第四章正弦波振荡器优秀课件
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正弦波振荡器PPT课件
正弦波振荡器的调谐范围较宽，可以通过 调整电路参数实现不同频率和幅度的输出 ，满足多种应用需求。
输出纯净
易于集成
正弦波振荡器产生的波形失真小，噪声低 ，适用于对信号质量要求高的应用。
正弦波振荡器可以采用集成电路形式实现 ，减小了体积和重量，便于携带和集成到 其他系统中。
缺点
功耗较大
正弦波振荡器需要一定的功耗才 能维持稳定工作，相对于其他类
正弦波振荡器的原理和结构
总结词
正弦波振荡器是一种能够产生正弦波信号的电子装置， 其原理基于自激振荡。为了实现自激振荡，正弦波振荡 器需要满足一定的条件，包括放大倍数大于1、反馈系 数大于0且小于等于1、相位移动大于等于π弧度等。常 见的正弦波振荡器结构有RC电路、LC电路和石英晶体 振荡器等。
详细描述
LC振荡器通过调节电感器和电容器的 大小，可以产生不同频率的正弦波。 其优点是频率稳定性高，适用于产生 高频信号。
晶体振荡器
晶体振荡器利用石英晶体（一种特殊的电介质）的压电效应 产生正弦波。
晶体振荡器的振荡频率由石英晶体的固有频率决定，具有极 高的稳定性和精度。广泛应用于高精度测量和通信领域。
04 正弦波振荡器的应用领域
振荡条件的稳定性分析
• 总结词：稳定性是正弦波振荡器的关键性能指标之一，它决定了输出信号的频 率和幅度的稳定性。为了使正弦波振荡器稳定工作，需要满足一定的条件，包 括放大倍数稳定、相位移动稳定和频率稳定等。这些条件可以通过理论分析和 实验测试来验证和优化。
• 详细描述：稳定性是正弦波振荡器的关键性能指标之一，它决定了输出信号的 频率和幅度的稳定性。在实际应用中，由于受到环境因素、电路参数变化和噪 声干扰等多种因素的影响，正弦波振荡器的输出信号可能会发生频率漂移、幅 度波动等现象，影响其性能表现。因此，为了使正弦波振荡器稳定工作，需要 满足一定的条件，包括放大倍数稳定、相位移动稳定和频率稳定等。这些条件 可以通过理论分析和实验测试来验证和优化，以确保正弦波振荡器在实际应用 中的性能表现达到预期要求。
正弦波振荡器-PPT
2
2001年9月--12月
6
导致振荡频率不稳定得原因(续2)
2、 影响环路 Q 值得因素
o
Q1 Q2
2
Q2
Q1
f01 f02
f0
f
▪ 器件输入、输出阻抗中得有功 部分。
▪ 负载电阻得变化。
▪ 回路损耗电阻尤其就是电抗元 件 得高频损耗,环路元器件得高频 响应等。
2
2001年9月--12月
7
导致振荡频率不稳定得原因(续3)
• 泛音晶体振荡器:利用石英谐振器得泛音振动特性对频率 实行控制得振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将 振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。
2001年9月--12月
19
1、 并联型晶体振荡电路
(1)皮尔斯(C-B)电路
RFC
Rb1
C
B
VCC
Rb 2
E
C1
Cb Re C2
JT
C
C1
E
C2
B
Lq
• 温度隔离法:将关键电抗元件置于特制得恒温槽内,使槽内得 温度基本上不随外界环境温度得变化。
▪ 利用石英谐振器等固体谐振系统代替由电感、电容构成得电 磁谐振系统,她就是高稳频率源得一个重要形式。 由于这种谐振系统构成得振荡器,不但频率稳定性、频率准确 度高,而且体积、耗电均很小,因此,在许多领域已被广泛地 采用。
0
2 L C
▪ 等号右边得负号表示频率变化得方向与电抗变化得方向刚好 相反。如电感量加大,振荡频率将降低。
2001年9月--12月
9
主要稳频措施(续1)
▪ 温度补偿法和温度隔离法:引起电抗元件电感量和电容量 变化最明显得环境因素就是温度得变化。
4章正弦波振荡器
第 4 章 正弦波振荡器
u 反馈振荡器的工作原理 u LC正弦波振荡器 u 振荡器的频率和振幅稳定度 u 石英晶体振荡器
高频电子线路
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振荡器作用：产生一定频率和幅度的信号
按振荡波形分 按振荡原理分
正弦波振荡器
非正弦波振荡器 利用负阻器件的负阻
负振荡器
效应产生振荡
利用正反馈原理构成 反馈振荡器
U IQ
Q’点是不稳定平衡点。若要使该振荡器进入稳定的平衡点，在起
振时给晶体管加一电冲激，并使冲激电压大于UIB，这样自由振荡 就可以产生，这种起振时需要外加冲激的振荡称为“硬激励”。
与此相对，那些冲激能自由产生振荡的现象称为“软激励”。
