通信电子电路正弦波振荡器分析.ppt

通信电子电路,文凤,书山有路勤为径学海无崖苦作舟,第四章 正弦波振荡器,第四章 正弦振荡器的结构与实现,4.1 概述 4.2 反馈型正弦振荡器的原理4.3 反馈型LC振荡电路分析 4.4 振荡器的频率稳定性分析 4.5 石英晶体振荡电路分析 4.6 RC电路的分析 4.7 振荡频率可调的压控振荡器,4.1 概述,第四章 正弦波振荡器,一、振荡器的概念,振荡器是一种将直流电能转换为所需的交流电能的能量转换器。放大器也是能量转换器，振荡器与放大器的区别在于：,放大器：它激，必须在输入信号控制下，才能把直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。（应防止自激现象产生）,振荡器：自激，不需要输入信号控制，自动地将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。其输出信号的频率、波形和幅度仅由电路本身的参数决定。,二、正弦波振荡器的应用,1作信号源(本章将讨论),正弦波信号源：电子测量仪器；,载波信号：无线发射机；,本振信号：超外差接收机；,时钟信号：数字系统。,要求：振荡频率和振幅尤其是振荡频率的准确性和稳定性。,2正弦交变能源(本章不讨论),用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。,要求：功率足够大，高效。,三、振荡器的分类,第四章 正弦波振荡器,1.按振荡原理分类,反馈振荡器：利用正反馈原理构成，应用广泛。,负阻振荡器：利用负电阻效应抵消回路中的 损耗，以产生等幅自由振荡。工作于微波段。,2.按输出波形分类,本章主要讨论反馈型的正弦波振荡器。,反馈型振荡器的工作原理,正弦波振荡器,非正弦波振荡器：,矩形脉冲、三角波、锯齿波。,3.按选频回路元件分类,LC振荡器,RC振荡器,晶体振荡器,4.按振荡频率分类,低频振荡器,高频振荡器,反馈型正弦振荡器的原理,第四章 正弦波振荡器,一、组成：,由主网络和正反馈网络构成的闭合环路。,放大器主网络：负载为谐振回路的调谐放大器,(2)反馈网络：一般是由无源器件组成的线性网络。,反馈型振荡器方框图,主网络,反馈网络,能产生自激振荡一个基本的条件是必须构成正反馈回路，即反馈到输入端的信号vf和放大器输入信号vi相位相同。,二、振荡条件分析及平衡条件,第四章 正弦波振荡器,闭环电压放大倍数,反馈系统的环路增益,在某频率fosc处，若T=A(jfosc)F(jfosc)=1，即vf=vi，此时有Af(jfosc)，即表明没有外加信号，也可以维持振荡输出。,维持振荡的基本条件：,_振荡的平衡条件,振幅平衡条件：,相位平衡条件：,平衡条件,(n=0，1，2，),该闭合环路产生等幅持续振荡的条件。,(1)刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程；,(2)进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持在相应的平衡值上。,(3)当外界不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡。,闭合环路成为反馈振荡器(Feedback Oscillator)的三个条件：,(1)起振条件保证接通电源后从无到有地建立起振荡。,(2)平衡条件保证进入平衡状态后能输出等幅持续振荡。,(3)稳定条件保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏。,4.2.1 起振条件,第四章 正弦波振荡器,返回,在刚接通电源时，电路中的各部分存在着各种电的扰动ui，这些扰动(电流突变或管子、电路中的固有噪声)具有很宽的频谱。,(2)谐振回路具有选频功能，只有角频率为 osc 的分量(osc 0)才能在谐振回路两端产生较大的电压。