通信电子线路讲义5-1

1、第五章第五章 正弦波振荡器正弦波振荡器第五章第五章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第1节节 概述概述第第2节节 反馈型反馈型LC振荡原理振荡原理第第3节节 反馈型反馈型LC振荡器振荡器第第4节节 振荡器的频率稳定原理振荡器的频率稳定原理第第5节节 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器第第6节节 晶体振荡电路晶体振荡电路教学基本要求教学基本要求1.掌握掌握反馈式正弦波振荡器的基本工作原理反馈式正弦波振荡器的基本工作原理。2.掌握掌握LC振荡器、晶体振荡器的电路组成、工振荡器、晶体振荡器的电路组成、工作原理和性能特点作原理和性能特点。3.了解了解频率稳定度的概念、影响频率稳定度的频率稳定度的概念、影响

2、频率稳定度的因素，因素，掌握掌握改善频率稳定度的措施改善频率稳定度的措施。振荡器的应用：振荡器的应用： 载波发生器（发射机）载波发生器（发射机） 本地振荡器（接收机）本地振荡器（接收机） 测量仪器信号源（时间测量仪器信号源（时间/频率标准）频率标准）5.1 概述概述振荡器的主要技术指标：振荡器的主要技术指标： 振荡频率振荡频率 频率稳定度频率稳定度 振荡幅度振荡幅度 振荡波形振荡波形suiufuou( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )1( ) ( )11( )( )( )ooioofffoifoiiou su su sA sA sA su su su su su

3、sA s F su su s u s 放大器放大器A(s)反馈网络反馈网络F(s)5.2 反馈型反馈型LC振荡原理振荡原理 )21 , 0(21，nnAFFA为了得到自激振荡的输出电压，使振荡能够为了得到自激振荡的输出电压，使振荡能够建立建立起来，需满足：起来，需满足： )21 , 0(210，nnFAFA为振荡器的为振荡器的起振条件起振条件，其中：，其中：A0是电源接通时的电压增益。是电源接通时的电压增益。增幅振荡增幅振荡正反馈正反馈 振荡建立的振荡建立的起振条件起振条件 自激振荡器无输入信号条件下，满足维持振荡条件，振荡能否建立起自激振荡器无输入信号条件下，满足维持振荡条件，振荡能否建立起

4、来？来？(a) 通电后，集电极电流产生跃变在谐振回路中激起振荡。通电后，集电极电流产生跃变在谐振回路中激起振荡。(b) 谐振回路选频作用。谐振回路选频作用。(c) 因为：因为：Uc （n+1）= AUi= AUf = AFUc （n） 所以：所以：Uc （n+1）= AFUc （n） 数值很小，不可能得到振荡输出电压。数值很小，不可能得到振荡输出电压。因为：因为： Uc (n+1) = A0Ui= A0Uf = A0FUc (n) 所以：所以： Uc (n+1) Uc (n) 起振过程起振过程:微小的扰动电压经微小的扰动电压经放大放大 选频选频 反馈反馈 再放大再放大 再选频再选频 再反再反馈

5、馈 如此循环，振荡电压就会增长起来，建立了振荡。如此循环，振荡电压就会增长起来，建立了振荡。 )2 , 1 , 0(21nnAFFA2. 振荡的平衡与平衡条件振荡的平衡与平衡条件(1) 起振后，振荡是否无限增大下去？起振后，振荡是否无限增大下去？ （A0F1为增幅震荡）为增幅震荡）(3) 平衡状态平衡状态（大信号工作）（大信号工作） 平衡后工作在什么状态？平衡后工作在什么状态？平衡平衡时：时：)()()cos1 ()(11max11cPcpcccimpccimpmCiCRgRgURIURIUUA起振起振时为小信号放大，时为小信号放大，A=A0，甲类状态，甲类状态，c=180o，所以，所以A0=

6、gcRp由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。由于晶体管的非线性，振荡从线性放大进入失真的非线性状态。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。波形失真，其电流的直流分量产生负反馈，使工作点向负变化。A，直到，直到AF=1达到等幅震荡。达到等幅震荡。A0AuBEic2A0F1时，时，1 (c)0.5，所以，所以180o c 90o ，平衡后为，平衡后为甲乙类甲乙类；A0F=2时，时， (c)=0.5，所以所以 c = 90o ， 平衡后为平衡后为乙类乙类；A0F2时，时， (c)0.5，所以所以 c 1，满足起振条件，满足起振条件 平衡时：平衡时：AF=A0n(

