8.3 三点式LC正弦波振荡器 - Dr. Si, Pengbo

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通信电路原理
第八章 正弦波振荡器
司鹏搏
综合楼825
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第八章 正弦波振荡器
主要内容
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
8.1 概述[2]
8.2 振荡器的基本工作原理[2]
8.3 三点式LC正弦波振荡器[1]
8.6 石英晶体振荡器[1]
8.8 压控振荡器(VCO) [1]
8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度[2]
8.4 差动对管及场效应管振荡电路[3]
8.7 RC正弦波振荡器[2]
8.9 负阻振荡器[3]
8.10 正弦波振荡器的设计考虑[2]
第八章 正弦波振荡器
重点和难点
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 掌握正弦波振荡电路的工作原理、电
路组成、实际电路的等效电路画法、
分析与计算
• 难点是三点式正弦波振荡电路的工作
原理与实际电路的分析
第八章 正弦波振荡器
8.1 概述
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 自激振荡器功能
– 将直流电能 —转换为→交变振荡能量
• 按波形分类
– 简谐波振荡器 (产生波形近似为正弦波)
• 高频
– LC振荡器
(较稳定 /10-3 ~ 10-4)
– 石英晶体振荡器 (最稳定 /10-5 ~ 10-7)
• 低频
– RC振荡器
(稳定性差/10-2 ~ 10-3)
– 张弛振荡器(产生非正弦波和近似正弦波)
第八章 正弦波振荡器
研究方法
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 多采用正反馈方法
– 简介负阻方法
• 重点
– 正弦波振荡器工作原理
– 起振条件、平衡条件、稳定条件
– 电路的判别原则
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 一、调谐放大器到自激振荡器 (图8-1 p241)
– 正弦信号的从无到有
输出:扰动中频率为f0的信号
扰动
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 基本模型
选频网络
放大网络
反馈网络
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 三个工作条件
VS
扰动
放大网络
AV
VO
Vf
反馈网络
选频网络
输出正弦波振荡信号
FV
起振
平衡
稳定
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 起振条件
VS
扰动
放大网络
AV
VO
Vf
反馈网络
选频网络
输出正弦波振荡信号
FV
起振过程需要满足的条件(起振条件)
– V V
A F 1
f
S
V
V
– 幅度条件
AV FV  1
– 相位条件
a   f  2n , n  0,1, 2,
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 平衡条件
VS
扰动
放大网络
AV
VO
Vf
反馈网络
选频网络
输出正弦波振荡信号
FV
起振后达到平衡需要满足的条件(平衡条件)
– V V
A F 1
f
S
– 幅度条件
V
V
AV FV  1
– 相位条件
a   f  2n , n  0,1, 2,
从起振到平衡:非线性
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
VO
8.3 三点式LC正
VS反馈特性 VO -> Vf
放大网络
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
Vf  VS
AV
荡器
平衡稳定点
Vf  VS
VO
V
f
8.8 压控振荡器
平衡稳定点
VfV 
VSV AV FV  1
8.5 LC正弦波振
f
S
反馈网络
荡器的频率
选频网络 Vf  VS AV FV  1
振荡特性 VS -> VO
稳定度
FV
VO
8.4 差动对管及
Vf  VS
场效应管振
平衡不稳定点
振幅稳定条件
荡电路
Vf  VS AV FV  1
8.7 RC正弦波振
Vf  VS
V
V
振荡特性
->
O
S
荡器
O
O
8.9 负阻振荡器
VS Vf VS Vf VS Vf Vf
VS V V
S f
8.10 正弦波振荡
S
f
器的设计考
虑
• 振幅稳定条件
V
V