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2）相位稳定条件
相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一 外来因素的干扰，相位平衡状态被破坏，总相角φ大于或 小于2nπ时，环路自动恢复平衡状态φ＝2nπ的条件。
v 若有正反馈环路的话，其不断补偿消耗掉的能量，则能 维持正弦振荡。
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一、 反馈振荡器的组成
放大器
Ui
Au
无外加输入信号
Uo
正弦波振荡器由放大器、
反馈网络
Uf
Fu
反馈网络组成
T&
=
U& f U& i
= A& F&
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二、 反馈振荡器的工作原理
φ（ω）曲线在平衡 点附近应为负斜率， 如图所示。
j (w )
¶j (w )
<0
¶w w =w0
ω ω0
u 反馈振荡器的工作原理 u LC正弦波振荡器 u 振荡器的频率和振幅稳定度 u 石英晶体振荡器
高频电子线路
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振荡器作用：产生一定频率和幅度的信号
按振荡波形分 按振荡原理分
正弦波振荡器
非正弦波振荡器 利用负阻器件的负阻
负振荡器
效应产生振荡
利用正反馈原理构成 反馈振荡器
U IQ
Q’点是不稳定平衡点。若要使该振荡器进入稳定的平衡点，在起
振时给晶体管加一电冲激，并使冲激电压大于UIB，这样自由振荡 就可以产生，这种起振时需要外加冲激的振荡称为“硬激励”。
与此相对，那些冲激能自由产生振荡的现象称为“软激励”。
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2）相位稳定条件
相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一 外来因素的干扰，相位平衡状态被破坏，总相角φ大于或 小于2nπ时，环路自动恢复平衡状态φ＝2nπ的条件。
v 若有正反馈环路的话，其不断补偿消耗掉的能量，则能 维持正弦振荡。
高频电子线路
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一、 反馈振荡器的组成
放大器
Ui
Au
无外加输入信号
Uo
正弦波振荡器由放大器、
反馈网络
Uf
Fu
反馈网络组成
T&
=
U& f U& i
= A& F&
高频电子线路
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二、 反馈振荡器的工作原理
φ（ω）曲线在平衡 点附近应为负斜率， 如图所示。
j (w )
¶j (w )
<0
¶w w =w0
ω ω0
高频电子线路正弦波振荡器.ppt
单调谐放大器
高频电子线路——第4章 正弦波振荡器
3.相位(频率)稳定条件
相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事
正弦信号相位φ和频率ω的关系：
d
dt
dt
振荡器的角频率 增大导致相位不断超前 相位 的不断超前表明角频率 增大
高频电子线路——第4章 正弦波振荡器
（1）相位(频率)稳定过程
原平衡态： L (0 ) f F 0
4.1.2 起振条件
1．起振过程分析
单调谐放大器
刚通电：电路中存在很宽的频谱的电的扰动，幅值很小
通电后：
1）谐振回路的选频功能，从扰动中选出 osc 分量(osc 0)
2）放大器工作在线性放大区， |T (josc)|>1 ，形成增幅振荡
3）忽略晶体管内部相移： f ＝0
回路谐振： L＝0
T (josc) =0，相移为零
起振 过程
平衡 状态
起振 过程
平衡 状态
输出波形：
高频电子线路——第4章 正弦波振荡器
4.1.4 稳定条件
1.平衡状态稳定分析：
（1）振荡电路中存在干扰
单调谐放大器
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)。
单调谐放大器
外界干扰后： L (0 ) f F 0
Ub 相位超前 Ub 相位
升高
振荡回路相频特性 L 下降
L () f F 下降
L () f F 0
达到新的平衡 > 0
外界干扰消失后： L () f F 0
Ub 相位滞后 Ub 相位
降低
21第四章正弦波振荡器-PPT文档资料
0 1 L C 2 L C 0
3. 改善C的方法——原因
C p C p C O i 1
2
2 2
C C C C 2 1 p p 1 2 C C C C C 1 1 2 2 C 1 2
