模拟电子技术-第十章-正弦波振荡器

模拟电子技术-第十章-正 弦波振荡器
2020年7月18日星期六
• 振荡电路的定义：
• 在没有输入信号的条件下，能够自行产生 一定幅度、一定频率的输出信号的电路。
• 振荡电路的特点：
• （1）不需要输入信号控制，与电压放大 器不同。 • （2）属于信号发生电路，不属于信号处 理电路。Βιβλιοθήκη •振荡器•正弦波振荡器
稳定条件
• 由于振荡电路内部或外部（温度、 UCC等）的干扰，使AF发生改变，破坏了 原有的平衡状态。电路本身必须具有自动 恢复平衡的能力。鉴于此，除了平衡条件 外还必须有稳定条件。
•振幅稳定条件 ： •相位稳定条件：
•相位稳定条件说明
维持 或者说维持 与 同相的条件。方法：如果能实现 ω的变化引起的φΣ变化与外界因素引起的φΣ变化相反 ，则相位稳定平衡就可实现。以n=0为例，这一过程可 用如下流程关系表示：
•图10.29 石英谐振器的结构
1）具有正反压电效应 正压电效应是指在晶体片两个侧面上施加压力时
，晶体片就会产生机械变形，与此同时，在它的表面 上还会产生异性电荷。
•
正压电效应是将机械能转变为电能。
• 反压电效应（电致伸缩）是指在晶体片两个表面 上施加电压E，晶体会产生机械变形，如延伸。当电压 的极性相反时，晶体就会收缩。
•在fT>>fg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
•图3.12 电感回授三点式振荡器电路
•(3.2―10)
•(b)交流通路
10.3.4其他LC振荡器电路 1.克拉拨振荡器和席勒振荡器
•图3.13 克拉拨振荡器及交流等效电路 • (a)原理图；(b)交流等效电路
•图3.14 席勒振荡器及交流等效电路 • (a)原理图；(b)交流等效电路
LC正弦波振荡器电路构成的原则 凡采用LC谐振回路作为选频网络的反馈
式振荡器称为LC正弦波振荡器。 LC振荡电路的形式很多，按反馈网络的形
式来分，有变压器耦合反馈式及三点式振荡电 路两种。
•10.3.1 变压器耦合反馈式振荡 器
•特点：
• 选频网络： LC谐振回路 • 反馈网络：变压器耦合电路。 • 相位平衡条件：依靠变压器的初次级 线圈的同名端保证的。
•
(a)交流电路；(b)电抗曲线
10.4.3 串联型石英晶体振荡器
• 串联型石英晶体振荡器是把石英谐振器 做一根短路线用。晶体接在正反馈回路中， 当振荡器的工作频率ωg等于晶体的串联谐振 频率ωs时，晶体谐振器的阻抗近似为零；正 反馈最强。
•图10.31 (a) 串联型晶体振荡器原理电路；
•图10.20 RC串并联网络
•令：
•图10.20 RC串并联网络
幅频特性和相频特性表达式为
•其中
根据以上两式可画出相应的频率特性曲线
•图3.21 RC串并联网络的频率特性曲线
•根据相位起振条件求振荡频率ωOSC •根据相位平衡条件，当ω= ωO时， •为正反馈。因此振荡频率为：
•当ω= ωO时，F=1/3。
•非正弦波振荡器
•（三角波、方波、锯齿波等）
10.1 振荡的基本原理
•＋
•A
•F
•图10.1 反馈放大器
•(10.1―1)
产生正弦波振荡的条件
••1
•放大电路• ••2
•U•o&
•U•i &
•U•f& •反馈网络•
•由放大到振荡的示意框图
•当K接在1端时，
；再将K•接到2端，
•
，要维持不变则必须使
•共射接法
•共基接法
10.3.2 三点式振荡器
•X2 •+
•Ui’=Uf •X3 •_
•+ •X1,X2,X3组成并联 LC谐振网络。谐振
•X1 •UO 网络中的三个引出 点分别接至三极管
•_ 的三个极。因此称 为三点式振荡器。
•X2 •+
•Ui’=Uf •X3 •_
•+ •X1 •UO
•_
•讨论：X1,X2,X3放置何种电抗元件，才 能满足相位条件？
2. LC差分振荡器
•图3.15 (a)差分振荡器原理图
•图3.15 (b) 差分振荡器交流等效电路
通过耦合电容CC2输出，外负载为RL。V1集电极外 接的LC回路作为输出带通滤波器，不参与振荡器的工 作，所以外负载不影响振荡器的工作，从而提高了振 荡器的稳定性。该振荡器的工作频率
•反馈系数
根据起振条件AF>1，可求得满足起振条件的恒流 源Io的数值范围
•
石英谐振器是一个频率极其丰富的谐振系
统。谐振频率不仅有基音，还有泛音。
2. 石英谐振器的电特性
•图3.33 石英晶体的等效电路和电抗特性 •(a)晶体符号；(b)基音和泛音等效电路；