,(3)变压器绕向正确可保证反馈信号vf 和输入信号vi同相，且vf vi，经放大和反馈的循环振荡电压的振幅不断增长。,振荡器接通电源后，能够从小到大地建立起振荡的条件是：,振幅起振条件：,相位起振条件：,起振条件,(起振条件),振荡开始时应为增幅振荡！,稳定条件之振幅稳定条件,要维持振荡器稳定工作，只满足起振条件和平衡条件是不够的，还得保证平衡状态是稳定的。,因振荡电路中存在干扰(内部固有噪声、外部电源、温度等变化）,通过放大和反馈的反复循环，振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态。原平衡状态是不稳定的。,通过放大和反馈的反复循环，振荡器能够产生回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。,要使振幅稳定，振荡器在平衡点必须具有阻止振幅变化的能力，即在平衡点Vi=ViA附近，当不稳定因素使Vi的振幅Vi增大时，环路增益幅值|T(o)|减小，使反馈电压振幅Vf减小，从而阻止Vi增大；反之，当不稳定因素使Vi的振幅Vi减小时，环路增益幅值|T(o)|增大，使反馈电压振幅Vf增大，从而阻止Vi减小。,即要平衡点稳定，|T(o)|须在ViA附近具有负斜率变化，即随Vi增大而下降的特性，,即振幅稳定条件为：,当Vi增加到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随Vi的增大而减小，从而T或A随Vi的增大而减小。自然具有稳定幅度的功能。,斜率越陡，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。,环路增益存在两个平衡点的情况,第四章 正弦波振荡器,环路增益存在两个平衡点的情况,如图所示，振荡器存在着两个平衡点 A 和 B，其中 A 是稳定的，B 点是否稳定？,分析：若使Vi ViB，则T(osc)随之增大，导致Vi 进 一步增大，从而更远离平衡点B。最后到达平衡点A。,可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，必须加大的电冲击，产生大于ViB 的起始扰动电压，才能进入平衡点A，产生持续等幅振荡。,硬激励：靠外加冲击而产生振荡。,软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。,返回,第四章 正弦波振荡器,稳定条件之相位（频率）稳定条件,即相位稳定条件为：,返回,若某原因使 T(osc)0，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。这种相位的不断超前表明振荡器的角频率osc。,即要保证相位平衡点稳定,振荡电路内部产生一个的相位变化,与外因引起的相位变化 的符号应相反,以消弱或抵消由外因引起的变化。,若某原因使 T(osc)0，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将滞后于原输入电压相位。这种相位的不断滞后表明振荡器的角频率 osc。,若此时振荡器本身的T()0，Vi 的超前势必受到阻止。,若此时振荡器本身的T()0，Vi 的滞后势必受到阻止。,由于 即相位变化时,频率也变化,故相位稳定条件也就是频率稳定的条件。,相位平衡的稳定条件要求选频网络的相频特性曲线在osc附近应具有负斜率,斜率越陡，干扰引起的频率波动越小。,实际中的并联LC谐振回路正好具有这种相频特性,故可自然满足.,第四章 正弦波振荡器,3.1.2 反馈振荡器的基本组成及其分析方法,总之，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足:起振条件、平衡条件和稳定条件，缺一不可。,1.闭合环路组成,A.