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第4章正弦振荡
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- 2. 第4章 正弦波振荡器 1.概述 2.反馈振荡原理 3. LC振荡器 4.晶体振荡器 第4章 正弦波振荡器
- 3. 第4章 正弦波振荡器 反馈振荡器 按振荡原理分类 负阻振荡器 低频振荡器 按振荡频率分类 高频振荡器 4.1 概述 振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为 一定波形的交流振荡信号能量的转换电路。它与放 大器的区别在于：无需外加激励信号，就能产生具 有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。 正弦波振荡器 按振荡波形分类 非正弦波振荡器（多谐振荡器等）
- 4. 第4章 正弦波振荡器 LC 振荡器 按选频回路元件性能分类RC 振荡器 晶体振荡器等 频率的稳定性越来越高
- 5. 第4章 正弦波振荡器 1.并联谐振回路中的自由振荡现象 Us 1 2 S £« £- uc £« £- uL iLiR £« £- uR Re0 ic t<0，S接1；t≥0，S接2。 CRLC teUtu e at sc 0 0 0 2 1 , 1 cos)( 0, 0 ( ) , c L R c L c L i i i t du di i t c u L dt dt 是角频率为ω0，振幅 按指数规律衰减的振 荡电压。 c L R u u u 4.2 反馈型正弦波自激振荡器基本原理
- 6. 第4章 正弦波振荡器 uc(t) 0 t e£-t CRLC teUtu e at sc 0 0 0 2 1 , 1 cos)( 要得到等幅振荡，应使α=0 （1）再并上一负阻 用器件构成负阻，如用隧 道二极管等。 Us 12 S £« £- uc £« £- uL iL iR £« £- uR Re0 ic （2）利用正反 馈补充能量
- 7. 第4章 正弦波振荡器 在刚接通电源时，电路中存在各 种电扰动，如接通电源瞬间引起的 电流突变，电路中的热噪声等等， 这些扰动均具有很宽的频谱。 如果选频网络是由ＬＣ并联谐振回路组成， 则 其中只有角频率为谐振角频率ω0的扰动分量才能通 过反馈产生较大的反馈电压。 )0(0,1 ttdtt 当且 1)( dtetF tj 2. 反馈振荡的建立和振荡条件
- 8. 第4章 正弦波振荡器 o f i o u u F u u K , 1FK 起振条件： 反馈必须是正反馈，即反馈到输入端的反馈电压必须 与输入电压同相（用瞬时极性法判断）。 iif uuKFu 起振时
- 9. 第4章 正弦波振荡器 3.平衡过程与平衡条件 随着振幅的增大， 放大器逐渐由放大 区进入饱和区或截止区，电流波形出现切 顶现象，但由于谐振回路的选频特性，电 压仍为余弦波形，但基本不再增加。振荡 建立过程结束，波形稳定下来。 平衡条件 1FK Σφ=φK(ω0) +φF(ω0) =2nπ (n=０, １, ２, …) 振幅平衡条件 1KF 相位平衡条件 注：F有一定的相移，为保证正反馈，谐振回路有一些失谐。
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- 11. 第4章 正弦波振荡器 （2）相位平衡的稳定条件 相位稳定条件的意义:指当相位平衡条件遭到破坏 时，电路本身能自动地重新建立起相位平衡点的条件。 由谐振回路保证 0|0 ff df d dt d 相位变化时，频率也变化，故相位稳定条 件也是频率稳定条件。 相位稳定条件：
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- 13. 第4章 正弦波振荡器 三点式振荡器是指ＬＣ回路的 三个端点与晶体管的三个电极分 别连接而组成的一种振荡器。 4.3三点式LC振荡器 4.3.3相位条件判断 电路组成法则 假定 （1）不考虑晶体管的电抗效应； （2）ＬＣ回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为 Ｘce，Ｘbe和Ｘbc； （3）在谐振时，I>>Ib，I>>Ic 当回路谐振（ω＝ω0）时,回路呈 纯阻性， 有 Ｘbe＋Ｘce+Ｘbc＝0 ce be ce be o f X X IjX IjX U U 0 ce be X X 电容三点式 电感三点式 Χbe与Χce必须是同性质电抗，Xbc必须是与它们异性质 的电抗。 Ｘbc＝—（Ｘbe+Ｘce） 射同集（基）反