7、q)F=1 则：则：n(q)=0.625= (1-cosqc)a1(qc) 则：则：qc=101.5o 则：则：平衡时放大器工作在甲乙类状态平衡时放大器工作在甲乙类状态)()()()cos1 ()(011max11ccPcpcccimpccimpmCiCARgRgURIURIUUA1)(0cFAAF（1）A0=10，F=0.2时时分析：分析：起振时：起振时：A0F=21，满足起振条件，满足起振条件 平衡时：平衡时：AF=A0n(q)F=1 则：则：n(q)=0. 5= (1-cosqc)a1(qc) 则：则：qc=90o 则：则：平衡时放大器工作在乙类状态平衡时放大器工作在乙类状态（1）A0=

8、20，F=0.2时时分析：分析：起振时：起振时：A0F=41，满足起振条件，满足起振条件 平衡时：平衡时：AF=A0n(q)F=1 则：则：n(q)=0. 25= (1-cosqc)a1(qc) 则：则：qc=66.3o 则：则：平衡时放大器工作在丙类状态平衡时放大器工作在丙类状态3. 振荡平衡的稳定条件振荡平衡的稳定条件（1）稳定平衡定义：）稳定平衡定义：指某一外因的变化使指某一外因的变化使振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新的条件下建立新的平衡。当外因去掉后，电的条件下建立新的平衡。当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。路能自动返回原平衡状态。振幅

9、稳定条件振幅稳定条件:包括：包括：振幅稳定条件振幅稳定条件和和相位稳定条件相位稳定条件相位稳定条件：相位稳定条件：c cc c0 0YFYFYFYFz zYFYFUcUcA0A0AAQ2QQ1UcQ2UcQ1UcQ1/FQQ1B1/F0CQcUUcUA0Z4. 振荡电路分析实例振荡电路分析实例 ifoccbiuuuiiiu1 VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈网络反馈网络+ui- -ic- -uo+uf- -ibifuu 有uiuoA1/F1iu 3iu 2iu 4iu 03u 02u 01u 04u 1fu 2fu 3fu 121011fifiuuuuu 23202

10、2fifiuuuuu 343033fifiuuuuu 123123,oooiiiuuuuuu 即即有有可见起振初期是一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 丙丙类类状状态态乙乙类类甲甲乙乙类类甲甲类类总结总结)2 , 1 , 0(2nnFA0CQCUUcUA0CZ10FA1AF)2 , 1 , 0(2nnFA起振条件起振条件平衡条件平衡条件平衡的稳定条件平衡的稳定条件5.3 反馈型反馈型LC振荡器振荡器 电源电源有源器件有源器件 选频网络选频网络反馈网络反馈网络1. 互感耦合振荡电路互感耦合振荡电路共基调集共基调集利用利用L1和和L2之间的互感来实之间的互感来实现正反馈，适用于短波

11、段以现正反馈，适用于短波段以下下。优点：互感耦合振荡电路在优点：互感耦合振荡电路在调整反馈（改变调整反馈（改变M）时，基）时，基本不影响振荡频率本不影响振荡频率判断是否可能振荡的方法，以能否满足相位平衡条件，即是判断是否可能振荡的方法，以能否满足相位平衡条件，即是否构成正反馈为判断准则。否构成正反馈为判断准则。瞬时极性法瞬时极性法来判断是否为正反馈。来判断是否为正反馈。振荡频率的估算：振荡频率的估算：共基放大电路为同向放大。共基放大电路为同向放大。 L1和和L2的的同名端同名端接法决定是接法决定是否满足正反馈的要求。否满足正反馈的要求。CLf1021共射调基共射调基共基调射共基调射注意：注意：

12、L1和和L2的同名端接法，从而满足相位平衡条件；的同名端接法，从而满足相位平衡条件； 由于输入阻抗低，采用部分接入法，不影响由于输入阻抗低，采用部分接入法，不影响Q值。值。其它电路形式其它电路形式+-+-+-C1C2LLECRb1Rb2ReCeCbC2C1Lc2. 电容反馈振荡电路电容反馈振荡电路(Colpitts Oscillators)+uce- -+ube - -LECRb1Rb2ReCeCbC2C1LciUXbeXcefUcUXbcoU三点式振荡器的原理电路三点式振荡器的原理电路 假定假定LC回路由纯电抗元件组成回路由纯电抗元件组成, 其电抗值其电抗值分别为分别为ce, be和和bc,