V
V
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 振幅稳定条件
VO VO

VS Vf
– 相差越大越好
– 振幅稳定是利用放大器的非线性,使稳定点
处反馈线的斜率大于振荡特性曲线的斜率
– 内稳幅措施
• 加大放大器的非线性,及自给偏压效应
– 外稳幅措施
• 放大器为线性时,另插入非线性环节
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 相位稳定条件
– 当相位平衡条件φa+φf=2nπ被破坏时,振荡
器本身应能重新建立起相位稳定点
– 某原因(温度、电压等)引起
• Vf超前Vs ,产生△φ,使周期缩短( f↑)
• Vf滞后Vs,产生-△φ,使周期加大( f↓)
– LC回路(稳频机构)可抵消引入的相位变化
• f↑,(容性)产生 - △φ LC
• f↓,(感性)产生 +△ φ LC
第八章 正弦波振荡器
正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 相位稳定条件
– 负斜率,且斜率越大越好
• 注意
– 相频曲线负斜率越大,f02偏离f01越小,频率稳定
度越高。提高回路Q值可加大负斜率,石英晶体
Q值极高,故频率稳定性好
– 使固有φLC→0,即原f01接近f0
第八章 正弦波振荡器
五、偏置电路对振荡性能的影响
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 1. 自给偏压效应 (图8-5 p246)
– 初始工作点VBEQ, 正反馈使工作点左移(甲→
乙→丙)→VBE0
第八章 正弦波振荡器
五、偏置电路对振荡性能的影响
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 2. 自给偏压电路引起的间歇振荡 (图8-6 p246)
– 原因
• CbRb, CeRe时间常数过大,导通时间↓, 回路得不到足够的能
量补充
• 回路Q值低, 能量损耗大
– 提供的能量=回路能量损耗, 电路可维持振荡
第八章 正弦波振荡器
六、晶体管变压器耦合振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• (图8-7 p247) 共基组态
– 变频器电路 (单管同时完成振荡和混频功能)
第八章 正弦波振荡器
8.3 三点式LC正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 一、三点式振荡器的组成原则
– 一般形式(图8-8 p248)
• 负号表示产生180o相移, 与Vbe和Vce间的180o相移合成为
360o相移, 满足正反馈条件
• 为此,Xce与Xeb必为同名电抗, 而Xcb须是其异名电抗
第八章 正弦波振荡器
电感三点式振荡器(哈特莱电路)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
L2 1 1
L2  M
Fv 

 
Fv 
(有互感)
Vo L1 3 8
L1  M
Vf
fo 
1
2 LC
L  L1  L2  2 M
第八章 正弦波振荡器
电感三点式振荡器(哈特莱电路)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 优点
– 易起振,易调整(调C基本上
不影响Fv)
• 缺点
– 波形差
– 工作频率低
• f↑, L1和L2的匝数↓, L2不能< 1
匝,一般f工作< 几十MHz。
Fv 
Vf
Vo

L2 1 1
 
L1 3 8
Fv 
L2  M
(有互感)
L1  M
第八章 正弦波振荡器
电容三点式振荡器(考毕滋电路)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
V f C1 1 1
Fv 

 
Vo C 2 2 8
fo 
1
2 LC
C
'
1
'
C C2
'
'
C1  C 2
C1'  C1  Coe
 '
C 2  C 2  C ie
第八章 正弦波振荡器
电容三点式振荡器(考毕滋电路)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 优点
– 波形好
– 频率稳定度高
– 工作频率高
• 缺点
– 频率不易调整,改变C1、C2时会改变Fv,
改进方法之一 (图8-10 c,d p251)
第八章 正弦波振荡器
电容三点式振荡器(考毕滋电路)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
•
图8-10 c,d p251
C1C 2
C总  C 3 
C1  C 2
Vf
C1
Fv 

Vo C1  C 2
(忽略C oe 和C ie )
第八章 正弦波振荡器
串联改进型电容三点式振荡器(克拉泼电路)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 图8-12 p253 共基电路
– fH /fL = 1.2~1.3
C总 
1
1
1
1


C1 C 2 C 3
第八章 正弦波振荡器
并联改进型电容三点式振荡器 (西勒电路)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 图8-13 p253 共集电极电路
– fH /fL = 1.6~1.8
1
C总  C 4 
1
1
1


C1 C 2 C 3
Fv 
V f C1  C 2

(忽略C oe 和C ie )
Vo
C2
第八章 正弦波振荡器
并联改进型电容三点式振荡器 (西勒电路)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 实例
C总  C 4 
1
1
 3.3 
 19 pF
1
1
1
1
1
1