上节总结:
根据反馈网络，正弦波振荡器分为互感耦合振荡器和三端式 振荡器（电容反馈和电感反馈）。 对于振荡器，关心的问题三个 是否是正反馈； 是否能起振； 振荡频率以及频率稳定度；
对于互感耦合三个问题的解答:
1、是否是正反馈？
采用瞬时极性法：即确定晶体管输入端和输出端后，假设晶体管输 入端对地的瞬时极性为正，则判断反馈信号到输入端的信号对地极 性，若为正，则是正反馈，可振荡，反之，不能振荡。
y fe C1' A0 F . ' 1 g C2
uce + C 2 gie
1 ' y ( g g g ) F g f e o e L 0 i e F
忽略 g ie , 则 1 j C 2 j L 1 1 L C 2
I
yfeube
goe gL g 0 C 1
L L L 2 M 1 2
电容三端式 波形 频率 频率稳定度 起振、调节 较好 较高 较好 较难
电感三端式 较差 较低 较差 较易
稳定度
1、频率稳定度定义:在一定时间间隔△t内，振荡器频率的 相对偏差的最大值，即
f c fc
t
f fc
t
2、频率稳定度的定量分析，即
Z Y F YF Z arctan 2Q 0 c 0 f 1 tan YF c 0 Q YF 2 2 fc 2Qcos 2Q c 0 YF
3. 改善C的方法——原因
C p C p C O i 1
2
2 2
C C C C 2 1 p p 1 2 C C C C C 1 1 2 2 C 1 2
上节总结:
根据反馈网络，正弦波振荡器分为互感耦合振荡器和三端式 振荡器（电容反馈和电感反馈）。 对于振荡器，关心的问题三个 是否是正反馈； 是否能起振； 振荡频率以及频率稳定度；
对于互感耦合三个问题的解答:
1、是否是正反馈？
采用瞬时极性法：即确定晶体管输入端和输出端后，假设晶体管输 入端对地的瞬时极性为正，则判断反馈信号到输入端的信号对地极 性，若为正，则是正反馈，可振荡，反之，不能振荡。
y fe C1' A0 F . ' 1 g C2
uce + C 2 gie
1 ' y ( g g g ) F g f e o e L 0 i e F
忽略 g ie , 则 1 j C 2 j L 1 1 L C 2
I
yfeube
goe gL g 0 C 1
L L L 2 M 1 2
电容三端式 波形 频率 频率稳定度 起振、调节 较好 较高 较好 较难
电感三端式 较差 较低 较差 较易
稳定度
1、频率稳定度定义:在一定时间间隔△t内，振荡器频率的 相对偏差的最大值，即
f c fc
t
f fc
t
2、频率稳定度的定量分析，即
Z Y F YF Z arctan 2Q 0 c 0 f 1 tan YF c 0 Q YF 2 2 fc 2Qcos 2Q c 0 YF
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(3.1―4b)
1. 振幅平衡条件
振幅平衡条件A·F=1中，A=Uo/Ui，即Uo=AUi，根 据第2章所学知识可知，Uo与Ui的关系由放大特性曲线 决定，如图3.2所示。反馈系数F=Uf/Uo，如果反馈网 络是由恒参线性网络构成，则Uo、Uf的关系曲线为一 直线，如图3.3所示。这组曲线称为反馈特性曲线。
输出电压Uo值，就是振荡器产生的电压幅值，如图3.4 所示。
Uo
A
① θ90
B ② θ90
C
0
Uic Ui＝Uf
Ui, Uf
图3.4 振荡器产生的电压幅值
2. 相位平衡条件
根据相位平衡条件φA+φF=2nπ，（n为零或整数）
说明反馈电压
U • f 与净输入电压
•
Ui
同相，即正反馈。
当放大器是一个非线性工作的晶体管选频放大器时，
3.1.1 平衡条件
根据式(3.1―3)振荡条件是
••
AF
1
，这既是振荡
的必要条件, 也是达到稳态时的平衡条件。它是一个复
数方程，因此可以写成两个方程，一个是振幅方程，
称为振幅平衡条件，可表示为
A F 1
(3.1―4a)
另一个是相位方程，称为相位平衡条件，可表示为
A F 2 n ,n 0 ,1 ,2 ,
即 U•o
超前
•
I c1
的相角。因此相位平衡条件（设n=0）
又可写为
A FYZF 0 (3.1―7)
令φY+φF=φE，则得
Z E
(3.1―8)
相位是频率的函数，在晶体管的特征频率fT远大于 振荡器工作频率时，可近似认为φY与频率无关，且数 值很小。反馈网络的相移φF通常在窄带范围内也可认 为与频率无关，所以φE为一常数。
网络输出的反馈电压复振幅，
U
' i
是反馈放大器输入电
压复振幅，其中基本放大器增益
•
•
A
Uo
•
Ae jA
Ui
(3.1―1)
反馈系数
•
•
F
Uf
•
Fe jF
