电子线路 非线性部分(第四版)谢嘉奎 第3章正弦波振荡器

1、第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器 概述概述 3.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理 3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器 3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 3.4晶体振荡器晶体振荡器 3.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器 3.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器 3.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据寄生振荡、间歇振荡和频率占据 概述概述 一、与功放比较一、与功放比较( (从能量角度从能量角度) ) 1功率放大器功率放大器 将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交 变能量。变能量。 特点：被动地，需输入信号控制特点

2、：被动地，需输入信号控制 2正弦波振荡器正弦波振荡器( (Sinewave Oscillator) ) 将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。 特点：特点：自动地自动地，无需输入信号控制。，无需输入信号控制。 二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用 1作信号源作信号源( (本章将讨论本章将讨论) ) 载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机； 正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。 要求：要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。振

3、荡频率和振幅的准确性和稳定性。 2正弦交变能源正弦交变能源( (本章不讨论本章不讨论) ) 用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能 源。源。 要求：要求：功率足够大，高效。功率足够大，高效。 三、三、分类分类( (按组成原理按组成原理) ) 1反馈振荡器反馈振荡器 利用正反馈原理构成，应用广泛。利用正反馈原理构成，应用广泛。 2负阻振荡器负阻振荡器 利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。 工作于微波段。工作于微波段。 3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理 1组成组成

4、主网络与反馈网络构成主网络与反馈网络构成闭合环路闭合环路。 图图 3- -1- -1反馈振荡器的组成方框及相应电路反馈振荡器的组成方框及相应电路 例：变压器耦合反馈例：变压器耦合反馈振荡器振荡器( (交流通路交流通路) )。 ( (1) )主网络主网络 负载为谐振回路的谐振放大器。负载为谐振回路的谐振放大器。 图图 3- -1- -1反馈振荡器的组成方框及相应电路反馈振荡器的组成方框及相应电路 ( (2) )反馈网络反馈网络 与与 L 相耦合的线圈相耦合的线圈 Lf 。 2等幅持续振荡的条件等幅持续振荡的条件 刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步

5、增长 的过程。的过程。 进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能维持 在相应的平衡值上。在相应的平衡值上。 当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会 产生突变或停止振荡。产生突变或停止振荡。 闭合环路成为反馈振荡器的闭合环路成为反馈振荡器的三个条件三个条件： 起振条件起振条件接通电源后可从无到有建立起振荡。接通电源后可从无到有建立起振荡。 平衡条件平衡条件进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。进入平衡状态后可输出等幅持续振荡。 稳定条件稳定条件平衡状态不因外界不稳定因素的影响平衡状态不因外界不稳定因素的影响

6、 而受到破坏。而受到破坏。 以下分别讨论这三个条件。以下分别讨论这三个条件。 第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器 3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理 3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件 3.1.2稳定条件稳定条件 3.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法 3.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件 一、起振条件一、起振条件 1分析分析 刚通电时，电路中存在电的扰动刚通电时，电路中存在电的扰动( (电流突变或管子、电流突变或管子、 电路中的固有噪声电路中的固有噪声) )，具有，具有很宽的频谱很宽的频谱。 谐振回路的选频功能，只允许角频率为谐振回路的选频功能，只允许角频

7、率为 osc 的分量的分量 ( ( osc 0) )在谐振回路两端产生较大的电压。在谐振回路两端产生较大的电压。 f V & i V & 变压器绕向正确，可保证反馈信号变压器绕向正确，可保证反馈信号 与输入信号与输入信号 同相，经放大和反馈的循环，同相，经放大和反馈的循环，使使振荡电压的振幅不断增长。振荡电压的振幅不断增长。 2起振条件起振条件 off f iio (j )(j )(j ) VVV TAk VV V & & & ( (1) )振幅起振条件振幅起振条件 if VV ，或或环路增益环路增益 1)( osc T ( (2) )相位起振条件相位起振条件 T( osc) = A( osc

8、) + f( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) ) 二、平衡条件二、平衡条件 1分析分析 fi VV & 同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一频率若在某一频率 osc 上，上， f V & 与与 i V & 当当环路闭合环路闭合后：后： osc o V & 主网络将输出正弦振荡电压主网络将输出正弦振荡电压 ，角频率为，角频率为 。 所需输入电压所需输入电压 全部由反馈电压全部由反馈电压 提供，无需外提供，无需外 加输入电压。加输入电压。 i V & f V & 2平衡条件平衡条件 )(j oscosc osc e )()j ( T TT 由由 则：则： 振幅平衡条件：振幅平衡条件：

9、环路增益的模环路增益的模 T( osc) = 1 相位平衡条件：相位平衡条件：环路增益的相角环路增益的相角 T( osc) = 2n (n 0，1，2，) 3讨论讨论 反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件：反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件： 起振时起振时，T( osc) 1，Vi 迅速增长；迅速增长； 随随后后，T( osc)下降，下降，Vi 的增长速度变慢；的增长速度变慢； 到到 T( osc) = 1 时，时，Vi 停止增长，振荡器进入平衡状停止增长，振荡器进入平衡状 态，在相应的平衡振幅态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。上维持等幅振荡。 环路增益环路增益 特性特性如图

