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第4章 LC 正弦波振荡器. 无线电广播发送系统 框图. 超外差式接收机 框图. 第四章主要教学内容. 了解反馈型正弦波振荡器的基本原理 ; (4 .1 节、4 .2 节 ) 分析讨论 LC 三点式振荡器的工作原理及不同类型电路的组成及特性; (4 .3 节、4 .4 节 ) 了解 振荡器的频率稳定问题; (4 .5 节 ) 讨论 石英晶体谐振器的特性及石英晶体振荡器电路。 (4 .6 节、4 .7 节 ). 教学重点. LC 三点式振荡器的工作原理及相位判断条件 不同类型振荡器电路的组成及特性; 考毕兹振荡器 克拉泼振荡器 西勒振荡器 石英晶体谐振器的特性.
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无线电广播发送系统 框图
超外差式接收机 框图
第四章主要教学内容 • 了解反馈型正弦波振荡器的基本原理;(4.1节、4.2节) • 分析讨论LC三点式振荡器的工作原理及不同类型电路的组成及特性;(4.3节、4.4节) • 了解振荡器的频率稳定问题;(4.5节) • 讨论石英晶体谐振器的特性及石英晶体振荡器电路。(4.6节、4.7节)
教学重点 • LC三点式振荡器的工作原理及相位判断条件 • 不同类型振荡器电路的组成及特性; • 考毕兹振荡器 • 克拉泼振荡器 • 西勒振荡器 • 石英晶体谐振器的特性
教学难点 • LC三点式振荡器的相位判断条件 • 不同类型振荡器电路的组成及特性; • 考毕兹振荡器 • 克拉泼振荡器 • 西勒振荡器 • 石英晶体谐振器的特性
课时分配 总计7学时,其中: • 反馈型正弦波振荡器的基本原理——1学时 • 四种LC三点式振荡器的工作原理——4学时 • 振荡器的频率稳定及石英晶体谐振器的特性及石英晶体振荡器电路——2学时
4.1 概述 振荡器——一种能量转换器。 不需外加信号激励,自动将直流能量变换为周 期性交变能量的装置。 分类 • 根据振荡器的特性——反馈式和负阻式 • 根据振荡器的输出波形——正弦波和非正弦波 • 根据选频网络 • RC振荡器 • LC振荡器 • 晶体振荡器 • 压控振荡器(VCO) • 压控晶体振荡器(VCXO) • 集成振荡器 • 开关电容振荡器
RC串并联网络振荡器 • 移相式振荡器 • 双T型选频网络振荡器 正弦波振荡器分类 RC振荡器 互感耦合振荡器 三点式振荡器 (LC振荡器) 石英晶体振荡器 陶瓷振子振荡器 电感反馈振荡器(哈特莱振荡器) • 基本型(考毕兹振荡器) • 串联改进型(克拉泼振荡器) • 并联改进型(西勒振荡器) • 电容反馈 • 串联型晶体振荡器 • 皮尔斯振荡器(电容三点式) • 密勒振荡器(电感三点式) • 泛音振荡器 并联型
基本构成 • 一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络 • 一个在规定频段内具有能量变换(或放大)作用的换能机构(有源器件--放大器) • 一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路 • 一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件 性能指标 • 振荡频率或振荡频率范围 • 振荡频率准确度 • 振荡频率稳定度 • 振荡幅度大小及振幅稳定度
应用 • 无线电发射机用它产生载波信号 • 超外差接收机用它产生本地振荡信号 • 各种电子测量设备和计时仪表用它产生频率(或时间)基准信号 • ……
一、反馈振荡器基本原理二、互感耦合反馈振荡器基本原理三、振荡器稳定条件一、反馈振荡器基本原理二、互感耦合反馈振荡器基本原理三、振荡器稳定条件 4.2 反馈型正弦波自激振荡器
+ + 一、反馈振荡器基本原理 振荡平衡条件 相位平衡条件 起振条件
三、振荡器稳定条件 • 平衡: • 稳定平衡 • 在某种因素的作用下,使振荡器的平衡条件遭到破坏时,它能在原平衡点附近重建新的平衡状态,一旦外因消除后,它能自动地恢复到原来的平衡状态。 • 不稳定平衡