可变增益放大器:提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。,B.相移网络:具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证 在谐振频率上的相移为:2n,2.分析方法,或四个环节：放大环节、选频环节、正反馈环节、稳定环节。,(1)首先检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。,(2)其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出T(j)，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。,若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。,(3)最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。,第四章 正弦波振荡器,第四章 正弦波振荡器,4.3 LC 正弦波振荡器,LC 正弦波振荡器：采用 LC 谐振回路作为相移网络的振荡器,种类：两点式振荡电路：直接反馈和变压器耦合振荡电路 三点式振荡电路（电感三点式和电容三点式振荡电路）,变压器耦合振荡电路（举例）,互感耦合振荡器的LC回路作为整体运用于振荡环路，回路有两个引出端，因而也称为两点式振荡电路。,变压器振荡电路,根据相移网络的不同，将振荡器分为：LC 振荡器、RC振荡器、石英晶体振荡器等。,振荡环路内流动的信号是带方向性的，并且是无头无尾的环流信号，对这种信号的判断可以从环路中的任意信号位置开始，即并不一定非从放大器部分的vi位置开始。,结合习题P102 4-2,第四章 正弦波振荡器,变压器耦合振荡电路,变压器振荡电路续,第四章 正弦波振荡器,振荡环路内流动的信号是带方向性的，并且是无头无尾的环流信号，对这种信号的判断可以从环路中的任意信号位置开始，即并不一定非从放大器部分的vi位置开始。,直接反馈型振荡电路,集成放大器组成的振荡器,4.3.2 直接反馈振荡器,第四章 正弦波振荡器,（属LC两点式振荡电路）,三点式振荡电路,第四章 正弦波振荡器,4.3.3 三点式振荡电路,变压器耦合振荡器的频率稳定度不高且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了振荡频率的提高，只适用于较低频段（中、短波波段），为了提高振荡频率，可采用无变压器的三点式振荡器（几MHz和几百MHz之间）。,三点式电路：是指谐振回路引出的三个端点与非线性增益 元器件的三个信号端相连接而成的电路。,三点式振荡电路：只有满足相位平衡条件的三点式电路才可 能构成三点式振荡电路。,三点式判别原则,组成:,并联谐振回路：决定振荡频率。反馈网络：构成正反馈。,三个电抗元件X1、X2、X3：,可以是三极管的基极B，或场效应管的栅极G,可以是三极管的发射极E，或场效应管的源极S,三点式振荡电路,变压器耦合振荡器的频率稳定度不高且由于互感耦合元件分布电容的存在，限制了振荡频率的提高，只适用于较低频段（中、短波波段），为了提高振荡频率，可采用无变压器的三点式振荡器（几MHz和几百MHz之间）。,三点式电路：是指谐振回路引出的三个端点与非线性增益 元器件的三个信号端相连接而成的电路。,三点式振荡电路：只有满足相位平衡条件的三点式电路才可 能构成三点式振荡电路。,三点式判别原则,并联谐振回路：决定振荡频率。反馈网络：构成正反馈。,三个电抗元件X1、X2、X3组成谐振回路,可以是三极管、场效应管、集成运放等BG(或运放的反相输入端）ES(或运放的同相输入端）CD(或运放的输出端）,第四章 正弦波振荡器,（Vce与Vbe 反相）,第四章 正弦波振荡器,一、电路相位组成法则（相位判别依据）,X1、X2、X3为纯电抗元件，构成振荡回路。