3第三章 振荡电路

建立基本的振荡电路概念
如何提高振荡器输出信号的频率稳定性 （影响频稳度的因素与改进频稳度的措施）

提高频稳度的电路措施
6
3、改进型的LC三点式振荡器 （振荡器组成特点、原理分析）

还需进一步提高振荡器频稳度

继续提高频稳度的电路措施
4、晶体振荡器 （晶体谐振特性；基音与泛音晶振）
7
3-1 LC正弦波振荡器 3-1-1 反馈型振荡器的工作原理

1
0C 2
X
cb
0L
谐振时满足：Xce＋Xeb＋Xcb=0 对于电感三点式振荡器
X
ce
0 L1
X
eb
0 L2
X
cb

1
0C
b
谐振时满足： Xce＋Xeb＋Xcb=0 对于振荡频率,满足|Xce＋Xeb|=|Xcb|
e
c
23
三点式振荡器的电路组成原则
与射极相连的两个电抗元件(Xce, Xeb) 同性质电抗元件，分别与基极和集电 极相连的两组电抗元件(Xce, Xcb) 、 (Xeb, Xcb)互为异性电抗元件。
引入“反馈”的放大器：要么负反馈放大；要么正反馈自 激
主放大器
i
＋
＋ －
.
＋
U
S
U
.－
－
.
. o
反馈网络
B U
f
＋ －
A uo
Uo Ui
U
. f
U
－ ＋
Uo
U
A u f ( j )
f
U o ( j ) U s ( j )


U o ( j ) U i ( j ) U
f
( j )
28

放大器的放大倍数不仅是工作频率的 函数,而且是振幅的函数.由于自给偏压 的作用,振荡器起振之后,随着幅度的不 断增加,放大器由线性工作状态很快地
过渡到甲乙类乃至丙类工作状态.此时
晶体管应作为非线性器件看待.
29
VCC
R B1
L
C1
& V c1 & A & Vb
&R I c1 p & V b
21
i Xce
Xcb Xeb
● 电容上：电流超前电压90º 电感上：电压超 前电流90º ● Xce 和 Xeb 必为同性电抗元件，才能保证正反 馈的瞬时极性。
● 谐振时，Xce＋Xeb＋Xcb=0；
从而有：Xce＋Xeb=－Xcb
22
b
对于电容三点式振荡器
1
e c
X
ce

0C 1
X
eb
问题分析
1、刚起振时，交流振荡电压幅度很小，主放大 器设计得有电压增益(共基、共射组态放大器的 Au0 >1) ，显然此时的放大器就是《模电》中 讲过的小信号线性交流放大器，分析方法相同， 都用“微变等效电路”。 2、“自激条件”是如何过渡到“平衡条件”的 呢？ 随着输出幅度的变大，正反馈到输入的电压也在 增大，直到振荡管进入非线性区，尤其是截止区， 晶体管工作在大信号非线性状态，放大器将工作 在丙类状态，最终使输出平衡在某一输出电平上。

3、共基放大器：输入-输出同相，电压增益 > 1
参考点GND：基极；输入：射极；输出：集电极。
19
无论放大器是何 组态(共基/共射/ 共集)，就交流电 压的瞬时极性而 言，射极与集电 极相位相同，基 极与集电极和射 极相位相反。
i Xce Xcb Xeb
20
共射放大器：输入-输出反相，电压增益 > 1 参考点GND：射极；输入：基极；输出：集电极
37
1、振荡频率的近似计算 忽略管子分布参数，振荡频率近似为
f0 1 2 LC 2 1 C 1C 2 L C3 C1 C 2
b e c
Uo ＋ － C1
＋
C3 L
－ Uf ＋
C2
Uo －
38
共基放大器：输入-输出同相，电压增益 > 1 参考点GND：基极b；输入：射极e；输出：集电极c。
10
从振荡电路上电到处平衡状态之间的暂态是什么？有什 么特殊要求？
上电↓ 时刻
起振阶段[暂态]
平衡阶段[稳态]
t
0
ti
tj
ts
11
上电↓ 时刻
起振阶段[暂态]
平衡阶段[稳态]
t
A uo
Uo Ui
0

ti
t
j
ts
U s ( j ) U i ( j ) U
f
( j )
在起振阶段，振荡输出电压从无到有、从小到大 建立起来。如果“主放大器”的电压增益Au0固 定，只有净输入电压（即正反馈电压）不断增加， 就是说，在 0 t t S ，必须有： B U
13
当振荡电路中的反馈系数B确定后，要求 主放大器电压增益必须满足
Au 0 1 B
才保证电路可能起振
14
反馈型振荡器起振机理
15