振荡器稳定条件 • 包括: • 振幅稳定条件 • 研究由于某种因素的作用暂时破坏了振幅条件,当外因消除后,振荡能否自动恢复到原来的平衡状态 • 相位稳定条件 • 研究由于电路中的扰动暂时破坏了相位条件使振荡频率发生变化,当扰动离去后,振荡能否自动稳定在原有频率上
(1)在平衡点,若K曲线斜率是负的,即 振幅稳定条件 • 则满足稳定条件 • (2)若K曲线斜率为正,则不能满足稳定条件
相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即相位特性曲线在工作频率附近的斜率是负的,即 相位稳定条件 书上表4-1(P80)
4.3 三点式LC振荡器 概述 一、LC振荡器相位平衡条件的判断准则 (4.3.3) 二、电感反馈三点式电路(哈特莱电路) (4.3.2) 三、电容三点式振荡器(考毕兹电路) (4.3.1) 四、串联改进型电容反馈三点式电路(克拉泼电路) (4.4.1) 五、并联改进型电容反馈三点式电路(西勒电路) (4.4.2) 六、几种三点式振荡器的比较(4.4.3)
概述 • 三点式振荡器(LC振荡器) • LC回路引出三个端点,分别与晶体管的三个电极相连的振荡器 • 分类 • 电感反馈振荡器(哈特莱(Hartley)振荡器) • 电容反馈振荡器 • 基本型(考毕兹(Colpitts)振荡器) • 串联改进型(克拉泼(clapp)振荡器) • 并联改进型(西勒(shelle)振荡器)
+ + + - - - 一、构成三点式振荡器的原则(相位判断依据)
+ + + - - - 因振荡频率十分接近于谐振频率 因Uo与Ui倒相,Uf必须与Uo反相才能满足相位条件,而 相位判断依据 Xbe与Xce必须性质相同, Xcb与Xce、 Xbe必须性质相反
1/(hoe+G0) hie hfe Ib 2、振荡频率分析 根据基尔霍夫定律,可得到三个回路方程
系数行列式虚部为零,得到振荡频率 ***振荡频率比谐振回路的谐振频率略低一点,RS、Ri越小耦合越松,振荡频率偏低越明显。
,G0为c、e回路的谐振阻抗 其中 3、起振条件 令系数行列式的实部为零,得到振荡平衡条件 起振条件
4、振荡器特点 • 优点: • 易起振; • 只用一只可变电容就可容易地调节频率,调整时反馈系数基本不变。 • 缺点: • 反馈取自电感,对高次谐波反馈强,振荡波形失真较大; • 由于分布参数的影响,振荡频率不高,一般只用于中、短波段。
c e b
c c n2Ro Ri/F2 C1+Co C2+Ci e b e
c n2Ro Ri/F2 C1+Co C2+Ci e *通常F都选得较小,大约在0.01~0.5之间 起振条件的表达式 当F较小时,上式可近似写成
3、振荡频率分析 振荡器的振荡频率基本上等于谐振回路的谐振频率 ***** 振荡频率比谐振回路的谐振频率略高一点, RS、Ri越小,振荡频率偏高越明显
4、振荡器特点 • 优点: • 反馈取自电容,滤除高次谐波能力强,振荡波形失真较小; • 振荡频率较高,常用于甚高频以上波段。 • 缺点: • 调频时反馈系数改变,不方便。
需要改进的地方 • 振荡频率不仅与谐振回路的LC元件有关,而且还与晶体管的内部参数有关 频率稳定性不高 • 改变C1C2以改变振荡频率时反馈系数改变
四、串联改进型电容反馈三点式振荡器(克拉泼电路)四、串联改进型电容反馈三点式振荡器(克拉泼电路)
克拉泼振荡器的缺点 • C1、C2如过大,则振荡幅度太低 • 振荡频率提高时,振荡幅度显著下降;到一定程度时可能停振 限制了振荡频率的提高 • 振荡幅度随频率增加而下降 用作频率可调的振荡器时,在波段范围内幅度不平稳,频率覆盖系数(在频率可调的振荡器中,高端频率和低端频率之比为频率覆盖系数)不大,约为1.2—1.3。
五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)五、并联改进型电容反馈三点式振荡器(西勒电路)
六、几种振荡器电路的比较 P88表4-2