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第三章 振蕩器 內(nèi)容提要 內(nèi)容提要 振蕩器可不需要外來激勵(lì)信號(hào) 而是自身直接將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能 按照所產(chǎn)生波形的特點(diǎn)不同 可分為正弦波振蕩和張弛振蕩 按照電能轉(zhuǎn)換原理的不同 可分為反饋型振蕩電路和負(fù)阻型振蕩電路 反饋型振蕩電路實(shí)質(zhì)上是具有正反饋的放大器 負(fù)阻型振蕩器利用器件伏安特性曲線的某一段具有負(fù)斜率 顯現(xiàn)為負(fù)的微變電阻 配合外部儲(chǔ)能電路構(gòu)成的 從廣義上來說 所有振蕩器都可看成負(fù)阻型振蕩器 反饋型正弦振蕩電路的結(jié)構(gòu)框圖 第一節(jié) 反饋型正弦振蕩電路的工作原理 放大器產(chǎn)生自激振蕩的條件 正反饋 反饋型振蕩器的方框圖與電子電路基礎(chǔ)中的負(fù)反饋放大器框圖的兩點(diǎn)區(qū)別 圖中只是為了方便而將A與B分開來畫 在實(shí)際振蕩電路中反饋網(wǎng)絡(luò)往往成為放大器負(fù)載的一部分 只能人為地將二者分割 由于沒有外來信號(hào) 振蕩電路中放大環(huán)節(jié)輸入 輸出信號(hào)的認(rèn)定也不是惟一的 因此不能將晶體管振蕩電路分為共射 共基 共集三種組態(tài) 反饋型正弦振蕩電路中的選頻網(wǎng)絡(luò) 第一節(jié) 反饋型正弦振蕩電路的工作原理 作為正弦波振蕩器 為了使振蕩輸出單一頻率 只允許一個(gè)頻率滿足 因此 正弦波振蕩器電路中必須有選頻網(wǎng)絡(luò) 此外 當(dāng)電子器件的動(dòng)態(tài)運(yùn)用范圍擴(kuò)大時(shí) 選頻網(wǎng)絡(luò)可以濾除由于器件工作進(jìn)入非線性區(qū)所產(chǎn)生的諧波 根據(jù)構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的元件不同 可將振蕩電路分為LC正弦波振蕩器和RC正弦波振蕩器 LC振蕩器的振蕩頻率接近于LC諧振回路的諧振頻率 LC振蕩器不適宜工作于低頻 變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器 一 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 電路結(jié)構(gòu)說明與反饋的極性判別 第一種振蕩建立過程簡述 較小的寬頻擾動(dòng) 且靜態(tài)時(shí)有 該電路滿足形成自生反偏壓的三個(gè)條件 將在偏置電阻上形成自生反偏壓 可通過設(shè)法去除正反饋前 后 測(cè)量器件偏壓的變化來判別是否起振 變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器 二 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 第二種振蕩建立過程簡述 較大的寬頻擾動(dòng) 且靜態(tài)時(shí)有 第二種振蕩建立過程又稱為硬激勵(lì) 在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免 第一種振蕩建立過程又稱為軟激勵(lì) 可進(jìn)一步分為兩種實(shí)際情況 時(shí) 振蕩器的幅度有隨機(jī)性 且隨著時(shí)間或溫度變化時(shí)電路會(huì)停振 時(shí) 振蕩器的工作范圍將隨著幅度的增長進(jìn)入非線性區(qū) 并保持幅度穩(wěn)定 變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器 三 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 反饋型正弦波振蕩器的起振條件 反饋型正弦波振蕩器的平衡條件 振幅平衡條件的物理意義是反饋信號(hào)的幅度剛好等于放大器所需輸入信號(hào)的幅度 注意 同一電路按靜止?fàn)顟B(tài)下用小信號(hào)交流等效電路計(jì)算起振條件時(shí)的放大倍數(shù)與按器件工作進(jìn)入強(qiáng)非線性區(qū)工作對(duì)基波等效計(jì)算平衡條件的放大倍數(shù)會(huì)有很大不同 變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器 