10、如图 3- -1- -2 所示所示。 图图 3- -1- -2 而环路增益的相角而环路增益的相角 T( osc) 则必须维持在则必须维持在 2n 上。上。 平衡条件平衡条件多利用放大多利用放大 器的非线性实现。器的非线性实现。 例例变压器耦合反馈振荡器变压器耦合反馈振荡器： 刚通刚通电电时，时，Vi 很小，放大器小信号工作，增益较大，很小，放大器小信号工作，增益较大， 相应的相应的 T( osc) 为大于为大于 1 的水平线。的水平线。 当当 Vi 增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由 于放大特性非线性，放大器的增益将随于放大特性非线性，放大器的

11、增益将随 Vi 增大而减小，相增大而减小，相 应地应地 T( osc) 也就随着也就随着 Vi 的增大而下降。的增大而下降。 符合符合起振与平衡条件起振与平衡条件对对 T( osc) 的要求。的要求。 3.1.2稳定条件稳定条件 一、问题的提出一、问题的提出 1振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 外部：外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和 回路参数的变化。回路参数的变化。 内部：内部：存在固有噪声存在固有噪声( (起振时的原始输入电压起振时的原始输入电压, ,进入进入 平衡后与输入电压叠加引起波动平衡后与输入电压叠加引起波动) )。 均造成均造成

12、 T( osc) 和和 T( osc) 的变化，破坏平衡条件。的变化，破坏平衡条件。 2干扰对平衡状态的影响干扰对平衡状态的影响( (两种两种) ) 通过放大和反馈的反复循环：通过放大和反馈的反复循环： 振荡器离开原平衡状态，导致振荡器离开原平衡状态，导致停振停振或或突变突变到到新的平新的平 衡状态衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。原平衡状态是不稳定的，应避免。 振荡器有回到平衡状态的振荡器有回到平衡状态的趋势趋势。当干扰消失后，能。当干扰消失后，能 回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。 必必须讨论稳定条件，保证振荡器所处平衡状态是稳定的。须讨论稳定条件，保

13、证振荡器所处平衡状态是稳定的。 二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件 图图 3- -1- -2 所示所示环路增益特环路增益特 性，还满足振幅稳定条件。性，还满足振幅稳定条件。 1稳定过程稳定过程 , iAi VV 1)( osc T若若 ，干扰使：，干扰使： iAi VV 1)( osc T i V)( osc T 环环路路特特性性 最后在新的最后在新的 上重新满足平衡条件上重新满足平衡条件 T( osc) = 1 iA V 最后达到新的平衡。最后达到新的平衡。 iAi VV 1)( osc T i V)( osc T 环环路路特特性性 2环路增益存在两个平衡点的情况环路增益存在两个平衡点的情况

14、图图 3- -1- -3 如如图图 3- -1- -3 所示所示，振荡器存在着两个，振荡器存在着两个平衡点平衡点 A 和和 B， 其中其中 A 是稳定的，是稳定的，B 点点是否稳定？是否稳定？ 分析：分析：若使若使 Vi ViB ，则，则 T( osc) 随之增大，导致随之增大，导致 Vi 进进 一步增大，从而更远离一步增大，从而更远离平衡点平衡点 B。最后到达。最后到达平衡点平衡点 A。 i V 反之反之，若，若 iBi VV )( osc T ，直到停止振荡。直到停止振荡。 可见，这种振荡器不满足振幅起可见，这种振荡器不满足振幅起 振条件，振条件，必必须加大的电冲击，产生大须加大的电冲击，

15、产生大 于于ViB 的起始扰动电压，的起始扰动电压，才能进入才能进入平衡平衡 点点 A，产生持续等幅振荡。，产生持续等幅振荡。 硬激励：硬激励：靠外加冲击而产生振荡。靠外加冲击而产生振荡。 软激励：软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。接通电源后自动进入稳定平衡状态。 3振幅稳定条件振幅稳定条件 可见，可见，要使平衡点稳定，要使平衡点稳定，T( osc) 必须在必须在 ViA 附近具有附近具有 随随 Vi 增大而下降增大而下降( (负斜率变化负斜率变化) )的的特性特性，即，即 0 )( iA i osc V V T 斜率越陡，则斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的的变化而产生的 T( osc

16、) 变化越大，变化越大， 系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。 三、相位三、相位( (频率频率) )稳定条件稳定条件 1 T( osc) 的偏移对振荡频率的影响的偏移对振荡频率的影响 由由相位平衡条件相位平衡条件 T( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) )，表明每次放大和反，表明每次放大和反 馈馈后后的电压与原输入电压同相。的电压与原输入电压同相。 若某种原因使若某种原因使 T( osc) 0，则通过每次放大和反馈，则通过每次放大和反馈 后的电压相位都将后的电压相位都将超前超前于原输入电压相位。由于原输入电压相位。由 = / t ( (正弦电