,X1+X2+X3=0,谐振条件：,电路中三个电抗元件必须由两种不同性质的电抗元件组成。,相位平衡条件，即正反馈条件,X1、X2为同性质电抗元件,因为X1X2 X3，,即同为电容或同为电感,即若X1、X2为电容元件，则X3应为电感元件，对应的振荡电路为电容三点式振荡电路；若X1、X2为电感元件，则X3为电容元件，对应的振荡电路为电感三点式振荡电路。,与发射极（或源极，或集成运放的同相输入端）相连的为两同性质的电抗元件，集-基（或漏栅，或集成运放的反相输入端输出端）间接反性质的电抗元件。三点式振荡电路相位组成法则（射同余反）。,可根据该组成法则，判断三点式振荡电路的连接是否正确。,电容三点式,X3的电抗性质与X1、X2的电抗性质相反。,例子,例子：图为三回路振荡器交流通路，,分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处在什么范围内。,解：已知串、并联谐振回路在忽略回路损耗时电抗特性曲线如图,并联中，0，X 0，呈感性,1若构成电容三点式电路,L1C1、L2C2 回路呈容性失谐，L3C3 回路呈感性失谐。,容性失谐：fosc f02；感性失谐：fosc f03。,2若构成电感三点式电路,L1C1、L2C2 回路呈感性失谐，L3C3 回路呈容性失谐。,感性失谐：fosc f01，fosc f03。,第四章 正弦波振荡器,返回,二、三点式振荡器电路,1.电容三点式,RB1、RB2、RE 分压式偏置电阻，,第四章 正弦波振荡器,（发射极：为两同性质的容性电抗，集-基：感性电抗。相位组成法则满足。）,典型的电容三点式振荡电路.其反馈电压取自 L 和C2组成的分压器电容三点式。满足相位平衡条件,只要适当选取C1与C2的比值,并使放大器有足够的放大量,电路就能产生振荡.,振荡频率的计算,CE、CB和CE 旁路电容和耦合电容（隔直电容）,L、C1、C2 并联谐振回路,直流偏置电路决定了起振时电路的工作点,当振荡以后RE,CE构成自给偏压电路，LC高频扼流圈可以用一个大电阻代替，防止电源对回路旁路。,其他电容三点式振荡电路,起振幅值条件的分析,第四章 正弦波振荡器,讨论 起振与平衡,T 为可变增益器件，偏置电路设置合适的静态工作点同时，随Vi 的增大产生自给偏置效应，加速放大器增益的下降。,起振时，加在发射结上的偏置电压即为静态偏置电压,当vi增大到振荡管的非线性特性区时，vi的一部分进入截止区，振荡管的集电极电流(和相应的基极电流)已不再是正弦波，而是失真的脉冲波，它们的平均值将大于静态值，且随vi的增大而增大，结果VBO减小，VBEQ减小，所以，振荡振幅增大时，加在发射结上的偏置电压将自静态值向截止方向移动，导致放大器增益即环路增益进一步下降，从而进一步提高了振荡振幅的稳定性。,返回,第四章 正弦波振荡器,电容三点式 振荡电路,（a)共射极，发射极通过CE交流接地。反馈电压加到基极；,（b)共基极，基极通过CB交流接地。反馈电压加到射极；,发射极：为两同性质的容性电抗，集-基：感性电抗。相位组成法则满足。,返回,第四章 正弦波振荡器,振荡频率的分析计算,返回,用小信号Y参数等效电路等效,C1=Coe+C1C1,C2=Cie+C2C2,回路线圈的损耗及负载用 等效,令Z中的虚部X=0得到谐振频率为：,osc 与L、C有关，还与 gie、goe、gL 等有关，且 osc 0。实际电路中，一般满足：,osc 0=,即振荡频率主要由谐振回路的总电感和总电容决定，即有：,第四章 正弦波振荡器,起振幅值条件分析,返回,1、反馈系数F为：,谐振时:,谐振回路谐振时可以估算出放大器的电压放大倍数：,要起振，须有：,若选用振荡管，其 fT 大于振荡频率 5 倍以上，RL 又不太小(1 k)，且 n(两电容)取值适中，一般都满足起振条件。,增大F(=n)，k2gie 增大必将造成 Av(0)减小；反之，减小F，虽然提高 Av(0)，但也不能增大回路增益 T(0)。