第七章 正弦波振荡器
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1、第七章 正弦波振荡器基础知识：- LC回路的相位特性- 高频小信号放大器- 高频功放本章主要内容n7.1 概述n7.2 振荡的起振、平衡、稳定条件n7.3 电感耦合型反馈振荡器n7.4 三端式反馈振荡器n7.5 振荡器的频率稳定性问题n7.6 晶体振荡器n7.7 振荡器中的几种常见的现象n7.8 其他形式的振荡器简介重点重点7.1 概述n1、什么是振荡器n2、振荡器在无线通信中的作用n3、振荡器的发展趋势n4、稳定振荡的要素n5、振荡器的主要类型1、什么是振荡器？n振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为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变振荡信号能量的转换电路。一定波形的交
2、变振荡信号能量的转换电路。n它与放大器的区别在于它与放大器的区别在于, 无需外加激励信号无需外加激励信号, 就就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。交流信号。振荡器振荡器Vcc2、振荡器在无线通信中的作用n在发射端负责生成载波（即用来承载有用信息的高频正弦波）n在接收端负责生成本振信号（用于混频）音频放大器调制器激励放大输出功率放大载波振荡器天线开关高频放大混频器中频放大与滤波解调器音频放大器话筒本地振荡器扬声器变频器3、振荡器的发展趋势n振荡器的发展经历了以下几个阶段q机电式振荡（机械振荡带动电子开关）qLC/RC振荡器q晶体振荡器q激光
3、振荡器n总的说来，其发展趋势是q精确化、稳定化、小型化4、稳定振荡的要素n想象一个单摆，如何让它在有能量消耗的环境中稳定振荡？n（1）最初的一个激励q使振荡器从静态到动态（即起振）n（2）能量源q补偿振荡中的能量消耗n（3）控制设备q在适当的时候(即适当的相位)补充能量q使振荡达到足够的幅度并能使之稳定下来（防止自激）5、振荡器的主要类型n按输出振荡波形分q正弦波振荡器q非正弦波振荡器(如方波、锯齿波等)n按工作原理分q反馈式振荡器(如给电台打电话时的自激现象)q负阻式振荡器(如“海盗船”)n按器件分qLC/RC振荡器q石英晶体振荡器q陶瓷振荡器（等）我们重点学习的是我们重点学习的是7.2.1
4、 反馈型振荡器的原理n由放大器与反馈网络构成一个环路n最初激励信号us与反馈信号uf 叠加进入放大器n放大后信号经反馈网络反馈n激励信号逐渐消失，而uf作为输入信号7.2 振荡的起振、平衡、稳定条件suiufuou 放大器放大器 A（j） 反馈网络反馈网络 F（j）起振起振平衡平衡n当AF=1时，振荡进入平衡状态7.2.2 起振条件n在实际电路中，最初的那个激励信号往往是加电过程中自动产生的，所以其振幅往往很小。tui对应频谱F()(j1振荡器工作频率点振荡器输出频率越高，最初的激励就越小振荡器输出频率越高，最初的激励就越小若想让振荡器输出一定幅度（如若想让振荡器输出一定幅度（如3V），起振的
5、过程幅度必须逐渐增大），起振的过程幅度必须逐渐增大mv甚至uV级7.2.2 起振条件（续）n若使信号逐步增大，需要满足两个条件q振幅方面，|A|F|必须大于1 （否则信号会逐渐衰减至消失）q相位方面， （否则信号不是标准的正弦波，甚至相互抵消。）Fn2环路其物理意义是：其物理意义是： 振幅起振条件要求振幅起振条件要求反馈电压幅度要一次比反馈电压幅度要一次比一次大一次大; 而相位起振条件则而相位起振条件则要求环路保持正反馈。要求环路保持正反馈。A7.2.3 平衡条件n所谓“平衡”指起振一定时间后,输出振幅达到额定值时,恒定不变。n此时不必再进行增幅振荡，而要维持等幅振荡。FA1 FA因此平衡的振