17、压角频率是瞬时相位对时间的导数正弦电压角频率是瞬时相位对时间的导数) ) ，因此，这种，因此，这种 相位的不断超前表明振荡器的角频率相位的不断超前表明振荡器的角频率 osc。 。 反之反之，若某种原因使，若某种原因使 T( osc) 0，则由于每次放大，则由于每次放大 和反馈后的电压相位都要和反馈后的电压相位都要滞后滞后于原输入电压相位，因而振于原输入电压相位，因而振 荡频率荡频率 0( (即即 osc) )，由特性，由特性， T( ) 0， Vi 的超前势的超前势 必受到阻止必受到阻止。 若某种原因使若某种原因使 T( osc) 0 ( (即即 0， Vi 滞后滞后必受阻必受阻。 两种情况都

18、通过不断的放大和反馈，最后都在原振荡两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原振荡 频率附近频率附近 osc 达到新的平衡，使达到新的平衡，使 。0)( osc 0 )( osc T 3相位稳定条件相位稳定条件 斜率越陡，斜率越陡，则稳定性越灵敏。则稳定性越灵敏。 图图 3- -1- -4 4举举例例 说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。 T( ) 由由两部分组成：两部分组成： ( (1) )放大器输出电压放大器输出电压 对输入电压对输入电压 的相移的相移 A( ) i V & o V & ( (2) )反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 对对 的相移

19、的相移 f( ) o V & f V & 即即 T( ) = A( ) + f( ) T( ) = A( ) + f( ) A( ) 放大管放大管( (可略可略) ) 并联谐振回路相移并联谐振回路相移 Z( ) f( )，随随 的变化十分缓慢，可认为它与的变化十分缓慢，可认为它与 无关。无关。 故故 Z( ) 随随 变化的特性可代表变化的特性可代表 T( ) 随随 变化的特性。变化的特性。 ( (a) )并联谐振回路并联谐振回路 图图 3- -1- -5谐振回路的相频特性曲线谐振回路的相频特性曲线 并联谐振回路，其相频特性并联谐振回路，其相频特性 e 0 0 z )(2 arctan)(Q 0

20、 谐振频率谐振频率 Qe 有载品质因数有载品质因数 可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性 的谐振回路来满足相位稳定条件的，的谐振回路来满足相位稳定条件的，且且 Qe 越高越高， Z( ) 随随 的变化斜率越大，频率稳定度越高。的变化斜率越大，频率稳定度越高。 3.1.3基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法 要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、起振、平衡、 稳定稳定三项条件。三项条件。 1组成组成 可变增益放大器可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随提供足够的增益，且其增益随 输入电压增

21、大而减小。输入电压增大而减小。 相移网络相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路具有负斜率变化的相频特性，为环路 提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n 。 或：四个环节或：四个环节 稳稳定定环环节节 正正反反馈馈环环节节 选选频频环环节节 放放大大环环节节 2种类种类 根据可变增益放大器和相移网络的不同：根据可变增益放大器和相移网络的不同： ( (1) )可变增益放大器可变增益放大器 按放大管按放大管 晶体管放大器晶体管放大器场效应管放大器场效应管放大器 差分对管放大器差分对管放大器集成运算放大器等集成运算放大器等 按实现可变增益的方法按实现可

22、变增益的方法 内稳幅内稳幅( (Self Limiting) )：利用放大管固有的非线性利用放大管固有的非线性 外稳幅外稳幅( (External Limiting) )：放大器线性工作，另外插放大器线性工作，另外插 入非线性环节，共同组成。入非线性环节，共同组成。 ( (2) )相移网络相移网络具有负斜率变化的相移具有负斜率变化的相移 LC 谐振回路谐振回路 RC 相移和选频网络相移和选频网络 石英晶体谐振器石英晶体谐振器 3分析方法分析方法 反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计 算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：算机可对其

23、进行近似数值分析。但工程上广泛采用： 首先，首先，检查环路是否包含可变增益放大器和相频特检查环路是否包含可变增益放大器和相频特 性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。 其次，其次，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作， 可用小信号等效电路分析方法导出可用小信号等效电路分析方法导出 T( (j ) )，并由此求出起，并由此求出起 振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。 若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的若振荡电路合理，又

24、满足起振条件，就能进入稳定的 平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。 最后，最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。 第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器 3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器 3.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路 3.2.2差分对管振荡电路差分对管振荡电路 3.2.3举例举例 3.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器 LC 正弦波振荡器：正弦波振荡器：采用采用 LC 谐振回路作为相移网络的谐振回路作为相移网络的 振荡器。振荡器。 种类：种类：变压器耦合振荡电路变压器耦合振荡电路 三点式振荡电路