•X•e
•感
•L•q
性
•C•0
•C•q
•0
•ω•s •ω•p
•Z•(•jω•)
•r•q
•容 性
•容
••(c•)
••(d•)
率fg严格等于铭牌上标注的频率值，必须
使
，否则就会有微小的偏差。
•石英晶体的稳频原理：
•C1 •C2
•图3.35 用电抗曲线说明稳频原理
泛音晶振原理
• 以上的晶体振荡器的标称频率为石 英晶体的基频，为了提高晶体振荡器的 工作频率，可使电路振荡在晶体的奇次 谐波上，此时为泛音晶体振荡器。
•图3.36 泛音晶振的原理电路及L1C1回路电抗曲线
•由振幅起振条件求开环增益A •将正反馈环断开得到开环电路：同相放大器
•根据振幅起振条件AF >1 ： •得到：A>3
•因此：
通常R1或者Rf为热敏电阻。起到外稳 幅的作用：R1是正温度系数, Rf是负温度 系数。
•
稳幅过程：UO↑负反馈电流↑
T ↑ R1↑、 Rf↓负反馈↑ UO↓
• Rf和R1引入的电压串联负反馈有助 于改善波形减小失真。
•不能振荡 •ωOSC<min(ωO1、ωO2)
10.3.2 电容三点式振荡器电路
•图10.25 电容三点式振荡器
•
(a)电路图
1)画出该振荡器的交流等效电路，判断其 电路类型
•(b)交流通路
2) 求该振荡器的工作角频率ωOSC
•3 )求反馈系数F
• 当Cb′e<<C2时
10.3.3 电感三点式振荡器电路
振荡平衡条件可归纳如下：
(1) 根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度 的大小并研究振幅的稳定。
(2) 根据相位平衡条件可以确定振荡器的工 作频率和频率的稳定。
稳幅电路
•内稳幅：
•通过放大器本身的非线性特性实现。
•过程： •AF>1Ui’↑放大器进入非线性区间 A↓AF ↓ AF=1 •外稳幅： •反馈网络采取措施，随着AF的增大，正反 馈减弱或负反馈增强，使AF下降最终达到 平衡条件。
•为了满足相位条件，Uf与UO呈反相关系。
•X2、X3代表的电抗元件极性必须相反。即 一个为电容，则另一个必为电感。
• 谐振时，LC回路呈现纯电阻特性，即：
•X1+X2+X3=0,因此，X2+X3= –X1，带入上式
：
•X1与X3的电抗特性相同。
•三点式：•电容反馈式振荡器 •电感反馈式振荡器
•L •+
•图3.34 并联型石英晶体振荡器
•
(a)原理电路
•图3.34 并联型石英晶体振荡器
•
(b)交流等效电路
•其中
•负载电容ＣＬ
说明
• 市场上出售的石英晶体盒子上标注
的频率值即非fs，也非fp，而是指石英谐 振器与规定的电容CL相并联的谐振频率值 。此电容CL叫负载电容，厂家在产品说明 书中都会给出。因此要使振荡器的工作频
•判断下面电路是否能产生正弦波振荡： •可以产生正弦波振荡
•根据选频网络不同，振荡器的分类： •（1）RC振荡器 •（2）LC振荡器 •（3）石英晶体振荡器
• 10.2 RC正弦波振荡器
• 10.2.2 RC选频振荡器 • 选频网络由RC网络实现。
•图3.22 文氏电桥振荡器
•首先讨论正反馈网络：
•(3.2―21)
•其 中 •RL’是V2管集电极等效交流负载电阻,ri是V1管的基极输入 电阻。差分振荡器与单个晶体管的振荡器相比，有很多优 点。参见书本P49。
10.4 石英晶体振荡器
10.4.2 石英谐振器的物理特性和电特性 1. 石英谐振器的物理特性 石英晶体是SiO2的天然晶体。
•图3.31 晶体的形状及横断面 • (a)晶体外形；(b)横断面
起振条件
• •U•f &
•
•U•o&
•
•振幅起振条件：AF >1(使信号从无到有逐渐 •增大) •相位起振条件：φA+ φF=2nπ（正反馈）
平衡条件
• 起振后，为了防止输出UO无限制的增大， 整个环路必须有稳幅电路，使输出稳幅振荡。 稳幅振荡的平衡条件：
•振幅平衡条件：AF =1(使信号稳幅振荡) •相位平衡条件：φA+ φF=2nπ（正反馈）
•判断电路是否产生正弦波振荡的步骤：
•（1）是否为正反馈 •（2）是否有选频网络，且选频网络是否满 足相位条件 •（3）是否AF>1 •（4）是否有稳幅电路 •（5）是否满足稳定条件。
•判断下面电路是否能产生正弦波振荡： •无选频网络
•判断下面电路是否能产生正弦波振荡： •选频网络无法实现选频
••(d•)
•(d)电抗特性
10.4.3 石英晶体振荡器电路
石英晶体振荡器电路有两种：并联型石英晶体振 荡器，串联型石英晶体振荡器。