13、 同时不考虑晶体管同时不考虑晶体管的电抗效应的电抗效应, 则当回路谐振则当回路谐振(=0)时时, 回路回路呈纯阻性呈纯阻性, 有：有：ce+bebc=0，因此：，因此： cebebc 由于由于 是是 在在bebc支路分配在支路分配在Xbe上的电压上的电压, 有有fUcUccebebcbecbefUXXXXjUjXU)(因要求是一个正反馈反相放大器因要求是一个正反馈反相放大器, 与与 同相同相, 与与 反相反相, 所以所以 iUfUcUiU0cebeXX即即be与与ce必须是同性质电抗必须是同性质电抗, 因而因而Xbc必须是异性质电抗。必须是异性质电抗。 ebU振荡器的等效电路电压向量图C1C2

14、LC2C1LgiegLgoegmube+uce- -+ube- -iC1LgiegLgmubegoe+ube- -i+uce- -C2+uce- -C2LC1gLgoegmubep2gie+ube- -ifecoiyUUg.A电压增益电压增益0A102.1feyCA FgC2200111()()feoeLieoeLieCyggggp ggggFgCFF起振条件起振条件 得得总结：总结：（1）满足起振条件是选取晶体管的）满足起振条件是选取晶体管的（2）晶体管一旦选定）晶体管一旦选定(参数参数 一定一定)可以改变可以改变F和和 来保证起振。来保证起振。F一般选取一般选取0.1-0.5。即适当选择。

15、即适当选择C1和和C2的值的值（5）振荡频率的估算）振荡频率的估算01LC1222C CCCC01()feoeLieygggFgFieoefeggy、Lg其中其中：ECL1L2CRb1Rb2CbCeReL1L2C3. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路(Hartly Oscillators)L2L1CgLgoegmubep2gie+ube- -+uce- -+uce- -+ ube - -iigL=gL+gO|yfe|=gm（4 4）振荡频率的估算）振荡频率的估算122LLLMLCf210其中：其中：21()()beceui LMFui LM L2L1CgLgoegmubep2gie+ube

16、- -+uce- -i要求要求 ，忽略，忽略 、 的影响，可得：的影响，可得：01()feoeLieygggFgFieC01A F oeCgL=gL+gO|yfe|=gm注意注意：（：（1）电感三点式与电容三点式振荡电路的比较电感三点式与电容三点式振荡电路的比较电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式波形波形较好较好较差较差频率频率较高较高较低较低频率稳定度频率稳定度较好较好较差较差起振、调节起振、调节较难较难较易较易这是用来判断三点式振荡器这是用来判断三点式振荡器有没有可能振荡的基本原则有没有可能振荡的基本原则（2）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 X

17、ce与与Xbe的电抗性质相同；的电抗性质相同； Xcb与与Xce、Xbe的电抗性质相反；的电抗性质相反； 对于振荡频率，满足对于振荡频率，满足Xce+Xbe+Xcb=0。5.4 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性短短 波波 发发 射射 机：机：10-410-5军用大型通信：军用大型通信：10-8 放大器放大器LC选频选频 反馈网络反馈网络YZ F uiic1ZLuouf()ZYFYF Z )(FA 0 1 ()ZYFYF 0arctan2ZQ 0arctan20YFQ0tan2YFQ0tan2YFQ001(1tan)2cYFQ00ccccYFYFQQ011tan2cYFQ 0212coscY

18、FYFQ02tan2cYFQQ 000221tan2cos2cYFYFYFQQQ 1tan12YFQ02200tan12cos2cYFYFYFQQQ其中：其中：且：且：22tan12cos2ccYFYFccYFQQQ000Z YF0 1 0 1 1 1 QQ1 1 0Y FQo 1 1 （1）减小外因的变化）减小外因的变化 温度变化可以采用恒温措施；温度变化可以采用恒温措施； 湿度变化采用将电感线圈密封或固化；湿度变化采用将电感线圈密封或固化； 电源电压变化采用稳压电源；电源电压变化采用稳压电源； 机械振动采用减震措施；机械振动采用减震措施； 负载变化采用射随器隔离。负载变化采用射随器隔离。（

19、2）提高电路参数抗外因变化的能力）提高电路参数抗外因变化的能力 选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行 温度补偿。温度补偿。oeCieCC 减小晶体管极间电容不稳定量减小晶体管极间电容不稳定量 、 对回路总电容对回路总电容 的影的影响，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路和晶体振荡器。响，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路和晶体振荡器。YF 选用高选用高Q的元件。的元件。 选用选用 小的电容三点式振荡电路形式。小的电容三点式振荡电路形式。 5.5 高稳定度的高稳定度的LC振荡器振荡器1. 一般电容三点式振荡电路频率

