正弦波振荡器

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'正弦波振荡器'
第4章 正弦波振荡器§ 【本章内容提要】 本章主要介绍了振荡的 基本原理,对振荡的条件和振荡频率稳定 性进行了分析,对通信电路中常用的LC振 荡器、集成电路振荡器、石英晶体振荡器 和压控振荡器进行了详细的论述和说明。 【本章学习重点与要求】 本章重点掌握各 种反馈式正弦波振荡器的电路组成、基本 工作原理和分析方法,掌握正弦波振荡器 的主要特点和用途;了解影响振荡器频率 稳定度的主要因素和解决方法。 第4章 正弦波振荡器§ 振荡器是一种不用外加激励就能自行产生交流信号输出的电路。它在 电子科学技术领域中得到广泛地应用,如通信系统中发射机的载波振 荡器、接收机中的本机振荡器、医疗仪器以及测量仪器中的信号源等。 振荡器的种类很多,按信号的波形来分,可分为正弦波振荡器和非正 弦波振荡器。正弦波振荡器产生的波形非常接近于正弦波或余弦波, 且振荡频率比较稳定;非正弦波振荡器产生的波形是非正弦的脉冲波 形,如方波、矩形波、锯齿波等。非正弦振荡器的频率稳定度不高。 本章仅介绍正弦波振荡器。§ 在正弦波振荡器中,主要有LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡 电路等几种。这几种电路,以石英晶体振荡器的频率最稳定,LC电路 次之,RC电路最差。RC振荡器的工作频率较低,频率稳定度不高,但 电路简单,频率变化范围大,常在低频段中应用。§ 在通信、广播、电视等设备中,振荡器正逐步实现集成化,这些集成 化正弦波振荡器的工作原理、电路分析、设计方法等原则上与分立元 件振荡电路相一致。由于集成电路的集成度愈来愈高,并在向系统功 能发展,其内部电路日趋复杂,如果不从系统组成和单元电路原理这 两方面同时着手,那是很难弄清某一集成芯片的,振荡器也不例外。 为此,本章通过对分立元件电路的分析来讨论正弦波振荡电路,并着 重叙述集成化正弦波振荡器的电路特点。 4.1反馈振荡器的工作原理§ 4.1.1 振荡的基本原理 振荡器产生振荡需要的条件、振荡信号的波形、频率的变 化原因是首先应该弄清楚的问题。实际上,自激振荡器是 由反馈放大器演变而来的,为了说明问题,这里对照画出 调谐放大器和变压器耦合正弦波自激振荡器的实际电路图, 如图4-1所示。§ 图4-1(a)所示是调谐放大器,这种电路人们早已熟悉,LC 回路调谐在所需的信号频率上。图4-1(b)所示是LC自激振 荡器的电路图,与图4-1(a)相比,只是多了一根反馈线, 将输出信号正反馈至输入端。由图4-1(b)可见,如果电路 满足一定条件,不外加激励,也会产生正弦或余弦信号, 成为正弦波(或余弦波)自激振荡器。电路应满足下列3 个条件。(a)调谐放大器 (b)自激振荡器 图4-1 从调谐放大器到自激振荡器 4.1.1 振荡的基本原理§ 一是要有放大电路(非线性部件),以对信号进行放大和 非线性作用,将直流电能转换成交流信号能量。§ 二是在反馈网络中必须要有选频电路,使选出的反馈信号 满足上述条件,而滤除不需要的信号,这样才能得到正弦 信号或余弦信号的输出。如果没有选频回路,虽然产生振 荡,但振荡出的波形一般是非正弦的。§ 三是要有正反馈,即反馈回来的信号和放大器所需的输入 信号同相,且反馈回来的信号幅度要足够大,这就是相位 条件和幅度条件。§ 必须指出,选频回路既可以是放大器的负载,也可以是反 馈网络的组成部分;既可以是LC调谐回路,也可以是RC 选频网络或石英晶体谐振器。 4.1.2 振荡的起振和平衡条件§ 振荡器实现振荡必须满足一定条件,通常称为“起振条件”和 “平衡条件”。§ 1.起振条件 起振条件又称自激条件。它表示一个振荡电路在接通电源时, 输出信号从无到有建立起来应该满足的条件。§ 首先要知道,振荡器刚接通电源后,原始输入电压是从哪里来 的?第一,来源于放大管基极的VB,VB电压在开机后由零升 至定值,此阶跃信号中含有多种频率分量;第二,电路各部分 存在许多形式的扰动,如管子的内部噪声、输入回路电阻的热 噪声等,这些噪声与干扰所含有的频率成分十分丰富。