通信电子电路第四章第1～5节.ppt

第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 反馈型正弦波自激振荡器基本原理反馈型正弦波自激振荡器基本原理4.3 4.3 三点式三点式LC振荡器振荡器4.4 4.4 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器4.5 4.5 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题 4.6 4.6 石英晶体谐振器石英晶体谐振器4.7 4.7 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路4.8 4.8 陶瓷振子和陶瓷振子电路陶瓷振子和陶瓷振子电路 4.9 4.9 单片集成振荡电路单片集成振荡电路E1648 1648 返回总目录返回总目录本章内容本章内容本章重点与难点本章重点与难点（一）本章重点（一）本章重点 1.1.振荡器的种类及应用；振荡器的种类及应用；2.2.三点式振荡器；三点式振荡器；3.3.改进型电容三点式振荡器，即克拉泼改进型电容三点式振荡器，即克拉泼 电路和西勒电路；电路和西勒电路；4.4.振荡器的频率稳定问题；振荡器的频率稳定问题；5.5.压电效应，石英晶体谐振器；石英晶压电效应，石英晶体谐振器；石英晶 体振荡器电路。体振荡器电路。（二）本章难点（二）本章难点 克拉泼电路和西勒电路克拉泼电路和西勒电路4.1 4.1 概概 述述 振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自振荡器是指在没有外加信号作用下的一种自动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡动将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡能量的装置。能量的装置。一、正弦波振荡器的应用一、正弦波振荡器的应用 1.1.在信息传输系统的各种发射机中，就是在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放把主振器（振荡器）所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。大、调制而把信息发射出去的。2.2.在超外差式的各种接收机中，是由振荡在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个器产生一个“本地振荡本地振荡”信号，送入混频器，信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。才能将高频信号变成中频信号。3.3.在研制、调测各类电子设备时，常在研制、调测各类电子设备时，常常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪常需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大多包含有振荡器。器中大多包含有振荡器。例如高频信号发生器、音频信号发生例如高频信号发生器、音频信号发生器、器、Q表以及各种数字式测量仪表等。表以及各种数字式测量仪表等。4.4.在工业生产中的高频加热、超声焊在工业生产中的高频加热、超声焊接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。接以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。可见正弦波振荡器在电子技术领域里可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着广泛的应用。有着广泛的应用。1.1.“反馈式振荡器反馈式振荡器”和和“负阻式振荡器负阻式振荡器”两大类两大类 从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，我从所采用的分析方法和振荡器的特性来看，我们只讨论们只讨论反馈式振荡器反馈式振荡器。2.2.RC振荡器与振荡器与LC振荡器振荡器 按选频网络（元件组成）来看按选频网络（元件组成）来看 3.3.正弦波振荡器正弦波振荡器与非正弦波振荡器与非正弦波振荡器 按振荡器所产生的波形来看按振荡器所产生的波形来看 本书只介绍本书只介绍LC正弦波振荡器正弦波振荡器。