第3章正弦波振荡电路.ppt
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1、第3章正弦波振荡电路*1第三章第三章 正弦波振荡器正弦波振荡器*2*3 基础知识基础知识 下图所示电路下图所示电路,当开关打向左边当开关打向左边,电容被充电,电容被充电,然后开关打向右边然后开关打向右边,电容放电。回路电流满足微分电容放电。回路电流满足微分方程方程:其中其中:衰减系数衰减系数固有角频率固有角频率*4 当当 时特征根为共轭复数时特征根为共轭复数,其解为:其解为:其中其中可见这是一阻尼振荡,其波可见这是一阻尼振荡,其波形如右图所示。形如右图所示。欲获得无阻欲获得无阻尼振荡尼振荡,应设法使应设法使 ,即即 R=0 但实际中但实际中R不可能为不可能为0,则应该设法找到一个,则应该设法找
2、到一个“负负电阻电阻”以抵消正电阻以抵消正电阻 R,使,使:越大衰减越快越大衰减越快*5如何获得负电阻如何获得负电阻 采用具有负微变电阻的器件;采用具有负微变电阻的器件;利用正反馈提供一个等效负电阻。利用正反馈提供一个等效负电阻。*6起振条件起振条件 振幅条件振幅条件:相位条件相位条件:问题问题:1.1.最初的输入电压是怎么得来的最初的输入电压是怎么得来的?2.2.振荡建立起来后振荡建立起来后,振幅会否无限增长振幅会否无限增长?*731反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法反馈式正弦波振荡电路的工作原理和频域分析方法 放大器放大器 A(s)反馈网络反馈网络 F(s)条件等效于以下两个条件
3、条件等效于以下两个条件幅度平衡条件幅度平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件n0,1,2,*8正弦波正弦波反馈振荡器的电路组成反馈振荡器的电路组成 电源电源 有源器件有源器件 选频网络选频网络 反馈网络反馈网络*9 晶体管晶体管 反馈网络反馈网络 LC选频网络选频网络uiic1uc1uf*10二、振荡幅度的建立和稳定过程二、振荡幅度的建立和稳定过程1起振过程起振过程信号来源:信号来源:噪声和干扰、噪声和干扰、电源的开启电源的开启 起振条件起振条件 相位平衡条件是先决的、最本质的条件,即可形成正反馈相位平衡条件是先决的、最本质的条件,即可形成正反馈*11三三 振荡电路分析实例振荡电路分析实例VTRb
4、1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈网络反馈网络+ui-ic-uo+uf-ibuiuoA1/F可见起振初期是一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程*122稳幅过程内稳幅:内稳幅:振荡电路的振荡幅度振荡电路的振荡幅度是靠放大电路中晶体是靠放大电路中晶体管的非线性特性来达管的非线性特性来达到稳定值的到稳定值的(1)适当选择工作点)适当选择工作点 使晶体管工作在放大区和截止区而不进入饱和区。使晶体管工作在放大区和截止区而不进入饱和区。(2)假定晶体管在放大区和截止区的输出电阻很大)假定晶体管在放大区和截止区的输出电阻很大 iC只随只随vBE而而变,而与变,而与vCE的变化
5、无关,这就是说,的变化无关,这就是说,iC与负载电阻值无关。与负载电阻值无关。*13振荡电路输出电压振荡电路输出电压v0(t)的波形图的波形图 曲线曲线*14 当环路增益下降到当环路增益下降到1时,振幅的增长时,振幅的增长过程将停止,振荡器达到平衡状态,即过程将停止,振荡器达到平衡状态,即进入等幅振荡状态。进入等幅振荡状态。2.2.振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件 在平衡点在平衡点Ui=UiA附近,当不稳定因素使附近,当不稳定因素使ui的振幅的振幅Ui增大时,环路增益减小,使反馈增大时,环路增益减小,使反馈电压振幅电压振幅Uf减小,从而阻止减小,从而阻止Ui增大;反之,增大;反
6、之,当不稳定因素使当不稳定因素使ui的振幅的振幅Ui减小时,环路增减小时,环路增益增大,使反馈电压振幅益增大,使反馈电压振幅Uf增大,从而阻增大,从而阻止止Ui减小。减小。UiO|T(o)|A1UiA*15 硬自激的振荡特性硬自激的振荡特性 一般情况下都使振荡电路工作于一般情况下都使振荡电路工作于软激励状态,应当避免硬激励状态。软激励状态,应当避免硬激励状态。需要外加激励才能起振的状态需要外加激励才能起振的状态称为称为“硬激励硬激励”而不需外加信号能自动起振的状态则而不需外加信号能自动起振的状态则称为称为“软激励软激励”|T(o)|BAUiUiAUiB1*16tuiOo*17正弦波振荡电路的线