25、和差分对管振荡电路。三点式振荡电路和差分对管振荡电路。 3.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路 一、电路组成法则一、电路组成法则 图图 3- -2-1-1三点式振荡的原理电路三点式振荡的原理电路 1电路电路 两种基本类型三点式振两种基本类型三点式振 荡器的原理电路荡器的原理电路( (交流通路交流通路) )。 2组成法则组成法则 交流通路中，晶体管的三个极与谐振回路的三个引出端交流通路中，晶体管的三个极与谐振回路的三个引出端 相连接。其中，与发射极相接的为两个相连接。其中，与发射极相接的为两个同性质同性质电抗，接在集电抗，接在集 - -基间的为基间的为异性异性电抗。电抗。 可证，此法连接必满足相

26、位平衡条件，实现正反馈。可证，此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。 二、三点式振荡器电路二、三点式振荡器电路 ( (1) )电容三点式电容三点式电路（考毕兹电路）电路（考毕兹电路） 图图 3- -2- -2电容三点式振器电路电容三点式振器电路 RB1、RB2 和和 RE ：分压式偏置电阻分压式偏置电阻； CC、CB、CE ：旁旁 路和隔直流电容路和隔直流电容；RC ：集电极直流负载电阻集电极直流负载电阻； RL ：输出输出 负载电阻负载电阻 ； L、C1、C2 ：并联谐振回路并联谐振回路。 图图 3- -2- -2电容三点式振器电路电容三点式振器电路 ( (2) )组成组成 可变增益器件：

27、晶体管可变增益器件：晶体管 T；相移网络：；相移网络：并谐；并谐；发射极：发射极： 为两同性质容性电抗；集为两同性质容性电抗；集- -基：感性电抗。基：感性电抗。 ( (3) )讨论讨论 起振与平衡起振与平衡 T 为可变增益器件，偏置电路设置合适为可变增益器件，偏置电路设置合适 Q 点同时，随点同时，随 vi 的增大产生的增大产生自给偏置效应自给偏置效应，加速放大器增益的下降。，加速放大器增益的下降。 图图 3- -2- -4 其其直流偏置电路如图直流偏置电路如图 3- -2- -4 所示所示。刚起振时，发射结。刚起振时，发射结 直流偏置为静态偏置电压，直流偏置为静态偏置电压，VBE0= VB

28、EQ = VBB IBQRB IEQRE 。 反馈反馈vi 增大，增大，vi 一部分进入截止区，一部分进入截止区， iC为为失真的脉冲波，失真的脉冲波，其其平均值平均值 IC0 ICQ ， ， VBE0 减小，减小，增益变小，提高了振幅稳定增益变小，提高了振幅稳定 性。性。 所以，振荡振幅增大时，加在发射所以，振荡振幅增大时，加在发射 结上结上的偏置电压将自静态值向截止方向的偏置电压将自静态值向截止方向 移动，导致环路增益进一步下降，从而移动，导致环路增益进一步下降，从而 提高了振荡振幅的稳定性。提高了振荡振幅的稳定性。 2电感三点式振荡器电路（哈脱莱电路）电感三点式振荡器电路（哈脱莱电路）

29、( (1) )电路与元件作用电路与元件作用 ( (2) )组成法则判断组成法则判断 图图 3- -2- -6 电感三点式振荡器电路电感三点式振荡器电路 三、电容三点式振荡电路的起振条件三、电容三点式振荡电路的起振条件( (相位与振幅相位与振幅) ) 1等效电路等效电路 以图以图 3- -2- -2( (b) )为例为例 推导环路增益推导环路增益 T( (j ) ) 时，应将闭合环路断开。时，应将闭合环路断开。 ( (1) )改画电路改画电路 图图 3- -2- -3对应图对应图 3- -2- -2 电路的交流通路电路的交流通路 断点左面加环路的输入电压断点左面加环路的输入电压 Vi(j ) 断

30、点右边断点右边( (与与C2 并联并联) )接入自断点向左看进去的阻抗接入自断点向左看进去的阻抗 Zi Re0 ： L、C1、 、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻 并联谐振回路的固有谐振电阻。 0 0 22 0e LQ r L L r L R Q0：固有品质因数。固有品质因数。 ( (2) )用混合用混合 型等效电路表示型等效电路表示 设设 fosc 1 (gm A) 可求得三点式振荡器的相位可求得三点式振荡器的相位起振条件起振条件为为 0 Li2121 2 osc gLgCCCLC ( (3- -2- -3) ) 振幅振幅起振条件起振条件为为 ) 1 1()1( 1 2 osc i 1 2

31、Lm LC g C C gg ( (3- -2- -4) ) 讨论：讨论： 1振荡角频率振荡角频率 osc 振荡频率振荡频率 osc 由相位起振条件决定，解由相位起振条件决定，解( (3- -2- -3) )求得求得 21 2 0 Li 0 21 Li osc 1 1 CC gg CC gg LC ( (3- -2- -5) ) 式中，式中， 21 21 CC CC C ：LC 回路总电容回路总电容， LC 1 0 ：固有谐振角频率。固有谐振角频率。 osc 与与 0 (LC) 有关，还与有关，还与 gi (Ri)、g L ( Re0、 RL) 有关，有关， 且且 osc 0 。 Li21 2

