通信电子线路邱健第4章 正弦波振荡器廖惜

1、1第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2本章基本要求本章基本要求n掌握掌握lc正弦波振荡器的基本原理、起振、平衡和正弦波振荡器的基本原理、起振、平衡和稳定的条件，以及晶体振荡器和压控振荡器等的稳定的条件，以及晶体振荡器和压控振荡器等的电路组成、工作原理、判别原则电路组成、工作原理、判别原则;n熟悉熟悉 vco、振荡器的稳定性；、振荡器的稳定性；n了解了解 晶体振荡器的基本原理。晶体振荡器的基本原理。34.1 反馈型振荡器的基本原理与分析方法反馈型振荡器的基本原理与分析方法 4.1.1 从放大器到振荡器 各种放大器都是在输入信号的控制下，将直流电源提各种放大器都是在输入信号的控制下，将直流电源提

2、供的电能转换成按输入信号规律变化的电信号，并馈送给供的电能转换成按输入信号规律变化的电信号，并馈送给负载。正弦波振荡器则是一种不需要外加输入信号，自动负载。正弦波振荡器则是一种不需要外加输入信号，自动将直流电能转换成某一特定频率和适当幅度的正弦波电压将直流电能转换成某一特定频率和适当幅度的正弦波电压的电路，实质上是由反馈放大器演变而来。的电路，实质上是由反馈放大器演变而来。 4图4-1-1 反馈振荡器的组成(b)反馈振荡器（c）反馈振荡器的基本结构框图54.1.2 振荡的建立与稳定 反馈型振荡器在接通电源后，振荡电压不会立即建立反馈型振荡器在接通电源后，振荡电压不会立即建立起来。其间要经历一段

3、振荡电压从无到有、从小到大逐步起来。其间要经历一段振荡电压从无到有、从小到大逐步增长的过程，直到电路进入平衡状态，电路输出一个幅度增长的过程，直到电路进入平衡状态，电路输出一个幅度和频率保持不变的正弦电压。和频率保持不变的正弦电压。 4.1.2.1 起振过程起振过程电路接通电源瞬间会产生电流或电压的突变。根据频谱电路接通电源瞬间会产生电流或电压的突变。根据频谱分析的结论，这些干扰和噪声具有连续频谱，包含了各分析的结论，这些干扰和噪声具有连续频谱，包含了各种频率的正弦分量。种频率的正弦分量。 由于谐振回路的选频作用，使得只有特定频率由于谐振回路的选频作用，使得只有特定频率p信号与输入端的初始信号

4、保持同相的关系。信号与输入端的初始信号保持同相的关系。 的反馈的反馈选频选频反馈再放大再选频反馈再放大再选频再反馈的循环过程后，幅再反馈的循环过程后，幅度不断增长，自激振荡终于建立起来。度不断增长，自激振荡终于建立起来。 经过放大经过放大6(a)(b)v/ceut 振荡的建立、稳定与稳幅00ma/civ/beu1q2q0v/beutma/ci0tma/ci0ceuciccuv/ceu7正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件1产生正弦波自激振荡的平衡条件产生正弦波自激振荡的平衡条件.正正反馈网络反馈网络放大环节放大环节.xoaf.xidxf 正弦波振荡器的方框图ofxfxidoxaxiii

5、dofxxfaxfaxfx若则可以产生自激振荡则可以产生自激振荡8输入输入xid.反馈反馈xf=fxo. .输出输出xo= axid. .放大环节放大环节 a正正反馈网络反馈网络 f若满足若满足xf=xid.可在输出端继续维持原有的输出信号可在输出端继续维持原有的输出信号则为正反馈则为正反馈9知电路产生自激振荡的平衡条件为知电路产生自激振荡的平衡条件为 由由.idofafxfxx及及idfxx 1 af幅值平衡条件：幅值平衡条件： 1fa相位平衡条件相位平衡条件： n2fa2 , 1 , 0n 104.1.2.2 稳幅过程 在振荡建立的过程中，振荡信号幅度不可能无限增大。由在振荡建立的过程中，