四 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 振蕩頻率取決于相位平衡條件 可據(jù)此進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算 但在手工計(jì)算時(shí) 這是一個(gè)十分困難的問題 在工程估算時(shí) 暫不考慮器件輸入 輸出阻抗的影響 并在振蕩頻率比器件特征頻率低得多的情況下 忽略器件內(nèi)部相移 從而可將諧振回路的諧振頻率近似看作為振蕩頻率 在實(shí)際中 欲達(dá)到預(yù)定的振蕩頻率時(shí) 可通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整回路元件的值 變壓器耦合反饋式LC正弦波振蕩器 五 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 是剛好能起振的極限條件 為使振蕩可靠 環(huán)反饋系數(shù)必須留有余量 其大小視所需振幅值和器件工作的導(dǎo)通角而定 因此 按甲類工作狀態(tài)計(jì)算起振的極限條件 即沒有多大實(shí)用價(jià)值 一個(gè)推薦的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為在之間選取開路 視器件輸入端開路 反饋系數(shù) 在實(shí)驗(yàn)調(diào)整時(shí)可根據(jù)振幅和波形失真大小改變反饋系數(shù) 一般來說 增大值振幅會(huì)增大 隨之發(fā)生的是器件進(jìn)入強(qiáng)非線性區(qū)工作的時(shí)間變長 波形失真也增大 要增大振幅 減小 要減小失真 加大 三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路 電感三點(diǎn)式 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 反饋電路由電感組成 又稱為電感分壓式 習(xí)慣上稱作 哈特萊 Hartely 振蕩器 振蕩頻率等于諧振回路的諧振頻率 若以接地點(diǎn)為參考點(diǎn) 則與同相 與反相 根據(jù)共射放大電路的輸入輸出相位關(guān)系 可得出反饋為正的結(jié)論 三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路 電感三點(diǎn)式 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 為正反饋 A B 三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路 電容三點(diǎn)式 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 反饋電路由電容組成 又稱為電容分壓式 習(xí)慣上稱作 考皮茲 Copitts 振蕩器 振蕩頻率等于諧振回路的諧振頻率 由于流過兩個(gè)電容的電流基本相同 則與同相 根據(jù)共基極放大電路的輸出輸出相位關(guān)系 可得出反饋為正的結(jié)論 三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路 電容三點(diǎn)式 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 為正反饋 A B 三點(diǎn)式LC正弦波振蕩電路 起振條件 第二節(jié) 反饋型LC正弦波振蕩器 和符號(hào)相同 和 符號(hào)相反 許多變形的三點(diǎn)式LC振蕩電路中 和往往不一定是單一的電抗元件 而是由不同符號(hào)的電抗元件組成的 但是 多個(gè)不同符號(hào)的電抗元件構(gòu)成的復(fù)雜電路 在頻率一定時(shí) 可以等效為一電感或電容 從而可據(jù)此進(jìn)行起振所需的相位判別 例題3 2 1 綜述 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 根據(jù)應(yīng)用場合的不同 對(duì)振蕩器的振幅穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性的要求也不同 振幅穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)往往用振幅變化的百分比來說明 