因此，要增大 T(0)，n 取值应适中。（n=35),提高 ICQ，可以增大 gm，从而提高 Av(0)，但不宜过大，否则，gie(1/re=gm/)会过大，回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取(1 5)mA。,其中n2gie 为gie折合到放大器输出端的等效电阻,而折合系数,第四章 正弦波振荡器,2.电感三点式振荡器电路及其振荡频率等的分析,两种三点式电路的比较,+vbe-,+vce-,令Z中的虚部X=0得到谐振频率为：,反馈系数：,起振时的gm应满足：,条件与电容反馈振荡器相同！,其他形式的电感三点式振荡电路,第四章 正弦波振荡器,电感三点式振荡器电路,(1)电路与元件作用,(2)组成法则判断,反馈电压取自 C 和L2组成的分压器,返回,第四章 正弦波振荡器,两种基本三点式振荡电路比较,1、电容三点式振荡电路的反馈电压取自反馈电容C2，而电容对高次谐波频率呈低阻抗，因此因晶体管的非线性而产生的反馈电压中的高次谐波可滤去，从而输出波形好，接近于正弦波。另外，晶体管的极间电容、分布电容和回路电容并联，它可以作为谐振回路的一部分，只要增加回路电容就可以减少它们对振荡频率的影响，从而提高频率稳定度，有时可直接利用晶体管的输出、输入电容与回路电感构成振荡电路，这样可以得到较高频率的振荡。缺点：作为波段振荡电路调整频率较困难，当调节C1或C2时，会改变反馈系数，影响起振和波形。2、电感三点式振荡电路的反馈电压取自反馈电感L2，它对高频呈高阻抗，不易滤去高次谐波，故波形不理想。此外，分布电容和晶体管的极间电容直接并接在反馈线圈上，会影响反馈系数，改变回路的特性，频率越高影响越严重，当频率高到分布电容和极间电容起主要作用时，会不满足相位平衡条件从而造成停振，故适用于工作频率不太高的场合，一般几十MHz。优点：可作波段振荡器，调节回路电容能比较方便地改变振荡频率，L1、L2间存在互感，起振容易。,返回,（1）两种线路都简单，容易起振。,（2）电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，工作频率可以较高。,（3）电容反馈振荡器的输出波形好 电感反馈振荡器的输出波形差。,综上，由于电容反馈振荡器具有工作频率高、波形好等优点，在许多场合得到了应用。,四、用工程估算法求起振条件(可大大简化起振条件的分析),第四章 正弦波振荡器,1.将闭合环路开断，画出开环等效电路。,2.求出固有谐振频率，并令,3.将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。,例1：判断图示交流通路能否满足相位平衡条件？,解：若 L、C3 串联支路呈感性，则符合相位平衡条件。,该支路谐振频率，当 3 时，L、C3 串联支路呈感性。,4.4 振荡器的频率稳定性分析,一、频率稳定的重要性,第四章 正弦波振荡器,振荡器的频率稳定度是振荡器的一个重要性能指标。,1、各种无线电设备的性能稳定与振荡器的频率稳定度有着极为 密切的关系。（发射：载波；接收端：本地振荡信号）,2、多路通信中发射频率的稳定度决定着所占频带的宽窄，从而 决确定了通信的路数和抗干扰能力的强弱。(稳定度达不到要求可能会使通信中断）,3、通信系统中的频率稳定度是能否正常通信的关键。（稳定度达不到要求可能会使通信中断）,4、各种测量仪器的频率稳定度决定了测量的误差大小。,5、数字频率计中，振荡频率的稳定度决定了时间标准的精确度。,频率准确度和稳定度,二、频率准确度和稳定度,第四章 正弦波振荡器,振荡频率的稳定性常用频率准确度和稳定度两个指标来衡量。,绝对频率准确度，又称绝对频偏：,相对频率准确度，又称相对频偏：,频率稳定度：,是表明在一定时间内或一定温度、电源电压等变化范围内的相对频率变化量,按时间长短分,长期频率稳定度：一天数月内的相对频率变化量。