第5章谐振放大器和正弦波振荡器ppt课件.ppt

5.1 谐振放大器,第5章 谐振放大器和正弦波振荡器,5.2 正弦波振荡电路的基本工作原理,5.3 常用正弦波振荡器,5.1.2 常用谐振放大器,5.1.1 LC并联回路的选频特性,5.1.3 主要性能指标,5.2.1 正弦波振荡电路的组成框图,5.2.3 正弦波振荡器的建立与稳定过程（补充）,5.2.2 正弦波振荡器的振荡条件,5.3.3 石英晶体振荡器,5.3.1 LC振荡器,5.3.2 RC振荡器,谐振放大器：具有选频和放大功能的放大器。它是利用LC并联回路的选频特性，从一个频带中选出某一频率进行放大，而将其它频率予以抑制。,5.1 谐振放大器,谐振放大器,宽频带放大器,电路组成特点：采用LC并联谐振回路作放大器的负载。,应用：无线电发射和接收设备。,当信号频率f 等于谐振频率 时，LC 并联电路发生谐振，阻抗 Z 最大。,（1） LC 并联回路的阻抗频率特性,5.1.1 LC并联回路的选频特性,（2） LC 并联回路的相位频率特性,当f = f0时， v与i的相位差 = 0o，电路呈纯电阻性。,阻频特性和相频特性统称为 LC 并联电路的频率特性。它说明了LC 并联电路具有区别不同频率信号的能力，即具有选频特性。,LC并联回路,（3）阻频特性与 Q 值关系,品质因数 Q 表征 LC 并联电路选频特性的好坏。,实验和理论证明：,R 越小，Q 值越大，曲线越尖锐，电路选频能力越强；,R 越大，Q 值越小，曲线越平坦，电路选频能力越差。,LC 并联电路的 Q 值，一般在几十到一二百之间。,5.1.2 常用谐振放大器,（1）电路结构特点：放大管集电极负载由一个 LC 并联回路构成，电源经电感线圈抽头接入，其目的是使谐振回路有高的 Q 值，提高放大器的选择性。,1.单回路谐振放大器,（2）工作原理：输入信号vi 经 T1 耦合到放大管 V 的基极，经 V 放大后，由谐振回路选出 f= f0 的信号，由 T2耦合输出。,（3）电路的通频带和选择性：主要取决于谐振曲线，而它与理想的矩形谐振曲线相比相差甚远，因此，这种电路只能用于对通频带和选择性要求不高的场合。,2.双回路调谐放大器,电路组成特点：集电极负载采用两个谐振回路，利用它们之间的耦合强弱来改善通频带和选择性。,（1）互感耦合双回路调谐放大器,电路特点：放大管集电极负载由两个 LC 并联回路构成，它们之间采用互感耦合。调节 L1、L2 之间的距离或磁芯的位置，可改变耦合程度，从而改善电路的通频带和选择性。,工作原理：假定 L1C1 和 L2C2 调谐在信号频率上，输入信号 vi 通过 T1 送到 V 时，经 V 放大的信号先由 L1C1 并联回路选出 f= f0 的信号，并耦合到 L2C2 并联回路进一步选频，最后在电感线圈 L2 的抽头处产生最大的输出电压 vo。,电路特点是通过外接电容 Ck 实现两个调谐回路之间的耦合，改变 Ck 的大小即可改变耦合程度，从而改善电路的通频带和选择性。,（2） 电容耦合双回路调谐放大器,（3） 选择性和通频带与耦合程度的关系,临界耦合时，谐振曲线也呈单峰，但中心频率f0处曲线较平坦，与理想的矩形谐振曲线很接近。,弱耦合时，谐振曲线出现单峰；,强耦合时，谐振曲线出现双峰，中心频率 f0 处下凹的程度与耦合强度成正比；,双回路调谐放大器有较好的通频带和选择性，所以应用广泛。,中心频率：谐振放大电路的工作频率，一般在几百 kHz 到几百 MHz。,5.1.3 谐振放大器的主要性能指标,增益：指放大电路对有用信号的放大能力。,通频带：指其电压增益频率响应特性由最大值下降 3dB 时所对应的频率宽度，通常以 BW 表示。,选择性：指对通频带之外干扰信号的衰减能力。,噪声系数：输入信号的信噪比与输出信号的信噪比之比值 。,工作稳定性：指当放大电路的工作状态、元件参数等发生变化时，放大器的主要性能的稳定程度。,5.2 正弦波振荡电路 自激振荡现象：扩音系统在使用中有时会发出刺耳的啸叫声, 其形成的过程如图所示。,自由振荡电容通过电感充放电，电路进行电能和磁能的转换过程。,阻尼振荡在振荡过程中，因损耗等效电阻 R 将部分电能转换成热能而出现的减幅振荡。