通信電子線路第四章第1～5節(jié).ppt

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1,第4章正弦波振蕩器,2,4.1概述4.2反饋型正弦波自激振蕩器基本原理4.3三點式LC振蕩器4.4改進(jìn)型電容三點式振蕩器4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定問題4.6石英晶體諧振器4.7石英晶體振蕩器電路4.8陶瓷振子和陶瓷振子電路4.9單片集成振蕩電路E1648,本章內(nèi)容,3,本章重點與難點,（一）本章重點1.振蕩器的種類及應(yīng)用；2.三點式振蕩器；3.改進(jìn)型電容三點式振蕩器，即克拉潑電路和西勒電路；4.振蕩器的頻率穩(wěn)定問題；5.壓電效應(yīng)，石英晶體諧振器；石英晶體振蕩器電路。（二）本章難點克拉潑電路和西勒電路,4,4.1概述,振蕩器是指在沒有外加信號作用下的一種自動將直流電源的能量變換為一定波形的交變振蕩能量的裝置。,5,一、正弦波振蕩器的應(yīng)用,1.在信息傳輸系統(tǒng)的各種發(fā)射機(jī)中，就是把主振器（振蕩器）所產(chǎn)生的載波，經(jīng)過放大、調(diào)制而把信息發(fā)射出去的。,6,一、正弦波振蕩器的應(yīng)用,2.在超外差式的各種接收機(jī)中，是由振蕩器產(chǎn)生一個“本地振蕩”信號，送入混頻器，才能將高頻信號變成中頻信號。,7,3.在研制、調(diào)測各類電子設(shè)備時，常常需要信號源和各種測量儀器，在這些儀器中大多包含有振蕩器。例如高頻信號發(fā)生器、音頻信號發(fā)生器、Q表以及各種數(shù)字式測量儀表等。4.在工業(yè)生產(chǎn)中的高頻加熱、超聲焊接以及電子醫(yī)療器械也都廣泛應(yīng)用振蕩器?？梢娬也ㄕ袷幤髟陔娮蛹夹g(shù)領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用。,8,1.“反饋式振蕩器”和“負(fù)阻式振蕩器”兩大類：從所采用的分析方法和振蕩器的特性來看，我們只討論反饋式振蕩器。2.RC振蕩器與LC振蕩器按選頻網(wǎng)絡(luò)（元件組成）來看3.正弦波振蕩器與非正弦波振蕩器按振蕩器所產(chǎn)生的波形來看本書只介紹LC正弦波振蕩器。主要討論正弦波振蕩器的基本原理。將詳細(xì)分析各種正弦波振蕩器的振蕩與穩(wěn)頻原理，并對幾種典型振蕩電路進(jìn)行分析。,二、振蕩器的種類,9,反饋放大器,振蕩的基本原理,開環(huán)增益K（或A）：,反饋系數(shù)：,閉環(huán)增益：,10,產(chǎn)生正弦波振蕩的條件,,,由放大到振蕩的示意框圖,,當(dāng)K接在1端時，；再將K接到2端，，要維持不變則必須使。,,,,11,事實上，自激振蕩器并不需要外部Ui激發(fā)。開關(guān)始終接在2端。只要接通電源，UO就會從無到有，逐漸增大，最后達(dá)到平衡，輸出穩(wěn)定的正弦波。整個過程實現(xiàn)由三個條件保證：,（1）起振條件,（2）平衡條件,（3）穩(wěn)定條件,12,要實現(xiàn)正弦波振蕩還有一個條件：整個環(huán)路中必須含有選頻網(wǎng)絡(luò)（LC選頻、RC選頻或石英晶體選頻），用來選出振蕩頻率。,13,起振條件,振幅起振條件：KF>1(使信號從無到有逐漸增大),相位起振條件：φK+φF=2nπ（正反饋）,14,平衡條件,起振后，為了防止輸出UO無限制的增大，整個環(huán)路必須有穩(wěn)幅電路，使輸出穩(wěn)幅振蕩。穩(wěn)幅振蕩的平衡條件：,振幅平衡條件：KF=1(使信號穩(wěn)幅振蕩),相位平衡條件：φK+φF=2nπ（正反饋）,15,平衡的穩(wěn)定性,16,穩(wěn)定條件,,由于振蕩電路內(nèi)部或外部（溫度、UCC等）的干擾，使KF發(fā)生改變，破壞了原有的平衡狀態(tài)。