其表達(dá)式為 有些情況下振幅穩(wěn)定性用分貝值來表示 其計(jì)算式為 絕對(duì)頻率穩(wěn)定度 相對(duì)頻率穩(wěn)定度 振幅穩(wěn)定度僅在短期內(nèi)有較高要求 頻率穩(wěn)定度在所有時(shí)間內(nèi)均有較高要求 振幅穩(wěn)定的條件 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 振幅會(huì)增大 振幅會(huì)衰減 振幅不變 欲使振蕩器的振幅在發(fā)生某種變化時(shí)能自動(dòng)趨于穩(wěn)定 電路的環(huán)反饋系數(shù)應(yīng)具有下述特性 振幅變化使AB值隨之發(fā)生變化 AB變化再次造成的振幅變化應(yīng)與原振幅變化相反 即 提高振幅穩(wěn)定度的一般考慮 一 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 為了滿足振幅穩(wěn)定條件 器件應(yīng)工作于非線性區(qū) 只要在設(shè)計(jì)時(shí)使器件在靜止?fàn)顟B(tài)下AB 1 便可自動(dòng)進(jìn)入非線性區(qū)工作 收到自動(dòng)穩(wěn)幅的效果 所設(shè)計(jì)的AB越大 器件進(jìn)入非線性區(qū)的程度愈甚 穩(wěn)幅效果越好 伴隨而來的缺點(diǎn)是波形失真增大 由于當(dāng)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)工作時(shí)集電結(jié)處于正向?qū)顟B(tài) 呈現(xiàn)低阻抗而產(chǎn)生限幅作用 使得接于集電極的LC諧振回路不能很好地起濾波作用 因此應(yīng)避免振蕩器中的晶體管進(jìn)入飽和區(qū)工作 不宜將晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)選得過高 電路中能產(chǎn)生自偏壓 也有助于避免晶體管進(jìn)入飽和區(qū) 提高振幅穩(wěn)定度的一般考慮 二 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 在振蕩電路中采用自生反偏壓可以收到的效果 且自生反偏壓將隨著信號(hào)幅度的增大而增大 需要注意選擇自偏電路的時(shí)間常數(shù) 若時(shí)間常數(shù)太小 建立不起穩(wěn)定的偏壓 必須使自偏電路的時(shí)間常數(shù)大于振蕩周期的倍 但若自偏電路的時(shí)間常數(shù)太大 則會(huì)出現(xiàn)間歇振蕩 提高振幅穩(wěn)定度的一般考慮 三 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 LC振蕩器靜止?fàn)顟B(tài)的小信號(hào)AB值大于1時(shí) 可以保證振幅的穩(wěn)定 當(dāng)小信號(hào)的AB值大于1越多時(shí) 穩(wěn)定情況下器件的導(dǎo)通角越小 但此時(shí)波形失真較大 故在實(shí)際應(yīng)用時(shí) 可根據(jù)對(duì)振幅穩(wěn)定和波形的要求折中地選擇AB的值 當(dāng)要求波形較好時(shí) 應(yīng)適當(dāng)放寬對(duì)幅度穩(wěn)定的要求 選用較小的AB值 實(shí)驗(yàn)指出 當(dāng)AB的值很大時(shí) 正反饋十分強(qiáng)烈 電路起振后增幅極快 自生反偏壓也迅速增大 容易滿足間歇振蕩條件 在這種情況下 適當(dāng)減小AB值 可以消除或防止間歇振蕩 頻率穩(wěn)定的條件 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 當(dāng)滿足相位平衡條件 即時(shí) 振蕩的頻率就穩(wěn)定下來 電路的相位特性應(yīng)滿足這樣的條件 由某一頻率變化所引起的相位變化 環(huán)路增益相移的變化與角頻率的變化符號(hào)必須相反 才能使頻率趨于穩(wěn)定 即 上述偏導(dǎo)數(shù)的絕對(duì)值越大 頻率穩(wěn)定性越好 當(dāng)時(shí) 振蕩頻率將發(fā)生變化 提高頻率穩(wěn)定度的一般考慮 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 僅考慮諧振回路的相移即可 越接近 在附近的的絕對(duì)值越大 值越高 在附近的的絕對(duì)值越大 