32、 0 ggCC 在实际电路中，一般在实际电路中，一般满足满足 工程估算时，工程估算时， osc 0 = ( (3- -2- -6) ) LC 1 2振幅起振条件振幅起振条件 工程估算时，令工程估算时，令 = osc 0 ，代入，代入( (3- -2- -4) )式，即式，即 ) 1 1()1( 1 2 osc i 1 2 Lm LC g C C gg ( (3- -2- -4) ) 21 1 i 1 21 Lm CC C g C CC gg 振幅起振条件可简化为振幅起振条件可简化为 设设 21 1 CC C n ( (3- -2- -7) ) n 为电容分压比为电容分压比 (p129)，上式改

33、写为，上式改写为 gm iL 1 ngg n ( (3- -2- -8a) ) 或或 1 i 2 L m gng g n( (3- -2- -8b) ) 2 C 若若 gi ，则由，则由图图 3- -2- -7 可见，可见，n2gi 便是便是 gi 经电经电 容分压器折算到集电极上的电导值。容分压器折算到集电极上的电导值。 L g 2 C 因而回路谐振时集电极上的总电导为因而回路谐振时集电极上的总电导为( (+ n2gi) )，gm 除除 以这个总电导就是回路谐振时放大器的电压增益以这个总电导就是回路谐振时放大器的电压增益 Av( 0)*， 而而 n 则是反馈网络则是反馈网络( (C1、组成组

34、成) )的反馈的反馈系数系数 kfv 。这样，式这样，式 ( (3- -2- -8b) ) 又可表示为又可表示为 Av( 0) kfv 11 i 2 L m gng g n 图图 3- -2- -7 推导推导 T(j ) 的等效电路的等效电路 图图 3- -2- -7 推导推导 T(j ) 的等效电路的等效电路 讨论：讨论：为满足振幅起振条件，应增大为满足振幅起振条件，应增大 Av( 0) 和和 kfv 。 增大增大 kfv (= n) ，n2gi 增大，增大，Av( 0) 减小；减小减小；减小 kfv ， 虽提高虽提高 Av( 0)，但回路增益但回路增益 T( 0) 受限。受限。故故 n 取

35、值应适中。取值应适中。 提高提高 ICQ，可以增大，可以增大 gm，从而提高，从而提高 Av( 0) ，但不宜，但不宜 过大，否则，过大，否则，gi( ( 1/re = gm/ ) )会过大，造成回路有载品质会过大，造成回路有载品质 因数下降，影响频率稳定性。因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取一般取 1 5 mA。 ( (a) )( (b) ) 图图 3- -2- -3对应图对应图 3- -2- -2 电路的交流通路电路的交流通路 结论：结论：若振荡管若振荡管 fT 5fosc，RL 又不太小又不太小( ( 1 k ) )，且，且 n( (两电容两电容) )取值适中，一般都满足起振条件。

36、取值适中，一般都满足起振条件。 分析表明，闭合环路不论何处断开，它们的振幅起振条分析表明，闭合环路不论何处断开，它们的振幅起振条 件都是一样的。但断开点不同，件都是一样的。但断开点不同，主网络主网络和和反馈网络反馈网络的组成就的组成就 不同，相应的不同，相应的放大器增益放大器增益和和反馈系数反馈系数也就不同。也就不同。 ( (a) )( (b) ) 图图 3- -2- -3对应图对应图 3- -2- -2 电路的交流通路电路的交流通路 若若图图 3-2-3(a)所示闭合环路在基极处开断，三极管接成所示闭合环路在基极处开断，三极管接成 共发组态。共发组态。 图图 3- -2- -8在基极处开断的

37、等效电路在基极处开断的等效电路 L g 图中图中用工程估算法将用工程估算法将 gib 和和折算到集射极间，分别为折算到集射极间，分别为 gib 折算到集射极间的计算。折算到集射极间的计算。 ， Le0 L ebE ib 1111 RR g rR g ，和和 L 2 2 21 ib 2 2 1 )()(g C CC g C C 图图3-2-8 在基极处开断的等效电路在基极处开断的等效电路 图图 3- -2- -8在基极处开断的等效电路在基极处开断的等效电路 ibL m v g C C g C CC g A 2 2 1 2 21 0 )()( )( 增益增益 2 1 00 20 /1 /1 C C

38、 CL C k fv 反馈系数反馈系数 ) 11 ()()( 2 1 2 2 1 21 1 2 ebE Lm rRC C g C CC C C g 起振条件起振条件 ) 11 ()()( 2 1 2 2 1 21 1 2 ebE Lm rRC C g C CC C C g 在基极处开断的起振条件在基极处开断的起振条件 eEiiLm rRg CC C nngg n g/ 1 21 1 在图在图3-2-2(b)电路的电路的处开断的起振条件处开断的起振条件 eeb rr)1 ( em rg/ )1/( 代入上述两种情况的起振条件，可得代入上述两种情况的起振条件，可得 为同一表达式为同一表达式 E L