電路本身必須具有自動恢復(fù)平衡的能力。鑒于此，除了平衡條件外還必須有穩(wěn)定條件。,振幅穩(wěn)定條件：,相位穩(wěn)定條件：,17,,縱坐標(biāo)為環(huán)路增益KF,18,穩(wěn)幅電路,內(nèi)穩(wěn)幅：,通過放大器本身的非線性特性實現(xiàn)。,過程：KF>1?Ui’↑?放大器進(jìn)入非線性區(qū)間?K↓?KF↓?KF=1,外穩(wěn)幅：,反饋網(wǎng)絡(luò)采取措施，隨著KF的增大，正反饋減弱或負(fù)反饋增強(qiáng)，使KF下降最終達(dá)到平衡條件。,19,維持或者說維持與同相的條件。方法：如果能實現(xiàn)ω的變化引起的φΣ變化與外界因素引起的φΣ變化相反，則相位穩(wěn)定平衡就可實現(xiàn)。以n=0為例，這一過程可用如下流程關(guān)系表示：,相位的變化率就是角頻率→相位穩(wěn)定條件,20,,21,,判斷電路是否產(chǎn)生正弦波振蕩的步驟：,（1）是否為正反饋,（2）是否有選頻網(wǎng)絡(luò)，且選頻網(wǎng)絡(luò)是否滿足相位條件,（3）是否KF>1,（4）是否有穩(wěn)幅電路,（5）是否滿足穩(wěn)定條件。,22,,判斷下面電路是否能產(chǎn)生正弦波振蕩：,無選頻網(wǎng)絡(luò),23,,,,,,,,,,判斷下面電路是否能產(chǎn)生正弦波振蕩：,選頻網(wǎng)絡(luò)無法實現(xiàn)選頻,,,,,,,,,,,,,,,,,,24,,判斷下面電路是否能產(chǎn)生正弦波振蕩：,可以產(chǎn)生正弦波振蕩,,,,,,,,,,,,,,,25,4.2反饋型正弦波自激振蕩器基本原理,一、從調(diào)諧放大到自激振蕩如果把uo再送回到輸入端，uo的相位和大小同原來的輸入信號ui一樣，就成為自激振蕩器了。,,,,,,,26,二、自激振蕩的平衡,1.反饋必須是正反饋即反饋到輸入端的反饋電壓（電流）必須與輸入電壓（電流）同相。其中——總相移，n——整數(shù)。,27,2.反饋必須足夠大如果從輸出端送回到輸入端的信號太弱，就不會產(chǎn)生振蕩了，在下圖所示電路中，可以調(diào)整M、L的數(shù)值以及放大量來實現(xiàn)這一要求。滿足振蕩的幅度平衡條件為：KF=1自激振蕩平衡條件的復(fù)數(shù)表達(dá)式為：,圖4-3互感反饋振蕩器,28,4.3三點式LC振蕩器,一、組成原理LC回路引出三個端點，分別同晶體管的三個電極相連的振蕩器，稱三點式振蕩器。分為電容三點式和電感三點式。,29,（1）電容三點式,（2）電感三點式,射同集（基）反——與射極相連元件電抗性質(zhì)相同，與集電極、基極相連元件的電抗性質(zhì)相反。該規(guī)律對于三點式電路有普遍意義。,30,,圖4-9電容三點式振蕩器,31,32,圖4-12電感三點式振蕩器,33,34,二、電容三點式振蕩器,電容反饋三點線路，也叫“考畢茲”振蕩電路。,,圖4-9電容三點式振蕩器,35,1.電路相位平衡條件的判斷,滿足“射同集（基）反”1）與發(fā)射極相連的兩電抗Xce和Xbe性質(zhì)相同；2）Xcb和Xce、Xbe性質(zhì)相反。注：對于場效應(yīng)管振蕩器，將發(fā)射極改為源極即可。,,假定在晶體管的b、e間有一輸入信號，當(dāng)振蕩頻率等于LC回路諧振頻率時，與反相，電流滯后于90度。C2上的反饋電壓滯后電流90度，故與同相，滿足相位平衡條件。,,,,,,,,,,37,2.反饋信號從哪取得？,從C兩端取得，送回放大器輸入端。由于它是利用電容將諧振回路的一部分電壓反饋到基極上，而且也是將LC諧振回路的三個端點分別與晶體管三個電極相連，所以這種電路又叫電容反饋三點式振蕩器。