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- 15. 第4章 正弦波振荡器 iifuuKFu 起振时 1FK 起振条件： 平衡条件 1FK 0| 1 F Kdu dK 0| 0 ff df d相位稳 定条件振幅稳定条件
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- 17. 第4章 正弦波振荡器 三点式振荡器是指ＬＣ回路的 三个端点与晶体管的三个电极分 别连接而组成的一种振荡器。 4.3三点式LC振荡器 4.3.3相位条件判断 电路组成法则 假定 （1）不考虑晶体管的电抗效应； （2）ＬＣ回路由纯电抗元件组成，其电抗值分别为 Ｘce，Ｘbe和Ｘbc； （3）在谐振时，I>>Ib，I>>Ic 当回路谐振（ω＝ω0）时,回路呈 纯阻性， 有 Ｘbe＋Ｘce+Ｘbc＝0 ce be ce be o f X X IjX IjX U U 0 ce be X X 电容三点式 电感三点式 Χbe与Χce必须是同性质电抗，Xbc必须是与它们异性质 的电抗。 Ｘbc＝—（Ｘbe+Ｘce） 射同集（基）反
- 18. 第4章 正弦波振荡器 Χbe与Χce必须是同性质电抗，Xbc必 须是与它们异性质的电抗。 )2/(1 ),2/(1 222 111 CLf CLf )2/(1333 CLf 对三点式振荡器，可以用“瞬时极性法”通过反馈确定 是否满足相位条件外，还可用“射同集（基）反”判断 是否满足相位条件（更容易）。
- 19. 第4章 正弦波振荡器 其他电容是高频旁路电容 和耦合电容，对高频振荡 信号, 可近似为短路。ZL 是扼流圈，对高频开路。 4.3.1电容三点式振荡器 图中Ｃ1、Ｃ2是回路电 容, Ｌ是回路电感。 交流 简化 电路
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- 21. 第4章 正弦波振荡器 4.3.2电感三点式振荡器 交流 简化 电路 e e
- 22. 第4章 正弦波振荡器 1 2 L L u u F o f 特点： 1. 用改变电容的方法来调整频率，不会影响反馈系数。 2.反馈电压取自电感L2，而电感线圈对高次谐波呈现 高阻抗，反馈电压中高频分量较多，输出波形差。另 外，在频率高时，分布电容的影响明显。 F F A ： 振幅起振条件
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- 27. 第4章 正弦波振荡器 LC LC 1 1 0 特点1：在条件满足时，ω0 仅与L、C有关，提高了频率 稳定度。 Ｃ<<Ｃ1, Ｃ<<Ｃ2 C CCC C 21 111 1 4.4.1串联改进型电容三点式振荡器 （克拉泼电路）
- 28. 第4章 正弦波振荡器 晶体 管 CB 两端与回路 ＡＢ两端之 间的接入系 数为n1 21 21 21 1 111 11 C C C C CCC CC n RL 折 算 到 CB两端后为 LLL RRnR 2 1 特点2： C1、C2取值越大， 或C越小，RL’也越小，不 易起振。 特点3：由于RL’随ω0变化过快，不 适宜做成频率可调的波段振荡器。 LC 1 0 LQRL 04 0 1
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- 31. 第4章 正弦波振荡器 LCLC 11 0 特点1：在条件满足时， ω0仅与L、C有关，提 高了频率稳定度。 Ｃ<<Ｃ1,Ｃ <<Ｃ2 4.4.1串联改进型 （克拉泼电路） 特点2： C1、C2取值越大， 或C越小，RL’也越小，不易 起振。 特点3：由于RL’随ω0变化过快，不 适宜做成频率可调的波段振荡器。 LLL RRnR 2 1 LQRL 04 0 1 21 1 C C C C n
- 32. 第4章 正弦波振荡器 西勒电路是在克拉泼电路基础上, 在电感Ｌ两端并联一 个电容Ｃ,仍满足Ｃ1 、Ｃ2>>Ｃ3 Ｃ1 、Ｃ2>>Ｃ 4.4.2并联改进型电容三点式振荡器（西勒电路） )( 11 3 0 CCLLC 特点1：在条件满足时，ω0仅与L、C3、C有关， 提高了频率稳定度。