20、稳定性的分析一般电容三点式振荡电路频率稳定性的分析22ieCCC当当 、 没变化时，回没变化时，回路总电容路总电容 对应对应振荡频率为振荡频率为:11oeCCCoeCieC1222C CCCC1LC而而 、 与晶体管工作状态与晶体管工作状态和外界条件有关。和外界条件有关。ieCoeCoeC当当 变化变化Co， 变化变化Ci时，时，总电容的增量总电容的增量: ieC21211CCCCCp21122CCCCCpiOCpCpC2221结论：结论：一般电容三点式振荡电路一般电容三点式振荡电路 p1 、p2 不可能同时减小，不可能同时减小，故频率稳定度不可能做得较高。故频率稳定度不可能做得较高。2. 克

21、拉泼（克拉泼（Clapp）振荡电路）振荡电路在电感支路串接小电容在电感支路串接小电容C3满足满足C3C1，C3C2 回路总电容为：回路总电容为：(1) 电路特点电路特点3313221321CCCCCCCCCCCceXbeXcbXceXbeX(2) 相位平衡条件（正反馈）相位平衡条件（正反馈） 为容抗，为容抗， 为容抗同性质。为容抗同性质。 可等可等效为感抗，与效为感抗，与 、 反性质。反性质。满足电容三点式振荡器相位平衡条件判满足电容三点式振荡器相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。断准则，为电容三点式振荡电路。(3) 振荡频率振荡频率因为因为3CC 3021LCf所以振荡频率为：所以振

22、荡频率为：LCf210(4) 稳频原理稳频原理3111CCpCC3222CCpCCiOCpCpC2221总的电容增量为：总的电容增量为：其中其中p1 、p2可以同时减小，可以同时减小， 可很小，故频率稳定度比一般电容三点式高。可很小，故频率稳定度比一般电容三点式高。C结论结论：p1 、p2 的减小受到电路起振条件的限制，频率稳定度不可能很高。的减小受到电路起振条件的限制，频率稳定度不可能很高。克拉泼电路主要用作克拉泼电路主要用作固定频率振荡器。固定频率振荡器。3. 西勒（西勒（Siler）振荡电路）振荡电路4C4C434133221321CCCCCCCCCCCCCceXbeXcbXceXbeX

23、(2) 相位平衡条件（正反馈）相位平衡条件（正反馈） 为容抗，为容抗， 为容抗同性质。为容抗同性质。 可等效为感抗，与可等效为感抗，与 、 反性质。满足电容反性质。满足电容三点式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。三点式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。(3) 振荡频率振荡频率3C4C)(2121430CCLLCf(1) 电路特点：电路特点：西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感 L 两端并联一个电容两端并联一个电容 。 电路条件仍是电路条件仍是C3C1，C3C2， 与与 同数量级。同数量级。回路总电容为：回路总电容为：(4)

24、 总结总结 这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定度高。调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可作为定度高。调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可作为变频振荡器变频振荡器 。CoCgCoCg5Cg3CgLgLg3Lg5LgRg 5.6 晶体振荡器晶体振荡器 (Crystal Oscillator)CoCqLqRq1qqqL C11(1)2qqpqqoooqqoqCCCCC CLCC00(1)22qqpqpqqCCCCSo：qqqqqqq1CLrrLQ （12 50025 000） 如：国产如：国产B45 1MHz中等精度

25、晶体的等效参数：中等精度晶体的等效参数：Lq= 4.00H，Cq=0.0063pF， rq100200 ，Co=23 pF。因而晶体的品。因而晶体的品质因数质因数Qq很大，一般为几万至几百万。很大，一般为几万至几百万。CoCqLqrqfqfp电容性电容性电容性电容性电感性电感性 fXeO忽略忽略rq时：时：qp0eX 当当 和和 时，时， ，晶体等效为电容；，晶体等效为电容；q0eX 当当 时，时， ， 晶体等效为短路；晶体等效为短路；pq0eX 当当 时，时， ， 晶体等效为电感；晶体等效为电感；peX 当当 时，时， ， 晶体为并联谐振。晶体为并联谐振。总结：总结：晶体使用的两种模式：晶体

26、使用的两种模式：q时，时， 晶体晶体 短路线短路线pq时，时， 晶体晶体 电感电感22221111111qqqeepooqqojLCZjjXj CCjLCC CLJTC1C2JT3. 并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器(Parallel of Crystal Oscillators)ECJTC2C3C1Rb1Rb2CbReLc晶体晶体C1C2JTC3LqCqrqCoC1C2C3LoqqLoLoqqqLoqLoqqoCCCCCCCCCLCCCCCCL 11)(1 )(21(LoqqoCCC 2112qoLqCCpCC CCC 电路的谐振频率的估算电路的谐振频率的估算: :1212qoLqCCpCC

