壓等因素的影響較大，所以上述兩種振蕩器的頻率穩(wěn)定度不高，一般在10-3數(shù)量級(jí)。為了提高頻率穩(wěn)定度，需要對(duì)電路作改進(jìn)以減少晶體管輸入、輸出電容對(duì)回路的影響，可以采用削弱晶體管與回路之間耦合的方法，在電容三點(diǎn)式振蕩器的基礎(chǔ)上，得到兩種改進(jìn)型電容反饋式振蕩器——克拉潑(Clapp)振蕩器和西勒(Siler)振蕩器。,1．克拉潑振蕩器,電容值取值規(guī)定如下：C3<Cq，石英諧振器的串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率間隔很小。石英諧振器的標(biāo)稱頻率fN位于串聯(lián)諧振頻率fq與并聯(lián)諧振頻率fp之間，是指晶體諧振器兩端并接某一規(guī)定的負(fù)載電容CL時(shí)石英諧振器的振蕩頻率。負(fù)載電容CL值標(biāo)于廠家的產(chǎn)品說(shuō)明書，通常為30pF或標(biāo)為“∞”(指無(wú)須外接負(fù)載電容，常用于串聯(lián)型晶體振蕩器)。,在高Q值條件下忽略rq，石英諧振器的等效電抗為,石英諧振器呈容性；,石英諧振器的電抗特性曲線如圖4.19所示。,圖4.19石英諧振器的電抗特性曲線,當(dāng)石英諧振器呈感性時(shí)，其等效電感為,,石英諧振器呈感性。,,這里需要注意的是，石英諧振器的等效電感L與石英諧振器的動(dòng)態(tài)電感Lq的概念完全不同，前者是頻率的函數(shù)，后者是與工作頻率無(wú)關(guān)。當(dāng)ω=ωq時(shí)，L=0；當(dāng)ω=ωp時(shí)，L→∞。由于ωq與ωp區(qū)間很窄，而諧振器的等效電感又從0變化到無(wú)窮大，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)等效電感的電抗曲線非常陡峭，這對(duì)于穩(wěn)頻是非常有利的。若外部因素使諧振頻率增大，則根據(jù)石英諧振器的電抗特性，必然會(huì)使等效電感L增大，但由于振蕩頻率與L的平方根成反比，因而又促使諧振頻率下降，趨近于原來(lái)的頻率。,石英諧振器比一般LC振蕩器頻率穩(wěn)定度高，具體表現(xiàn)如下：,(1)石英諧振器具有很高的標(biāo)準(zhǔn)性。,(2)外接元件對(duì)石英諧振器的接入系數(shù)為,故接入系數(shù)很小，一般為10-4～10-3，因此大大削弱了外電路不穩(wěn)定因素對(duì)石英諧振器的影響。,(3)石英諧振器的品質(zhì)因數(shù)為,品質(zhì)因數(shù)Q很大，可達(dá)104～106。而一般LC振蕩器的品質(zhì)因數(shù)只有幾百，因此石英諧振器具有很強(qiáng)的穩(wěn)頻作用。,4.3.2串聯(lián)型石英晶體振蕩器,串聯(lián)型晶體振蕩器一般是將石英諧振器用于正反饋中，利用其串聯(lián)諧振時(shí)等效為短路元件，電路反饋?zhàn)顝?qiáng)，滿足振幅起振條件，使振蕩器在石英諧振器串聯(lián)諧振頻率fq上起振。,(a)原理電路,(b)交流等效電路,圖4.20串聯(lián)型晶體振蕩器,4.3.3并聯(lián)型石英晶體振蕩器,并聯(lián)型晶體振蕩器的工作原理和三點(diǎn)式振蕩器相同，只是將其中一個(gè)電感元件換成石英晶振。石英諧振器接在晶體管的c、b極之間，則稱為皮爾斯振蕩器；石英諧振器接在晶體管的b、e極之間，則稱為密勒振蕩器。目前應(yīng)用得最廣的是皮爾斯晶體振蕩器。,圖4.21(a)是皮爾斯振蕩器的原理圖，圖4.21(b)為其交流等效電路，其中虛線框中為石英晶體振蕩器的等效電路。