- 33. 第4章 正弦波振荡器 晶体管CB两端与回路ＡＢ两端之 间的接入系数 n1同克拉泼电路。 2 3 1 3 1 C C C C n 特点2： C1、C2取值越大，或C3越小，RL ’也越 小，不易起振。 特点3：当改变C调整振荡频率时，RL’变化不剧 烈，适宜做成频率可调的波段振荡器。 LLL RRnR 2 1 LQnRL 0 2 1
- 34. 第4章 正弦波振荡器 例.振荡电路如图所示：（１）画出交流简化 电路；（２）如f o= 40MHz，求Ｌ值。
- 35. 第4章 正弦波振荡器 衡量实际振荡频率ｆ相对于标称振荡频率ｆ0变化 的程度，提出了频率稳定度这一性能指标。 4.5 振荡器的频率稳定问题 1.频率稳定度定义 根据测试时间的长短， 将频率稳定度分成长期频 稳度、 短期频稳度和瞬时频稳度三种，测试时间分别 为一天以上、一天以内和一秒以内。 长期频稳度主要取决于元器件的老化特性，短期 频稳度主要取决于电源电压和环境温度的变化以及电 路参数的变化等等，而瞬时频稳度则与元器件的内部 噪声有关。
- 36. 第4章 正弦波振荡器 （1） 减小外界因素变化的影响。 2.提高LC振荡器频率稳定度的措施 （2）提高回路的标准性（外界因素变化时, 振荡回路 保持其谐振频率不变的能力）, 选取合理的电路形式。 A. 采用温度系数小或温度系数相反的电抗元件组成 回路。 B. 注意选择回路与器件、负载之间的接入系数。 4.5 振荡器的频率稳定问题
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- 38. 第4章 正弦波振荡器 4.6石英晶体谐振器 4.6.1 石英晶体的压电效应及等效电路 受到压力，特定表面会出现电荷，正压电效应； 受到电场，特定方向会出现形变，逆压电效应。 1880，皮埃尔·居里发现石英压电现象。 1905—1909，意大利人乔治成功培育人工水晶。 1990，个人电脑、移动电话及车用导航系统对石英 的需求大幅增长。 1922，美国人发明晶振。 1969，首款石英手表发售。 1980，录放机、个人电脑使石英大放异彩。
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- 41. 第4章 正弦波振荡器 qq s CL f 2 1 0 0 0 0 2 1 C CC f CC CC L f q s q q q p fp与fs间隔很小 极陡的电抗特性曲线说明对频率有 极灵敏的补偿能力。 串联谐振：并联谐振： 00 0 2 11 C C f C C ffCC q s q spq
- 42. 第4章 正弦波振荡器4.6.4 石英谐振器频率稳定度高的原因 （1）石英晶体的物理性质和化学性质很稳定，等效 电路参数很稳定，受外界影响小。 （2）Q值高。 C0：１pF～１０ｐF； Cq：10-4pF～10-1pF； Lq：10-3H～102H； rq约几十欧到几百欧 5 10Q q q q qqq q q q C L r CLr L r L Q 1
- 43. 第4章 正弦波振荡器 很小 o q C C n oqCC oq q CC C n 接入系数 C0：１pF ～１０ｐF； Cq：10-4pF～10-1pF； （3）外电路对晶体谐振器的影响小，有利于提高频率 稳定性。
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- 46. 第4章 正弦波振荡器 4.7.2串联型晶振电路 晶体等效为短路元件，使电路只在 串联谐振频率附近，构成正反馈。
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- 49. 第4章 正弦波振荡器 判断下图所示各反馈振荡电路能否正常工作。 其中 （ａ）、（ｂ）是交流等效电路,（ｃ）是实用电路。 Re2 V2 C L Re1 (a) Re1 V1 Rc1 L C Re2 V2 Rc2 (b) Re2 Re1Rb2 Cb Ce1 V1 L C Re3 Ce2 R1 Re4 V2 Rb1 Rc1 Rc2 UCC (c) V1 由两级共射反馈 电路组成。 由共基—共集两 级反馈组成。
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- 52. 第4章 正弦波振荡器 2 2 2 1 n R R u u R L LL LL R u R u 2 2 2 1 21 1 12 2 1 2 11 1 CC C CC C u u n 若外接端的阻抗远 大于1/ωC2(即可忽 略RL的分流） 电阻RL在变换前后， 消耗功率相等