清华大学：《通信电路原理》教学资源（PPT课件）第5章 正弦波振荡器 5.1 引言 5.2 LC 振荡器的基本工作原理

笫5章正弦波振荡器 5.1引言 52LC振荡器的基本工作原理 5.3LC振荡器的电路分析 54振荡器的频率稳定度 5.5晶体振荡器 56负阻振荡器(*) 5.7RC振荡器与开关电容振荡器( 5.8特殊振荡现象(*) 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 1 笫5章 正弦波振荡器 5.1 引 言 5.2 LC 振荡器的基本工作原理 5.3 LC 振荡器的电路分析 5.4 振荡器的频率稳定度 5.5 晶体振荡器 5.6 负阻振荡器（*） 5.7 RC 振荡器与开关电容振荡器（*） 5.8 特殊振荡现象（*）

51引言 (1)定义:振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直 流能量变换为周期性交变能量的装置。 (2)分类: 按振荡波形分类:振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振 荡器。输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器, 波形为方波、矩形波或其它波形的称为非正弦波振荡器。 按工作机理分类:根据产生振荡的机理,正弦振荡器还 可分为反馈振荡器和负阻振荡器。 按选频网络分类:分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡 器以及压控振荡器(VCO)、压控晶体振荡器(ⅴCXO) 等。随着集成技术的发展,相继又出现了集成振荡器、开 关电容振荡器等 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 2 5.1 引言 （1）定义：振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直 流能量变换为周期性交变能量的装置。 （2）分类： ▪ 按振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振 荡器。输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器， 波形为方波、矩形波或其它波形的称为非正弦波振荡器。 ▪ 按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还 可分为反馈振荡器和负阻振荡器。 ▪ 按选频网络分类：分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡 器以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器（VCXO） 等。随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开 关电容振荡器等

51引言(续1) (3)应用: 无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号 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 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。 (4)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 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) 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。 个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件 事实上,在晶体管正弦振荡器中,晶体管既起着能量变换 的作用,又起着调整和控制振荡强度的非线性作用 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 3 5.1 引言（续1） （3）应用： ▪ 无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。 ▪ 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。 ▪ 工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。 （4）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。 事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换 的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用

51引言(续2) (5)分析方法: 由于正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭 环系统,或者说是一个非线性动态网络,因此要对它进行 分析,至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。但这类 方程的求解是很烦冗的 求解一个二阶以上的非线性微分方程,需采用CAD方法。 为便于定性分析阐明振荡器的振荡特性,本章在进行电路 分析时,仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法。 反馈振荡器是一个非线性闭环系统,其特性需用非线性 系统的分析方法来加以分析 在振荡的初始阶段,系统内流通的信号比较微弱,因此, 可以引用线性系统的分析方法,来确定这一时期振荡器的 工作状态。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 4 5.1 引言（续2） （5）分析方法： ▪ 由于正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭 环系统，或者说是一个非线性动态网络，因此要对它进行 分析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。但这类 方程的求解是很烦冗的。 ▪ 求解一个二阶以上的非线性微分方程，需采用CAD方法。 ▪ 为便于定性分析阐明振荡器的振荡特性，本章在进行电路 分析时，仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法。 • 反馈振荡器是一个非线性闭环系统，其特性需用非线性 系统的分析方法来加以分析。 • 在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此， 可以引用线性系统的分析方法，来确定这一时期振荡器的 工作状态

52LC振荡器的基本工作原理 返回 5.2.1互感耦合LC振荡电路 1)工作原理: CE BE bl 用瞬时极性法进行分析。(讲义上册243) 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 5 5.2 LC 振荡器的基本工作原理 5.2.1 互感耦合 LC 振荡电路 （1） 工作原理： 用瞬时极性法进行分析 。（讲义上册243） C L C L Cb Ce Rb1 Rb2 Re VCC BE v CE v • • • • M M c i b i    返回