39、m RCCC C g CCCC CC g 1 )()( )( 121 1 1121 2 21 ) 1( 1)( 2 1 21 2 21 E Lm RC C g CC CC g 四、用工程估算法求起振条件四、用工程估算法求起振条件 将闭合环路断开，画出开环等效电路。将闭合环路断开，画出开环等效电路。 求出固有谐振频率求出固有谐振频率 0，并令，并令 osc 0。 将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路 谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。 3.2.2差分对管振荡电路差分对管振荡电路( (索尼

40、振荡器索尼振荡器) ) 一、工作原理一、工作原理 T2 的集电极上外接的集电极上外接 LC 谐振回路，调谐在谐振频率谐振回路，调谐在谐振频率 上。其集电极输出电压直接上。其集电极输出电压直接 加到加到 T1管的基极上，形成管的基极上，形成 正反馈。正反馈。T2 管的基极和集电管的基极和集电 极直流同电位，必须限制极直流同电位，必须限制 LC 两端的振荡电压两端的振荡电压( (200 mV 左右左右) )，防止，防止 T2 管饱和。管饱和。 振荡管进入截至区实现内稳幅，使得回路有较高的有振荡管进入截至区实现内稳幅，使得回路有较高的有 载品质因数，有利于提高频率稳定性。载品质因数，有利于提高频率稳

41、定性。 二、求二、求 T(j ) 1交流通路交流通路 2共集共集- -共基等效电路共基等效电路 T1 管的基极电流管的基极电流 Ib1 在在 T2 管的输入端产生的电压为：管的输入端产生的电压为： ib1mbebe ()(/ /1/ j)VIg VrC & 其中，其中， eeEEeb eb1b eb eb eb e / / /(1/ j)rrRrVI ZZrC & ， )1/( ebmebe rgrr T2 管输入端的等效阻抗管输入端的等效阻抗 b ei i b1b e b eb eb e 1 1j1/j rV Z IC rrC & & 共集共集- -共基级联电路的输入阻抗为共基级联电路的输入

42、阻抗为 b e i b e b eb eb e 1 2 1j1/(2)j/ 2 r Z C rrC 电路简化如图电路简化如图 3- -2- -10( (d) )所示。所示。 三、确定振荡角频率三、确定振荡角频率 C L 1 0osc 式中，式中，C = C + Cb e/2 四、确定振幅起振条件四、确定振幅起振条件 fof 1 v VVk &， )2/(1 2/ )( ebL m 0 rg g A v 所以，所以， ebLm /12 rgg 3.2.3举例举例 图图 3- -2- -12( (a) ) 例例 1：判断判断如图如图 3- -2- -12 所所 示示交流通路能否满足相位平衡交流通路

43、能否满足相位平衡 条件？条件？ 解：解：若若 L、C3 串联支路呈串联支路呈 感性，则感性，则符合相位平衡条件符合相位平衡条件 条件：条件：当当 osc 时时， L、C3 串联支路呈感性串联支路呈感性。 3 3 1 LC 例例 2：自己看。自己看。 ( (a) )( (b) )( (c) ) 图图 3- -2- -13 例例 3 电路电路( (a) )及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线 ( (b) () (c) ) 例例 3：图图 3- -2- -13 为三回路振荡器交流通路，为三回路振荡器交流通路，f01， f02， f03 分别为三个回路的固有谐振频率，写

44、出它们之间能满足 分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们之间能满足 相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处相位平衡条件的两种关系式，并指出两种情况下振荡频率处 在什么范围内。在什么范围内。 解：解：已知串、并联谐振回路电抗特性曲线如图已知串、并联谐振回路电抗特性曲线如图 3- -2- - 13( (b) )、 ( (c) )所示。所示。 ( (a) )( (b) )( (c) ) 图图 3- -2- -13 例例 3 电路电路( (a) )及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线及串联和并联谐振回路的电抗特性曲线 ( (b) () (c) ) 串联回路串联回路中，中， 0，X 0，呈呈

45、感性；感性； 0，X 0，X 0，呈呈容性；容性； 0，呈呈感性感性。 ( (a) )( (b) )( (c) ) 1若构成电容三点式电路若构成电容三点式电路 L1C1、L2C2 回路呈回路呈容性失谐容性失谐，L3C3 回路回路呈呈感性失谐感性失谐。 容性失谐容性失谐：fosc f02 ；感性失谐感性失谐：fosc f01， fosc f03 。 03osc ff 02osc10 fff 第第 3 章正弦波振荡器章正弦波振荡器 3.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 3.3.1提高频率稳度的基本措施提高频率稳度的基本措施 3.3.2克拉泼振荡电路克拉泼振荡电路 3.3LC 振荡器的频

46、率稳定度振荡器的频率稳定度 ( (1) )定义：定义： 频率稳定度又称为频稳度，为振荡器最重要的指标，频率稳定度又称为频稳度，为振荡器最重要的指标， 指指在规定时间内在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范，规定的温度、湿度、电源电压等变化范 围内，围内，振荡频率的相对变化量振荡频率的相对变化量。 ( (2) )种类种类 按规定按规定时间的长短时间的长短不同，频稳度可分为：不同，频稳度可分为： 长期频稳度：长期频稳度：一天以上乃至几个月内因元器件老化而引一天以上乃至几个月内因元器件老化而引 起的频率相对变化量。起的频率相对变化量。 短期频稳度：短期频稳度：一天内因温度、电源电压等外界因