,短期频率稳定度：一天内的相对频率变化量。,瞬时频率稳定度：1s或1ms或1ns内因干扰或起伏噪声引起的相对频率变化量,（主要用来评价天文台或国家计量单位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标，它主要取决于有源器件、电路原件、晶体管等的老化特性）,主要用来评价通讯和测量仪器中振荡器的频率稳定指标。主要与温度、电源电压变化和电路参数不稳定等因素有关。外界因素引起的频率变化大都属于此类。,频率稳定度的表示方法：,频率准确度（频偏）,实际应用时，采用概率统计的方法来衡量频率的稳定性，用频率偏移的均方根值作为衡量指标。,其中：,数值越小，频率稳定度越高！,三、LC振荡电路的频率稳定性分析,第四章 正弦波振荡器,振荡频率决定于相位平衡条件。若相位平衡条件在平衡点稳定，则振荡器频率就稳定，即要求：,即要求谐振系统的相频特性为负斜率特性，且 值越大，频率稳定性越高，即要求相频特性在 附近越陡越好，另外若要相频特性曲线陡，就需要谐振系统的品质因数要高。,外界温度等变化会引起：L、C变；晶体管参数变；（电源电压变会引起工作点变，从而导致频率变；机械振动会引起LC元件发生变形，造成频率变）从而造成频率变。,对LC电容三点式振荡电路的实际振荡角频率：,在实际电路中一般都满足：,工程估算时：,反馈型振荡电路的稳频措施,四、LC反馈型振荡器的稳频措施,第四章 正弦波振荡器,1、减少外界因素变化对频率稳定度的影响,2、提高谐振回路的标准性,3、选择合适的振荡管,4、振荡器的振荡频率尽量靠近谐振回路的频率,1、减少温度的影响：将振荡器置于恒温槽内,2、稳定电源电压：采用高稳定度的稳压电源单独供电,3、消除机械振动对振荡频率的影响：采用减震装置、加锁装置,4、采用密封工艺减少温度和气压的变化对频率稳定度的影响,5、采用屏蔽罩消除磁场感应对频率的影响,6、在振荡器与不稳负载间加缓冲级电路,1、采用高稳定和高Q的电抗元件L、C,2、改进电路（消除 Coe、Cie 等杂散电容的影响）,3、就近接地，引线短，焊接牢固，消除引线电感和分布 电容的影响,选择高Q，高fT的管子（一般场效应管和集成运放的稳定性好些）,（因为在 附近相频特性陡些）,串联改进型电容三点式振荡电路：Clapp电路,则得到振荡电路的振荡频率为：,并联改进型电容三点式振荡电路,第三章 正弦波振荡器,而电压反馈系数:,若回路L两端的等效负载RL，折合到集电极回路作为集电极负载,克拉泼电路的一个主要缺点是波段范围不宽,波段覆盖倍数小,一般约为1.21.3,另外波段内输出幅度（随RL变)不均匀,不易起振。,回路总电容主要由C3决定，极间电容对总电容的影响很小!,C1、C2不能过大，否则停振,并联改进型电容三点式振荡电路：Shelle电路,则得到振荡电路的振荡频率为：,石英晶体振荡电路,第三章 正弦波振荡器,所以在波段内振幅比较稳定,且调谐范围比较宽,实际中西勒振荡电路常用于宽波段工作系统中。,改变频率主要是通过调整C4完成的！,（1）C4的改变并不影响接入系数 n，波段内输出幅度较平稳。,（2）C4改变，频率变化较明显，故频率覆盖系数较大，可达1.6 1.8。,4.5 石英晶体(Quartz-Crystal)振荡电路,第四章 正弦波振荡器,LC振荡电路的频率稳定性决定于谐振回路的Q值和回路的标准性，实际上其频率稳定度为102104，很难到达105。而石英晶体振荡器其频率稳定度很容易做到105，采取一定措施可达到107109，甚至1011，因而它在电子设备中得到广泛应用。,石英晶体振荡器：是利用石英谐振器（利用石英晶体的压电效应制成的机与电相互转换的谐振系统）作为谐振系统的振荡电路。