主要讨论正弦波振。主要讨论正弦波振荡器的基本原理。将详细分析各种正弦波振荡器的振荡荡器的基本原理。将详细分析各种正弦波振荡器的振荡与稳频原理，并与稳频原理，并对几种典型振荡电路进行分析。对几种典型振荡电路进行分析。二、振荡器的种类二、振荡器的种类4.2 4.2 反馈型正弦波自激振荡器基本原理反馈型正弦波自激振荡器基本原理 一、从调谐放大到自激振荡一、从调谐放大到自激振荡 图为调谐放大器电路，图为调谐放大器电路，输入信号经输入信号经互感互感M1耦合，耦合，加到晶体管基极和发射极之加到晶体管基极和发射极之 间，以间，以ube 表示，在谐振回路表示，在谐振回路 两端得到已经放大的信号两端得到已经放大的信号uce，再经过再经过互感互感M2 从线圈次从线圈次 图图4-2 4-2 调谐放大器调谐放大器 级得到输出信号级得到输出信号uo，如果把如果把uo再送回到输入端，再送回到输入端，uo的相位和大小同原来的输入信号的相位和大小同原来的输入信号ui一样，就成为自激一样，就成为自激振荡器了。振荡器了。二、自激振荡的平衡二、自激振荡的平衡1.1.反馈必须是正反馈反馈必须是正反馈 即即反馈到输入端的反馈电压（电流）必须反馈到输入端的反馈电压（电流）必须与输入电压（电流）同相。与输入电压（电流）同相。其中其中 总相移，总相移，n整数。整数。2.2.反馈必须反馈必须足够大足够大 如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不如果从输出端送回到输入端的信号太弱，就不会产生振荡了，在图会产生振荡了，在图4-34-3电路中，可以调整电路中，可以调整M、L的的数值以及放大量来实现这一要求。数值以及放大量来实现这一要求。满足振荡的幅度平衡条件为：满足振荡的幅度平衡条件为：KF=1 自激振荡平衡条件的复数表达式为：自激振荡平衡条件的复数表达式为：图图4-3 4-3 互感反馈振荡器互感反馈振荡器 4.3 4.3 三点式三点式LC振荡器振荡器 一、组成原理一、组成原理 LCLC回路引出三个端点，分别同晶体管的三个回路引出三个端点，分别同晶体管的三个电极相连的振荡器，称三点式振荡器。电极相连的振荡器，称三点式振荡器。分为电容三点式和电感三点式。分为电容三点式和电感三点式。（1 1）电容三点式）电容三点式（2 2）电感三点式）电感三点式 射同集（基）反射同集（基）反与射极相连元件电抗与射极相连元件电抗性质相同，与集电极、基极相连元件的电抗性性质相同，与集电极、基极相连元件的电抗性质相反。质相反。该规律对于三点式电路有普遍意义。该规律对于三点式电路有普遍意义。图图4-9 4-9 电容三点式振荡器电容三点式振荡器图图4-12 4-12 电感三点式振荡器电感三点式振荡器假定在晶体管的假定在晶体管的b、e间有一输入信号间有一输入信号 ，当振荡频率等，当振荡频率等于于LC回路谐振频率时，回路谐振频率时，与与 反相，电流反相，电流 滞后于滞后于 9090度。度。C2 上的反馈电压滞后电流上的反馈电压滞后电流 9090度，故度，故 与与同相，满足相位平衡条件。同相，满足相位平衡条件。二、电容三点式振荡器二、电容三点式振荡器 电容反馈三点线路，也叫电容反馈三点线路，也叫“考毕兹考毕兹”振荡电路。振荡电路。图图4-9 4-9 电容三点式振荡器电容三点式振荡器1.电路相位平衡条件的判断电路相位平衡条件的判断 满足满足“射同集（基）射同集（基）反反”1 1）与发射极相连的两电抗）与发射极相连的两电抗Xce和和Xbe性质相同；性质相同；2 2）Xcb和和Xce、Xbe性质相反。性质相反。注：对于场效应管振荡器，将发射极改为源极即可。注：对于场效应管振荡器，将发射极改为源极即可。从从C两端取得两端取得，送回放大器输入端。由，送回放大器输入端。由于它是利用电容将谐振回路的一部分电压于它是利用电容将谐振回路的一部分电压反馈到基极上，而且也是将反馈到基极上，而且也是将LC谐振回路的谐振回路的三个端点分别与晶体管三个电极相连，所三个端点分别与晶体管三个电极相连，所以这种电路又叫以这种电路又叫电容反馈三点式振荡器。电容反馈三点式振荡器。2.反馈信号从哪取得？反馈信号从哪取得？图图4-11 4-11 图图4-94-9的等效电路的等效电路 求出放大倍数求出放大倍数K 和反馈系数和反馈系数F，看它们的看它们的乘积是乘积是否大于否大于1 1。图中：图中：RS 晶体管输出电阻；晶体管输出电阻；Co 晶体管输出电容；晶体管输出电容；Ri 晶体管输入电阻；晶体管输入电阻；Ci 晶体管输入电容；晶体管输入电容；R0 回路谐振电阻回路谐振电阻3.