結(jié)論 諧振回路的相移特性滿足頻率穩(wěn)定條件 若由于諧振回路以外的其它因素導(dǎo)致振蕩頻率不穩(wěn)定 則可依靠諧振回路的相移達(dá)到新的相位平衡點(diǎn) 在新頻率下工作 振幅與頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)定方法 一 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 供電 對(duì)那些要求有較高特性指標(biāo)的振蕩器 應(yīng)采用穩(wěn)壓電源 器件 應(yīng)該選用遠(yuǎn)比振蕩頻率高 且小的管子 另外 晶體管還可采用部分接入法和諧振回路連接 元件 可選用溫度系數(shù)小的元件 或選用正 負(fù)兩種溫度系數(shù)的元件以進(jìn)行相互補(bǔ)償 振幅與頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)定方法 二 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 安裝工藝 諧振回路和晶體管之間的接線要短而牢固 應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠帘?主振部分應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離發(fā)熱的元器件 可以采取防振措施以防止機(jī)械振動(dòng)的影響 負(fù)載 可在負(fù)載和主振級(jí)之間加緩沖級(jí) 為使緩沖級(jí)最大限度地起到緩沖作用 緩沖級(jí)從主振級(jí)所吸取的功率應(yīng)盡可能小 放大級(jí)應(yīng)工作于甲類 共射電路是作為緩沖級(jí)電路優(yōu)先考慮的電路形式 可以部分接入方式提高緩沖級(jí)對(duì)諧振回路的等效引入阻抗 振幅與頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)定方法 三 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 器件和諧振回路的耦合 克拉潑 Clapp 電路 的接入使器件和諧振回路的連接方式為部分接入 可通過改變的容量來調(diào)節(jié)振蕩頻率 不適宜作為波段振蕩器 西勒 Seiler 電路 可通過改變的容量來調(diào)節(jié)振蕩頻率 在振蕩頻率改變時(shí) 幅度較穩(wěn)定 振幅與頻率不穩(wěn)定的原因及穩(wěn)定方法 四 第三節(jié) 振蕩器的振幅和頻率的穩(wěn)定 相位補(bǔ)償 可在諧振回路和器件輸入電極相連接的反饋通道中接入一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娍乖韺?duì)消原反饋電路的相移 自動(dòng)穩(wěn)幅電路 框圖結(jié)構(gòu)及工作原理說明 綜述 第四節(jié) 石英晶體振蕩器 石英晶體振蕩器用石英晶體作為一個(gè)諧振回路元件接入振蕩電路中 其之所以有很高的頻率穩(wěn)定度 是因?yàn)槭⒕w參數(shù)的穩(wěn)定性很高 且等效Q值很高 其數(shù)值可達(dá)幾千以上 兩類晶體振蕩器電路 石英晶體作為一個(gè)高Q電感元件 和回路中的其他元件形成并聯(lián)諧振 成為并聯(lián)型晶體振蕩器 石英晶體作為一個(gè)正反饋通路元件 這種電路中的石英晶體工作于其串聯(lián)諧振頻率 稱為串聯(lián)型晶體振蕩器 并聯(lián)型晶體振蕩器電路 第四節(jié) 石英晶體振蕩器 可由直流供電電路入手得到其交流通路 當(dāng)石英晶體工作于感性區(qū) 且其感抗大于電容所呈現(xiàn)的容抗時(shí) 電路便滿足自激所需的相位條件 振蕩頻率等于晶體等效電感與 及串聯(lián)值的諧振頻率 并聯(lián)型石英晶體振蕩器中令石英晶體工作于感性區(qū) 這樣才能保證振蕩由其控制 泛音晶體振蕩器電路 第四節(jié) 石英晶體振蕩器 工作于機(jī)械諧波頻率的晶體稱作泛音晶體 如何保證電路工作于指定的諧波而不工作于基波或其他諧波是泛音晶體振蕩器的特殊問題 如果將電路調(diào)節(jié)得在指定諧波頻率的環(huán)路增益AB值稍大于1時(shí) 就可以保證對(duì)較高次的諧波不滿足自激所需的振幅條件 可采用下圖所示電路來抑制基波振蕩 第四節(jié) 石英晶體振蕩器 畫出圖 a 的交流通路如圖 b 所示 