,压电效应：就是当石英晶体沿某一电轴受到交变电场的作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反之，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场，石英晶体存在固有频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相符时，晶体片就能产生谐振。,石英晶体的化学成分是SiO2，形状为结晶六棱锥体。这种晶体的导电性能与金属导电性能不同，它与晶格方向有关。专门用于基频振动的晶体称为基音晶体，专门用于泛音振动的晶体称为泛音晶体。,石英晶体的电路符号及等效电路,不同用途对频率稳定度的要求不一样：,一石英晶体的性能与等效电路,第四章 正弦波振荡器,(1)性能,晶片有一固有振动频率，与切割方位、形状、大小有关，且十分稳定。,将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频率，能有效地控制和稳定振荡频率。,压电效应：机械与电的相互转换效应。,正压电效应：外加力，产生电荷现象。,逆压电效应：外加电压，产生机械振动现象。,振动特性,具有多谐性，除基频振动外还有奇次谐波的泛音振动。,(2)等效电路,包括泛音在内的等效电路,谐振频率附近的等效电路,C0：静态电容，Cq:基频等效电容，Lq:等效电感，rq:等效电阻，一般Lq很大，Cq值很小，Q值可达百万(106)量级，rq不大。,国产B45 1MHz中等精度晶体的等效参数如下：Lq=4.00H，Cq=0.0063pF，rq100200，Co=23 pF。因而晶体的品质因数Qq很大，一般为几万至几百万,（12 50025 000）,第四章 正弦波振荡器,二、石英晶体的电路符号及等效电路、阻抗特性,串联谐振频率：,并联谐振频率：,石英晶体电路类型,石英晶体的两个自然谐振频率：,一般=(0.002-0.003),在 foq 上 Xe=0，为串联谐振；在 f0 上 Xe，为并联谐振。,工作于 foq fo 之间为高 Q 电感，并联谐振。,工作于 foq附近为串联谐振，晶体相当于短路。,晶振体只能工作于上述两种方式，否则频稳度下降。,与有源器件的接入系数 n很小一般为103 10 4。,等效接入系数,三、石英晶体振荡电路,第四章 正弦波振荡器,石英晶体振荡电路分为两类：,1、并联型晶体振荡电路：,并联谐振频率f 0L近似为：,晶体支路等效为电感，振荡电路的谐振频率往往由晶体外的电容来确定。,其中CL 晶体外的总电容,2、串联型晶体振荡电路：,串联谐振频率f 0近似为：,晶体工作在其串联谐振频率上，晶体作为一个高选择性的短路元件或小电阻来使用。,RC振荡电路,泛音晶体振荡电路振荡电路,一般产品说明书上都标有负载电容的数值，通常约为30-50pF，如JA5小型金属壳高频晶体的为30pF。,第四章 正弦波振荡器,皮尔斯晶体振荡电路（Pierce ocsillators）,另外一种皮尔斯振荡电路,图为典型的并联晶体振荡器,晶体接在集电极与基极之间,振荡器工作频率为f,且有fqffp,晶体呈电感性,相当于Clapp电路.,C1,C2既是谐振回路的一部分,又构成反馈回路.C3即作为减弱晶体管与晶体间的藕合电容,也作为振荡频率的微调电容.,由于Co+CLCq，故晶体管与晶体振荡回路之间的藕合很松，减少了电路不稳定因素对晶体振荡回路的影响，提高了振荡回路的稳定性.,等效接入系数,第四章 正弦波振荡器,皮尔斯晶体振荡电路（Pierce ocsillators）续,返回,另外弥勒振荡电路,交流等效电路,其适宜的工作频率范围为0.85 15 MHz。,第四章 正弦波振荡器,密勒(Miler)振荡器Millor Oscillator,返回,由于晶体与晶体管的低输入阻抗并联，降低了有载品质因数 QL，故密勒振荡器的频率稳定度较低。,由于皮尔斯振荡器的频稳度比密勒振荡器高，故实际应用的晶体振荡器大多为皮尔斯振荡器，在频率较高时可以采用泛音晶体构成。