7、性频域分析方法 起振阶段:起振阶段:用小信号模型构成的微变等效电路近似估算其振荡频率和起振条件用小信号模型构成的微变等效电路近似估算其振荡频率和起振条件 进入稳幅振荡进入稳幅振荡 晶体管已经进入非线性区工作,因此在稳幅阶段不可以再利用小信号模型晶体管已经进入非线性区工作,因此在稳幅阶段不可以再利用小信号模型进行电路的分析计算。进行电路的分析计算。反馈式振荡电路起振阶段的具体分析方法,通常采用开环法和闭环法反馈式振荡电路起振阶段的具体分析方法,通常采用开环法和闭环法开环法适用于分析简单且便于开环的振荡电路,闭环法适用于复杂并且更一般开环法适用于分析简单且便于开环的振荡电路,闭环法适用于复杂并且更
8、一般的振荡电路。的振荡电路。一、开环法一、开环法 开开环环法是先假定将振法是先假定将振荡环荡环路在某一点路在某一点处处断开,断开,计计算它的开算它的开环传递环传递函数函数,然后用巴克豪森准,然后用巴克豪森准则则确定平衡条件,从而确定确定平衡条件,从而确定电电路的路的振荡频率和起振条件。振荡频率和起振条件。*18开环法步骤开环法步骤 1画出振荡电路的交流通路,判别其是否能构成正反馈电路,画出振荡电路的交流通路,判别其是否能构成正反馈电路,即是否有可能满足振荡的相位平衡条件。即是否有可能满足振荡的相位平衡条件。2画出微变等效电路,并在某一点(一般取晶体管输入端)画出微变等效电路,并在某一点(一般取
9、晶体管输入端)开环。开环。3计算开环传递函计算开环传递函数数4利用相位平衡条件确定振荡角频率利用相位平衡条件确定振荡角频率 0。5利用利用 o角频率下的幅度平衡条件,确定维持振荡幅度所需要的角频率下的幅度平衡条件,确定维持振荡幅度所需要的gm值值gmo。6选择晶体管的选择晶体管的gm使使gm gmo。此时电路就能够满足起振条。此时电路就能够满足起振条件。件。*19例:试用开环法分析右图所示的互感耦合例:试用开环法分析右图所示的互感耦合调集振荡电路的振荡频率和起振条件。调集振荡电路的振荡频率和起振条件。解:解:互感耦合调集振荡电路的微变等效电路互感耦合调集振荡电路的微变等效电路*20互感耦合调集
10、振荡电路的开环微变等效电路互感耦合调集振荡电路的开环微变等效电路 忽略忽略Ri和和Ro的影响后:的影响后:*21根据相位平衡条件,根据相位平衡条件,的模的模值应该为实值应该为实数,数,则则可以得到:可以得到:振荡角频率振荡角频率 o为:为:o=根据幅度平衡条件可得:根据幅度平衡条件可得:M gm=rC 或或 起振条件为:起振条件为:即即 对全耦合情况,对全耦合情况,M 2=L1L2,M=nL1,L2=n2L1,其中:其中:高高Q近似表达式近似表达式*22二、闭环法二、闭环法闭环法是根据线性齐次方程不为零解的条件,来确定电路的振闭环法是根据线性齐次方程不为零解的条件,来确定电路的振荡频率和起振条
11、件。荡频率和起振条件。1画出振荡电路的交流通路,判别其是否为正反馈电路。画出振荡电路的交流通路,判别其是否为正反馈电路。2画出微变电路,并列写出电路方程,这是一组线性齐次画出微变电路,并列写出电路方程,这是一组线性齐次方程组。方程组。3令线性方程组复系数矩阵的行列式令线性方程组复系数矩阵的行列式0。4解解0,可确定振荡角频率,可确定振荡角频率 o和维持振荡幅度所需的和维持振荡幅度所需的gm值值gmo。5选晶体管的选晶体管的gm,使,使gm gmo。此时电路就能够满足起振。此时电路就能够满足起振条件。条件。*23例例 试用闭环法试用闭环法*24 o=令第一项等于零,就是相位平衡条件,可得振荡角频
12、率令第一项等于零,就是相位平衡条件,可得振荡角频率 o为:为:将将代入上式的第二代入上式的第二项项,并令其等于零,可得,并令其等于零,可得维维持振持振荡荡的的值为值为:*25起振条件为起振条件为gm gmo,即:,即:1若若,则则:o=2若若r=0,则:,则:o=在在r=0情况下,对全耦合情况,情况下,对全耦合情况,L1L2M2=0 o=*263.2 LC正弦波振荡电路 利用电感、电容器件组成利用电感、电容器件组成选频网络选频网络的反馈式正弦波振荡电路,的反馈式正弦波振荡电路,统称为统称为LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路。值值 1、LC振荡电路中晶体管的工作状态振荡电路中晶体管的工作状态一、静
13、态工作点和起始一、静态工作点和起始LC振荡电路甲类应用的条件是:振荡电路甲类应用的条件是:VBEQVBE(on),VimVBEQVBE(on)。甲乙类运用的条件是:甲乙类运用的条件是:VBEQVBE(on),VimVBEQVBE(on)。*27乙类应用的条件是:乙类应用的条件是:VBEQ=VBE(on)。丙类运用的条件是:丙类运用的条件是:VBEQVBE(on),Vi mVBE(on)VBEQ。*28甲类振荡电路甲类振荡电路 工作在晶体管的工作在晶体管的放大区放大区 起振起振时时,值仅值仅需略大于需略大于1 振荡幅度稳定:振荡幅度稳定:靠放大区的弱非线性的作用靠放大区的弱非线性的作用 甲类振荡
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