,等幅振荡利用电源对电容充电，补充电容对电感放电过程中的能量损耗 。,v,v,5.2.1 正弦波振荡电路的组成框图,1.振荡器,振荡器是一种无需外加信号，就能自动将直流电能转换成某一频率的交流信号的电路。,振荡器与电压放大器组成框图的比较：,振荡器的组成部分：放大器和正反馈电路。,正弦波振荡器：具有单一工作频率的自激振荡电路。,正弦波振荡器组成：放大电路、选频电路和正反馈网络。,2.正弦波振荡器,放大器维持振荡器连续工作。,选频电路保证电路仅对某个特定(单一）的频率信号产生谐振。,正反馈网络使电路产生自激振荡。,正弦波振荡器与谐振放大器电路的比较：,开关S：掷“1”端，电路为谐振放大器；掷“2”端,电路为正弦波振荡器。,相位平衡条件：反馈信号的相位与输入信号的相位相同，即为正反馈，即, = 2 n （n 为自然数）,其中，为 vf 与 vi 的相位差，n 是整数。,振幅平衡条件：反馈信号幅度与原输入信号幅度相等，即,5.2.2 正弦波振荡器的振荡条件,2.振荡的起振条件,振幅起振条件：反馈信号幅度大于原输入信号幅度，即,1.振荡的平衡条件,相位起振条件：, = 2 n （n为自然数）,5.2.3 正弦波振荡器的建立与稳定过程,当振荡信号幅度较小时，放大管处于线性放大区，因 AVF 1，振荡信号被不断放大，直到信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时，即当 AVF=1 时，电路变为等幅振荡。,5.3 常用正弦波振荡器,5.3.1 LC 振荡器,1.变压器耦合式 LC 振荡器,电路组成特点： 用变压器耦合方式把反馈信号送到输入端。,（1） 共发射极变压器耦合 LC 振荡器,LC 振荡器：利用 LC 选频回路进行选频的振荡器。,LC 振荡器用来产生频率为几千赫十几兆赫的高频信号。,LC 振荡器分为变压器耦合式振荡器和三点式振荡器两大类。,（2） 共基极变压器耦合 LC 振荡器, 振荡条件：电路能满足相位平衡条件和振幅平衡条件。,（1） 共发射极变压器耦合 LC 振荡器,工作原理：初始信号经 LC 选频回路产生频率为 fo 的振荡信号，其中一部分信号经 L3-4 正反馈回到振荡管基极，由放大器放大后，再选频，再放大，不断地循环，振荡由弱到强逐渐建立，当信号幅度增大到使振荡管超出线性放大区时，电路自动满足振幅平衡条件 AVF=1，电路作等幅振荡。, 振荡频率,电路的振荡频率为 LC 并联回路的固有振荡频率，即,调节 LC 并联回路中的电感量 L 或电容量C，均可改变电路的振荡频率 fo。,（2）电路不满足相位平衡条件。由图中标出的瞬时电压极性可知，电路为负反馈。,例 判断如下电路能否产生自激振荡。,（1）电路不满足振幅起振条件。因三极管的基极被反馈线圈 Lf 短路接地，使V处于截止状态。,解：判断一个振荡电路是否能产生振荡的一般步骤是：检查电路的直流通路是否正确，即振荡管能否处于放大状态；检查电路的交流通路是否存在正反馈。,例 判断电路能否产生自激振荡。,解：电路满足振幅起振条件和相位平衡条件，能产生自激振荡。,（2）共基极变压器耦合 LC 振荡器, 电路结构特点：L 与 C 组成选频回路；C1 为旁路电容，使基极交流接地；C2 为隔直耦合电容，将选频回路中的一部分振荡信号反馈到振荡管的发射极；L1 为反馈线圈，将放大后的信号送回到选频回路，以补充回路中的能量损耗。, 振荡条件：电路满足振幅平衡和相位平衡条件，能产生自激振荡。, 振荡频率,电路满足相位条件；适当选择 L和 L的比值，使AVF 1，电路满足振幅条件，电路即能产生振荡，其振荡频率为：,2.三点式LC振荡电路,电路特点：LC 振荡回路的三个端点与三极管的三个电极相连。,(1) 电感三点式振荡器,其中M是L与L之间的互感系数。,优点：振荡频率很高，一般可达到几十兆赫。缺点：波形失真较大。,(2) 电容三点式振荡器,相位条件：当振荡管基极为“”时，线圈1端电位为“”，3端电位为“” ，电路形成正反馈，满足相位条件。,振幅条件：适当的选择 C、C的数值，使电路具有足够大的放大倍数，电路可产生振荡。,电路的振荡频率为,电路特点：频率较高，可达 100MHz 以上。 优点：输出波形好。缺点：调节频率不方便。