山东大学 高频电子线路第六章正弦波振荡器山东大学期末考试知识点复习.docx
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山东大学高频电子线路第六章正弦波振荡器山东大学期末考试知识点复习
第六章正弦波振荡器
6.2.1LC振荡器的基本工作原理
构成振荡器的三个条件是:
1)包含两个(或两个以上)储能元件的振荡回路。
2)能量来源。
3)能使电源功率在正确时刻补充电路的能量损失,以维持等幅振荡的控制设备。
图6.2.1(a)所示的调集型振荡电路,就是满足上述三条件的一种振荡器。
图中的LC回路既是振荡回路,又与L1、M组成正反馈电路,完成控制作用。
图6.2.1(b)是它的等效电路。
由这个等效电路求出振荡条件为
用正反馈观点可以获得同样的结果。
6.2.2振荡器的平衡与稳定条件
1)振荡器的平衡条件为
分析式(6.2.3)可以得出:
振幅平衡条件为
2)振荡器平衡状态的稳定条件
振幅在平衡状态时的稳定条件是
相位在平衡状态的稳定条件是
由于振荡器工作点的不同,振荡器有“软自激”与“硬自激”两种状态。
一般应取软自激状态,避免硬自激状态。
6.2.3反馈型LC振荡器线路
1)互感耦合振荡器
除了图6.2.1所示的调集型互感耦合振荡器外,还有调基电路与调发电路两种互感耦合振荡器,如图6.2.2(a)与(b)所示。
互感耦合振荡器在调整反馈(改变M)时,基本上不影响振荡频率。
但由于分布电容的存在,在频率较高时,难以做出稳定性高的变压器。
因此它们的工作频率不宜过高,一般应用于中、短波波段。
2)电感反馈式三端振荡器(哈特莱振荡器)
图6.2.3(a)是它的基本电路,图6.2.3(b)是它的等效电路。
可以证明,这种电路的起振条件为
由于(hfe/hiehoe)>>(1/hfe),因此式(6.2.8)表明,这种电路的反馈系数[(L2+M)/(L1+M)]可供选取的范围很宽。
3)电容反馈式三端振荡器(考毕兹振荡器)
图6.2.4(a)是它的基本电路,图6.2.4(b)是它的等效电路。
这种振荡电路的优点是:
输出波形较好;分布电容等不稳定因素影响较小;适用于较高的工作频率。
这种电路的缺点是:
调C1或C2来改变振荡频率时,反馈系数也将改变。
但
只要在L两端并上一个可变电容器,并令C1与C2为固定电容,则在调整频率
时,基本上不会影响反馈系数。
4)LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则
以上所讨论的LC三端式振荡器可以画成图6.2.5所示的原理性电路。
当回路元件的电阻很小,可以忽略不计时,Z1、
Z2与Z3可以换成纯电抗X1、X2与X3。
显然
,要想产生振荡,就必须满足下列条件:
X1+X2+X3=0(6.2.10)
另外,为了满足相位差180°的条件,X1与X2必须为同一性质的电抗。
也就是说,它们或者同为电感元件(例如哈特莱振荡器),或者同为电容元件(例如考毕兹振荡器),因而X3必须为另一性质的电抗。
由此可以得出三端式振荡器的构成法则是:
X1与X2的符号相同,X3的符号则相反。
凡是违反这一准则的电路都不能产生振荡。
6.2.4振荡器的频率稳定问题
评价振荡器频率的主要指标有两个,即:
准确度(accumcy)与稳定度(stability)。
振荡器实际工作频率.厂与标称频率f0之间的偏差,称为振荡频率准确度。
通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种,其表达式为
振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内,频率准确度的变化,所以实际上是频率“不稳定度”。
