第3章 振荡器

1、LOGO第三章第三章 正弦波振荡器正弦波振荡器光学与电子信息工程学院光学与电子信息工程学院 21、负阻振荡器。反馈振荡器。、利用正反馈原理构成按工作原理三角波锯齿波方波、非正弦波振荡器2、正弦波振荡器按信号波形13.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o反馈振荡器：决定振荡频率的选频网络+维持振荡的正反馈放大器按照选频网络所采用元件的不同,分 v LC振荡器 -高频正弦波v RC振荡器 -低频正弦波v 晶体振荡器 -高频正弦波正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成, 也可以由集成电路组成, 但前者的性能可以比后者做得好些, 且工作频率也可以做得更高。本章介绍高频振荡器时以分立器

2、件为主, 介绍低频振荡器时以集成运放为主。3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o反馈振荡器原理框图反馈振荡器原理框图主 网 络 反 馈 网 络oUfUiUfUq必须满足三个条件： v 起振条件（保证接通电源后能逐步建立起振荡）v 平衡条件（保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态）v 稳定条件（保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏）。3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o 起振过程与起振条件起振过程与起振条件)()()()(0000iifUUTU主 网 络 反 馈 网 络oUfUiUfUFAUUUUUUjTiOOfif)(环路增益：起振过程中, 直流电源补充的能量大于整个环路

3、消耗的能量振幅起振条件1)(0T1)(0T相位起振条件)2 , 1 , 0(2)( nnTAF3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o 平衡过程与平衡条件平衡过程与平衡条件随着振幅的增大, 放大器逐渐由放大区进入非线性区,其增益逐渐下降。当放大器增益下降而导致环路增益下降到时, 振幅的增长过程将停止, 振荡器达到平衡, 进入等幅振荡状态。 振荡器进入平衡状态以后, 直流电源补充的能量刚好抵消整个环路消耗的能量。 ），（.,)( )(21021nnToTo 巴克好森准则。平衡条件 ) .(CriterienBarkhousenT(0)10AUiAUi点进入振荡平衡状态。在iAU满足起振和平

4、衡条件的环路增益特性满足起振和平衡条件的环路增益特性3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o稳定条件：稳定条件：振幅稳定条件相位稳定条件q A为稳定平衡点 B为不稳定平衡点v在稳定平衡点A附近，环路增益T作为输入电压Ui的函数，应具有负斜率0)(0)(iAiiAiUUioscUUioscUjAUT或3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理q 为了保证相位稳定, 要求振荡器的相频特性T()在振荡频率点应具有阻止相位变化的能力.q 相位稳定条件同时也是频率稳定条件。0)(oscT状态的能力也越强。的值越大，其恢复稳定)(0Tn LC并联回路阻抗的相频特性和LC串联回路导纳的相频特性是负斜

5、率3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o 反馈振荡电路判断反馈振荡电路判断判断一个反馈振荡电路能否正常工作判断一个反馈振荡电路能否正常工作, 需考虑的几点：需考虑的几点：v可变增益放大器件应有正确的直流偏置, 开始时应工作在甲类状态, 便于起振;v起振时, T应大于1。由于反馈网络通常由无源器件组成, 反馈系数F小于1, 故A必须大于1。共射、共基电路都可以满足;v环路应是正反馈;v选频网络应具有负斜率的相频特性。 在振荡频率点附近, 可认为放大器件本身的相频特性为常数, 而反馈网络通常由变压器、电阻分压器或电容分压器组成, 其相频特性也可视为常数。所以相位稳定条件应该由选频网络实现。

6、 注意LC并联回路阻抗阻抗的相频特性和LC串联回路导纳导纳的相频特性是负斜率, 而LC并联回路导纳的相频特性和LC串联回路阻抗的相频特性是正斜率。 3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理o 例：判断下列各反馈振荡电路（交流等效电路）能否正常工作。解: 1、共射电路或共基电路 2、正反馈, 3、选频网络应具有负斜率特性 3.1 3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理u (a)图由两级共射反馈电路组成, 其瞬时极性如图中所标注, 所以是正反馈。u LC并联回路同时担负选频和反馈作用, 且在谐振频率点反馈电压最强。u LC并联回路输入是V2管ic2, 输出是反馈到V1管be两端的电压ube1,

