反馈振荡器的工作原理

反馈振荡器的工作原理 3.1 反馈振荡器的工作原理 3.1.1 振荡器的组成 任何一种反馈式正弦波振荡器，至少应包括以下三个组成部分。 1. 放大电路。自激振荡器不但要对外输出功率，而且还要通过反馈网络，供给自身的输入激励信号功率。因此，必须有功率增益。当然，能量的来源与放大器一样，是由直流电源供给的。 2. 反馈、选频网络。自激振荡器必须工作在某一固定的频率上。一般在放大器的输出端接有一个决定频率的网络，即只有在指定的频率上，通过输出网络及反馈网络，才有闭环 0相移的正反馈，其它频率不满足正反馈的条件。 360 3. 稳幅环节。自激振荡器必须能自行起振，即在接通电源后，振荡器能从最初的暂态过度到最后的稳态，并保持一定幅度的波形。 ，，X正弦波振荡器电路组成如图3–1所示。图中为输出正弦波电压，为反馈网络形Xof成的反馈电压，也就是放大电路的输入电压。 . X O+ 放大电路 .A X f 反馈、选频网络 + 图3-1 正弦波振荡电路组成框图 高频电子技术中主要通过以下三个指标来衡量正弦波振荡电路的优劣。 (1)振荡频率 高频电子技术研究无线电波的产生、发射、变换和接收，所涉及的振荡频率都比较高，例如在获得广泛应用的甚高频至特高频段，无线电波的频率在30MHz至3000MHz之间，某种振荡电路能否获得应用，决定于这个电路能否产生如此高频的正弦波电压输出，因此振荡电路的振荡频率自然就成为电路的重要特性指标。 (2)振荡频率的稳定度 无线收发系统对于振荡频率的稳定性有很高的要求。假如收发系统所使用的无线电波频率为433.0MHz，将发射电路和接收电路的频率都调整到433.0MHz，这样收发系统能正常地工作。现在，由于发射电路环境温度升高了20?(例如从海面进入沙漠)，如果发射电路中振荡电路的频率稳定性很差，受温度变化的影响，发射电路振荡频率升高了0.1%，即从433.0MHz变化到433.4MHz，这时接收电路仍调谐于433.0MHz，接收电路可能根本无法接收无线电信号，即使能接收到，由于频率偏移，接收灵敏度下降，信号质量将很差，收发系统的工作就不正常。如果振荡电路频率稳定性很好，温度变化?20?时振荡频率变化不超过70ppm(ppm为百万分之一的缩写)，温度升高20?的情况下频率变化量只有30kHz，即从433.0MHz变到433.03MHz，这样的变化还不至于影响接收电路的工作，收发系统仍能很好工作。可见，振荡频率的稳定性对于高频电路来说也是十分重要的。 一个振荡电路的频率稳定性可以用一定温度范围内频率的相对变化量来表示，也可以用振荡频率的温度系数来表示。 (3)振荡频率的可调节性 无线通信时，收发电路的频率必须相等才会有较好的通信效果。在生产时却很难做到这一点，完全相同的设计图纸所生产出来的发射或接收电路的频率也可能有较大的差异。如果振荡电路的频率可以通过某个元件，例如可变电容来调节，实现发射电路和接收电路频率相等就容易做到。因此，一个振荡电路的频率是否可调，频率的调节是否方便也就成为高频电路中振荡电路的重要指标之一。 3.1.2 振荡的平衡条件和起振条件 首先，假定振荡已经建立，下面研究电路应满足什么条件，才能维持振荡，即振荡器平衡条件。 ，，，X如图3–1所示中，用A表示放大电路的放大倍数，用F表示反馈系数，表示输出o ，电压，表示反馈电压，也是放大电路的输入电压，根据电路的放大倍数的定义，在达到Xf ，X稳定后(即振荡电路有稳定的输出)，则 o 放大器 ，，， (3-1) X,AXof 反馈网络 ，，， (3-2) X,FXfo 将式(3-2)代入式(3-1)，可得 ，，AF,1 (3-3) 上式称为正弦波振荡的平衡条件，表明正弦波振荡电路形成稳定输出后，放大电路的放大倍数和反馈网络的反馈系数的乘积等于1。式(3-3)是相量式，它包含两层意思，其一，等式(3-3)两边的模应该相等，即 ，，AF,1 (3-4) 表明平衡时反馈系数和放大倍数幅值的乘积应等于1，这一式子称为幅值平衡条件。 ,式(3-3)两边相位也应该相等，因此放大倍数的相位(即放大电路输出电压与输入电压A ,之间的相位差)和反馈系数相位(即反馈电压与放大电路输出电压之间的相位差)之和F 应等于2π的整数倍，即 ,，,,2n,(n为正整数) (3-5) AF 此式称为振荡电路的相位平衡条件。 下面分析振荡器起振条件。 幅值平衡条件式(3-4)表明，假如振荡电路已经有一个稳定的输出，只要平衡条件式(3-4)满足，振荡电路就能维持该输出不变。现在的问题是振荡电路接通电源以前以及接通电源的瞬间，其输出为零，过了一段时间之后输出电压才达到稳定值，输出电压从零变化到稳定值显然有一个逐渐升高的过程，这个过程称为振荡电路的起振。起振过程中，输出电压不断升高，这时反馈系数和放大倍数幅值的乘积就不能等于1，而应该大于1，即 ，， (3-6) AF，1 否则振荡电路输出电压就不可能逐渐变大。起振时应满足的式(3-6)称为振荡电路的起振条件。由电阻、电容和电感组成的反馈网络没有放大功能，因此反馈系数的幅值一定小F于1，根据式(3-6)，放大倍数A的幅值就一定要大于1。例如，一个振荡电路的值等于F A1/3，该放大倍数就应该大于3。不同的振荡电路，反馈系数大小不等，所要求的放大电路的放大倍数也不同，因此就有不同的起振条件。 振荡电路起振后输出电压不断增大，由于放大电路的非线性，这种增大的趋势不会一直持续下去，输出幅度增加到一定的程度，放大倍数开始下降，输出的增加就受到抑制，直到满足关系式(3-4)后，输出维持稳定。 3.1.3 振荡的稳定条件 1. 振幅稳定条件 在实际振荡电路中，不可避免地存在各种电的扰动，如电源电压、温度等外界因素的变化引起三极管和回路参数变化等。当振荡器达到平衡状态后，上述原因均可能破坏平衡条件，使电路频率发生变化或自激、停振等。 AUAF如图3-2所示为电压增益,曲线图。图中为放大器电压增益，1/为反馈ubeuu U1/F系数的倒数。由于反馈系数与输入电压的大小无关，因此在图中为一平行于横座beu标的直线。 UUA当较小时，随着的增大，逐渐增大，这时晶体管工作在甲类状态;达到最大bebeu AUA1/F值后，又将随的增大而减小，此时晶体管工作在甲乙类状态。曲线与直线ubeuu ''UQA,F,1Q有两个交点，和Q点。在两个交点处，，都是平衡点。在点，若增大，beuu AUAA,FA,F增大，,1，振荡越来越强。反之，若减小，减小，,1，振荡减ubeuuuuu 'UAQA,F弱。因此，Q是不稳定平衡点。在点，若增大，减小，,1，于是振荡振beuuu UAA,FQ幅减弱，又回到点;若减小，增大，这时,1，于是振荡振幅自动增大，beuuu UQQ又回到点。因此，点是稳定平衡点。所以振幅稳定条件是:在稳定平衡点附近，随着be AAUU的增加，减小。或者说，对的斜率是一负值。从以上分析可见，起振时应大uubebe 'QQ于点对应的横轴，这样才能起振，并将平衡点建立在稳定的点。 图3-2 振幅稳定条件 2. 相位稳定条件 由于电路中的扰动，暂时破坏了相位平衡条件，即 ，使振荡频率发生变,,2n,, 化，当扰动离去后，振荡频率还能否回到原来的稳定频率点。 f如图3-3所示为两种相频特性曲线，先研究图3-3(a)的曲线。设原来的振荡频率为，01 f,f，,,由于外界干扰引入时，频率提高到，频率的变化量为。此频率变量，通过其020h 负载的相频特性，引起的相位变量为，,。由此可见，相移变化的趋势将加剧，而不是减, 弱，这势必引起振荡的相位平衡被破坏，因此不是稳定平衡。而对于图3-3(b)曲线。频 ,f，,,率的变化量，通过负载的相频特性，引起的相位变量为,,。它与符号相反，,0h ，,,可以互相补偿，如果补偿的结果使,,+(,)= 0时，达到了新的平衡点，即频率稳h f定在新的振荡频率处。因此，当相频特性的形状如图3-3(b)所示时，受到扰动后振荡02 将在原来的平衡点附近重新达到平衡。 相位稳定平衡的条件是:随着频率的提高，相位减小。或者说，相频特性的斜率是负值。 (a)(b) 图3-3 相位稳定条件 (a)不稳定平衡 (b)稳定平衡