上电瞬间，集电极电流波形非常杂乱， 正是这些“杂乱波形”包含了丰富的 频率分量，其中就包含有谐振频率分 量，该分量经正反馈选频放大，振荡 电压逐步建立起来。
16
V cc I C Q R e
27
注意：
在起振阶段，随着集电极电流振幅的增加，在部分时 间内管子将可能进入截止区（集电极电流波形下半部 削波），从而导致集电极电流平均分量从原来的静点 ICQ的基础上开始增加，从而使发射结偏压将向负偏 变化，进入截止区后，主放大器的电压增益将逐渐下 降。这种“直流负反馈”的内在动因可以看成导致振 荡器最终保持“振荡平衡状态”的原因。
3.直流/交流 换能装置
＋
◢电源提供 直流能量
1.并联 LC回路
＋
Uf
－
Uo
－
5
2.反馈网络
1、在谐振放大器中引入正反馈，以自激方式产生振荡电压 （正反馈的原理；自激条件；振荡电路结构）

建立正反馈振荡基本理论
2、基本型的LC三点式振荡器 （三点式振荡器组成原则；LC电容/电感三点式振荡器分析）

VCC
R B1
L
C1
Cc
直流等效电路?
C3
RL
RB2
Cb
RFC
C
2
Re
26
直流等效电路(dc equivalent circuit)
VCC
R B1
L
C1
Cc
RB2
Cb
RFC
C
2
C3
RL
Re
由直流等效电路可以看出：通过合理设计三个偏置电 阻，可以达到合理选择晶体管静态工作点的目的。
U
BEQ

Rb2 R b1 R b 2
Au 0 ( j ) 1 Au 0 ( j ) B ( j ) Au 0 ( j ) 1 T ( j )
8

U o ( j ) / U i ( j ) 1U
f
U o ( j ) / U i ( j ) U o ( j ) U f ( j ) 1 U i ( j ) U o ( j )
2、反馈系数的近似计算 忽略管子各极的分流作用，反馈系数的近似为
C 1C 2 B U U

f o

C1
1 / j 0 C 2 1 / j 0 C 1, 2
1

C 1, 2 C2
f
U
f
(t j ) U
f
(ti )
Uo
输出电压才能增加，所以，回归比必须满足：
T U U
f i

U U
o i

U U
f o
Au 0 B 1
12
此外，回归比的总相移还应满足正反馈的要求，即
2 n ,
n 0 , 1,
综合起来，有自激条件（起振条件）为
T Au 0 B 1 n 0 , 1, 2 n ,
24
3-1-3 基本三点式振荡电路
一 、晶体管振荡器的等效电路
1 直流等效电路及等效原则 等效原则：
电容和电感视为理想元件，电容开路，电感 短路。
直流等效电路(dc equivalent circuit)
25
考比兹振荡器原理电路 (The schematic diagram of Colpitts oscillator)
Cc
& A : 平均放大倍数； & : 负载谐振阻抗上基波电压 V c1 & V ：基极输入电压 b & & I （ ） i G V （）(1 cos ) c1 1 c max c b 1 ic max GcVbm(1 cos ) & A Gc R p （ ）(1 cos ) A0 1 ( ) 1
4
●LC正弦波振荡器原理电路




组成正弦波振荡器必须包含以下部分: 1)由储能元件所组成的决定振荡频率的储能回路(例如:LC谐振回路,RC选频 网络,石英晶体谐振器); 2)控制能量补充的反馈控制网络(例如:变压器电路,电感或电容分压电路); 3)作为补充能量损耗的直流能源与换能器件(例如晶体管,电子管,场效应管 以及线性集成电路)
RB2
Cb
RFC
C
2
C3
RL
Re
1 ( ) （ ）(1 cos ) 1
A0 Gc R p：小信号线性放大倍数 乙类： 90 , 1 ( ) 0.5
o
丙类： 70 : 80 , 1 ( ) 0.3 : 0.4
o o
30