6、振荡信号幅度不可能无限增大。由于放大器件的非线性特性的限幅作用，使振荡幅度达到某于放大器件的非线性特性的限幅作用，使振荡幅度达到某个值后而稳定下来。许多电路中还采取了稳幅措施。个值后而稳定下来。许多电路中还采取了稳幅措施。 通过器件固有的非线性特性稳幅的，称为内稳幅。通过器件固有的非线性特性稳幅的，称为内稳幅。 通过调节负反馈系数，改变放大倍数，也可通过其他通过调节负反馈系数，改变放大倍数，也可通过其他外部电路实现稳幅。这种方法被称为外稳幅。外部电路实现稳幅。这种方法被称为外稳幅。 11(a)(b)v/ceut 振荡的建立、稳定与稳幅00ma/civ/beu1q2q0v/beutma/ci0t

7、ma/ci0ceuciccuv/ceu124.1.3 振幅平衡条件和相位平衡条件 将图将图4-1-1 b中的点断开，中的点断开， 同时在反馈网络的输出端口同时在反馈网络的输出端口iz电路的环路增益为电路的环路增益为 并联一个与谐振放大器输入阻抗相同的等效阻抗并联一个与谐振放大器输入阻抗相同的等效阻抗，则，则affauuuuuutofioif)(通常反馈网络与选频网络合而为一。通常反馈网络与选频网络合而为一。由图由图4-1-2及反馈放大器的原理，可得及反馈放大器的原理，可得电路的闭环增益为电路的闭环增益为 (b)反馈振荡器13faauua1sof(4-1-2) 1fafa0sufiuu当当时时,

8、 , 这就意味着即使输入信号这就意味着即使输入信号放大器仍然有输出电压，由图放大器仍然有输出电压，由图4-1-2可知，此时有可知，此时有电路已由放大器转变成振荡器。因此，反馈型振荡器的电路已由放大器转变成振荡器。因此，反馈型振荡器的振荡平衡条件为振荡平衡条件为 1faaf1 振幅平衡条件振幅平衡条件 af2n(n=0, 1, 2, .) 相位平衡条件相位平衡条件 sufuiuouaf图4-1-2 反馈放大器框图14由于初始信号是电路的干扰和噪声中被选频网络所选择出由于初始信号是电路的干扰和噪声中被选频网络所选择出来的信号，幅度比较小，若电路的环路增益来的信号，幅度比较小，若电路的环路增益af1

9、， 则则电路输出信号的幅度不能达到所需电平。因此，实际的反电路输出信号的幅度不能达到所需电平。因此，实际的反馈振荡器必须有一个增幅振荡的过程，只有当反馈到输入馈振荡器必须有一个增幅振荡的过程，只有当反馈到输入端的信号大于初始信号时，才能建立起振荡。于是，可得端的信号大于初始信号时，才能建立起振荡。于是，可得到电路的到电路的起振条件起振条件： 1afn2fa (n = 0, 1，2， .) 在振荡建立的过程中，振荡电路为时变参数电路。在振荡建立的过程中，振荡电路为时变参数电路。 154.1.4 振荡器的分析方法 反馈型正弦波振荡电路是含有电抗元件的非线性电路，采用严格的反馈型正弦波振荡电路是含有

10、电抗元件的非线性电路，采用严格的数学分析方法比较困难，也没有必要。工程设计中，采用近似分析数学分析方法比较困难，也没有必要。工程设计中，采用近似分析法，法，常用常用y参数等效电路参数等效电路（振荡频率不太高时，也可用（振荡频率不太高时，也可用h参数等效参数等效电路）来分析振荡电路，以确定电路的振荡频率和起振条件。电路）来分析振荡电路，以确定电路的振荡频率和起振条件。 (1)画出交流通路和画出交流通路和y参数等效电路，该电路将构成一个反馈电路参数等效电路，该电路将构成一个反馈电路 (2)自基本放大器的输入端将反馈环路拆开。拆环后电路的输出端口自基本放大器的输入端将反馈环路拆开。拆环后电路的输出端

