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第4章 LC 正弦波振荡器 - PowerPoint PPT Presentation


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第4章 LC 正弦波振荡器. 无线电广播发送系统 框图. 超外差式接收机 框图. 第四章主要教学内容. 了解反馈型正弦波振荡器的基本原理 ; (4 .1 节、4 .2 节 ) 分析讨论 LC 三点式振荡器的工作原理及不同类型电路的组成及特性; (4 .3 节、4 .4 节 ) 了解 振荡器的频率稳定问题; (4 .5 节 ) 讨论 石英晶体谐振器的特性及石英晶体振荡器电路。 (4 .6 节、4 .7 节 ). 教学重点. LC 三点式振荡器的工作原理及相位判断条件 不同类型振荡器电路的组成及特性; 考毕兹振荡器 克拉泼振荡器 西勒振荡器 石英晶体谐振器的特性.

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Presentation Transcript
第4章LC正弦波振荡器




第四章主要教学内容

  • 了解反馈型正弦波振荡器的基本原理;(4.1节、4.2节)

  • 分析讨论LC三点式振荡器的工作原理及不同类型电路的组成及特性;(4.3节、4.4节)

  • 了解振荡器的频率稳定问题;(4.5节)

  • 讨论石英晶体谐振器的特性及石英晶体振荡器电路。(4.6节、4.7节)


教学重点

  • LC三点式振荡器的工作原理及相位判断条件

  • 不同类型振荡器电路的组成及特性;

    • 考毕兹振荡器

    • 克拉泼振荡器

    • 西勒振荡器

  • 石英晶体谐振器的特性


教学难点

  • LC三点式振荡器的相位判断条件

  • 不同类型振荡器电路的组成及特性;

    • 考毕兹振荡器

    • 克拉泼振荡器

    • 西勒振荡器

  • 石英晶体谐振器的特性


课时分配

总计7学时,其中:

  • 反馈型正弦波振荡器的基本原理——1学时

  • 四种LC三点式振荡器的工作原理——4学时

  • 振荡器的频率稳定及石英晶体谐振器的特性及石英晶体振荡器电路——2学时


4.1 概述

振荡器——一种能量转换器。

不需外加信号激励,自动将直流能量变换为周 期性交变能量的装置。

分类

  • 根据振荡器的特性——反馈式和负阻式

  • 根据振荡器的输出波形——正弦波和非正弦波

  • 根据选频网络

    • RC振荡器

    • LC振荡器

    • 晶体振荡器

    • 压控振荡器(VCO)

    • 压控晶体振荡器(VCXO)

    • 集成振荡器

    • 开关电容振荡器


  • RC串并联网络振荡器

  • 移相式振荡器

  • 双T型选频网络振荡器

正弦波振荡器分类

RC振荡器

互感耦合振荡器

三点式振荡器

(LC振荡器)

石英晶体振荡器

陶瓷振子振荡器

电感反馈振荡器(哈特莱振荡器)

  • 基本型(考毕兹振荡器)

  • 串联改进型(克拉泼振荡器)

  • 并联改进型(西勒振荡器)

  • 电容反馈

  • 串联型晶体振荡器

  • 皮尔斯振荡器(电容三点式)

  • 密勒振荡器(电感三点式)

  • 泛音振荡器

并联型


基本构成

  • 一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络

  • 一个在规定频段内具有能量变换(或放大)作用的换能机构(有源器件--放大器)

  • 一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路

  • 一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件

    性能指标

  • 振荡频率或振荡频率范围

  • 振荡频率准确度

  • 振荡频率稳定度

  • 振荡幅度大小及振幅稳定度


应用

  • 无线电发射机用它产生载波信号

  • 超外差接收机用它产生本地振荡信号

  • 各种电子测量设备和计时仪表用它产生频率(或时间)基准信号

  • ……


一、反馈振荡器基本原理二、互感耦合反馈振荡器基本原理三、振荡器稳定条件

4.2 反馈型正弦波自激振荡器


+

+

一、反馈振荡器基本原理

振荡平衡条件

相位平衡条件

起振条件



三、振荡器稳定条件

  • 平衡:

    • 稳定平衡

      • 在某种因素的作用下,使振荡器的平衡条件遭到破坏时,它能在原平衡点附近重建新的平衡状态,一旦外因消除后,它能自动地恢复到原来的平衡状态。

    • 不稳定平衡


振荡器稳定条件

  • 包括:

    • 振幅稳定条件

      • 研究由于某种因素的作用暂时破坏了振幅条件,当外因消除后,振荡能否自动恢复到原来的平衡状态

    • 相位稳定条件

      • 研究由于电路中的扰动暂时破坏了相位条件使振荡频率发生变化,当扰动离去后,振荡能否自动稳定在原有频率上



(1)在平衡点,若K曲线斜率是负的,即

振幅稳定条件

  • 则满足稳定条件

  • (2)若K曲线斜率为正,则不能满足稳定条件



相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

相位稳定条件

书上表4-1(P80)


4 3 lc
4.3 三点式相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即LC振荡器

概述

一、LC振荡器相位平衡条件的判断准则 (4.3.3)

二、电感反馈三点式电路(哈特莱电路) (4.3.2)

三、电容三点式振荡器(考毕兹电路) (4.3.1)

四、串联改进型电容反馈三点式电路(克拉泼电路) (4.4.1)

五、并联改进型电容反馈三点式电路(西勒电路) (4.4.2)

六、几种三点式振荡器的比较(4.4.3)


概述相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

  • 三点式振荡器(LC振荡器)

    • LC回路引出三个端点,分别与晶体管的三个电极相连的振荡器

  • 分类

    • 电感反馈振荡器(哈特莱(Hartley)振荡器)

    • 电容反馈振荡器

      • 基本型(考毕兹(Colpitts)振荡器)

      • 串联改进型(克拉泼(clapp)振荡器)

      • 并联改进型(西勒(shelle)振荡器)


+相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

+

+

-

-

-

一、构成三点式振荡器的原则(相位判断依据)


+相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

+

+

-

-

-

因振荡频率十分接近于谐振频率

因Uo与Ui倒相,Uf必须与Uo反相才能满足相位条件,而

相位判断依据

Xbe与Xce必须性质相同, Xcb与Xce、 Xbe必须性质相反


二、电感三点式振荡器(哈特莱电路)相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即


1、相位平衡条件分析相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即


1/(相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即hoe+G0)

hie

hfe Ib

2、振荡频率分析

根据基尔霍夫定律,可得到三个回路方程


系数行列式虚部为零,得到相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即振荡频率

***振荡频率比谐振回路的谐振频率略低一点,RS、Ri越小耦合越松,振荡频率偏低越明显。


,G相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即0为c、e回路的谐振阻抗

其中

3、起振条件

令系数行列式的实部为零,得到振荡平衡条件

起振条件


4、振荡器特点相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

  • 优点:

    • 易起振;

    • 只用一只可变电容就可容易地调节频率,调整时反馈系数基本不变。

  • 缺点:

    • 反馈取自电感,对高次谐波反馈强,振荡波形失真较大;

    • 由于分布参数的影响,振荡频率不高,一般只用于中、短波段。


三、电容三点式振荡器(考毕兹电路)相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即


1、相位平衡条件分析相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即


2、起振条件分析相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即


c相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

e

b


c相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

c

n2Ro

Ri/F2

C1+Co

C2+Ci

e

b

e


c相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

n2Ro

Ri/F2

C1+Co

C2+Ci

e

*通常F都选得较小,大约在0.01~0.5之间

起振条件的表达式

当F较小时,上式可近似写成


3、振荡频率分析相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

振荡器的振荡频率基本上等于谐振回路的谐振频率

***** 振荡频率比谐振回路的谐振频率略高一点, RS、Ri越小,振荡频率偏高越明显


4、振荡器特点相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

  • 优点:

    • 反馈取自电容,滤除高次谐波能力强,振荡波形失真较小;

    • 振荡频率较高,常用于甚高频以上波段。

  • 缺点:

    • 调频时反馈系数改变,不方便。


需要改进的地方相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即

  • 振荡频率不仅与谐振回路的LC元件有关,而且还与晶体管的内部参数有关

    频率稳定性不高

  • 改变C1C2以改变振荡频率时反馈系数改变


四、串联改进型电容反馈三点式振荡器(克拉泼电路四、串联改进型电容反馈三点式振荡器(克拉泼电路)