7、所以应采用其阻抗特性,满足相位条件。u (b)图共基-共集两级反馈组成, 根据瞬时极性判断法, 如把LC并联回路作为一个电阻看待, 则为正反馈。u但并联回路在谐振频率点阻抗最大, 正反馈最弱。 uLC并联回路输入是电阻Re2上的电压, 输出是电流, 所以应采用导纳特性。 由于并联回路导纳的相频特性是正斜率, 所以不满足相位稳定条件。3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器q根据瞬时极性判断法，是正反馈。q注意耦合电容Cb的作用。如果将Cb短路, 则基极将通过变压器次级直流接地, 振荡电路不能起振。互感耦合型互感耦合型LC振荡器：振荡器：3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡

8、器LC正弦波振荡器正弦波振荡器3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o三点式振荡电路的原理电路（交流电路）三点式振荡电路的原理电路（交流电路）电容三点式电路图电容三点式电路图(a)电感三点式电路图电感三点式电路图(b)分压反馈电压取自2LC分压反馈电压取自2CL3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o 电路组成法则电路组成法则三个电抗元件三个电抗元件X1，X2，X3分别与分别与三极管的发射级、基极和集电极三极管的发射级、基极和集电极相连相连如果忽略三极管输入阻抗和输出如果忽略三极管输入阻抗和输出阻抗，且回路品质因数足够高阻抗，且回路品质因数足

9、够高回路呈纯电阻则当回路谐振时 0,321XXX1203210120322)()0(XXVVjFXXXVXXVXXXVff为满足相位条件，为满足相位条件，Vf，V0必须反相必须反相所以，所以， X1，X2同性质电抗，同性质电抗，X3为异性质电抗为异性质电抗3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o 三点式振荡器实际电路三点式振荡器实际电路21211CCCCLosc21CCFn 起振相位条件：三点式电路保证n 振幅起振条件：受静态工作点影响，与管子参数相关，也与负载，反馈系数相关3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器112CFCCLCCCCCLo

10、sc1121213.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器2211LNFLNCLLosc)(121电感反馈振荡器1212NNLLF3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o电容三点式与电感三点式振荡器各有优缺点。线路简单，易起振。线路简单，易起振。电容三点式优点：反馈电压取自电容三点式优点：反馈电压取自C2, 而电容对高次谐波呈而电容对高次谐波呈现低阻抗现低阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量很小所以反馈电压中高次谐波分量很小, 因而因而输出波输出波形好形好, 接近于正弦波。接近于正弦波。v缺点：反馈系数因与回路电容有关, 如果用改变回路电容的方法来

11、调整振荡频率, 必将改变反馈系数, 从而影响起振。 电感三点式优点：电感三点式优点：便于便于用改变电容的方法来用改变电容的方法来调整振荡频调整振荡频率率, 而不会影响反馈系数而不会影响反馈系数v 缺点：反馈电压取自L2, 而电感线圈对高次谐波呈现高阻抗, 所以反馈电压中高次谐波分量较多, 输出波形较差。3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器例：如图所示为三回路振荡器的交流回路，f01，f02，f03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，振荡频率处在什么范围内。解串联谐振的电抗特性曲线串联谐振的电抗特性曲线并联谐振的电抗

12、特性曲线并联谐振的电抗特性曲线呈感性失谐回路呈容性失谐332211,CLCLCL、构成电感三点式电路23.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器030102030102,.,fffffffosc且应满足足呈容性失谐，为此应满回路呈感性失谐332211CLCLCL,030201,ffffffoscoscosc1.构成电容三点式振荡电路020301030102,fffffffosc，且3.2 3.2 反馈振荡器反馈振荡器LC正弦波振荡器正弦波振荡器o例：图中是谐振回路多于三个电抗元件构成的三点式LC振荡电路的交流电路，判断是否满足起振所需的相位条件。3.3 3.3 反馈振荡器

13、振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度o影响频率稳定的因素o改善频稳度的措施000fffff 相对频率稳定度：长期、短期稳定度、 瞬时稳定度。p减小外界因素的变化减小外界因素的变化 p提高振荡回路的标准性提高振荡回路的标准性v 选用参数高度稳定的选用参数高度稳定的LC元件元件v 减小不稳定的寄生参量减小不稳定的寄生参量p减少晶体管对振荡频率的影响减少晶体管对振荡频率的影响v 减小与回路之间的耦合减小与回路之间的耦合稳频的主要措施有：3.3 3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度o 改进型的电容三点式电路：克拉泼（克拉泼（clapp）电路电路213,CCC os