C1 C 2 C 3
2.2 8.2 15
1
fo 
2 LC 总
Fv 
C1  C 2 2.2  8.2

 1.27
C2
8.2
1
1
Av 

 0.8
Fv 1.27
Multisim演示程序(Chapter_8_1_西勒电路)
第八章 正弦波振荡器
三点式振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
第八章 正弦波振荡器
8.6 石英晶体振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• Q值对比
– LC:几十~ 200
– 石英晶体:105 ~ 106
• 一、石英谐振器
– 电抗特性(图3-19 p96)
– 等效电路(图8-21 p263)
• 参数表 (表8-1 p264)
– 石英谐振器在电路中的应用
• 等效电感元件作用:f0在fs与fp之间
• 等效短路元件作用: f0 = fs (串联谐振)
第八章 正弦波振荡器
8.6 石英晶体振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
电抗特性:
(图3-19 p96)
等效电路:
(图8-21 p263)
第八章 正弦波振荡器
8.6 石英晶体振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
第八章 正弦波振荡器
二、石英晶体振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 1. 并联型晶体振荡电路 (图8-22 p265)
– 石英谐振器等效为电感元件
– 电容三点式 (图8-22a,b)
• 设图中C1L回路的谐振频率为f1
– 要求:f1 < f0 (抑制低次泛音)
• 即C1L回路对 f0容性失谐,等效为电容C1’
• 要求回路的 f0与 fp(fs) 一致
第八章 正弦波振荡器
二、石英晶体振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 1. 并联型晶体振荡电路 (图8-22 p265)
– 电感三点式 (图8-22c,d)
• 要求 f1 > f0
• 即C1L回路对f0 感性失谐,等效为电感
• 要求回路的 f0与 fp(fs) 一致
第八章 正弦波振荡器
二、石英晶体振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 2. 串联型晶体振荡电路 (图8-23 p266)
– 石英谐振器等效为短路元件, 要求LC回路
的f0与 fs一致
第八章 正弦波振荡器
二、石英晶体振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 3. 泛音晶体振荡电路
– 一般 f > 20MHz 时采用,频率稳定度好,
七次泛音以上较少应用
– 实际工作中,常常并联电感抵消石英晶体
的静态电容C0,使晶体工作于泛音的fp(fs),
并可提高频率稳定性
第八章 正弦波振荡器
三、晶体振荡电路举例
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 1. 1MHz场效应管密勒电路 (图8-24 p267)
– 晶体为电感元件
第八章 正弦波振荡器
三、晶体振荡电路举例
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 2. 串联型晶体振荡器 (图8-25 p267)
– 晶体为短路元件
第八章 正弦波振荡器
三、晶体振荡电路举例
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 3. CMOS微功耗晶体振荡器 (图8-26 p267)
– 晶体为电感元件
第八章 正弦波振荡器
8.8 压控振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 以电压变化控制频率 (相位)变化的振
荡器
– 用于直接FM、PLL、AFC等
变容二极管特性
(图8-31 p271)
第八章 正弦波振荡器
一、变容二极管压控振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• Cj (小)串C4(隔直/很大), Cj 起主要作用
• 则: C总= Cj+(C1串C2串C3) = Cj + C'
第八章 正弦波振荡器
一、变容二极管压控振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 可调振荡器直接调频示意
第八章 正弦波振荡器
一、变容二极管压控振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 例:电视甚高频段VHF
– fmin = 52.5MHz (1频道的f0)
– fmax = 219MHz (12频道的f0)
• 令:C'=0
–
–
–
–
Kf2 = fmax2/ fmin2 = Cjmax/Cjmin = 17.4
显然Cj 难以实现。为此分为两段
VHF-L (1~ 5频道) Kf2 = 2.81
VHF-H (6~12频道) Kf2 = 1.64
第八章 正弦波振荡器
二、应用实例
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 1. 电视接收机VHF本振 (图8-32 p272)