克拉泼振荡器的缺点四、串联改进型电容反馈三点式振荡器(克拉泼电路

  • C1、C2如过大,则振荡幅度太低

  • 振荡频率提高时,振荡幅度显著下降;到一定程度时可能停振

    限制了振荡频率的提高

  • 振荡幅度随频率增加而下降

    用作频率可调的振荡器时,在波段范围内幅度不平稳,频率覆盖系数(在频率可调的振荡器中,高端频率和低端频率之比为频率覆盖系数)不大,约为1.2—1.3。


五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


o五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


六、几种振荡器电路的比较五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

P88表4-2


分析实例五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

画出图中各振荡器的高频等效电路,说明它们属于哪种类型的振荡器,计算其振荡频率值。从电路构成形式上看,三种电路各有什么特点。


3.9PF五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


3.9PF五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

3.9PF

51PF


3.9PF五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

51PF

振荡频率为

51pF>8.2pF

→属于考毕兹回路


振荡频率范围为五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

1000pF>125pF

→属于克拉泼回路


振荡频率为五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

属于西勒回路


4.5 振荡器的频率稳定问题五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

  • 频率稳定度

    通常用绝对频率稳定度和相对频率稳定度两个稳定度指标来衡量。

    • 绝对频率稳定度 f o——在一定条件下实际振荡频率 f 与标准频率的偏差

    • 相对频率稳定度f o/ f o——在一定条件下实际振荡频率相对于标准频率变化的程度,简称频率稳定度


在一定时间范围内的频率稳定度五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

  • 长期稳定度(长稳)

    观测时间为一天以上的相对频率稳定度,是长时间的频率漂移。

    主要取决于有源器件、电路元件和石英晶体等老化特性,而与频率的瞬时变化无关。

    一般高精度的频率基准、时间基准(如天文观测台、国家计时台等)均采用长期频率稳定度来计量频率源的特性。

  • 中期稳定度(中稳)

    观测时间为一天以内的相对频率稳定度。

  • 短期稳定度(短稳)

    观测时间在一小时以内的相对频率稳定度。

    中稳、短稳主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定因素有关。

    大多数测量信号和通信设备均采用中稳、短稳来衡量。

  • 瞬时稳定度(秒级频率稳定度)

    用于衡量秒或毫秒时间内频率的随机变化,即频率的瞬间无规则变化,通常称振荡器的“相位抖动”或“相位噪声”。

    主要是振荡器内部噪声而引起的频率起伏。


LC五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)振荡器

普通信号发生器

中波广播台

短波通信机

电视发射台

标准信号发生器

原子钟频率标准

频率稳定度用10的负几次方表示,方次绝对值越大,稳定度越高


导致振荡频率不稳定的原因五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

  • 影响 fo(或 ωo)的主要因素

    各种环境因素如温度、湿度、大气压力、振动等因素对回路电感L和电容C的影响;

    晶体管或其它器件的输入、输出阻抗的变化;

    电路元件间分布电容的变化;

    负载电抗参数的变化。

  • 影响环路Q的主要因素

    器件输入、输出阻抗中的有功部分;

    负载电阻的变化;

    回路损耗电阻尤其是电抗元件的高频损耗,环路元器件的高频响应等。

  • 影响相位φn的因素

    反馈变压器的非理想电抗因素;

    晶体管的输入、输出阻抗;

    环路内各种噪声源引起的相差抖动等。


4、主要稳频措施五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

  • 减小外界因素变化的措施

  • 提高电路抗外界因素影响的能力


(1)减小外界因素变化的措施五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

机械振动:

线圈和电容应有较高的机械强度,底板和屏蔽罩必须坚实。所有元器件和接线都须焊接牢固。安装减震器,调谐回路加锁定装置等;

温度:

温度补偿法——用具有负温度系数的瓷介电容器,接入由普通的具有正温度系数的电感和电容组成的谐振回路;

温度隔离法——将振荡器或其主要部件放在恒温槽中

湿度和大气压力:

可将振荡器或其主要部件加以密封,还可采用吸潮性较小的介质和绝缘材料;


电源电压五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路):

采用稳定系数好的偏置电路,振荡器供电电源采用二次稳压振荡器单独供电;

周围磁场的影响:

采取屏蔽措施;

负载变化:

在振荡器与负载之间加缓冲器;在本级输出与下一级采取松耦合(加一个小电容);采取克拉泼电路或西勒电路;

老化:

预先将所用的元、器件老化处理,以减小它们在使用过程中由于老化而引起的参量漂移。


(2)五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)提高电路抗外界因素影响的能力

提高振荡回路在外界因素变化时保持谐振频率不变的能力:

  • 选择工作点稳定电路;

  • 采用高质量、优质材料的回路元件;

  • 减小分布电容和引线电感;

  • 提高回路的有效Q值(见书上P90),选择高品质因数的谐振回路(石英谐振器);

  • 选择回路与器件间的接入系数,选择合适的回路与负载间的耦合系数。

    减小相角及其变化量:

  • 减小集电极电流中的谐波含量,提高回路对高次谐波的滤波能力;

  • 相角补偿稳频法。


5. 考毕兹电路的频率稳定度五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


4.6 晶体振荡器五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

  • 一、石英晶体谐振器 (4.6)

    • 原理

    • 1、基本特性

    • 2、频率温度特性

    • 3、特点

  • 二、石英晶体振荡器 (4.7)

    • 1、并联晶振电路

      • 2、串联晶振电路


  • 一、石英晶体谐振器五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    • 石英晶体片的压电效应:

      按一定方位角切下的石英晶体薄片具有正、反压电效应: 当机械力作用于晶片时,晶片相对两侧将产生异号的电 荷;反之当在晶片两面加不同极性的电压时,晶片的几 何尺寸或形态将发生改变(机械振动——固有机械振动 频率)。

    • 谐振原理:

      当高频交流电压加于晶片两端时,晶片将随交变信号的 变化而产生机械振动。当其振荡频率与晶片固有振荡频 率相等时,就产生了谐振,机械振动最强,相应地晶片 表面产生的电荷量最大,外电路中电流也最大。——谐 振电路特性,谐振频率为固有机械振动频率。


    等效电路五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    1、石英晶体谐振器的基本特性

    符号

    • 其中:

      • Lq——动态电感,大体反映石英片的质量;

      • Cq——动态电容,反映其材料的弹性;

      • C0——切片与金属极板构成的静电电容,相当于以石英片 为介质、以两电极为极板的平板电容器的电容量和 支架电容、引线电容的总和;

      • rq——动态电阻,等效石英片产生机械形变时材料的能耗。


    阻抗特性五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    A、两个谐振频率

    串联谐振频率

    并联谐振频率

    两者关系——相隔很近


    B r q
    B、五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)电抗-频率曲线——不考虑rq

    等效阻抗(不计rq)


    C r q

    等效电阻五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)R

    等效电抗X

    C、电抗-频率特性——考虑rq

    两谐振频率的差值


    R五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    X

    R、X、β随ω的变化曲线


    2、石英晶体谐振器的频率温度特性五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


    3、石英晶体谐振器的特点五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    • 晶体的等效电感Lq特别大,等效电容Cq特别小,因而Q值非常高,一般为几万至几百万。在谐振频率(串联或并联谐振频率)附近,相频特性的斜率很大,对频率变化具有极灵敏的补偿能力,因而稳频能力很高。

    • 在一定的温度范围内,频率温度系数小。

    • C0>>Cq,使振荡频率基本上由Lq和Cq决定,外电路的接入系数(Cq/C0)非常小,对振荡频率的影响很小。

    • 主要缺点:单频性,每块晶片只能提供一个稳定的振荡频率,不能直接用于波段振荡器。


    二、石英晶体振荡器电路五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    • 由石英谐振器(石英晶体振子)构成的振荡电路,通常称晶振电路。

      • 并联晶振电路

        • 工作在晶体并联谐振频率附近,晶体起等效电感作用。

      • 串联晶振电路

        • 工作在晶体串联谐振频率附近,晶体起选频短路作用。


    1、并联晶振电路(皮尔斯电路)五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


    并联晶振电路实例五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


    负载电容五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    分析


    2、串联晶振电路五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


    串联晶振电路实例一五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


    电路五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


    串联晶振电路实例二五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


    五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    试画出满足下列几项要求的一个实用晶体振荡电路:

    • 采用NPN晶体管;

    • 晶体谐振器作为电感元件;

    • 晶体管c、e极之间为LC并联回路;

    • 晶体管发射极交流接地;基极采用分压电阻;

    • 直流供电电源极性为负(正端接地)。


    五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)


    第四章小结五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    • 电路接成正反馈时,产生正弦波振荡的条件是:

    • LC振荡电路的选频网络由L和C组成,其振荡频率一般与 成反比,通常fo可达百兆赫以上。

    • 常用的三点式LC振荡电路:电感三点式(哈特莱电路)、电容三点式(考毕兹电路)以及电容三点式改进型振荡电路(克拉泼电路、西勒电路)。

    • 石英晶体振荡器相当于一个高Q值的LC电路,其频率稳定度可达10-10-10-11的数量级。


    思考题五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)

    已知石英晶体振荡电路如图,

    • 试画出交流等效电路,并指出电路的振荡形式;

    • 若把晶体换为1MHz,该电路能否起振,为什么?

    • 求振荡器的振荡频率;

    • 指出该电路采用的稳频措施。