14、c主要由主要由C3决定。与决定。与C1、C2并联的极间电容并联的极间电容Cce、Cbe、Ccb对对 osc的影响大大减小，振荡器的频率稳定性的影响大大减小，振荡器的频率稳定性提高。提高。3.3 3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度u 负载减小，放大器的开环增益相应减小，而反馈系数保持不变，则环路增益负载减小，放大器的开环增益相应减小，而反馈系数保持不变，则环路增益可能太小，而不能起振可能太小，而不能起振。u 晶体管各端与回路的接入系数均小于晶体管各端与回路的接入系数均小于1。晶体管寄生参。晶体管寄生参量对选频回路的影响大大减小。量对选频回路的影响大大减小。C3越小，

15、接入系数越小，越小，接入系数越小，这种影响越小。这种影响越小。u 随随C3的减小，克拉拨电路的稳定性提高，但起振条件的减小，克拉拨电路的稳定性提高，但起振条件越来越难满足。越来越难满足。p 克拉拨电路常用做固定频率或窄带的振荡器电路克拉拨电路常用做固定频率或窄带的振荡器电路u 接入接入C3，反馈系数不变，反馈系数不变，211CCCF LcbLRpR2折算到集基端u 但负载接在但负载接在AB两端两端111213132132 CCCCCCCCCpce)(串串3.3 3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度o西勒振荡器西勒振荡器(Seiler)2114430,1)(1CCCF

16、LCCCLosc反馈系数不变振荡频率：振荡器工作频率的改变通过调整振荡器工作频率的改变通过调整C4实现。实现。C4改变，改变，C3不变，接入系数不变，不变，接入系数不变，对环路增益影响不大。展宽了振荡器对环路增益影响不大。展宽了振荡器的工作频段，稳定性也得以提高。的工作频段，稳定性也得以提高。C4C3213CCC,3.3 3.3 反馈振荡器振荡器的频率稳定度反馈振荡器振荡器的频率稳定度o小结小结以上介绍的以上介绍的LC振荡器均是采用振荡器均是采用LC元件作为选频网元件作为选频网络。由于络。由于LC元件的标准性较差元件的标准性较差, 因而谐振回路的因而谐振回路的Q值较低，空载值较低，空载Q值一般

17、不超过值一般不超过300，有载，有载Q值就更值就更低低,，所以，所以LC振荡器的频率稳定度不高振荡器的频率稳定度不高,，一般为，一般为10-3量级，即使是克拉泼电路和西勒电路也只能达量级，即使是克拉泼电路和西勒电路也只能达到到10-4 10-5量级。量级。如果需要频率稳定度更高的振荡器如果需要频率稳定度更高的振荡器, 可采用晶体振可采用晶体振荡器。荡器。 3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器o石英晶振用用石英晶体石英晶体作为谐振回路元件接入振荡电路作为谐振回路元件接入振荡电路固有频率十分稳定，固有频率十分稳定，Q值高，达几千以上值高，达几千以上振动具有多谐性振动具有

18、多谐性, 即除了基频振动外即除了基频振动外, 还有奇次谐还有奇次谐波泛音振动波泛音振动v基频晶体v泛音晶体v通常在工作频率大于通常在工作频率大于20MHz时采用泛音晶体时采用泛音晶体3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器可达几万到几百万值高，,)qqqqCLrQQ11 p频率稳定度高：石英晶体谐振器石英晶体谐振器2) 接入系数接入系数 很小很小, 外接元器件参数对石英晶振的影响很小。外接元器件参数对石英晶振的影响很小。qqCCCp 0o 安装电容安装电容C0约约1pF10pFo 动态电感动态电感Lq约约10-3H102 Ho 动态电容动态电容Cq约约10-4pF10-

19、1pFo 动态电阻动态电阻 rq约几十约几十 到几百到几百 3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器C0Cq1Lq1rq1Cq3Lq3rq3Cq5Lq5rq5CqkLqkrqk(c)(b)C0CqLqrq(a)石英晶体谐振器石英晶体谐振器基频等效电路基频等效电路0022000111111111CCCCLCLCjCjCLjCjCLjjXjZrqqqpqqspsqqqqcrcrq )()()()()(,若忽略石英晶振电抗频率石英晶振电抗频率特性特性 spqCC 微大于03.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器p标称频率标称频率fNp fN的值位于fS

20、与fp之间,是指石英晶振两端并接某一规定负载电容CL时石英晶振的振荡频率。 p CL的电抗频率曲线如图虚线所示。 p 负载电容CL的值载于生产厂家的产品说明书中, 通常为30pF(高频晶体), 或100pF(低频晶体), 或标示为(指无需外接负载电容, 常用于串联型晶体振荡器)p 在实用时, 一般需加入微调电容, 用以微调回路的谐振频率, 保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率fN上。3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器o并联型晶体振荡电路并联型晶体振荡电路（Parallel-Mode Crystal Oscillator）当振荡器的振荡频率在晶体的fS与fp之间