• 2. 集成运放VCO (图8-33 p272)
第八章 正弦波振荡器
8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 一、频率稳定度概述
– 长期
• 一天~几个月,标准设备的频率稳定度指标
– 短期
• 几小时~一天,通信机、仪器的频率稳定度指标
• 长期、短期不稳定为元器件老化引起
– 瞬时
• ms~s,瞬时无规则变化
• 瞬时不稳定为温度、电源、元器件参数变化引起
第八章 正弦波振荡器
8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 设标称频率f0, 实际工作频率 f
– 绝对频率准确度:△f = f - f0
– 相对频率准确度:△f / f0 = (f - f0) / f0
• 加时间限定后为频率稳定度
• 例:
– 工作频率 f0 =1 MHz,
– 一天内最大频率 f0 max= 1.0006 MHz
– 则频率稳定度为
△f / f0 =(1.0006-1)/1 = 6×10-4/日
第八章 正弦波振荡器
8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 一般情况下的频率稳定度
– LC振荡器:10-2~10-5/日
– 晶体振荡器:10-4~10-11/日
• 常温:10-4~10-7/日
• 恒温:10-8~10-11/日 (其它措施)
–
–
–
–
–
中波台:2×10-5/日
电视台:5×10-7/日
一般信号源:10-4~10-5/日
高精度信号源:10-7~10-8/日
宇宙通信:10-11/日
第八章 正弦波振荡器
8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 二、频率不稳定的分析
– 频率变化直接与相位变化相关
– 相位平衡条件:φa+φf=2nπ
∵ φa=φfe +φLC
∴ φfe+ φLC +φf = 2nπ
– 即 φfe、 φLC 、φf 的变化均可使频率发生
变化
第八章 正弦波振荡器
8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 可见:
– 由于固有的φfe≠0, φf
≠0,即
φLC = - (φfe + φf) ≠ 0,
则实际工作为 f01
– +△φ( f↑)变化后,LC
回路容性,产生 △φLC 在 f02处重新达
到新的相位平衡
– Q↑,f01、f02更接近 f0
第八章 正弦波振荡器
8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 回路参数变化的影响
– △ω0 / ω0 = -1/2(△L/L+△C/C)
– 负号表示L、C增加时,△ ω0下降
• 温度变化的影响
– 引起L、C变化(L , △C);
– 工作点偏移(△φfe);
• Q值的变化
– 负载和参数变化, 工作点偏移
• 电源不稳定
– 工作点偏移
第八章 正弦波振荡器
8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 三、提高频率稳定度的措施
– 恒温、电磁屏蔽、高稳定电源、射随缓冲、减小
机械振动
– 提高LC回路的标准性
• L、C的稳定性,以提高Q值,安装的结构工艺(紧固、
短引线(镀银)),减小R i、Ro对LC回路的影响(部分接入
等)
– 减小φfe
• 选f工作<<fT,降低回路的损耗
– 补偿法
• 若:△C/C =-△L/L,则:△ω0/ω0 = 0
• 即L均为正温度系数,可选负温度系数的C
第八章 正弦波振荡器
8.4 差动对管及场效应管振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 一、变压器耦合式差动对管振荡电路
– (图8-17 p257)
(a)双回路变压器耦合
(b)单回路单臂变压器耦合
第八章 正弦波振荡器
二、双稳态式差动对管振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• (图8-18 p258)
• 特点:易起振,波形好,频率稳定度高
第八章 正弦波振荡器
三、场效应管振荡电路
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• (图8-19 p258)
• 特点:场效应管输入阻抗高、功耗低、跨导
较小,电路工作稳定, fH高
第八章 正弦波振荡器
8.7 RC正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 以RC选频网络为负载的振荡器
– 几Hz~几百KHz
– 模型框图:(图8-27 p268)
第八章 正弦波振荡器
8.7 RC正弦波振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 一、RC选频网络 (图8-28 p269)
第八章 正弦波振荡器
一、RC选频网络 (图8-28 p269)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 1. 网络传输函数
– 令R1=R2=R,C1=C2=C
– 当ω=ω0(谐振频率)= 1/RC 时, Fv=1/3 (φf=0)
第八章 正弦波振荡器
一、RC选频网络 (图8-28 p269)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 2. 幅频特性曲线 (图8-28 p269)