但习惯上都叫它“稳定度”。
应该指出,在准确度与稳定度两个指标中,稳定度更为重要。
因为只有频率“稳定”,才能谈得上准确。
也就是说,一个频率源的准确度是由它的稳定度来保证的。
因此,以下主要讨论频率稳定度。
根据所指定的时间间隔不同,频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。
长期频率稳定度,一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。
它主要用来评价天文台或计量单位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标。
短期频率稳定度,一般指一天以内频率的相对变化最大值。
外界因素引起的频率变化大都属于这一类。
通常称为频率漂移。
短期频率稳定度一般多用来评价测量仪器和通讯设备中主振器的频率稳定指标。
瞬间频率稳定度,指秒或毫秒内随机频率变化,即频率的瞬间无规则变化。
通常称为振荡器的相位抖动(phasefluctuation)或相位噪声。
影响频率稳定的因素与稳频的方法:
1)振荡回路参数L与C的不稳定,引起频率变化。
因此,应选标准性高,不易变形的元件,维持环境恒温,回路Q值尽可能高,以达到稳频的目的。
2)减轻负载对振荡器的影响,必要时可在振荡器与负载之间加一个缓冲级。
3)维持电源电压恒定。
4)采用高稳定度的LC振荡器电路,例如图6.2.6与图6.2.7所示的克拉泼电路,即是这类电路之一。
图中,C1>>C3,C2>>C3,因此,振荡频率基本上由C3与L决定。
C3减弱了晶体管与振荡回路的耦合,使折合到回路内的有源器件的参数减小,提高了频率稳定度。
6.2.5石英晶体振荡器
由于石英晶体有极高的Q值(可达几百万数量级),因而用它组成振荡器电路,可以获得很高的频率稳定度。
这种振荡器有三种类型:
1)并联谐振型晶体振荡器
这种振荡器是使石英晶体工作于感抗区内,即把它作为电感元件,因而可组成图6.2.8所示的两种电路形式:
图6.2.8(a)所示相当于电容三端振荡电路。
图6.2.8(b)所示相当于电感三端振荡电路。
从晶体连接在哪两个电极之间来看,前者称为c-b型电路[或称皮尔斯电路(Pierceeircuit)],后者称为b-e型电路[或称密勒电路(Millercircuit)]。
图6.2.9(a)所示为典型的并联谐振晶体振荡
器线路。
振荡管的基极对高频接地,晶体接在集电
极与基极之间,C1与C3为回路的另外两个电抗元
件。
振荡器回路的等效电路如图6.2.9(b)所示。
由图可知,它类似于图6.2.6所示的克拉泼电路。
由于Cq非常小,因此,晶体振荡器的谐振回路与振荡管之间的耦合非常弱,从而使频率稳定性大为提高。
图6.2.10(a)所示为b-e型晶体振荡器典型电路,图6.2.10(b)所示为它的等效电路。
由图可看出,该电路是个双回路振荡器。
根据图6.2.8(b)已知,L1C1回路应呈电感性,因此它的固有谐振频率f0应略高于振荡器的工作频率f,振荡器为哈特莱电路。
2)串联谐振型晶体振荡器
图6.2.11所示为串联谐振型晶体振荡器,图6.2.11(a)为实际电路,图6.2.11(b)是等效电路。
它与电容三端振荡电路十分相似,但只有当石英晶体JT在串联谐振时,它的阻抗近于零,此时正反馈最强,满足振荡条件。
3)泛音晶体振荡器
图6.2.12所示的泛音晶体振荡器是使晶体振动于它的机械谐波频率上。
若要工作于n次泛音(机械谐波),则L1C1应调谐于n次泛音和(n-2)次泛音之间。
这样,可使振荡器工作于较高的频率上。
6.2.6负阻振荡器
参阅图6.2.13。
设-rn为负阻器件的等效电阻,LRC为谐振回路。
