第六章 正弦振荡电路

1、第六章第六章 正弦波振荡器正弦波振荡器 如何从无到有的 产生正弦波 一、概述一、概述 l自激式振荡器定义： l 是指在没有外加信号作用下的一种自动 将直流电源的能量变换为一定波形的交变振荡 能量的装置。 1.在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器）在信息传输系统的各种发射机中，就是把主振器（振荡器） 所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。所产生的载波，经过放大、调制而把信息发射出去的。 2.在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个在超外差式的各种接收机中，是由振荡器产生一个“本地振本地振 荡荡”信号，送入混频器，才能将高频信号变成中频信号。信号，送入混频器，才能将高频

2、信号变成中频信号。 3. 3.在研制、调测各类电子设备时，常常在研制、调测各类电子设备时，常常 需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大需要信号源和各种测量仪器，在这些仪器中大 多包含有振荡器。多包含有振荡器。 例如高频信号发生器、音频信号发生器、例如高频信号发生器、音频信号发生器、 Q表以及各种数字式测量仪表等。表以及各种数字式测量仪表等。 4.4.在工业生产中的高频加热、超声焊接在工业生产中的高频加热、超声焊接 以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。以及电子医疗器械也都广泛应用振荡器。 可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着可见正弦波振荡器在电子技术领域里有着 广泛的应用。广泛的应用。 从工作

3、原理来看：从工作原理来看： 根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三端型根据反馈回路的形式：变压器反馈式、三端型LCLC、 RCRC、晶体、晶体 反馈式振荡器反馈式振荡器是把有源器件接成正反馈环路来实现是把有源器件接成正反馈环路来实现 自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作自激振荡的，大多数振荡器以这种原理工作 负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振回负阻振荡器则是以具有负阻效应的器件来抵消谐振回 路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡。路中的损耗电阻，从而使回路能维持等幅的正弦振荡。 工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多工作频率可高达几千兆赫，在微波波段使用较多 从构成来看：

4、从构成来看： 根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电根据有源器件的不同：晶体管、场效应管、集成电 路、压控等等路、压控等等 二、振荡器的种类二、振荡器的种类 6.4 反馈的观点看振荡反馈的观点看振荡 反馈振荡器是由反馈振荡器是由放大器、选频网络和反馈网络放大器、选频网络和反馈网络所组成所组成 的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。的一个闭环环路，其中反馈网络由无源器件组成。 构成反馈式正弦波振荡电路的要素：构成反馈式正弦波振荡电路的要素： 放大电路的正反馈放大电路的正反馈，从而产生自激振荡，从而产生自激振荡 选频网络或者相移网络选频网络或者相移网络，以控制振荡频率和波形，以控制振荡

5、频率和波形 放大电路的非线性放大电路的非线性，以控制振荡幅度，以控制振荡幅度 与放大器不一样，反馈振荡器没有外加激励信号，其最初与放大器不一样，反馈振荡器没有外加激励信号，其最初 的激励是在接通电源时，电路中存在各种电扰动和热噪声等，的激励是在接通电源时，电路中存在各种电扰动和热噪声等， 这些小扰动的幅度很小，具有很宽的频谱。为了使放大器的这些小扰动的幅度很小，具有很宽的频谱。为了使放大器的 输出为一个固定频率的正弦波，则闭环环路必须含有选频网输出为一个固定频率的正弦波，则闭环环路必须含有选频网 络，通过选频网络从很宽的频谱资源中选出需要的工作频率，络，通过选频网络从很宽的频谱资源中选出需要的

6、工作频率， 而将其余的频率分量抑制掉，因此反馈振荡器还必须有选频而将其余的频率分量抑制掉，因此反馈振荡器还必须有选频 网络。一个反馈振荡器要正常的工作，必须满足三个条件：网络。一个反馈振荡器要正常的工作，必须满足三个条件： 起振条件、平衡条件以及稳定条件。起振条件、平衡条件以及稳定条件。 6.5 振荡器的起振、平衡与稳定条件振荡器的起振、平衡与稳定条件 f i V AF V 定义环路的增益为定义环路的增益为 1起振过程起振过程 为了使振荡器的输出振荡电压在接通直流电源后由小增大，为了使振荡器的输出振荡电压在接通直流电源后由小增大， 则要求反馈电压幅度必须大于输入信号幅度，反馈电压相位则要求反馈