47、素变化一天内因温度、电源电压等外界因素变化 而引起的频率相对变化量。而引起的频率相对变化量。 瞬时瞬时( (秒级秒级) )频稳度：频稳度：电路内部噪声引起频率相对变化量。电路内部噪声引起频率相对变化量。 通常指短期频稳度。通常指短期频稳度。 ( (3) )表达式表达式 绝对准确度：绝对准确度： fosc = f - - fosc fosc：标称频率：标称频率 相对准确度：相对准确度： f：实测的振荡频率实测的振荡频率 osc osc osc osc f ff f f 将规定时间划分为将规定时间划分为 n 个等间隔，各间隔内实测的振荡频个等间隔，各间隔内实测的振荡频 率为率为 fi，短期频稳度的

48、定义：短期频稳度的定义： 2 osc osc osc osc 1 osc osc )( 1 lim f f f f nf f i n i n 式中，式中，( fosc)i = fi - - fosc ，第，第 i 个间隔内实测的绝对准确度；个间隔内实测的绝对准确度； 为绝对准确度的平均值，为绝对准确度的平均值， 越小，越小， 频率准确度就越高。频率准确度就越高。 )( 1 lim osc 1 osc ff n f i n i n osc f ( (4) )对频稳度的不同要求对频稳度的不同要求 高精度信号高精度信号 发生器发生器 用用 途途中波电台中波电台电视发射机电视发射机信号发生器信号发生器

49、 频稳度频稳度10- -510- -4 10- -510- -710- -7 10- -9 3.3.1提高频率稳度的基本措施提高频率稳度的基本措施 首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。 一、频稳度的定性分析一、频稳度的定性分析 1振荡频率的图解振荡频率的图解 由相位平衡条件由相位平衡条件 T( osc) = 0 即即0)()()()( foscZoscfoscAoscT 说明：说明： A( ) 主要取决于并联谐振回路的相移主要取决于并联谐振回路的相移 z( ) ，它在，它在 谐振频率附近随谐振频率附近随 的变化十分剧烈；的变化十分剧烈； f( ) 随随

50、的变化相对要缓慢得多，可近似认为它是的变化相对要缓慢得多，可近似认为它是 与频率无关的常数，用与频率无关的常数，用 f 表示。表示。 得：得： Z( osc) = f 故：故： Z( ) 曲线与高度为曲线与高度为 f 水平线相交点上所对应的角频水平线相交点上所对应的角频 率率振荡角频率振荡角频率 osc 。 2影响振荡频率影响振荡频率 osc 的参数的参数 图图 3- -3- -1( (a) ) 由由 0 Zosce 0 2() ()arctan= f Q 可知：可知：影响振荡频率影响振荡频率 osc 的参数是的参数是 0 0、Qe 和和 f 。故讨论频。故讨论频 稳度就是分析外界因素通过这三

51、个参数对振荡频率变化的影稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影 响。响。 ( (1) )谐振频率谐振频率 0 0 变化变化 若若 L 、C 变化，变化， 0 0 产生产生 0 0 的变的变 化，化，则则 z z( ( ) )曲线沿横坐标平移曲线沿横坐标平移 0 0， 曲线形状不变。参看曲线形状不变。参看图图 3- -3- -1( (a) )。 图图 3- -3- -1( (b) ) ( (2) )Qe 变化变化 若若负载和管子参数变化，使谐振回路负载和管子参数变化，使谐振回路 Qe增加增加 Qe，则，则 z z( ( ) )曲线变陡。曲线变陡。 Qe 引起振荡频率的变化量引起振荡

52、频率的变化量与与 f f 大小有 大小有 关关。参看。参看图图 3- -3- -1( (b) )。 oscosc ( (3) )若若 f f 产生产生 f f，则，则 z z( ( ) )曲线曲线 形状不变，而交点移动。形状不变，而交点移动。 f f 引起振荡频率的变化与引起振荡频率的变化与 f f( (同同 条曲线条曲线) )、Qe 的大小有关。的大小有关。 3讨论讨论 提高提高 LC 振荡器频稳度的基本措施：振荡器频稳度的基本措施： 图图 3- -3- -1 ( (c) ) 减小减小 0、 Qe 和和 f，故应减，故应减 小外界因素变化引起小外界因素变化引起 0、Qe 和和 f 的变的变

53、化。化。 减小减小 f 和增大和增大 Qe ，以减小由，以减小由 Qe、 f 引起的振荡频率变化量。引起的振荡频率变化量。 二、提高频稳度的基本措施二、提高频稳度的基本措施 1减小外界因素的变化减小外界因素的变化 外界因素：外界因素：温度、湿度、大气压、温度、湿度、大气压、 电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中以温电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中以温 度的影响最严重。度的影响最严重。 措施：措施：减振、恒温、密封减振、恒温、密封( (湿度、大气压湿度、大气压) )、高稳定度、高稳定度 电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。 2提