由图可得
将式(6.2.15)微分,然后代入式(6.2.14)并利用式(6.2.13)的关系,最后得到
将式(6.2.16)与原书中的式(6.2.1)对比可知:
因此两式的解法全同。
于是得出:
由此可知,要想振荡逐渐增强或维持等幅振荡,就必须使电阻rn为负阻。
图6.2.14所示为一个由负阻器件——隧道二极管组成的振荡电路及其交流等效电路。
将图6.2.14(b)与图6.2.13对比,可见二者是完全相似的,只是此处C+Cd相当于图6.2.13中的C,因而得起振条件为
式中,rnd与Cnd代表隧道二极管的等效电阻和结电容。
6.2.7几种特殊振荡现象
1)寄生振荡
放大器产生寄生振荡的原因有:
反馈寄生振荡、负阻寄生振荡和参量自激振荡。
以图6.2.15(a)为例,它可能产生图6.2.15(b)与(c)两种反馈寄生振荡。
低频寄生振荡是指寄生振荡频率远低于工作频率,因而高频扼流圈ZLb与ZLc的阻抗不再看成是无穷大,而成为振荡回路的组成部分,如图6.2.15(b)所示。
高频寄生振荡是指寄生振荡频率远高于工作频率,因而引线电感Lb'、Lc'与极间电容组成振荡电路,如图6.2.15(c)所示。
除了上述的寄生振荡外,还有因晶体管的负阻效应而引起的负阻寄生振荡。
2)间歇振荡
间歇振荡是指振荡器工作时,时而振荡,时而停振的一种现象。
这一现象产生的原因是振荡器的自偏压电路参数选择不当所致。
3)频率占据(或牵引)现象是指外加电动势频率与振荡器自激频率接近到一定程度时,可以使振荡频率随外电动势频率的改变而改变。
4)频率拖曳现象发生在振荡器电路采用耦合回路时,调节次级回路引起振荡频率的变化。
6.2.8集成电路振荡器
目前已经有专门按振荡器工作特点设计的集成电路,如CA3005、E1648等,只要外接LC谐振回路,就可以构成集成LC正弦波振荡器。
下面以E1648为例,介绍它构成正弦波振荡器的工作原理。
图6.2.16所示为E1648的内部电路。
它由差分对管振荡电路(T7、T8)、放大电路(T1~T5)和偏置电路(T10~T14)三部分组成。
由图可见,差分对管T8的集电极引出端子外接LC谐振回路,并将其输出电压直接加到T7的基极。
通过T7和T8的射极耦合,送到T8的射极,形成正反馈,完成振荡器作用。
由差分放大器的大信号传输特性,当一管截止时,由于很深的电流负反馈,另一管即使不进入饱和区,但电流变化已十分缓慢。
差分对管振荡器正是利用这一特性实现稳幅,且因T8不进入饱和区,而使谐振回路维持较高的Q值,有利于频率稳定。
6.2.9RC振荡器
1)RC相移振荡器
为了满足振荡的相位条件,必须有三节
RC相移网络。
图6.2.17是一个典型电
路,它的振荡频率为
起振条件为
hfe≥29(6.2.18)
2)文氏电桥振荡器
文氏电桥振荡器广泛用于产生几Hz至几百kHz频段范围的可变频率振荡器。
它的原理性电路如图6.2.18所示。
图中虚线框内为完成正反馈作用的串、并联RC选频网络,右边为具有负反馈作用的同相放大器。
可以证明,当R1=R2=R,C1=C2=C时
放大器增益A=3
为了控制A≥3,同时也起到改善振荡波形和稳定振幅的作用,在电路中除了起正反馈作用的RC选频网络外,还引入了反馈较深、且具有自动调整作用的负反馈电路,如图6.2.19的Rt3与R4就是负反馈网络。
由负反馈网络Rt3(常用热敏电阻)、R4与正反馈网络R1、C1、R2、C2组成一个文氏电桥电路。
图6.2.20就是一个文氏电桥振荡器的实例,它的技术指标如下:
振荡频率f0=1000Hz;
输出电压Vom=4V(峰值);
波形失真系数Kf=0.1%~0.2%。
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