7、电压幅度必须大于输入信号幅度，反馈电压相位 必须与放大器输入相位相同，也就是要求是正反馈，即必须与放大器输入相位相同，也就是要求是正反馈，即 振幅起振振幅起振 条件条件 相位起振相位起振 条件条件 在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入在起振的开始阶段，振荡的幅度还很小，电路尚未进入 非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信非线性区，振荡器可以作为线性电路来处理，即可用小信 号电路等效模型分析起振条件。号电路等效模型分析起振条件。 00 0 |() ()| 1 ()2,0,1,2, AF AF nn 2平衡过程平衡过程 振荡幅度的增长过程不会一直无止境地进行下去，当反馈信振

8、荡幅度的增长过程不会一直无止境地进行下去，当反馈信 号正好等于输出电压所需的输入电压时，振荡幅度不再增大，号正好等于输出电压所需的输入电压时，振荡幅度不再增大， 电路进入平衡状态。则振荡的平衡条件为电路进入平衡状态。则振荡的平衡条件为 振幅平衡振幅平衡 条件条件 相位平衡相位平衡 条件条件 00 0 |() ()| 1 ()2,0,1,2, AF AF nn 巴克豪森准则巴克豪森准则(Barkhousen Criterien)(Barkhousen Criterien)： 00 () ()1AF 相位平衡条件是先决的、相位平衡条件是先决的、 最本质的条件最本质的条件 3稳幅过程稳幅过程 内稳幅

9、：靠放大电路中晶体管所固有的非线性内稳幅：靠放大电路中晶体管所固有的非线性 特性达到稳定值特性达到稳定值 小信号小信号大信号大信号 输出电压从起振到稳定的全过程：输出电压从起振到稳定的全过程： 稳定平衡状态稳定平衡状态，干扰因素消失后振荡能自动回到原，干扰因素消失后振荡能自动回到原 来的平衡状态来的平衡状态 两种可能的平衡状态：两种可能的平衡状态： 不稳定平衡状态不稳定平衡状态，干扰因素消失后越来越偏离原来，干扰因素消失后越来越偏离原来 的平衡状态的平衡状态 6.5.2 6.5.2 振荡平衡状态的稳定条件：振荡平衡状态的稳定条件： 振幅稳定条件的定义振幅稳定条件的定义 左图中的左图中的B B点

10、即为稳定平点即为稳定平 衡状态衡状态 振幅稳定条件：振幅稳定条件： * 0 |(,)| 0 ii i i VV AV V 硬激励硬激励和和软激励软激励的区别的区别 相位稳定条件的定义相位稳定条件的定义 环路相位变化对角频率环路相位变化对角频率 的影响的影响 相位稳定条件：相位稳定条件： 0 ( ) 0 AF d dt 例题例题 o 1. 反馈型正弦波振荡器起振的振幅 条件是：_，相位条件是：_。 o 2. 反馈型正弦波振荡器的振幅平衡 条件是：_，相位条件是：_。 o 4. 反馈型正弦波振荡器的电路构成，必须有：_， _，_。 o 3. 反馈型正弦波振荡器的振幅稳定条件是：_， 相位稳定条件是

11、：_。 o 小功率振荡器可直接工作在甲（乙）类 o 大功率振荡器多采用丙类振荡电路 o 直接负偏置的丙类电路无法直接起振： o采用自偏电 路可实现甲 类起振、丙 类工作： 6.6 反馈型反馈型LC振荡电路振荡电路 定义：利用定义：利用LCLC元件组成选频网络的反馈性振荡电路元件组成选频网络的反馈性振荡电路 6.6.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器 o 采用互感耦合线圈作为反 馈网络。 o 依据谐振回路接在晶体管 的电极位置可命名为调基、 调集、调射电路。 6.6.n 三端型三端型LC振荡电路振荡电路 三端型振荡电路： 将三个电抗元件 分别接在晶体管 的三个电极间 产生振荡的基本条件？ 正反馈相

12、位平衡谐振网络 0 cbeceb XXX 回路谐振时，回路谐振时，i ic c,i,ib b,i,ie e远远小于谐振电流远远小于谐振电流 则回路总阻抗：则回路总阻抗： 三个电抗元件不能同时为电感或电容！需由两种三个电抗元件不能同时为电感或电容！需由两种 不同性质元件构成。不同性质元件构成。 能否起振？ 什么情况下起振？ 相位平衡电压关系 u综上，从相位平衡条件判断三端式振荡器能否综上，从相位平衡条件判断三端式振荡器能否 振荡的原则是：与发射极相连的为同性质电抗元振荡的原则是：与发射极相连的为同性质电抗元 件，不与发射极相连的为异性质电抗元件件，不与发射极相连的为异性质电抗元件（射同（射同 它