11、口应并联一个与放大器输入阻抗相等的负载阻抗。应并联一个与放大器输入阻抗相等的负载阻抗。 af(3)根据拆环后的等效电路，写出环路增益的表达式根据拆环后的等效电路，写出环路增益的表达式。 nfa2arctanp(4) 令令，确定电路的振荡频率，确定电路的振荡频率 。 p(5)根据起振条件，令根据起振条件，令时的时的确定电路的起振条件。确定电路的起振条件。 1af16将将ber和反馈线圈等效和反馈线圈等效 flo)(imjiljru(4-1-8) )/(2belfljrimji(4-1-9) 图图4-1-3 变压器耦合振荡器拆环变换变压器耦合振荡器拆环变换 17将式将式(4-1-9)代入式代入式(

12、4-1-8)，可得：，可得： l2beo)()(iklljkrrul)(iljr式中式中 )(2222be22lrmkbe/krrr2klll按图中的同名端连接方式按图中的同名端连接方式,f。因此电路的振荡频率。因此电路的振荡频率pp在谐振频率在谐振频率处处,负载回路显纯电阻特性负载回路显纯电阻特性,即即a()。即即lc并联回路的谐振频率：并联回路的谐振频率： clfp21 (4-1-14) 18一般说来，一般说来，lr。于是，电路的反馈系数为：。于是，电路的反馈系数为： l/p/lp)(iljrimjf/lm(4-1-15) 放大器的谐振时的电压增益为放大器的谐振时的电压增益为 crlgrg

13、a/mpmpu)(并联回路的谐振阻抗为并联回路的谐振阻抗为 crlr/p (4-1-16) 根据式根据式(4-1-6)，可得电路的起振条件，可得电路的起振条件 1/mcrmg194.2 lc正弦波振荡器 无论是哪种振荡器，在判断电路是否满足正反馈自激无论是哪种振荡器，在判断电路是否满足正反馈自激的条件时，通常根据电路的结构，利用瞬时极性法，判断的条件时，通常根据电路的结构，利用瞬时极性法，判断电路是否满足正反馈自激的条件。电路是否满足正反馈自激的条件。 4.2.1 lc三点式振荡器相位平衡条件的判断准则 图图4-2-1所示是三点式振荡器的交流等效电路的一般所示是三点式振荡器的交流等效电路的一般

14、形式，三极管的三个电极分别接谐振回路的三个引出端。形式，三极管的三个电极分别接谐振回路的三个引出端。为分析方便，设谐振回路的为分析方便，设谐振回路的1、2、3均为纯电抗元均为纯电抗元件。件。 20pouiu忽略三极管的电抗效应，对于谐振频率忽略三极管的电抗效应，对于谐振频率, 与与反相反相 即即)(pa设回路设回路值较高，由图值较高，由图4-2-1得得 322ofjxjxjxuu322ofxxxuuf图图4-2-1 三点式振荡器交流等效电路三点式振荡器交流等效电路21电路谐振时，回路呈纯阻性电路谐振时，回路呈纯阻性，在平衡状态下，振荡频率，在平衡状态下，振荡频率近似等于回路的谐振频率，即能满足

15、近似等于回路的谐振频率，即能满足 123= 0 (4-2-2) -x1=23 即有即有 12xx322ofxxxuuf)(pa考虑到考虑到 正弦波振荡的相位条件，也就是正弦波振荡的相位条件，也就是1与与2为同性质电为同性质电抗。抗。 则当则当f =时，电路满足时，电路满足，22于是可得到于是可得到lc三点式振荡器相位平衡条件的判断准则：三点式振荡器相位平衡条件的判断准则： (1) 1与与2 为同性质电抗；为同性质电抗； (2) 1、2 与与3 为异性质电抗。为异性质电抗。 换句话说，与三极管发射极相连的电抗应为同性质电抗，换句话说，与三极管发射极相连的电抗应为同性质电抗，接在接在b-c极之间的

16、电抗与前者互为异性质电抗。极之间的电抗与前者互为异性质电抗。 射同他异射同他异234.2.2 基本lc三点式振荡器电路 4.2.2.1 电感三点式(hartley)振荡器 abcb1rb2recertcm2l1lccu图 4-2-2 电感三点式振荡器(a)原理图2l1lciuoum(b) 交流等效图24图图4-2-2为电感三点式振荡器的原理电路及交流等效电路。为电感三点式振荡器的原理电路及交流等效电路。图中图中b为耦合电容，为耦合电容，c为旁路电容，它们对振荡信号可为旁路电容，它们对振荡信号可视为短路。选频回路由视为短路。选频回路由lc构成，构成， 为带抽头的线圈。在为带抽头的线圈。在交流等效