,2、串联型晶体振荡电路(SERIES CRYSTAL OSCILLATORS),第四章 正弦波振荡器,返回,另外串联型晶体振荡电路,当 f=foq 时，晶体串联谐振，等效为短路元件，电路满足相位条件，且反馈最强，满足起振条件。,f foq 时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振幅和相位起振条件。,因此这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。,不需要外加负载电容CL。,通常这种晶体标明其负载电容为无穷大。,在实际制作中，若fq有小的误差，则可以通过回路调谐来微调。,串联型晶体振荡器能适应高次泛音工作。,这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点间，通常在反馈电路中。,串联型晶体振荡电路续,第四章 正弦波振荡器,返回,补充说明：,通常这种晶体标明其负载电容为无穷大。,不需要外加负载电容CL。,在实际制作中，若fq有小的误差，则可以通过回路调谐来微调。,串联型晶体振荡器能适应高次泛音工作。,这是由于晶体只起到控制频率的作用，对回路没有影响，只要电路能正常工作，输出幅度就不受晶体控制。,四、泛音晶体(利用其谐波的晶体）振荡电路,第四章 正弦波振荡器,由于晶体的多谐性，在晶体振荡电路中还应考虑对奇次谐波的滤除问题。一般来说，谐波频率较高，晶体谐波支路的Cqn较小，放大器的放大倍数也随频率的增大而减小，因此在这些频率上，振荡电路的幅频条件不易满足，电路不易产生振荡。,泛音晶体皮尔斯振荡器,交流等效电路,原理分析：,设取五次泛音，标称频率为5 MHz。,（a）对五次泛音，LC1 呈容性，满足电容三点式；,（b）对基音、三次泛音，LC1 呈感性，不满足组成法则；,（c）对高于七次以上泛音，使放大器增益减小，振荡器停振。,为抑制基音和三次泛音的寄生振荡，L、C1 应调谐在三次和五次泛音之间，例如 3.5 MHz。,一般为3、5、7次泛音。,5,3.5,1,4.6 反馈型RC振荡电路分析,第四章 正弦波振荡器,正弦波振荡器的滤波电路除了采用LC回路外，还可以由RC谐振回路（RC导前和滞后网络、RC串并联网络）来构成。通常称这类反馈型振荡器为RC振荡器。与LC振荡电路相比，它具有的特点是：不需有损耗的电感元件，可减少体积重量；选择性和稳定性不太理想；振荡频率较低。,具体的RC振荡电路,第四章 正弦波振荡器,RC串并联网络,RC移相网络,4.6*振荡器的负阻特性及其负阻振荡器,第四章 正弦波振荡器,一、负阻元件的特性,所谓负阻元件，就是指其交流特性在特定的区域内具有交流负阻的功能的元件。,所谓负阻只是以工作点为中心的交流电阻所具有的特性，如以瞬时电压和电流来看，它的电阻仍是正的。,二、负阻振荡电路,第四章 正弦波振荡器,4.7 振荡频率可调的压控振荡器,第四章 正弦波振荡器,一、压控振荡器的概念：,压控振荡器属于振荡频率自动可调的振荡器电路，它往往作为自动装置的一种基本单元电路。,二、压控振荡电路：,变容二极管,振荡器中的几种现象,UB,+UBE _,+UE _,2 当起振后,如果Re Ce值比较大（即Re Ce充电比较缓慢）,当振荡平衡以后UBE值仍然会稍有下降,从而有：,防止间歇振荡的方法:可以把Ce,Re的值适当选小些,使偏压的变化能跟得上Ub的变化,第四章 正弦波振荡器,二,频率拖曳现象,a,d,c,当02由大于c点对应的频率而减少时,以沿cd曲线下降,到达d点后又摆脱02的影响而跳变到a点,使=01,第四章 正弦波振荡器,三,振荡器的占据现象,第四章 正弦波振荡器,习题,第四章 正弦波振荡器,P101(4-2),P102(4-2),第四章 正弦波振荡器,第四章 正弦波振荡器,P102(4-5),P102103(4-6),第四章 正弦波振荡器,P103(4-7),第四章 正弦波振荡器,P105(4-13),第四章 正弦波振荡器,P105(4-17),第四章 正弦波振荡器,