13、异）它异）。 电容三端式振荡器电容三端式振荡器 也称考毕兹也称考毕兹(Colpitts)振荡器振荡器 电感三端式振荡器，电感三端式振荡器， 也称哈特莱也称哈特莱(Hartley)振荡器振荡器 【例】 图示电路，两个LC并联回路的谐振频率分别 是 和 ，请问电路是 否能够发生振荡？若能，求振荡频率f0与f1、f2的关系。 111 1/2fLC 222 1/ 2fL C 解：要使电路能够正常振荡，需满足三端式电路的组成原则。由于解：要使电路能够正常振荡，需满足三端式电路的组成原则。由于 连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三端式振荡器，连接基极与集电极的为电容，故电路只能组成电感三端式振荡

14、器， 即即L1C1、L2C2回路应呈感性。由于回路应呈感性。由于LC并联回路谐振频率大于工作频并联回路谐振频率大于工作频 率时，回路呈感性，即应满足：率时，回路呈感性，即应满足： 1020 ffff l例：试用相位条件的判断准则，判明图示的 LC振荡器交流等效电路，哪个可以振荡？哪 个不可以振荡？或在什么条件下才能振荡？ l例：试判断该电路是否能振荡？若可以振荡， 说明其振荡条件。若不能，改正之。 一、三端式电容振荡电路（一、三端式电容振荡电路（考毕兹电路考毕兹电路） 1. 分析其谐振特性，求解谐振频率分析其谐振特性，求解谐振频率 12 12 1 p C C L CC 2. 分析其反馈特性，判

15、断是否能发生正反馈分析其反馈特性，判断是否能发生正反馈 o 满足“射同它反”，可以起振 3. 求解反馈系数求解反馈系数 定义反馈系数定义反馈系数F： f21 2 1 1 1 o VCC F VC C l事实上，在起振过程，由于放大器工作在甲类， 可以将三极管使用小信号模型做出等效。（h 参数、y参数） l此时可分析振荡器产生和维持振荡的其他参数 l（部分接入方式化简电路，计算增益A，则 AF1） 二、三端式电感振荡电路（哈特莱电路）二、三端式电感振荡电路（哈特莱电路） 类似于电容三端式振荡器的分析方法，有：类似于电容三端式振荡器的分析方法，有： 振荡频率为振荡频率为 0 12 11 (2)LC

16、LLM C f2 c1 VLM F VLM 反馈系数为：反馈系数为： n 若M=0： 0 12 1 ()LL C l和三端式电容振荡器类似，电感振荡器也可用小信号等 效进行晶体管参数的分析。 l部分接入方式化简电路，求解放大器增益A,AF1 o 三端电感振荡电路优点： n 容易通过调节电容改 变振荡频率，调节时 不影响反馈系数 o 三端电感振荡电路缺点： n 输出端和反馈端均 为电感，对高次谐 波阻抗大，振荡波 形不太好 n 电感上的分布电容 和晶体管的极间电 容影响环路增益， 电路的振荡频率不 能过高 o 三端电容振荡电路优点： n 输入和反馈端是电容，对高次 谐波电抗小，振荡波形好 n 只

17、要减小电容就能提高振荡频 率，若不外加电容，仅利用晶 体管的极间电容作回路电容， 则振荡频率可高达几百兆赫， 甚至上千兆赫 o 三端电容振荡电路缺点： n 改变频率不方便，调节C1C2时 影响反馈系数。适用于作为固 定频率的振荡器 n 三极管结电容影响振荡频率 三、三、 改进型电容三端式振荡器改进型电容三端式振荡器 由于晶体管的输入、输出电容与电容三端式振荡器和电感由于晶体管的输入、输出电容与电容三端式振荡器和电感 三端式振荡器的回路并联，影响回路的等效电抗元件参数。而三端式振荡器的回路并联，影响回路的等效电抗元件参数。而 晶体管的输入、输出电容受环境温度、电源电压等因素的影响晶体管的输入、输

18、出电容受环境温度、电源电压等因素的影响 较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在较大，所以上述两种振荡器的频率稳定度不高，一般在10-3数数 量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管量级。为了提高频率稳定度，需要对电路作改进以减少晶体管 输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体管与回路之输入、输出电容对回路的影响，可以采用削弱晶体管与回路之 间耦合的方法，在电容三端式振荡器的基础上，得到两种改进间耦合的方法，在电容三端式振荡器的基础上，得到两种改进 型电容反馈式振荡器型电容反馈式振荡器克拉泼克拉泼(Clapp)振荡器和西勒振荡器和西勒(Siler)振振 荡器。荡器。