– 由上式
• ω=ω0时: Fv =1/3(最大)
• ω<ω0时:当ω→0 ,Fv (ω)→0
• ω>ω0时:当ω→∞,Fv (ω)→0
第八章 正弦波振荡器
一、RC选频网络 (图8-28 p269)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 3. 相频特性曲线 (图8-28 p269)
– ω<ω0时(ω减小)
•
•
•
•
Xc1>>R1 , C1与R1串联→ Xc1
Xc2 >>R2 , C2与R2并联→ R2
则:v0 超前vs相位φ
(ω→0时, φ →+π/2)
– ω>ω0时(ω增大)
•
•
•
•
Xc1 << R1 ,C1与R1串联→ R1
Xc2 <<R2 ,C2与R2并联→ Xc2
则: v0滞后vs相位 -φ
(ω→∞时, φ →-π/2)
– ω=ω0时,v0与vs同相
第八章 正弦波振荡器
二、文氏电桥振荡电路 (图8-29 p269)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 特点
– 几Hz~几MHz可调范围宽,电路简单易调整,波形失真系数为千
分之几
• 正反馈支路→运放+端
–
–
–
–
ω=ω0=1/RC 时,相位平衡(φf=0)
由振幅平衡条件:AvFv=1
已知:Fv'= F+=1/3,
故要求: Av≥3
• 负反馈支路→运放-端
– 作用:改善波形,控制振幅,
– Rt(热敏电阻)进行温度补偿。
– F-= R1/(Rt + R1)
• 运放的Ri、Ro均与RC网络并接,对网络有影响
第八章 正弦波振荡器
二、文氏电桥振荡电路 (图8-29 p269)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 总反馈系数
第八章 正弦波振荡器
8.9 负阻振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 一、概述
– 1.负阻特性和负阻器件 (图8-35 p273)
第八章 正弦波振荡器
2. 负阻等效电路和原理 (图8-34 p273)
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
串联型
并联型
起振条件: Rs > RL
Rp < Re
平衡条件: Rs = RL
Rp = Re
平衡条件:
-1/Rp+1/Re+jωoC-1/jωoL=0
-Rs+RL+jωoL+1/jωoC=0
谐振频率:
Rs =RL 和 Rp= Re 时:
第八章 正弦波振荡器
二、用负阻观点讨论LC反馈振荡器
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• (图8-35 p275)
• 起振条件: R > R1+ R2
第八章 正弦波振荡器
8.10 正弦波振荡器的设计考虑
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 一、选择振荡电路 (表8-2 p276)
第八章 正弦波振荡器
8.10 正弦波振荡器的设计考虑
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 二、选择振荡管
– β大,fT > (2~10) f0
• 三、偏置电路的确定
– 静态应靠近截止区,以利于进入平衡状态时,
管子处于截止状态(输出阻抗大), 对网络影响
小
– 一般:ICQ=1~ 4mA
• 四、振荡回路参数的确定
– L/C = 105 ~ 106
– 三点式(共e、共b): Fv=0.4 ~ 0.1
第八章 正弦波振荡器
小结
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 8.1 概述[2]
– 自激振荡器功能的概念
• 8.2 振荡器的基本工作原理[2]
– 正弦波振荡器工作原理;
– 起振条件、平衡条件、稳定条件;
– 电路的判别原则。
• 8.3 三点式LC正弦波振荡器[1]
–
–
–
–
–
电感三点式振荡器(哈特莱电路)
电容三点式振荡器(考毕滋电路)
串联改进型电容三点式振荡器 (克拉泼电路)
并联改进型电容三点式振荡器 (西勒电路)
(共e,共b,共c 振荡器的Fv和Av)
第八章 正弦波振荡器
小结
8.1 概述
8.2 振荡器的基
本工作原理
8.3 三点式LC正
弦波振荡器
8.6 石英晶体振
荡器
8.8 压控振荡器
8.5 LC正弦波振
荡器的频率
稳定度
8.4 差动对管及
场效应管振
荡电路
8.7 RC正弦波振
荡器
8.9 负阻振荡器
8.10 正弦波振荡
器的设计考
虑
• 8.6 石英晶体振荡器[1]
– 石英晶体作为电感元件:并联型晶体振荡器
– 石英晶体作为短路元件:串联型晶体振荡器
• 8.8 压控振荡器(VCO) [1]
– 用变容二极管代替三点式振荡器中的总电容或部分电容, 使
VCO的输出随着变容二极管反向结电容的变化而变化
• 8.5 LC正弦波振荡器的频率稳定度[2]
– 稳定度的定义
• 8.4 差动对管及场效应管振荡电路[3]
• 8.7 RC正弦波振荡器[2]
– RC选频网络的幅频和相频特性
• 8.9 负阻振荡器[3]
• 8.10 正弦波振荡器的设计考虑[2]

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