21、时，晶体呈感性，满足电容三点式电路。3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器o 例：例：下图是一个数字频率计晶振电路, 试分析其工作情况。 解解: V1管高频交流等效电路, 0.01F电容较大, 作为高频旁路电路, V2管作射随器。由高频交流等效电路可以看到, V1管的c、 e极之间有一个LC回路, 其谐振频率为:MHZf0 . 410330107 . 42112603.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器o 晶振工作频率5MHz处, 此LC回路等效为一个电容。可见, 这是一个皮尔斯振荡电路, 晶振等效为电感, 容量为3pF10pF的可变电容起微

22、调作用, 使振荡器工作在晶振的标称频率5MHz上。 3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器o串联型晶体管振荡电路串联型晶体管振荡电路（Series-Mode Crystal Oscillator）Rb1CbReC1C2UCCR(a)Cc20 kRb22.2 kC3300 pL3.8 1600 p680C1C2C3L(b)ReCu C1C3、C2、L构成普通的电容三端式振荡器，晶体接入反构成普通的电容三端式振荡器，晶体接入反馈支路。馈支路。u C1C3、C2、L组成并联谐振回路，并调谐在晶体串联谐组成并联谐振回路，并调谐在晶体串联谐振频率振频率fs。u 石英晶体谐振阻抗

23、最小，相移为石英晶体谐振阻抗最小，相移为0，形成正反馈，满足幅度和相位条件，产成振荡。，形成正反馈，满足幅度和相位条件，产成振荡。3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器正常工作？为什么？的晶体，该电路是否能的晶体换成标称频率为）若将标移频率为（路：）画出该电路的实际线（什么？晶体在电路中的作用是的晶体振荡器？）该电路属于何种类型（荡器交流等效电路：例：如图所示的晶体振MHzMHz25321解解MHzLCf410330107 . 414. 32121CL 11261011为为构构成成回回路路。其其谐谐振振频频率率与与电电容容电电感感）由由于于（用。路，晶体等效电感的作这

24、是一个并联型晶振电工作。由此可见，容性，振荡器可以在呈在与这时而晶体的标称频率MHzMHzCLMHz55.513.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器）实际线路：）实际线路：（ 2作。原则。电路不能正常工振荡器的组成呈感性，不满足三点式的晶体。为如果晶体换成标称频率）（123LCMHz3.3 3.3 反馈振荡器石英晶体振荡器反馈振荡器石英晶体振荡器3.2 3.2 反馈振荡器正弦波振荡器反馈振荡器正弦波振荡器LC振荡工作频率为10.7MHz，晶振为10.245 MHz3.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器o RC振荡器振荡器适用于振荡频率较低采用

25、电阻和电容构成选频反馈网络，其选频特点是靠RC移相来满足相位平衡条件而实现的振荡器。ifUUpRC振荡器特点振荡器特点构造简单，经济方便，但频率稳定度较差，RC振荡器的频率范围较低，为几十KHz3.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器o RC 移相网络移相网络RC导前移相网络导前移相网络jjCRjCRjjH11)(221)(Harctan2)(10.70C1450C90H()()RC串联导前网络频率特性串联导前网络频率特性该电路可实现该电路可实现090之间的相移，不同频率对应不同的相移值。之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率截止频率 c 对应的对应的 相移相移

26、 ( c )=453.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器o 采用采用RC导前电路构成的导前电路构成的RC振荡电路如下：振荡电路如下：相位平衡条件。相位平衡条件。相移，满足相移，满足提供提供才能才能至少要三节至少要三节oRC1803.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器o RC滞后移相网络滞后移相网络RC滞后移相电路10.70C145090H()()C1RC串联滞后网络频率特性串联滞后网络频率特性该电路可实现该电路可实现090之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率之间的相移，不同频率对应不同的相移值。截止频率 c 对应的对应的 相移相移 ( c )=453.4 3.4 反馈振荡器反馈振荡器RC正弦波振荡器正弦波振荡器o RC选频网络选频网络RC串并联网络)1(31)(CRCRjjHRC串并联选频电路2)1(91)(CRCRH11( )arctan()3CRCR UoRCCRUf(a)01RC13H(0(9090(b)(c)这种电路与这种电路与LC谐振电路相比，品质因数很低谐振电路相比，品质因数很低(Q1/3) ，带宽，带宽很宽