,(a)原理電路,(b)交流等效電路,圖4.21皮爾斯振蕩電路,C1、C2、C3串聯(lián)組成石英晶體諧振器的負(fù)載電容CL，其值為,電路的諧振頻率為,,由于石英諧振器的標(biāo)準(zhǔn)性很高，故串聯(lián)諧振頻率非常穩(wěn)定，且由于C0>>Cq，CL>>Cq，故皮爾斯振蕩器的振蕩頻率非常接近串聯(lián)諧振頻率。,仿真,4.3.4泛音晶體振蕩器,在工作頻率較高的晶體振蕩器中，多采用泛音晶體振蕩電路。為了保證振蕩器能準(zhǔn)確地振蕩在所需要的奇次泛音上,必須使其在工作泛音頻率上：滿足三點(diǎn)式振蕩器的組成法則并滿足環(huán)路增益起振條件。而在基頻、低次泛音和高次泛音上，不滿足三點(diǎn)式振蕩器的組成法則或不滿足環(huán)路增益起振條件，不能起振。,下圖（ａ）給出了一種并聯(lián)型泛音晶體振蕩電路。假設(shè)泛音晶振為五次泛音,標(biāo)稱頻率為５MHz,基頻為１MHz,則LC1回路必須調(diào)諧在三次和五次泛音頻率之間，例如3.5MHz。這樣,在５MHz頻率上，LC1回路呈容性,振蕩電路滿足三點(diǎn)式組成法則。對(duì)于基頻和三次泛音頻率來(lái)說(shuō),LC1回路呈感性,電路不符合組成法則,不能起振。而對(duì)七次及以上高次泛音上，LC1回路雖呈容性，等效電抗減小，電路電壓放大倍數(shù)減小，環(huán)路增益小于1，不能起振。,LC1回路電抗,【例4.4】對(duì)圖4.23所示的晶體振蕩器。(1)畫出交流等效電路，說(shuō)明晶體在電路中的作用。(2)若將標(biāo)稱頻率為5MHz的晶體換成標(biāo)稱頻率為3MHz的晶體，該電路能否正常工作，為什么？,圖4.23例4.4圖,解：該電路的交流等效電路如圖4.23(b)所示，屬于并聯(lián)型晶體振蕩器，晶體相當(dāng)于電感的作用。,圖4.23(b),由330pF電容與4.7μH電感構(gòu)成的并聯(lián)回路，其諧振頻率為,,則當(dāng)晶體的標(biāo)稱頻率為5MHz時(shí)，330pF電容與4.7μH電感構(gòu)成的并聯(lián)回路呈現(xiàn)容性，其滿足三點(diǎn)式振蕩電路的組成法則，是電容三點(diǎn)式振蕩電路。而當(dāng)晶體的標(biāo)稱頻率為3MHz時(shí)，330pF電容與4.7μH電感構(gòu)成的并聯(lián)回路呈現(xiàn)感性，不滿足三點(diǎn)式振蕩電路的組成法則，該電路不能正常工作。,本章小結(jié),1反饋振蕩器的構(gòu)成由放大器、選頻網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的具有選頻能力的正反饋系統(tǒng)。2反饋振蕩器必須滿足三個(gè)條件反饋振蕩器必須滿足起振、平衡和穩(wěn)定三個(gè)條件，每個(gè)條件包括振幅和相位兩個(gè)方面的要求。在振蕩頻率點(diǎn)，振幅要求環(huán)路增益的幅值在起振時(shí)必須大于1，且具有負(fù)斜率的增益振幅特性；在振蕩頻率點(diǎn)，相位要求環(huán)路增益的相位應(yīng)為2π的整數(shù)倍，且具有負(fù)斜率的相頻特性。3三點(diǎn)式振蕩電路組成原則—“射同余異”，可分成電容三點(diǎn)式（Colpitts）和電感三點(diǎn)式（Hartley）兩種基本類型。Clapp電路和Siler電路是兩種較實(shí)用的電容三點(diǎn)式改進(jìn)型電路,前者適合于作固定頻率振蕩器，后者可作波段振蕩器。,4晶體振蕩器(1)串聯(lián)型晶體振蕩器作為一個(gè)短路元件串接于正反饋支路上，工作在它的串聯(lián)諧振頻率fq上。(2)并聯(lián)型晶體振蕩器晶體作為等效電感元件用在三點(diǎn)式電路中，工作在fq～fp感性區(qū)。(3)泛音晶體振蕩器泛音晶振可用于產(chǎn)生較高頻率振蕩，但需采取措施抑制低次和高次諧波振蕩，保證其只諧振在所需要的工作頻率上。,作業(yè)2，3，9,