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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,振蕩器是指在沒有外加信號作用下的一種自動(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，送入混頻器，才能將高頻信號變成中頻信號。,7,3.在研制、調(diào)測各類電子設(shè)備時(shí)，常常需要信號源和各種測量儀器，在這些儀器中大多包含有振蕩器。例如高頻信號發(fā)生器、音頻信號發(fā)生器、Q表以及各種數(shù)字式測量儀表等。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?？梢娬也ㄕ袷幤髟陔娮蛹夹g(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)生的波形來看本書只介紹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)。開關(guān)始終接在2端。只要接通電源，UO就會(huì)從無到有，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），用來選出振蕩頻率。,13,起振條件,振幅起振條件：KF>1(使信號從無到有逐漸增大),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：,通過放大器本身的非線性特性實(shí)現(xiàn)。,過程：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的輸入信號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：對于場效應(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，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，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——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)，振蕩頻率可近似寫成這就使Co和Ci幾乎與值無關(guān)，它們的變動(dòng)對振蕩頻率的穩(wěn)定性就沒有什么影響了，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？為了說明這個(gè)問題，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如過大，則振蕩幅度就太低。2）當(dāng)減小C來提高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，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無關(guān)，當(dāng)調(diào)節(jié)C來改變振蕩頻率時(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)十分重要的問題。例如:通信系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)，就會(huì)漏失信號而聯(lián)系不上；測量儀器的頻率不穩(wěn)，就會(huì)引起較大的測量誤差；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)定問題,60,振蕩器的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)是用頻率穩(wěn)定度來衡量的。頻率穩(wěn)定度有兩種表示方法：1.絕對頻率穩(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.相對頻率穩(wěn)定度。它是指在一定條件下，絕對頻率穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的比值常用的是相對頻率穩(wěn)定度，簡稱頻率穩(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)的相對頻率穩(wěn)定度。一般用來評價(jià)測量儀器和通信設(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)的相對頻率穩(wěn)定度；長期穩(wěn)定度——數(shù)月或一年內(nèi)的相對頻率穩(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值加大。,回路品質(zhì)因素對穩(wěn)定度的影響,LC回路的相移（阻抗角）,對的變化率是：,,67,圖4-19相頻特性曲線,