第8章__正弦波振荡器

1、第5章 正弦波振荡器5.1 掌握要点5.1.1 反馈型振荡器的基本工作原理1、自激振荡的建立过程2、反馈型自激振荡器的组成1) 包含两个(或两个以上)储能元件的振荡回路。2) 可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。3) 使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。3、反馈型振荡器的起振条件g 1(5-1)其中，为振荡电路工作点处的电压放大倍数，F为振荡电路的反馈系数。 5.1.2 反馈型振荡器的平衡条件所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。振荡器的平衡条件为： =1(5-2)A表示平均电压放大倍数，。5.1.3 振荡器平衡状态的稳定条件所谓平衡状态的稳定条

2、件即指在外因作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。1) 振幅平衡的稳定条件 0(5-3)Vom是振荡器输出电压振幅，放大倍数A是振幅Vom的非线性函数。工作于非线性状态的有源器件具有稳定振幅的功能。2) 相位平衡的稳定条件所谓相位稳定条件，是指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立，则仍能保持其稳定的振荡。 0(5-4)LC并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。 5.1.4 互感耦合振荡器有三种形式 调集电路如图5-4(a)； 调基电路如图5-4(b)； 调发电路如图5-4(c) (a) (b) (c)图5-

3、4 互感耦合振荡器电路2、互感耦合振荡器的振荡频率 (5-5)3、互感耦合振荡器的起振条件： hf(5-6)其中g为L中的损耗电阻，Dh=h0hf hf×hr显然，M与hf越大，越容易起振。5.1.5 三端式LC振荡器1. 电感反馈三端式振荡器，又称哈特莱振荡器(Hartley)晶体管的三个电极分别与回路电感的三个端点相连接。 (a) (b)图5-5 电感三端式振荡电路2) 起振条件：电感反馈三端电路的起振条件为： hfe (5-7)hfe为共发振荡管的电流增益；hie为共发振荡管的输入电阻；R¢p为负载回路的谐振电阻；F为反馈系数()3) 振荡频率：电感反馈三端电路的振荡

4、频率为 (5-8) L=L1+L2+2M谐振阻抗，因为，所以。 4) 电路的优缺点优点：L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可，而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。缺点：振荡波形不好；电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高。2. 电容反馈三端振荡器，又称考毕兹振荡器(Coplitts)； 晶体管的三个电极分别与回路电容的三个端点相连接。 (a) (b)图5-6 电容三端式振荡电路2) 起振条件：电容反馈三端电路的起振条件：如式(5-9) hfe (5-9)3)振荡频率：如式(5-10)所示。 (5-10)4) 电路的优缺点优点：振荡波形好；频率

5、稳定度较高；工作频率可以做得较高。缺点：调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。3. 串联型改进电容三端式振荡器，又称克拉泼振荡器(Clapp)；1) 线路特点图5-7(a)是克拉泼电路的实用电路，(b)是其高频等效电路。 (a) (b)图5-7 克拉泼振荡电路克拉泼电路的特点是在回路中增加了一个与L串联的电容C3。各电容取值必须满足：C3<<C1，C3<<C2。这样可使电路的振荡频率近似只与C3、L有关。2）起振条件： (5-11)或 (5-12)3）振荡频率： (4-13)4) 电路的优缺点优点：克拉泼电路的频率稳定度比电容三端式电路要好。缺点：在频率高端起

6、振较难，不适合于用作波段振荡器。4. 并联型改进电容三端式振荡器(西勒(Seiler)电路)1) 线路特点：图5-8(a)是其实用电路，(b)是其高频等效电路(未考虑负载电阻)，该电路为共基电路。 (a) (b)图5-8 西勒振荡电路西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联了一个小电容C4，且满足C1、C2远大于C3，所以其回路等效电容2) 起振条件： (5-16)3) 振荡频率： (5-17)4) 电路的优缺点优点：输出振幅稳定均匀；适用作波段振荡器，其波段覆盖系数为1.61.8左右。 在实际工作中，电路中C3的选择要合理，C3过小时，振荡管与回路间的耦合过弱，振幅平衡条件不易满足，电

7、路难于起振，C3过大时，频率稳定度会下降。所以，应该在保证起振条件得到满足的前提下，尽可能的减小电容C3值。5.1.6 LC三端式振荡器组成法则 (相位平衡条件的判断准则)图5-9 三端式振荡器的原理电路 三端电路组成法则为：xbe、xce电抗性质相同，xcb与xbe、xce电抗性质相反。简言之“ce，be同抗件，cb反抗件”。5.1.7 振荡器的频率稳定问题1. 频率准确度：振荡器的实际工作频率f与标称频率f0之间的偏差，称为振荡频率的准确度。它通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为绝对准确度 (5-19)相对准确度 (5-20)2. 频率稳定度定义振荡器的频率稳定度则是指在

8、一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度，如Dt时间内测得频率的最大变化为Dfmax，则频率稳定度d定义为 (5-21)为了便于评价不同振荡器的性能，又可根据观测时间的长短，将频率稳定度分为长期稳定度，短期稳定度和瞬间稳定度等几种。3. 振荡器稳定频率的方法1) 减小外因变化，根除“病因” 减小温度的变化：可将振荡器放在恒温槽内；另使振荡器远离热源；采取温度补偿方法，如采用正、负温度系数不同的L、C，抵消DL、DC，使Dw为零。 减小电源的变化 ： 振荡器供电电源采用二次稳压；或者振荡器采取单独供电。 减小湿度和大气压力的影响 通常将振荡器密封起来。 减小磁场感