Uo
U·i′ ＋ U·i
A·
U·f
·
F
(3.1-2)
U·o
图3.1 反馈放大器
φA为
•
Uo
超前
U
•
的相角,
i
φF为
U
•
超前
f
U
•的相角。
o
• ••
图3.6 θ≥90°时的放大特性与反馈特性
稳定过程:
在Uo到达A点后(Uo=UoA), 若振荡器受到干扰后 Uo<UoA, 根据两条不同特性的曲线,则Uf>Ui, 故Uo要增 大或者说减少了Uo小于UoA的程度;反之则Uo要减小或 者说减少了Uo大于UoA的程度,可见A点是一个稳定平衡 点。
类似的分析可以发现图3-4中的C点则是一个不稳 定的平衡点。
根据A、F表示式，振幅平衡条件又可写成
AFUo Uf Uf 1 即
Ui Uo Ui
U f Ui
振幅平衡条件是反馈电压的幅值等于放大器输入电压幅值。
Uo
＞ 90°
Uf
＜ 90°
θ
0
Ui
图3.2 放大特性曲线
F
0
Uo
图3.3 Uo与Uf的关系曲线
将图3.2、图3.3画在一个坐标上，凡是满足Uf=Ui 的点即为满足振幅平衡条件的平衡点，对应这些点的
电压为Uf1，如果Uf1与Ui1同相并且大于Ui1，则放大器又
产生幅度大于Uo1的第二 次输出Uo2, 如此不断循环,振荡
器就会脱离开原点而振荡起来。由此可见起振的幅度条
件为
Uf>Ui 即 FA>1
Uo
U oA
A
起
U o3
振
U o2
过
程
U o1
0(O) Ui Uf1 Uf2 Uf3
U i, U f
Uo
A
① θ90
B ② θ90
C
0
Uic Ui＝Uf
Ui, Uf
图3.4 振荡器产生的电压幅值
观察到在稳定平衡点A点有放大特性曲线斜率小于反馈特 性斜率的特点，即
U o U i
p
U o U f
p
U o U i
p
U f U o
p1
U f 1 U i
Uf=AFUi，代入上式后对Ui求偏导得
但首先需要了解一下振荡器的起振过程:
1. 起振过程与起振的幅度条件
从图3.6可以看出，当θ≥90°时，放大特性与反馈特
性有两个交点O、A。在电源接通的瞬间，
•
Uo
=0,
•
U
i
=0，由于外界电磁感应或者在电路的瞬态
电流冲击下, 在放大器输入端产生一个微小的ΔUi=Ui1电
压，此电压经放大后，输出为Uo1，经过反馈网络，反馈
输出电压为
• ••
Uo Ic1 ZL
(3.1―5)
•
I c 1 是集电极电流的基波分量, ZL 是集电极负载阻抗，则
• ••
A • U •oIc1•ZLgmejYZLejZ Aj eA(3.1―6) Ui Ui
其中φA=φY+φZ, φY是晶体管集电极电流基波分
•
量I c1
超前输入电压
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
•
U
i
的相角，φZ是负载的相角，
负载的相角φZ与负载的形式有关，若采用LC并联 振荡回路，它的相角与频率的关系如图3.5中曲线①所 示。
①
Z
0 g
A
－E
图3.5 LC并联振荡回路负载相角与频率的关系
将φE和LC并联振荡回路相频特性曲线画在同一个 坐标系中，两条曲线的相交点即满足相位平衡条件。 如图3.5所示，A点即为相位平衡点，对应的角频率ωg 即为振荡器的工作频率，所以，相位平衡条件决定了 振荡器的工作频率。正弦波振荡器的工作频率是唯一 的，所以满足相位平衡条件的平衡点只能有一个。
• ••
并且有， Ui Ui'Uf Ui'FUo
则, 反馈放大器的增益
•
•
Af
Uo
•
•
A
••
(3.1―3)
Ui' 1 A F
•
当
••
1AF0
即A •F •U •f 1时A •f
U i
因为Uo受电源电压限制为有限值, 故Ui’(=Ui-Uf)趋于 零时, 说明此时反馈放大器无需输入信号便有输出而
成为振荡器。
第3章 正弦波振荡器
第四章正弦波振荡 器
3.1 反馈式振荡的基本原理
振荡器是一种无需外部输入信号而自行产生输出信
号的电路, 在电子系统中常作为信号源。
图3.1示出的是一个反馈式放大器的框图。它由基本
放复大振器幅A，和U • 反i 是馈基网本络放F组大成器，输图入中电• ，压U复• o 是振放幅大，器U •输f 出是电反压馈
另外注意，振荡器的工作频率ωg 在考虑了φE这个 因素之后，并不等于 LC回路的谐振频率ω0
3.1.2 稳定条件 由于振荡电路中存在各种干扰，如温度变化、电压
波动、噪声、外界干扰等，这些干扰会破坏振荡的平衡 状态，因此，为使振荡器具有稳定的输出，只有使它成 为稳定的平衡, 既在受干扰后具有返回原先平衡状态能力 的平衡。因此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。 稳定条件同样分成振幅稳定条件和相位稳定条件。