高频课件第三章3.1——授课老师贾志成

Vi ，直到停止振荡。
可见，这种振荡器不满足振幅起 振条件，必须外加大的电冲击，产生 大于ViB 的起始扰动电压，才能进入平 衡点 A，产生持续等幅振荡。
图 3-1-3
硬激励：靠外加冲击而产生振荡。 软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。 3．振幅稳定条件
可见，要使平衡点稳定，T(osc) 必须在 ViA 附近具有 随 Vi 增大而下降(负斜率变化)的特性，即
图 3-1-5 谐振回路的相频特性曲线
z ( ) arctan
2( 0 )
0
Qe
0 ——谐振频率
Qe —— 有载品质因数
可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐 振回路来满足相位稳定条件的，且 Qe 越高，Z() 随 的变化 斜率越大，频率稳定度越高。
3.1.3 基本组成及其分析方法
T ( osc )
2．环路增益存在两个平衡点的情况 如图 3-1-3 所示，振荡器存在着两个平衡点 A 和 B， 其中 A 是稳定的，B 点是否稳定？ 分析：若使 Vi > ViB ，则 T(osc) 随之增大，导致 Vi 进 一步增大，从而更远离平衡点 B。最后到达平衡点 A。 反之，若 Vi ViB T ( osc )
3.1.2 稳定条件
一、问题的提出
平衡模型
1．振荡电路中存在干扰 ① 外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和 回路参数的变化。 ② 内部：存在固有噪声(起振时的原始输入电压,进入 平衡后与输入电压叠加引起波动)。 均造成 T(osc) 和 T(osc) 的变化，破坏平衡条件。 2．干扰对平衡状态的影响(两种) 通过放大和反馈的反复循环：
3．分析方法 反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计 算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用： ① 首先，检查环路是否包含可变增益放大器和相频特 性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。
② 其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作， 可用小信号等效电路分析方法导出 T(j)，并由此求出起 振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。 若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的 平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。
(n 0，1，2，·) · ·
二、平衡条件
1．分析 若在某一频率 osc 上，Vf 与 Vi 同相又等幅，即 Vf Vi 当环路闭合后： ① 主网络将输出正弦振荡电压Vo ，其角频率为 o 。 c s ② 所需输入电压 Vi 全部由反馈电压 Vf 提供，无需外 加输入电压。
③ 最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。
④ 而环路增益的相角 T(osc) 则必须维持在 2n 上。
平衡条件 多 利 用 放 大
器的非线性实现。
例：变压器耦合反馈振荡器：
图 3-1-2
刚通电时，Vi 很小，放大器小信号工作，增益较大， 相应的 T(osc) 为大于 1 的水平线。 当 Vi 增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由 于放大特性非线性，放大器的增益将随 Vi 增大而减小，相 应地 T(osc) 也就随着 Vi 的增大而下降。变压器耦合反馈振 荡器符合起振与平衡条件对 T (osc) 的要求。
图 3-1-2
最后在新的 ViA上重新满足平衡条件 T(osc) = 1
Vi ViA环 路 特 性 T ( osc ) 1 Vi 最后达到新的平衡。
Vi ViA环 路 特 性 T ( osc ) 1
Vi T ( osc )
第3章
3.1
正弦波振荡器
反馈振荡器的工作原理
3.1.1 平衡和起振条件
3.1.2 稳定条件
3.1.3 基本组成及其分析方法
3.1.1 平衡和起振条件
一、起振条件
1．分析 ① 刚通电时，电路中存在电的扰动(电流突变或管子、 电路中的固有噪声)，具有很宽的频谱。 ② 谐振回路的选频功能，只允许角频率为 osc 的分量 (osc 0)在谐振回路两端产生较大的电压。 ③ 变压器绕向正确，可保证反馈信号 Vf 与输入信号 Vi 同相，经放大和反馈的循环，使振荡电压的振幅不断增长。 2．起振条件
二、正弦波振荡器的应用
1．作信号源(本章将讨论) 载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机； 正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。
要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。 2．正弦交变能源(本章不讨论) 用途：高频加热设备和医用电疗仪Байду номын сангаас中的正弦交变能 源。 要求：功率足够大，高效。
三、分类(按组成原理)
① A() 放大管Y()(可略) 并联谐振回路相移 Z()
Z()在谐振频率附近随的变化较快。
② f()，随 的变化十分缓慢，可认为它与 无关。 故 Z() 随 变化的特性可代表 T() 随 变化的特性。
z ( )
0
(a)并联谐振回路
(b)相频特性曲线
要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、 稳定三项条件。 1．组成 ① 可变增益放大器——提供足够的增益，且其增益随 输入电压增大而减小。