这些微 小的扰动电压或电流经过振荡器放大管的放大,加至负载回路 或反馈网络,经过选频电路的选择,再反馈至放大管的输入端, 此信号经过放大、选频、反馈,再放大、再选频、再反 馈,……,在信号较小的起振阶段,每次返回至输入端信号的 幅度总是要比前一次来的大。这样,经过若干个周期,振荡信 号就愈来愈强,当此幅度强到一定值时,振荡管便由放大状态 进入到非线性区域(截止或饱和),使振荡器的幅度稳定在一 定值,达到平衡状态。设计时,只是某一频率的信号满足振荡 条件,因而产生的是正弦信号或余弦信号,而其他频率的信号 则被衰减至零。 4.1.2 振荡的起振和平衡条件§ 根据反馈理论,可以画出振荡器的组成方框图,如图4-2所示。§ 主网络一般是一放大电路,它是振荡系统中的非线性部件。反馈 网络可以是变压器耦合电路、互感耦合电路、电容分压电路、电 感分压电路、阻容分压电路或石英晶体谐振器。选频回路可以设 ? 在主网络中,也可设在反馈网络中。在图 中,A 是主网络的传 ? 4-2 V 输函数,即放大器的开环增益;F V 是反馈网络的传输函数,即反 ? ? 馈系数,反馈网络通常是无源的线性网络;V S 、V O 是主网络的输入、 输出信号;? 、? 是反馈网络的输入、输出信号。 VO Vf 4.1.2 振荡的起振和平衡条件§ 根据上述分析,可以直接写出振荡器的起振条件,即 ? ? > (4-1) Vf VS ?§ 若用 ? 、 表示起振条件(设选频网络对振荡频率的传递函数为 ) A V F V 1 ? ? ? ? ? ? V = F V = F A 得 f V O V V VS ? ? F >1 (4-2) V AV 式(4-2)是复数形式,可分别写出它的幅度和相角公式,即 AVFV>1 幅度条件 (4-3) φa+φf=2nπ(n=0,1,2,…) 相位条件(正反馈条件) (4-4) 由上式可见,一个反馈环路,若环路增益大于1,且环路中信号的相位移为 2nπ(0°,360°等)时,这个反馈网络会产生自激振荡器,相位移为2nπ, 即为正反馈条件。 ? ? ? ? 很显然,若 < ,则 <1,网络不会产生自激。 Vf VS FV AV 网络在起振阶段,由于信号幅度较小,振荡管工作在线性区域,可以用等 效电路的方法对振荡电路进行分析,求取。 4.1.2 振荡的起振和平衡条件§ 2.平衡条件 振荡器满足起振条件时 ? > ? ,振荡信号的强度就会愈来 V f V S 愈大,振荡管便由线性状态很快地过渡到甲乙类乃至丙类的 非线性状态,这时放大器的增益会下降,最终达到平衡的条 件,即 ? ? V f = VS ? ? 即 A V FV =1 (4-5) AVFV=1 幅度条件 (4-6) 或 φa+φf=2nπ(n=0,1,2,…) 相位条件 (4-7) 在平衡条件下,反馈到放大管的输入信号 ? 正好等于放 V f 大管所需的输入电压 ? ,从而保持反馈环路各点电压的平 V S 衡,使振荡器得以维持。 4.1.3 振荡器的频率稳定性§ 对振荡器来说,仅满足起振条件和平衡条件还不够,由于 振荡器的工作环境是在变化的,如果平衡条件受到破坏, 振荡器是否还能输出特定频率和幅度的信号就成为振荡器 能否使用的重要问题,这就是振荡器的稳定性问题。下面 讨论振荡器的稳定条件。§ 稳定条件有两个,一个是幅度稳定条件,另一个是相位稳 定条件,或称频率稳定条件。§ 1.振幅稳定条件 前面说过,振荡器是由放大电路和反馈网络组成的。 对放大电路来说,其振荡持性如图4-3中的曲线所示,在 输入信号 ? 不是太大的某段区域, ? 与 ? 与成线性关 V S V S V O 系;而在相当大的范围内, ? 与 ? 成非线性关系。反馈 V S V O 网络一般是线性网络,其输入电压 ? 与输出电压 ? 成线 V O V f 性关系,如图4-3中的直线所示。图4-3 平衡点的稳定与不稳定 4.1.3 振荡器的频率稳定性§ 根据不同的振荡特性,反馈线与振荡曲线的交点可能是两 个(包括原点),也可能是多个,图4-3(a)和(b)示出了两 组曲线。图4-3(a)所示是软激励情况,振荡管的静态工作 点较高,设置在放大区,振荡一开始,放大管的β就较大, 放大器的增益AV也大,振荡系统立即进入AVFV>1状态, 这时放大器的任一输出电压所对应的必大于。振荡器很快 达到平衡点
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