振荡器在起振之后,随着振幅的不断增加, 使振荡管的工作状态逐渐向乙类以至丙 类过渡,因而A值也不断下降. 反馈系数是完全由无源网络所决定的比 例系数,与振荡幅度的大小无关.
第三章
振荡电路
1
主要内容

3-1 LC正弦波振荡器 3-2 LC正弦振荡电路的频率稳定性 3-3 石英晶体振荡器
2
作业

ห้องสมุดไป่ตู้
P78:3-3，3-5，3-9
3
内容要点 ●正反馈自激 (起振)与平衡原理、条件 ●基本型的LC三点式振荡器原理与分析 ●改进型的LC三点式振荡器原理与分析 ●晶体振荡器原理
( j ) / U i ( j )
环路回归比定义为：
U o ( j ) U f ( j ) T ( j ) Au 0 ( j ) B ( j ) T ( ) e U i ( j ) U i ( j ) U o ( j )
U f ( j )
j ( )
Uce
U& A U& ce be
i Xce Xcb
+ + Ube Ueb +
为了保证电路的正反馈特性
U&f U& U& eb be U&f 必 须 与 U& 同相 ce x eb & & & U f U eb U ce & x ce
Xeb
欲 使 U&f 必 须 与 U& 同 相 ， x eb 与 x ce必 须 为 同 性 电 抗 ce
33


交流等效原则：

1、电容按照电容值大小和功能分为耦合电容和回 路电容。

耦合电容短路，回路电容保留。 2、电感按照电感值大小和功能分为射频扼流圈 (R.F.C.)和回路电感。射频扼流圈开路，回路电 感保留。
34
交流等效电路
VCC
R B1
交流等效电路?
L
C1
Cc
RB2
Cb
RFC
C
2
C3
31
实际上： 反馈型振荡器中的直流反馈是负反馈， 而对交流信号的反馈为正反馈。 为了保证起振时的放大器电压增益，直 流偏置设计应保证晶体管正偏，使其工 作在线性放大区，但应保证较小的正偏 电流。
32
2、交流等效电路(ac equivalent circuit)及等效原则


注意：
1、所谓“交流”是指在振荡频率上的交流 振荡电压。 2、“交流等效电路”是指在振荡频率上对 振荡电路的等效。 3、“交流等效电路”中的电抗(电感与电 容)是在振荡频率上呈现的电抗。
9
若同时满足平衡条件：
T ( j )
U
f
( j )
U i ( j )
f
T Au 0 B 1 n 0 , 1, 2 n ,
U s ( j ) U i ( j ) U
( j )
则： 反馈电压Uf 与净输入电压Ui 幅度和相 位完全相等，振荡电路工作处于稳态， 或平衡状态。这时完全可以不需要输 入电压源Us 而维持振荡电压输出。自 激产生的交流振荡输出电压，是经过 放大器这一换能装置将直流电源能量 换成了交流输出能量。
17


3-1-2 电路组成原则
三点式(三端式)振荡器电路组成原则
b b e e
c
c

回路部分的特点： 三个抽头；与振荡管的三个极e、b、c相连
18
回顾不同组态放大器的特点：

1、共射放大器：输入-输出反相，电压增益 > 1
参考点GND：射极；输入：基极；输出：集电极。 2、共集放大器(射随器)：输入-输出同相，电压增 益 < 1 参考点GND：集电极；输入：基极；输出：射极。
RL
Re
35
VCC
R B1
L
C1
Cc
RB2
Cb
RFC
C2
C3
RL
Re
VCC
R b1
L
C1
Cc
C1 C2 C3 L
Rb2
Cb
RFC
C
2
C3
RL
Re
36
二 电容反馈三点式振荡电路（考比兹振荡器）
电容三点式振荡器近似计算
VCC
R B1
L
C1
Cc
RB2
Cb
RFC
C
2
C3
RL
Re
共基放大器：输入-输出同相，电压增益 > 1 参考点GND：基极b；输入：射极e；输出：集电极c。