9、应对频率的影响 对振荡器进行屏蔽。 消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。 减小负载的影响 在振荡器和下级电路之间加缓冲器(一般用射随电路)起隔离作用；本级采用低阻抗输出(即射极输出)；本级输出与下一级采取松耦合(加一个小电容)；可采取克拉泼或西勒电路。2) 提高回路的标准性即要减小DL和DC，可采取优质材料的电感和电容。 3) 减小相角jYF及其变化量DjYF为使jYF小，则选择电容三端电路较好。5.1.8 石英晶体振荡器晶体振荡器电路晶体振荡器可分成两类。一类是将其作为等效电感元件用在三点式电路中，工作在感性区间，称为并联型晶体振荡器；另一类是将其作为一个短路元件串接于正反馈支路上

10、，工作在它的串联谐振频率上，称为串联型晶体振荡器。1) 皮尔斯(Pierce)振荡电路(并联型晶体振荡器)2) 密勒(Miller)振荡电路3) 泛音晶体振电路4) 串联型晶体振荡器5.1.9 其他形式的振荡器1. 压控振荡器(VCO)2. 运放振荡器5.2 典型例题例5-1 试画出图5-21各电路的交流等效电路，并用振荡器的相位条件，判断哪些可能产生正弦波振荡，哪些不能产生正弦波振荡？ 图5-21 例5-1图1分析：解：图5-21各电路的交流等效电路可画成如图5-22所示的形式。在画这些交流等效电路时，偏置电阻R1，R2，RE和集电极电阻RC都视为开路，没有画出。 图5-22 例5-1图2根

11、据三点式振荡电路相位平衡判断准则“ce，be同抗件，cb反抗件”即电路的三个电抗中，和发射极相接的是两个同性质的电抗，另一个则是异性质的电抗，才可能振荡。图5-22a电路中，和发射极相接的两个电抗性质不同，因而不能振荡。图5-22b电路中，和发射极相接的两个电抗性质相同，如果LC3串联后呈现感抗，则电路可能振荡。振荡频率高于由LC3决定的串联谐振频率。例5-2 振荡电路如图5-23所示，试画出交流等效电路，并判断电路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？ 图5-23 例5-2图1 图5-24 例5-2图2分析：画交流等效电路的原则是将所有偏置视为开路，将耦合电容、交流旁路电容视为短路。画出

12、交流等效电路后此类问题需应用LC三端振荡器相位平衡条件xeb、xce电抗性质相同，xcb与xeb、xec电抗性质相反进行判断解 1)该电路的交流等效电路如图5-24所示。 2) 根据交流等效电路可知，因为xeb为容性电抗，为了满足三端电路相位平衡判断准则，xce也必须呈容性。同理，xcb应该呈感性。根据并联谐振回路的相频特性(图5-25)，当振荡频率f0f1(回路L1C1的固有频率)时，L1C1呈容性。根据xbe+ xce+ xbc=0，L3C3回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图5-25可知，f0f3时可以振荡，等效为电容三端振荡电路。其振荡条件可写为 即 L1C1L3C3 图5-25

13、例5-2图3 图5-26 例5-3图例5-4 某彩色电视接收机VHF调谐器中第612频段的本振VCO实际电路。如图5-30所示，电路中控制电压VC为0.530V时，Cj=103.25PF，根据电路参数求出其振荡频率范围，并说明该VCO振荡电路属于什么形式的振荡器？有什么优点？分析：这是变容二极管 VCO振荡器，改变这个电压，就使变容管的结电容发生变化，从而获得频率的变化。要求振荡频率范围必须先画出其交流等效电路。解：其交流等效电路如图(b)所示，这是一典型的西勒振荡电路，振荡管呈共集电路组态，振荡频率约为 fmin=170MHZ fmax=220MHZ fminfmax=170220MHz。这

14、种通过改变直流电压来实现频率调节的方法，通常称为电调谐，与机械调谐相比它有很大的优越性，调谐准确，连续性好。 (a) (b)图5-30 例5-7图例5-5 图5-31 (a)是一个数字频率计晶振电路，试分析说明它的电路形式、工作频率，若将晶体标称频率换为2MHz试问该电路能否正常工作？ 分析：先画出V1管高频交流等效电路，如图5-31 (b)所示，0.01mF电容较大，作为高频旁路电路，V2管是射随器。这里特别要注意的是晶体振荡器当满足起振条件时，其工作频率即为晶体的标称频率。 (a) (b)图5-31 例5-8图解 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

15、在晶振工作频率=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310pF的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率5MHz上。若将晶体标称频率换为2MHz，则=2MHz<，故LC回路等效为一个电感，此时管子be、ce间电抗性质相反，不满足三端电路相位平衡判断准则，因此将晶体标称频率换为2MHz时该电路不能起振。例5-6 对图5-33所示的晶体振荡器电路：1) 画出交流等效电路，指出是何种类型的晶体振荡器，晶体标称频率换为5MHz2) 该电路的振荡频率是多少？3) 晶体在电路中的作用。4) 该晶振有何特点？ (a) (b)图5-33 例5-10图分析：画出交流以等效电路后，看晶体是回路的一部分，还是反馈网络的一部分。如果晶体是回路的一部分时，晶体振荡器称为并联型晶振，晶体起等效电感的作用；如果晶体是反馈网络的一部分时，晶体振荡器称为串联型晶振，晶体起选频短路线的作用。对于晶体振荡器电路，其工作频率可以为就是晶体的标称频率。解：交流等效电路如图5-33(b)所示。由图可知，该电路是串联型晶体振荡器，其工作频率为晶体的标称频率，即5MHz。在电路中，晶体起选频短路线的作用。该晶振的特点是频率稳定度很高。讨论：在串联型晶振中，只有振荡器的