② 相移网络——具有负斜率变化的相频特性，为环路 提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n。
放大环节 选频环节 或：四个环节 正反馈环节 稳定环节
1．反馈振荡器 利用正反馈原理构成，应用广泛。 2．负阻振荡器
利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。 工作于微波段。
3.1
反馈振荡器的工作原理
1．组成 主网络与反馈网络构成闭合环路。
图 3-1-1
反馈振荡器的组成方框及相应电路
例：变压器耦合反馈振荡器(交流通路)。 (1)主网络 负载为谐振回路的谐振放大器。
① 振荡器离开原平衡状态，导致停振或突变到新的平 衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。
② 振荡器有回到平衡状态的趋势。当干扰消失后，能 回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。 讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。
二、振幅稳定条件
图 3-1-2 所示环路增益特 性，满足振幅稳定条件。 1．稳定过程 若 Vi ViA , T ( osc ) 1，干扰使：
第3章
正弦波振荡器
概 述 3.1 反馈振荡器的工作原理 3.2 LC 正弦波振荡器
3.3 LC 振荡器的频率稳定度 3.4 晶体振荡器 3.5 RC 正弦波振荡器 3.6 负阻正弦波振荡器 3.7 寄生振荡、间歇振荡和频率占据
概
述
一、与功放比较(从能量角度)
1．功率放大器 将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交 变能量。 特点：被动地，需输入信号控制 2．正弦波振荡器(Sinewave Oscillator) 将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。 特点：自动地，无需输入信号控制。
图 3-1-1
反馈振荡器的组成方框及相应电路
(2)反馈网络 与 L 相耦合的线圈 Lf 。
反馈振荡器工作原理
2．等幅持续振荡的条件 ① 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长 的过程。 ② 进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持 在相应的平衡值上。 ③ 当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会 产生突变或停止振荡。 闭合环路成为反馈振荡器的三个条件： ① 起振条件——接通电源后可从无到有建立起振荡。 ② 平衡条件——进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。 ③ 稳定条件——平衡状态不因外界不稳定因素的影响 而受到破坏。 以下分别讨论这三个条件。
4．举例 说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。
T() 由两部分组成：
(1)放大器输出电压 Vo 对输入电压 Vi 的相移 A() (2)反馈网络反馈电压 Vf 对 Vo 的相移 f()
即 T() = A() + f()
T() = A() + f()
2．种类 根据可变增益放大器和相移网络的不同： (1)可变增益放大器 ① 按放大管 晶体管放大器 场效应管放大器 差分对管放大器 集成运算放大器等 ② 按实现可变增益的方法 内稳幅(Self Limiting)：利用放大管固有的非线性 外稳幅(External Limiting)：放大器线性工作，另外插 入非线性环节，共同组成。 (2)相移网络——具有负斜率变化的相移 ① LC 谐振回路 ② RC 相移和选频网络 ③ 石英晶体谐振器
2．相位(频率)稳定的讨论 若 T() 具有如图 3-1-4 所示的 特性(在 osc 附近有负斜率变化) ① 若某种原因使 T(osc) > 0( = /t ，即 > osc)，由特性T() < 0， 图 3-1-4 Vi 的超前势必受到阻止。 ② 若某种原因使 T(osc) < 0 ( = /t ，即 < osc)，由特性T() > 0， Vi 滞后必受阻。 两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原振荡 频率附近 osc 达到新的平衡，使 ( osc ) 0 。 3．相位稳定条件 T ( ) 斜率越陡，则稳定性越灵敏。 osc 0
2．平衡条件 由 T ( j osc ) T ( osc )e jT ( osc ) 则：① 振幅平衡条件：环路增益的模 T(osc) = 1 ② 相位平衡条件：环路增益的相角 T(osc) = 2n (n 0，1，2，·) · · 3．讨论 反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件： ① 起振时，T(osc) > 1，Vi 迅速增长； ② 随后，T(osc)下降，Vi 的增长速度变慢； ③ 到 T(osc) = 1 时，Vi 停止增长，振荡器进入平衡状 态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。 环路增益 特性如图 3-1-2 所示。
T ( osc ) 0 Vi V
iA
斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的 T(osc) 变化越大， 系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。