17、电路中，线圈交流等效电路中，线圈的三个引出端分别接在三极管的的三个引出端分别接在三极管的三个电极，其中，抽头接至发射极。根据三点式振荡器相三个电极，其中，抽头接至发射极。根据三点式振荡器相位平衡条件的判断准则，可知图位平衡条件的判断准则，可知图4-2-2所示的电路满足相所示的电路满足相位平衡条件。位平衡条件。 电路振荡频率的工程估算公式为电路振荡频率的工程估算公式为 cmlllcf)2(212121p (4-2-3) 25将图将图4-2-2 自点断开，可以得出图自点断开，可以得出图4-2-3所示的简化开所示的简化开环环y参数等效电路参数等效电路 按功率等效的原理，按功率等效的原理，ie2f/i

18、e2ogugu iegie2ie2of/iegfguug将将折合到折合到ce之间的之间的 等效电导为等效电导为谐振电压增益为谐振电压增益为 pfepu)(rya图4-2-3 图4-2-2的开环简化等效电路26)/()(12mlmlf其中，其中，由电路的起振条件由电路的起振条件1af可得可得 p21fe)(rmlmly(4-2-8) ieoepp11gggr忽略电感线圈的损耗电阻忽略电感线圈的损耗电阻 时时于是起振条件可写为于是起振条件可写为 oeieoe21ie12fe1gffggmlmlgmlmly(4-2-9) 27为了满足起振条件，在实际电路中，线圈抽头的选择一般为了满足起振条件，在实际

19、电路中，线圈抽头的选择一般使在使在1318之间，即之间，即1 与与2 的匝数比约的匝数比约38。必须指出，上述推导中并未考虑振荡回路本身的损耗和负必须指出，上述推导中并未考虑振荡回路本身的损耗和负载的损耗等。需要考虑这些损耗时起振条件为载的损耗等。需要考虑这些损耗时起振条件为 )(/loe21ie12feggmlmlgmlmly)(1/loeieggffg（4-2-10） 284.2.2.2 电容三点式电容三点式(colpitts)振荡器振荡器 ccu1br2brbcter1cl2cecrfca图 4-2-4 电容三点式振荡器（a）原理电路2c1clfuout(b)交流等效电路290rey0f

20、eoe1/1cccie2/2ccc假定假定、,且令且令， 则则 /2ie/2ie/2ie/1oeifef1111cjgljcjgcjgljcjguyu整理后，得到：整理后，得到： jeuujbayuutiffeif)(4-2-12) oe/22ie/12ieoeglcglcgga/2/13oeie/2/1)(clcglgccb30根据起振条件有：根据起振条件有： 122feifbayuu(4-2-13) nab2arctan（n=0,1,2,） (4-2-14) 考虑相位平衡条件（考虑相位平衡条件（b = 0），可得到起振条件：），可得到起振条件： oe/1/2ie/2/1fegccgccyo

21、eieoe/1/2ie/2/1m1gffggccgccg例例4-2-1,4-2-2 314.2.3 改进型电容三点式振荡器 图4-2-6 克拉泼振荡器原理图 32图图4-2-7 西勒振荡器西勒振荡器 334.2.4 集成lc正弦波振荡器 图4-2-8 ce1648 单片集成振荡344.2.5 压控振荡器（压控振荡器（vco） 压控振荡器是通过某一电压来控制振荡器中的可变电抗元压控振荡器是通过某一电压来控制振荡器中的可变电抗元件，使其参数发生变化，从而改变振荡频率或相位。件，使其参数发生变化，从而改变振荡频率或相位。 4.2.5.1 变容二极管变容二极管vco的基本原理的基本原理 变容二极管的变