,圖4-11圖4-9的等效電路,,,39,3.起振條件,求出放大倍數(shù)K和反饋系數(shù)F，看它們的乘積是否大于1。圖中：RS—晶體管輸出電阻；Co—晶體管輸出電容；Ri—晶體管輸入電阻；Ci—晶體管輸入電容；R0—回路諧振電阻,,40,現(xiàn)把各元件都折合到c-e端,,,,,,41,如果則回路損耗可以忽略，得通?？紤]易起振又不致使振蕩波形的非線性失真嚴(yán)重，F(xiàn)都選得較小，大約在0.01~0.5之間，,,,,,,42,4.振蕩器的振蕩頻率f0,其中,43,一、串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點線路（克拉潑電路）二、并聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點線路（西勒電路）,4.4改進(jìn)型電容三點式電路,44,LC振蕩器的振蕩頻率不僅與諧振回路的LC元件的值有關(guān)，而且還與晶體管的輸入電容以及輸出電容有關(guān)。當(dāng)工作環(huán)境改變或更換管子時，振蕩頻率及其穩(wěn)定性就要受到影響。例如，對于電容三點式電路，晶體管的電容Co、Ci分別同回路電容C1、C2并聯(lián)，振蕩頻率可以近似寫成：(4-22),46,如何減小Co、Ci的影響，以提高頻率穩(wěn)定度呢？表面看來，加大回路電容C1與C2的電容量，可以減弱由于Co、Ci的變化對振蕩頻率的影響。但是這只適用于頻率不太高，C1和C2較大的情況。當(dāng)頻率較高時，過分地增加C1和C2，必然減小L的值（維持振蕩頻率不變），這就導(dǎo)致回路的Q值下降，振蕩幅度下降，甚至?xí)拐袷幤魍Ｕ?。這就有待于改進(jìn)。,47,一、串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點線路（克拉潑電路）,48,把基本型的電容反饋三點線路集電極-基極支路的電感改用L-C串聯(lián)回路代替，這正是它的名稱的由來——串聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點線路，又叫“克拉潑”電路。,,,,,,,,,,1.電路特點,49,選，時，振蕩頻率可近似寫成這就使Co和Ci幾乎與值無關(guān)，它們的變動對振蕩頻率的穩(wěn)定性就沒有什么影響了，提高了頻率穩(wěn)定度。,,,,,,,,,,（4-23）,2.振蕩頻率,50,3.電容C1、C2的選取,成立的條件是C1和C2都要選得比較大。但是不是C1、C2愈大愈好呢？為了說明這個問題，我們從分析回路諧振電阻入手。,,,,,,,,,,,51,折合到晶體管端的電阻式中n——接入系數(shù)，也叫分壓比。因為則,,,,,,,,,,,52,諧振電阻可表示為又因,53,4.優(yōu)缺點,克拉潑振蕩器雖然可以提高頻率穩(wěn)定度，但存在以下缺點：1）C1、C2如過大，則振蕩幅度就太低。2）當(dāng)減小C來提高f0時，振蕩幅度顯著下降；當(dāng)C減到一定程度時，可能停振。3）用作頻率可調(diào)的振蕩器時，振蕩幅度隨頻率增加而下降，在波段范圍內(nèi)幅度不平穩(wěn)，因此，頻率覆蓋系數(shù)（在頻率可調(diào)的振蕩器中，高端頻率和低端頻率之比稱為頻率覆蓋系數(shù)）不大，約為1.2~1.3。,54,二、并聯(lián)改進(jìn)型電容反饋三點線路（西勒電路）,55,除了采用兩個容量較大的C1、C2外，主要是把基本型的電容反饋線路集電極-基極支路改用LC并聯(lián)回路再與C3串聯(lián)，所以叫并聯(lián)改進(jìn)型，也叫“西勒”電路。,,,,1.電路特點,56,2.諧振頻率,57,3.