27、 CCC C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JTC1C2C3JTLRb1Rb2RcReCbCcC1C2C3JTCoLEc4. 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器(Series of Crystal Oscillators)CoCgCoCg5Cg3Cg3LgLg3Lg5Lg3Rg35. 泛音晶振电路泛音晶振电路实际应用时：实际应用时：在三点式振荡电路中在三点式振荡电路中, , 用一选频回路来用一选频回路来代替代替某一支某一支路上的电抗元件，使该支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质路上的电抗元件，使该支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足不满足三点式振荡器的组成法则，三点

28、式振荡器的组成法则，不能起振不能起振；而在所需要的泛音；而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则，达到起振达到起振。 泛音泛音石英片振动的机械谐波石英片振动的机械谐波设泛音晶振为五次泛音，标称频率设泛音晶振为五次泛音，标称频率5MHz，基频，基频1MHz，则，则LC1回路回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样在5MHz频率上，频率上，LC1回路呈容性，振荡电路满足组成法则。回路呈容性，振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说，对于基频和三次泛音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符合组成回路呈感

29、性，电路不符合组成法则，不能起振。法则，不能起振。在七次及以上泛音频率，在七次及以上泛音频率，LC1回路虽呈容性，但等效容抗减小，从回路虽呈容性，但等效容抗减小，从而使电压放大倍数减小，环路增益小于而使电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。，不满足振幅起振条件。 图中：图中：6. 石英晶体使用注意事项石英晶体使用注意事项(1) 石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前，石英晶体谐振器石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前，石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的，实际使用时也必须外加负载上并接一定负载电容条件下测定的，实际使用时也必须外加负载电容，并经微调后才能获得标称频率。电容

30、，并经微调后才能获得标称频率。 (2) 石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。(3) 在并联型晶体振荡器中，石英晶体起等效电感的作用，若作在并联型晶体振荡器中，石英晶体起等效电感的作用，若作为容抗，则在石英晶片失效时，石英谐振器的支架电容还存在，为容抗，则在石英晶片失效时，石英谐振器的支架电容还存在，线路仍可能满足振荡条件而振荡，石英晶体谐振器失去了稳频作线路仍可能满足振荡条件而振荡，石英晶体谐振器失去了稳频作用。用。(4) 晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率，当要求在波段中晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率，当要求在波段中得到可选择的许多频率时，

31、就要采取别的电路措施，如频率合成得到可选择的许多频率时，就要采取别的电路措施，如频率合成器，它是用一块晶体得到许多稳定频率，频率合成器的有关内容器，它是用一块晶体得到许多稳定频率，频率合成器的有关内容将在第将在第8章介绍。章介绍。本章小结本章小结 本章介绍了反馈振荡原理和反馈型正弦波振荡器的几种本章介绍了反馈振荡原理和反馈型正弦波振荡器的几种常用电路类型常用电路类型, 要点如下：要点如下： (1) 反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的具有选反馈振荡器是由放大器和反馈网络组成的具有选频能力的正反馈系统。反馈振荡器必须满足起振、平衡和频能力的正反馈系统。反馈振荡器必须满足起振、平衡和稳定三个条件稳

32、定三个条件, 每个条件中应分别讨论振幅和相位要求。每个条件中应分别讨论振幅和相位要求。 在振荡频率点在振荡频率点, 环路增益的环路增益的幅值幅值在起振时必须大于在起振时必须大于1, 且具有负斜率的增益且具有负斜率的增益振幅特性振幅特性, 这是振幅方面的要求。这是振幅方面的要求。 在振荡频率点在振荡频率点, 环路增益的环路增益的相位相位应为应为2的整数倍的整数倍, 且具且具有负斜率的相频特性有负斜率的相频特性, 这是相位方面的要求。这是相位方面的要求。 (2) 三点式振荡电路是三点式振荡电路是LC正弦波振荡器的主要形式正弦波振荡器的主要形式, 可可分成电容三点式和电感三点式两种基本类型。分成电容三点式和电感三点式两种基本类型。 频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。为了提高频率稳定度是振荡器的主要性能指标之一。为了提高频率稳定度频率稳定度, 必须采取一系列措施必须采取一系列措施, 包括减小外界因素变化包括减小外界因素变化的影响和提高电