6、幅条件是相互干扰甚至抵消否则输入与反馈信号会相位仍然要满足若想输出标准的正弦波环路n2,7.2.4 稳定条件n所谓“稳定”是指振荡器具有如下的特点：q当外界因素（如温度）导致输出振幅（或相位）增大时，振荡器内部机制可自动使输出振幅（或相位）减小，从而恢复到平衡状态；q反之亦然。n用放在凹或凸面上的小球来比喻最为恰当：不稳定状态稳定状态用数学语言描述“振幅稳定的机制”omV为记振荡器输出信号振幅FAomV增加如果外界偶然因素导致omV电压振荡器将无法输出额定输出将持续增大增加来遏制制如果振荡器没有内部机,omV),(下文有电路的分析至于这个机制如何实现增加一定的内部机制来遏制必定有所以一个稳定的
7、振荡器omV0,omVAF种机制即所以用数学语言表示这通常无法改变因为这就是振荡器的振幅稳定条件这就是振荡器的振幅稳定条件,即即A随着随着Vom增大而减小增大而减小软自激（软激励）n软自激指振荡器不需要额外的大振幅激励源即可起振并自动达到平衡并稳定状态；omVAF10A软自激软自激,很小起振时omV满足起振条件即1,100FAFA不断增加所以输出振幅有在这段区间内由于始终omVAF1, 01,omVAAF且到达这一点后omQV的振荡波形为振荡器稳定地输出振幅omQV硬自激（硬激励）n硬自激指必须向振荡器提供一个额外的大振幅激励源，才能使振荡器达到平衡并稳定的状态。omVAF10A硬自激硬自激不
8、满足起振条件即起振时1,100FAFA使振荡器起振幅度输入信号此时需要一个外加的大,BQ1AFQB点都满足平衡条件点和不满足稳定条件点的但0omVAB满足稳定条件点的而0omVAQ点使振荡器到达一定要足够大所以外加输入信号幅度Q,Flash演示“放大器的放大倍数A随着Vom的增加而减小”-这一稳定机制是如何实现的?n措施一：选择合适的直流工作偏置点，使刚起振时的A0足够大；并且在输出端使用LC回路。BEvCi起振时输入信号很小起振时输入信号很小由于由于|A0F|1，所以信号逐渐增大，所以信号逐渐增大必然进入非线性区，信号开始失真必然进入非线性区，信号开始失真所以必须采用所以必须采用LC回路滤出
9、标准正弦信号回路滤出标准正弦信号在滤波的过程中，由于能量的损失，在滤波的过程中，由于能量的损失，导致放大倍数的下降导致放大倍数的下降“放大器的放大倍数A随着Vom的增加而减小”-这一稳定机制是如何实现的?n措施二：引入负反馈电路形成负反馈负反馈越强。而且输出电流越大,omVAF10AomQV相位的稳定性分析n1、相位不稳定会导致什么后果？n2、相位稳定条件n3、LC回路的相位特性（第三章内容）n4、以LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能1、相位不稳定会导致什么后果？相位平衡时n当外界因素打破了相位的平衡状态，假设相位提前（0）显然频率加快了2、相位稳定条件n由上面的分析可知，相位超前导致频
10、率加快；n因此如果想让频率恢复成振荡器额定频率（具有稳定性），振荡器内部应有这样的机制：当输入信号频率加快时，会形成相位的延迟。n用符号表示这一稳定过程：), 0()(相位超前即增加导致如温度外部因素环路)0(即输出信号频率加快)0(即也加快经反馈后输入信号频率)(即相位延迟减小内部机制应使环路n2环路恢复相位0环路这一内部机制为用数学语言描述3、LC回路的相位特性（第三章内容）n以并联谐振回路为例)(110pppjQVV第三章讲过),(变化时引起的相位变化现在需要讨论当时只关心其模值SI0V0,0ZpVV时当)(arctanpppZQ该复数的相角为ZpSZpIV落后于时当, 0pVpVSZp
11、IV超前于时当, 04、以LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能由三极管电路实现如果振荡器中的放大器由三极管组成由三极管组成的放大器的放大器载并联谐振回路作为其负以LC络以耦合回路作为反馈网Y的相位变化为设三极管放大电路引起YZLC位变化为并联谐振回路引起的相设ZF变化为设反馈网络引起的相位FFZY环路变化则环路引起的总的相位振荡器可实现相位稳定当前面已知环路, 0,ZFY关键看基本不变与,4、以LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能（续）Zp性可知并联谐振回路的相位特由前面讨论的LC环路若外部因素导致点附近在,p则ZLC上升时必然导致谐振回路特性由,)2n(恢复成的降低进而导致环路FZY