要使輸出振蕩頻率為100M1z 必須使石英晶體上作在5次泛音的感性電抗區(qū) 并使得由L和C2組成的諧振回路在振蕩頻率100Mh時(shí)呈容性電抗 而在3次泛音和基波頻率呈現(xiàn)感抗 將L和C2組成的諧振回路的諧振頻率選得高于3次泛音頻率 60MN 且低于5次泛音頻率 100MHz 泛音晶體振蕩器電路 第四節(jié) 石英晶體振蕩器 泛音晶體振蕩器電路 串聯(lián)型晶體振蕩器電路 第四節(jié) 石英晶體振蕩器 略去直流供電元件后可得交流等效電路 石英晶體和電路的反饋信號(hào)源 反饋信號(hào)的負(fù)載構(gòu)成串聯(lián)電路 此即串聯(lián)型晶體振蕩電路的得名原因 石英晶體工作于其感性區(qū) 在振蕩頻率處幾乎相當(dāng)于短路 在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)不接C4 而在石英晶體兩端并聯(lián)一個(gè)電感 小結(jié) 1 振蕩器的分類 按產(chǎn)生的波形分 正弦波振蕩器和張弛振蕩器 按組成選頻電路的元件分 LC振蕩器和RC振蕩器 按產(chǎn)生原理分 反饋型和負(fù)阻型 2 自激振蕩原理 自激振蕩原理的闡述可以有多種方式 常見有以下三種方式 從放大器加有正反饋時(shí) 放大器的輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的關(guān)系人手 從負(fù)微變電阻和振蕩電路的正電阻關(guān)系入手 從求微分方程的解入手 小結(jié) 小結(jié) 一般來說 對(duì)一個(gè)振蕩 可以從起振 平衡 穩(wěn)定三個(gè)方面探求其成立的條件 1 起振條件 振幅條件AB 1 相位條件 AB 2n 2 平衙條件 AB 1 AB 2n 3 穩(wěn)定條件 3 起振條件 振蕩幅度和振蕩頻率的計(jì)算 并非對(duì)所有振蕩電路的上述三個(gè)指標(biāo)都必須進(jìn)行精確的汁算 可以根據(jù)實(shí)際需要和可行性 采取不同的對(duì)策 振蕩器的振蕩頻率 都可在忽略器件極間電容影響的情況下 進(jìn)行工程估算 對(duì)正弦波振蕩器 一般由選頻電路參數(shù)確定 小結(jié) 關(guān)于起振條件 對(duì)LC正弦波振蕩器 因?yàn)樽罱K電路工作在強(qiáng)非線性區(qū) 其小信號(hào)情況的計(jì)算公式不僅煩瑣 而且計(jì)算結(jié)果沒有多少實(shí)用價(jià)值 振蕩幅度的計(jì)算對(duì)正弦波振蕩是十分棘手的問題 由振幅穩(wěn)定得知 這是一個(gè)非線性問題 一般通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整確定 小結(jié) 4 振蕩電路的若干問題 1 直流供電和交流通路之間的矛盾 通常利用電感 電容這兩類電抗元件對(duì)交 直流電呈現(xiàn)阻抗不同將二者分流 和放大電路中處理這個(gè)問題的方法相同 小結(jié) 2 判別反饋式LC正弦波振蕩電路能否滿足起振所需相位條件 對(duì)變壓器反饋式電路可將其當(dāng)做一個(gè)反饋放大器 考察變壓器的同名端 看反饋是正還是負(fù) 而不管諧振電路接在哪兩個(gè)電極之間 對(duì)三點(diǎn)式電路 則根據(jù)每兩個(gè)電極之間電抗符號(hào)的關(guān)系 Xce與Xbe同號(hào) Xcb與Xce Xbe反號(hào) 當(dāng)電極之間有兩個(gè)或兩個(gè)以上電抗元件時(shí) 則將其在振蕩頻率當(dāng)做一個(gè)等效電抗來看待 小結(jié) 3 三點(diǎn)式LC振蕩電路 由于所有電極均與同一個(gè)諧振回路連接 三個(gè)電極中的哪兩個(gè)作為輸入 哪兩個(gè)作為輸出 純系人為 而有一定的自由度 故不能像放大電路那樣分為三種組念 一個(gè)重要的問題是切勿把接地點(diǎn)當(dāng)做公共點(diǎn) 小結(jié) 4 集成LC正弦波振蕩器常將穩(wěn)幅電路和振蕩的放大環(huán)節(jié)集成在一塊硅片上 本書未做介紹 小結(jié) 形成自生反偏壓的充分必要條件 電路中存在非線性導(dǎo)電現(xiàn)象 且非線性導(dǎo)電的平均電流不為零 電路中具有儲(chǔ)能元件 能將非線性導(dǎo)電的能量儲(chǔ)存起來 儲(chǔ)存能量釋放的時(shí)間常數(shù)足夠大 大于信號(hào)一個(gè)周期的3 5倍 從而得以形成穩(wěn)定的直流偏壓