5.,2.1互感耦合LC振荡电路(续) 返回 (2)定性分析: 在谐振频率处,电路相移是2n丌,才满足相位平衡条 件反馈信号足够大,才满足振幅平衡条件。 电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率 (3)定量分析: 相位平衡条件: 谐振放大器1.∑=+=2nz BE 相移4=180 放大倍数A 振幅平衡条件 4F=1 电路振荡频率: 反馈电路 相移9=180 O≈ 反馈系数F LO 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 6 5.2.1 互感耦合 LC 振荡电路（续） （2）定性分析： ▪ 在谐振频率处，电路相移是 ，才满足相位平衡条 件。 2n ▪ 反馈信号足够大，才满足振幅平衡条件。 ▪ 电路的振荡频率近似等于回路的谐振频率。 （3）定量分析： 谐振放大器 相移 放大倍数 A 反馈电路 相移 反馈系数 F BE v CE v  =180  A  =180  F ▪ 相位平衡条件：  = A + F = 2n ▪ 振幅平衡条件： AF =1 ▪ 电路振荡频率： LC 1  0 = 返回

52.2振荡的起振、平衡和稳定条件的分析 回答两个问题: 振荡是如何产生的? 振荡又是如何平衡的? 从三个角度分析: 振荡的产生—能量和频谱的角度 振荡的平衡—非线性的角度。 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 7 5.2.2 振荡的起振 、平衡和稳定条件的分析 ▪ 回答两个问题： • 振荡是如何产生的？ • 振荡又是如何平衡的？ ▪ 从三个角度分析： • 振荡的产生——能量和频谱的角度。 • 振荡的平衡——非线性的角度

1.环路的起振条件 (讲义上册242)R LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分,正弦波振荡器则是 基于二阶RLC回路的自由振荡现象 考虑了回路损耗后,回路将 生振幅衰减的阻尼振荡。 从能量角度:在回路存在损耗时,适时地补充必要的交变能 量,以维持回路内部的能量平衡。 起振条件:AF>l 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 8 1. 环路的起振条件 （讲义上册242） C L R Vo S 1 2 i 0 t o t e L V   i(t) − ▪ LC谐振回路是LC振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是 基于二阶RLC回路的自由振荡现象。 ▪ 考虑了回路损耗后，回路将 产生振幅衰减的阻尼振荡。 ( ) sin( ) 0 0     = − − e t L V i t t ▪ 从能量角度：在回路存在损耗时，适时地补充必要的交变能 量，以维持回路内部的能量平衡。 ▪ 起振条件： AF > 1

1.环路的起振条件(续) 从频谱的角度:电路接通瞬间振荡是如何产生的? (讲义上册245) CO 电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或噪声,包含 许多谐波分量,谐振回路选择满足相位平衡条件的谐波分量。 AF>1。只要接通电源,系统将由于微小的电冲激而产生 增幅振荡 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 9 1. 环路的起振条件（续） ▪ 从频谱的角度：电路接通瞬间振荡是如何产生的？ （讲义上册245） 0 c i t C0 I • 电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或噪声，包含 许多谐波分量，谐振回路选择满足相位平衡条件的谐波分量。 • AF > 1。只要接通电源，系统将由于微小的电冲激而产生 增幅振荡

2.振荡的平衡条件 上图 从非线性的角度定性分析:振荡是如何平衡的? 由于AF>,振荡幅度不断增长,晶体管进入非线性区 讠。是尖顶余弦脉冲,谐振回路选择余弦脉冲基波分量。 放大器的放大倍数A减少。 AF=1,振荡进入平衡。 CE 线性反馈特性: F BE AF=I CE 振荡特性曲线: A CE BE 2001年9月-12月 《通信电路原理》-无九

2001年9月--12月 《通信电路原理》--无九 10 2. 振荡的平衡条件 ▪ 从非线性的角度定性分析：振荡是如何平衡的？ • 由于AF > 1，振荡幅度不断增长，晶体管进入非线性区。 • 是尖顶余弦脉冲，谐振回路选择余弦脉冲基波分量。 放大器的放大倍数 A 减少。 c i 0 BE v CE v AF=1 • AF = 1，振荡进入平衡。 • 线性反馈特性： CE BE V V F = • 振荡特性曲线： BE CE V V A = 上图