起振条件起振条件 现把各元件都折合到现把各元件都折合到c-ec-e端。端。如果如果 则回路损耗可以忽略，得则回路损耗可以忽略，得通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失真严通常考虑易起振又不致使振荡波形的非线性失真严重，都选得较小，大约在重，都选得较小，大约在0.010.5之间，之间，其中其中 4.振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率 f0一、串联改进型电容反馈三点线路一、串联改进型电容反馈三点线路 （克拉泼电路）（克拉泼电路）二、并联改进型电容反馈三点线路二、并联改进型电容反馈三点线路 （西勒电路）（西勒电路）4.4 改进型电容三点式电路改进型电容三点式电路 LC振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率不仅与谐振回路的不仅与谐振回路的LC元件的值有关，元件的值有关，而且还与晶体管的输入电容而且还与晶体管的输入电容以及输出电容有关。以及输出电容有关。当工作环境改变或更换管当工作环境改变或更换管子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响。子时，振荡频率及其稳定性就要受到影响。例如，对于电容三点式电路，晶体管的电例如，对于电容三点式电路，晶体管的电容容Co、Ci 分别同回路电容分别同回路电容C1、C2 并联，振荡频并联，振荡频率可以近似写成：率可以近似写成：(4-22)如何减小如何减小Co、Ci 的影响，以提高频率稳定度的影响，以提高频率稳定度呢？呢？表面看来，加大回路电容表面看来，加大回路电容 C1与与C2 的电的电容量，可以减弱由于容量，可以减弱由于Co、Ci 的变化对振荡频的变化对振荡频率的影响。但是这只适用于频率不太高，率的影响。但是这只适用于频率不太高，C1 和和C2 较大的情况。较大的情况。当频率较高时，过分地增加当频率较高时，过分地增加C1 和和C2，必必然减小然减小L的值（维持振荡频率不变），这就的值（维持振荡频率不变），这就导致回路的导致回路的Q值下降，值下降，振荡幅度下降，甚至振荡幅度下降，甚至会使振荡器停振。这就有待于改进。会使振荡器停振。这就有待于改进。一、串联改进型电容反馈三点线路一、串联改进型电容反馈三点线路 （克拉泼电路）（克拉泼电路）把基本型的电容反馈三点线路把基本型的电容反馈三点线路集电极集电极-基基极支路的电感极支路的电感改用改用L-C串联回路代替串联回路代替，这正是，这正是它的名称的由来它的名称的由来串联改进型电容反馈三串联改进型电容反馈三点线路，又叫点线路，又叫“克拉泼克拉泼”电路电路。1.1.电路特点电路特点选选 ，时时，振荡频率可近似振荡频率可近似写成写成 这就使这就使Co和和Ci几乎与几乎与 值无关，它们的值无关，它们的变动对振荡频率的稳定性就没有什么影响了，变动对振荡频率的稳定性就没有什么影响了，提高了频率稳定度。提高了频率稳定度。（4-23）2.2.振荡频率振荡频率图图4-16 4-16 谐振电阻谐振电阻R R折合到晶体管输出端折合到晶体管输出端3.电容电容C1、C2 的选取的选取 成立的条件成立的条件是是C1 和和C2都要选得比较都要选得比较大。大。但是不是但是不是C1、C2愈大愈大愈好呢？愈好呢？为了说明这个为了说明这个问题，问题，我们我们从分析回路谐振电阻从分析回路谐振电阻入手。入手。n折合到晶体管端的电阻折合到晶体管端的电阻 式中式中 n 接入系数，也叫分压比。接入系数，也叫分压比。因为因为 则则 谐振电阻可表示为谐振电阻可表示为又因又因 克拉泼振荡器虽然克拉泼振荡器虽然可以提高频率稳定度，可以提高频率稳定度，但存但存在以下在以下缺点缺点：1 1）C1、C2 如过大，则振荡幅度就太低。如过大，则振荡幅度就太低。2 2）当减小当减小C 来提高来提高 f0 时，振荡幅度显著下时，振荡幅度显著下降；当降；当C 减到一定程度时，可能停振。减到一定程度时，可能停振。3 3）用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率用作频率可调的振荡器时，振荡幅度随频率增加而下降，在波段范围内幅度不平稳，因此，频增加而下降，在波段范围内幅度不平稳，因此，频率覆盖系数率覆盖系数（在频率可调的振荡器中，高端频率和（在频率可调的振荡器中，高端频率和低端频率之比称为频率覆盖系数）低端频率之比称为频率覆盖系数）不大，约为不大，约为1.21.3 。