22、容二极管的u特性如图特性如图4-2-10 a所示。所示。 图4-2-10 35minjcminfmaxf)2(1lcfjcmaxjc回路的谐振频率为回路的谐振频率为，当，当从从变到变到时振荡频率从时振荡频率从变到变到,这时有下列关系成立：这时有下列关系成立： minmaxminmaxjjccff(4-2-23) 图4-2-10 36图4-2-11 电视机本振电路之一 374.2.5.2 集成电路vco 图图4-2-14所示电路，是将所示电路，是将ce1648接成压控振荡器电路。接成压控振荡器电路。 1min1maxminmaxccccffjj(4-2-24) 图4-2-12 ce1648 组成

23、的压控振荡器 384.3 振荡器的稳定性 4.3.1 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件 当电路原有的平衡状态被破坏时，振荡器应具有自动恢复当电路原有的平衡状态被破坏时，振荡器应具有自动恢复到原平衡状态的能力，这就是振荡器的稳定条件。到原平衡状态的能力，这就是振荡器的稳定条件。 4.3.1.1 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 振幅平衡条件为：振幅平衡条件为：af 图图4-3-1 a可以看到，谐振时由于正反馈的作用可以看到，谐振时由于正反馈的作用 39振荡器的稳定振荡器的稳定a反馈特性反馈特性幅度特性幅度特性f太小太小omu0fiuu imuim3uim2uim1uo1uo2

24、uo3uoauimqu图4-3-140(b)振幅平衡f1uaa，f0im1uim2uiuuoa1q2qim3u3q(c)相位平衡0q)(振幅平衡的稳定条件是：振幅平衡的稳定条件是：在振荡平衡点附近在振荡平衡点附近0qimuaf相位平衡的稳定条件是相位平衡的稳定条件是 0)(0dd图4-3-1414.3.2 频率稳定度及稳定频率的措施 4.3.2.1 频率稳定度的概念频率稳定度的概念 频率稳定度是振荡器最重要的性能指标之一，其定义是：频率稳定度是振荡器最重要的性能指标之一，其定义是：在规定的时间内或规定的温度、湿度、电源电压的变化范在规定的时间内或规定的温度、湿度、电源电压的变化范围内，振荡频率

25、的相对变化量。围内，振荡频率的相对变化量。 长期频稳度长期频稳度是指一天以上乃至几个月因元器件老化引起的是指一天以上乃至几个月因元器件老化引起的频率相对变化的最大值。它主要用来评价天文台或计量单频率相对变化的最大值。它主要用来评价天文台或计量单位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标。位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标。 短期频稳度短期频稳度是指一天以内频率相对变化的最大值。一般说是指一天以内频率相对变化的最大值。一般说来，外界因素引起的频率变化属于此类，通常称之为频率来，外界因素引起的频率变化属于此类，通常称之为频率漂移。短期频稳度一般多用来评价测量仪器和通讯设备中漂移。短期频稳度一般多用

26、来评价测量仪器和通讯设备中主振器的频率稳定指标。主振器的频率稳定指标。 42n瞬时频稳度瞬时频稳度，指时间在秒或毫秒内的随机频率变化，通，指时间在秒或毫秒内的随机频率变化，通常称之为振荡器的相位抖动或相位噪声。产生这种变化常称之为振荡器的相位抖动或相位噪声。产生这种变化的主要原因是电路的内部噪声，与外界条件和长期频率的主要原因是电路的内部噪声，与外界条件和长期频率漂移无关。漂移无关。n通常所讲的频稳度，一般指短期频稳度。其定量表通常所讲的频稳度，一般指短期频稳度。其定量表示方法一般采用建立在大量测量基础上的统计值来示方法一般采用建立在大量测量基础上的统计值来表征。常用的方法之一是均方根值法，其表达式为表征。常用的方法之一是均方根值法，其表达式为 2_i)(1ffffnff (4-3-4) ffi_ffn为测量次数；为测量次数；为第为第i次测得的频率稳定度；次测得的频率稳定度； 数据的平均值。数据的平均值。 为为n个测量个测量434.3.2.3 提高频率稳定度的基本措施 n提高振荡器振荡频率的稳定度，所采取的措施不外乎从元器件、电路和外部条件三个方面着手。n(1)提高回路