54、高振荡回路标准性提高振荡回路标准性 ( (1) )标准性标准性 振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能 力。力。 标准性越高，标准性越高， 0 0 就越小。就越小。 ( (2) ) 0 0 与与 L、 C 的关系的关系 ) 1)( 1( 1 )( 1 000 C C L LCCLL 将此式展开，忽略高阶小量，化简为将此式展开，忽略高阶小量，化简为 00 C C L L C C L L 2 1 2 1 ) 2 1)( 2 1( 0000 ）（所以所以 C C L L 2 1 00 ( (3) )分析分析 可见，可见，为提高回路标准性，必须

55、减小为提高回路标准性，必须减小 L、C 的相对的相对变化变化 量。量。 措施：措施： 温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数， 选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补 偿。偿。 缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。 使用稳定度高的外接集总电容、电感，减小不稳定使用稳定度高的外接集总电容、电感，减小不稳定 的寄生量及其在的寄生量及其在 L、C 中的比重。中的比重。 ( (4) )讨论讨论 osc= = (LC) 1/2稳稳定，定，CL Q0

56、 Qe 频稳度频稳度 所以，增加总电容是有限度的。因此一般都串联电容，所以，增加总电容是有限度的。因此一般都串联电容， 减小管子与回路间耦合的方法。减小管子与回路间耦合的方法。例例如：如：clapp 电路电路 3.3.2克拉泼振荡电路克拉泼振荡电路 1电路电路 图图 3- -3- -2 (b) 2特点特点 为为电容三点式振荡器的改进型电容三点式振荡器的改进型 电路，其差别：与电路，其差别：与 C1、C2 串联的电串联的电 容容 C3。且。且C3 取值较小。满足取值较小。满足 C3 C1，C3 Cq，所以，所以 p 很靠近很靠近 s ，例如，例如 5 MHz 的的 晶振体晶振体 fp fs 6.

57、5 kHz 小结：小结： 晶振体两个谐振频率：晶振体两个谐振频率：fs、fp ；且；且 fs 2R1，即，即 T( 0) 1，就可满足起振条件。，就可满足起振条件。 图图 3- -5- -3( (b) )改画成电桥形式的电路改画成电桥形式的电路 平衡条件：平衡条件：Rt 为具有负温度系数为具有负温度系数 的热敏电阻。的热敏电阻。 刚起振时，刚起振时，Rt 的温度最低，相应的温度最低，相应 的电阻最大，因而运放增益最大，使的电阻最大，因而运放增益最大，使 T( 0) 1。 振幅过大，振幅过大，Rt 上消耗的功率增加，上消耗的功率增加， 致使温度上升，阻值减小，直到致使温度上升，阻值减小，直到 T

58、( 0) 1 ，进入平衡状态。，进入平衡状态。 第第 3 章章正弦波振荡器正弦波振荡器 3.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器 3.6.1负阻器件负阻器件 3.6.2负阻振荡原理及其电路负阻振荡原理及其电路 3.6.3用负阻观点讨论用负阻观点讨论 LC 反馈振荡器反馈振荡器 负阻振荡器是采用负阻器件与负阻振荡器是采用负阻器件与 LC 谐振回路共同构成谐振回路共同构成 的一种正弦波振荡器，主要工作在的一种正弦波振荡器，主要工作在 100 MHz 以上的超高频以上的超高频 段。段。 3.6.1负阻器件负阻器件 负阻器件是指它的负阻器件是指它的 增量电阻为负的器件。增量电阻为负的器件。 隧道二极管的

59、伏安隧道二极管的伏安 特性如图特性如图 3- -6- -1 所示。所示。 图中图中 vD VQ v VQ Vmsin t 忽略失真的情况下忽略失真的情况下 iD IQ i IQ Imsin t 增量电流增量电流 i = ( gn)v = ( gn)Vmsin t = Imsin t 加到器件上的平均功率加到器件上的平均功率 2/2/ d)sin)(sin( 1 d 1 n 2 mQQmmQQ mQ 0 mQ 0 DD gVIVIVIV ttIItVV T tiv T P TT vD VQ v VQ Vmsin t iD IQ i IQ Imsin t i = Imsin t 2/d 1 n 2

60、 mQQ 0 DD gVIVtiv T P T 因为因为Vm VQ，Im 0 器件是将一部分直流功率转换为交流功率。器件是将一部分直流功率转换为交流功率。 当器件工作在大信号时，定义器件的平均负增量电导当器件工作在大信号时，定义器件的平均负增量电导 为为 g gn(av) n(av)。 。 器件给出交流功率器件给出交流功率 2 mn / 2V g 图图 3- -6- -2 给出了隧道二极管工作在大信号时的特性，给出了隧道二极管工作在大信号时的特性， 图中电导图中电导 m 1m n(av) V I g 式中：式中： I1m 基波电流振幅。基波电流振幅。 3.6.2负阻振荡原理及其电路负阻振荡原理