4.优缺点优缺点二、并联改进型电容反馈三点线路二、并联改进型电容反馈三点线路（西勒电路）（西勒电路）除了除了采用两个容量较大的采用两个容量较大的C1、C2外，主要是外，主要是把基把基本型的电容反馈线路本型的电容反馈线路集电极集电极-基极支路基极支路改用改用LC并联回并联回路再与路再与C3串联，串联，所以叫并联改进型，也叫所以叫并联改进型，也叫“西勒西勒”电电路。路。1.1.电路电路特点特点 2.2.谐振频率谐振频率3.折合到晶体管输出端的谐振电阻折合到晶体管输出端的谐振电阻求出分压比求出分压比 n 改变改变 C 时，时，n、L、Q 都是常数，则都是常数，则 仅随仅随 一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，一次方增长，易于起振，振荡幅度增加，使在使在波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大波段范围内幅度比较平稳，频率覆盖系数较大，可，可达达1.61.61.81.8。另外，另外，西勒电路频率定性好，振荡频率可以较西勒电路频率定性好，振荡频率可以较高。高。因此，在短波、超短波通信机，电视接收机等因此，在短波、超短波通信机，电视接收机等高频设备中得到广泛的应用。高频设备中得到广泛的应用。由上式可知，由上式可知，n 和和 C 无关，无关，当调节当调节C 来改变振来改变振荡频率时，荡频率时，n 不变。不变。把把 R 折合到折合到 c-e 端，端，振荡器的频率稳定是一个十分重要的问振荡器的频率稳定是一个十分重要的问题。例如题。例如:通信系统的频率不稳，就会漏失信号通信系统的频率不稳，就会漏失信号而联系不上；而联系不上；测量仪器的频率不稳，就会引起较大测量仪器的频率不稳，就会引起较大的测量误差；的测量误差；在载波电话中，载波频率不稳，将会在载波电话中，载波频率不稳，将会引起话音失真。引起话音失真。4.5 4.5 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题 振荡器的频率稳定度指标是用频率稳定度振荡器的频率稳定度指标是用频率稳定度来衡量的。频率稳定度有两种表示方法：来衡量的。频率稳定度有两种表示方法：1.1.绝对频率稳定度绝对频率稳定度。它是指在。它是指在一定条件一定条件下实际振下实际振荡频率与标准频率的偏差荡频率与标准频率的偏差2.2.相对频率稳定度相对频率稳定度。它是指在一定条件下，绝对。它是指在一定条件下，绝对频率稳定度与标准频率之间的比值频率稳定度与标准频率之间的比值 常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度。常用的是相对频率稳定度，简称频率稳定度。注：注：“一定条件一定条件”可以指可以指一定的时间范围或一定的温度一定的时间范围或一定的温度或电压变化范围。或电压变化范围。一、振荡器的频率稳定度一、振荡器的频率稳定度 例如，在例如，在一定时间范围内一定时间范围内的频率稳定的频率稳定度可以分为以下几种情况：度可以分为以下几种情况：短期稳定度短期稳定度一小时内的相对频率一小时内的相对频率稳定度。一般用来评价测量仪器和通信设稳定度。一般用来评价测量仪器和通信设备中主振器的频率稳定指标；备中主振器的频率稳定指标；中期稳定度中期稳定度一天内的相对频率稳一天内的相对频率稳定度；定度；长期稳定度长期稳定度数月或一年内的相对数月或一年内的相对频率稳定度。频率稳定度。频率稳定度用频率稳定度用1010的负几次方表示，的负几次方表示，次方次方绝对值越大，稳定度越高。绝对值越大，稳定度越高。中波广播电台发射机的中期稳定度是中波广播电台发射机的中期稳定度是210210-5-5/日；日；电视发射台是电视发射台是510510-7-7/日；日；一般一般LC振荡器是振荡器是1010-3-31010-4-4/日；日；克拉泼和西勒振荡器是克拉泼和西勒振荡器是1010-4-41010-5-5/日。日。图图4-19 4-19 相频特性曲线相频特性曲线二、稳频措施二、稳频措施n减小温度的影响减小温度的影响n稳定电源电压稳定电源电压n减少负载的影响减少负载的影响n晶体管与回路之间的连接采用松耦合。晶体管与回路之间的连接采用松耦合。n提高回路的品质因数提高回路的品质因数n使振荡频率接近于回路的谐振频率使振荡频率接近于回路的谐振频率n屏蔽、远离热源。屏蔽、远离热源。