,+Vcc,1.RC 串并联网络的选频特性,5.3.2 RC正弦波振荡电路,RC 正弦波振荡器是利用电阻和电容组成选频电路的振荡器。一般用来产生频率在 200HZ 以下的低频正弦信号。,（1）电路组成：RC 串并联电路如图所示。,（2）选频特性 幅频特性：当输入信号频率为0时， C1 、C2 开路，输出电压 vo为0。随着输入信号频率 f 的增加，C1 与 C2 的容抗逐渐减小，电路中出现电流，输出电压 vo 逐渐增大，在输入信号频率为无穷大的情况下，C1、C2 短路，输出电压 vo又为 0。当输入信号频率 f=fo 时，输出电压最大 ，即 。其幅频特性曲线描述了这个变化过程。,相频特性：当输入信号频率为0时，输出电压 v0 超前于输入电压 vi 90o ；当输入信号频率为fo 时，输出电压 与输入电压同相位；当输入信号频率为无穷大时，输出电压落后于输入电压 90o 。,综上所述，只有当 f=fo 时，F=0，且此时输出电压达到最大 。由此可见， RC 串并联网络具有选频特性。,2.RC 桥式振荡器,电路如图所示，其中RC 串并联电路起正反馈和选频作用， 放大部分由同相放大电路组成。R3、R9 是本级电流串联负反馈电阻。Rf 是级间电压串联负反馈电阻，它们的作用是减小失真、稳定输出。由于RC 串并联网络和 Rf、R3 组成电桥电路，所以这种电路又称为 RC 桥式振荡电路。,（1）由分立元件构成的 RC 桥式振荡器,电路如图所示。其中，放大元件由集成运放 LM741 承担，它与 R1、RP、R2、R3、V1、V2 组成同相放大器，V1，V2 起稳幅作用；R4、C1、R5、C2 组成 RC 串并联选频网络，在电路中起正反馈作用。,（2）由集成运放构成的 RC 桥式振荡器,（4）振荡频率,（5）电路的优缺点 该电路频率调节方便、调节范围宽。由于电路引入了负反馈，所以工作稳定，波形较好。目前，音频（低频）振荡器多采用这种电路。,在 RC 串并联选频网络中，取 R1R2R，C1C2C，则振荡频率为,（3）电路的起振荡条件 只要同相放大器的放大倍数AV3，即有AVF1，电路即满足起振荡条件。,石英晶体谐振器是在晶片的两个对面上喷涂一对金属极板，引出两个电极，加以封装所构成。,5.3.3 石英晶体振荡器,电路优点：频率稳定度高，可达1010量级。,1.石英晶体的基本特性及其等效电路,压电效应：晶片在电压产生的机械压力下，其表面电荷的极性随机械拉力而改变的一种现象。,压电谐振：外加交变电压的频率等于晶体固有频率时，回路发生串联谐振，电流振幅最大的一种现象。产生压电谐振时的振荡频率称为晶体谐振器的谐振频率。,() 压电效应,当晶体不振动时，可用静态电容 C0 来等效；当晶体振动时，机械振动的惯性可用电感 L 来等效；晶片的弹性可用电容 C 来等效；晶片振动时的损耗用 R 来等效。,（2）符号和等效电路,石英晶体谐振器的品质因数 Q 很大，可达 104106，加之晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以，由石英晶体谐振器组成振荡电路，可获得很高的频率稳定度。,由于 CC0，因此 s 和 P 两个频率非常接近。,石英晶体谐振器在 s 和 P 之间为感性，在此区域之外为容性。,（4）电抗频率特性,当L、C、R串联支路谐振时，其等效电路的阻抗最小，串联谐振频率为,当等效电路发生并联谐振时，并联谐振频率为,（3）谐振频率：共有两个,2.石英晶体振荡电路,（1）并联型晶体振荡电路,振荡回路由 C1、C2 和石英晶体组成。其中,石英晶体起电感 L 作用。振荡器的交流等效电路如图所示。,电路的振荡频率为：,由于 C (C0+C/ ) ，则振荡频率近似为：,可见，振荡频率基本上取决于晶体的固有频率 fS。故其频率稳定度高。,交流等效电路,式中，C/ 为 C1 与 C2 的串联等效电容，即,C/ = C1 C2 /（C1 + C2）,晶体与电阻R串联构成正反馈电路。当振荡频率等于晶体的固有频率 fS 时，晶体阻抗最小，且为纯电阻，电路正反馈最强，满足自激振荡条件而振荡，其振荡频率为 f0 = fS。 调节电阻 R 可获得良好的正弦波输出波形。,（2） 串联型晶体振荡电路,+Vcc,