折合到晶體管輸出端的諧振電阻,,,,求出分壓比n,58,改變C時，n、L、Q都是常數(shù)，則僅隨一次方增長，易于起振，振蕩幅度增加，使在波段范圍內(nèi)幅度比較平穩(wěn)，頻率覆蓋系數(shù)較大，可達(dá)1.6~1.8。,由上式可知，n和C無關(guān)，當(dāng)調(diào)節(jié)C來改變振蕩頻率時，n不變。把R折合到c-e端，,59,振蕩器的頻率穩(wěn)定是一個十分重要的問題。例如:通信系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)，就會漏失信號而聯(lián)系不上；測量儀器的頻率不穩(wěn)，就會引起較大的測量誤差；在載波電話中，載波頻率不穩(wěn)，將會引起話音失真。,4.5振蕩器的頻率穩(wěn)定問題,60,振蕩器的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)是用頻率穩(wěn)定度來衡量的。頻率穩(wěn)定度有兩種表示方法：1.絕對頻率穩(wěn)定度。它是指在一定條件下實際振蕩頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率的偏差2.相對頻率穩(wěn)定度。它是指在一定條件下，絕對頻率穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)頻率之間的比值常用的是相對頻率穩(wěn)定度，簡稱頻率穩(wěn)定度。注：“一定條件”可以指一定的時間范圍或一定的溫度或電壓變化范圍。,一、振蕩器的頻率穩(wěn)定度,61,例如，在一定時間范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定度可以分為以下幾種情況：短期穩(wěn)定度——一小時內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度。一般用來評價測量儀器和通信設(shè)備中主振器的頻率穩(wěn)定指標(biāo)；中期穩(wěn)定度——一天內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度；長期穩(wěn)定度——數(shù)月或一年內(nèi)的相對頻率穩(wěn)定度。,62,頻率穩(wěn)定度用10的負(fù)幾次方表示，次方絕對值越大，穩(wěn)定度越高。中波廣播電臺發(fā)射機(jī)的中期穩(wěn)定度是210-5/日；電視發(fā)射臺是510-7/日；一般LC振蕩器是10-3~10-4/日；克拉潑和西勒振蕩器是10-4~10-5/日。,63,二、造成頻率不穩(wěn)定的因素,LC回路參數(shù)的不穩(wěn)定溫度變化和機(jī)械振動都會影響L、C的數(shù)值；晶體管參數(shù)的不穩(wěn)定溫度變化和電源變化會影響晶體管的工作點和寄生參數(shù)；,64,三、穩(wěn)頻措施,減小溫度的影響穩(wěn)定電源電壓減少負(fù)載的影響晶體管與回路之間的連接采用松耦合。提高回路的品質(zhì)因數(shù)使振蕩頻率接近于回路的諧振頻率屏蔽、遠(yuǎn)離熱源。,65,晶體管輸出電壓對輸入電壓有一附加相移，所以晶體管總是工作在失諧狀態(tài)，也引起了附加相移，于是，相位平衡條件變?yōu)椋?回路品質(zhì)因素對穩(wěn)定度的影響,相位平衡條件,當(dāng)和由于某種原因發(fā)生變化，為了維持振蕩，必須產(chǎn)生相反的變化，使相位平衡成立，而是LC回路的相移，它的變化必然引起頻率的變化。,66,當(dāng)Q增加時，附近相頻特性斜率的絕對值加大。,回路品質(zhì)因素對穩(wěn)定度的影響,LC回路的相移（阻抗角）,對的變化率是：,,67,圖4-19相頻特性曲線,