19、减小三极管极间电容的影响 1克拉泼振荡器克拉泼振荡器 各电容值取值规定如下：各电容值取值规定如下：C3C1 ，C3平衡过程（平衡条件）- 稳幅过程（稳定条件） o LC正弦波振荡电路的各种要点： n 自偏电路：甲类起振丙类工作 o 三端式LC正弦波振荡电路 n 选频网络的反相作用 n 射同它反、近似振荡频率 总结总结(2)(2) o 三端式LC正弦波振荡电路 n 三端式电感、电容电路 n 三端式电容电路的两种改进型电路 能否起振？何时起振？分析谐振（谐振频率） 6.7 6.7 正弦波振荡器的频率稳定问正弦波振荡器的频率稳定问 题题频率稳定度频率稳定度 l频率稳定度 l绝对频率稳定度：f=fH-

20、f0或f0-fL l相对频率稳定度：f/f0 l常用振荡器的频率稳定度 lLC振荡器：10-2-10-4 lRC振荡器：10-2-10-3 l石英晶体振荡器：10-5-10-6(若采取恒温措施， 可达10-7-10-9) 6.7 6.7 正弦波振荡器的频率稳定问正弦波振荡器的频率稳定问 题题造成频率不稳定的因素造成频率不稳定的因素 lLC值变化对频率稳 定度的影响： 0 0 1 2 LC LC o L和C主要受温度的影响。温度对电感和电容值的 影响程度往往用温度系数来衡量。温度系数是指 温度变化1oC时电感量或电容量的相对变化量 o 电感的温度系数一般为正；根据介质材料不同， 电容的温度系数可

21、正可负 l回路电阻r影响振荡频率 l有源器件的参数 6.7 6.7 正弦波振荡器的频率稳定问正弦波振荡器的频率稳定问 题题提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施 l减少温度的影响：恒温、选择温度系数小的元件 l稳定电源电压：选择稳定性好的电源、单独供电 l减少负载的影响 l采取屏蔽措施 l提高振荡电路标准性：减少结电容、分布参数等 l晶体管与回路间采取松耦合：克拉泼、西勒电路 l提高回路品质因数 6.8 6.8 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体石英晶体 l正压电效应：施加压力或拉力-晶体表面产生电荷 l反压电效应：给晶体加电-晶体产生内部应力 o 石英晶体的 谐振、基音 及奇次泛音

22、o 石英谐振器的 Q值一般为 104-106(LC 最高300左右) 等效电路和阻抗特性等效电路和阻抗特性 l石英谐振器的符号、等 效电路及基音等效电路： 1 2 s f LC 0 0 1 2 p f C C L CC 石英晶体振荡器电路石英晶体振荡器电路 由石英谐振器（石英晶体振子）由石英谐振器（石英晶体振子） 构成的振荡电路通常叫构成的振荡电路通常叫“晶振电晶振电 路路”。 并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路工作在工作在 晶体并联谐振频率附近，晶体等晶体并联谐振频率附近，晶体等 效为电感；效为电感； 串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路工作在工作在 晶体串联谐振频率附近，晶体近晶体串联谐

23、振频率附近，晶体近 于短路。于短路。 1. 皮尔斯（BC型）电路 电路电路由晶体与外接电容器由晶体与外接电容器 或线圈构成并联谐振回路，按或线圈构成并联谐振回路，按 三端线路的连接原则组成振荡三端线路的连接原则组成振荡 器，晶体等效为？器，晶体等效为？ 理论上可以构成三种类型理论上可以构成三种类型 基本电路，但在实际应用中常基本电路，但在实际应用中常 用的是图所示的电路，称用的是图所示的电路，称“皮皮 尔斯尔斯”电路电路(BC(BC型型) )。这种电路这种电路 不需外接线圈，而且频率稳定不需外接线圈，而且频率稳定 度较高。度较高。 图图4-25 并联晶体振荡器并联晶体振荡器 原理电路图原理电路图 6.8.1 6.8.1 并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路 并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路 l2. 密勒(BE型)电路： o 密勒电路中，石英晶体接在输 入阻抗较低的BE极间，频率稳 定性较差，所以多采用场效应 管晶体振荡电路 6.8.2 6.8.2 串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路 l串联型晶体振荡电路即是把石英谐振器作为 短路线应用： 6.8.3 6.8.3 泛音晶体振荡电路泛音晶体振荡电路 l使用泛