第4章正弦波振荡器

1、作用：作用：产生产生一定频率和幅度的信号一定频率和幅度的信号利用负阻器件的负阻效应利用负阻器件的负阻效应产生振荡产生振荡按振荡波形不同分按振荡波形不同分正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器按组成原理不同分按组成原理不同分负阻振荡器负阻振荡器反馈振荡器反馈振荡器利用利用正反馈原理正反馈原理构成构成本质上也是负阻振荡器本质上也是负阻振荡器 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理 LCLC正弦波振荡器正弦波振荡器 振荡器的频率和振幅稳定度振荡器的频率和振幅稳定度 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 RCRC正弦波振荡器正弦波振荡器 负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器 特殊振荡现象特殊振荡现

2、象 本章小结本章小结4.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理主要要求：主要要求： 掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理掌握反馈振荡器的组成和基本工作原理理解反馈振荡器的起振条件和平衡条件，理解反馈振荡器的起振条件和平衡条件，了解其稳定条件。了解其稳定条件。掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。掌握反馈振荡器能否振荡的判断方法。4.1.1 反馈振荡器的原理分析反馈振荡器的原理分析一、一、 反馈振荡器的组成反馈振荡器的组成放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUiUoUf正弦波振荡器由放大器、正弦波振荡器由放大器、反馈网络和选频网络组成反馈网络和选频网络组成无外加输入信号无外加输入信号二、二、 反

3、馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUiUoUf放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUiUoUfUi要满足要满足 .i.fUU 起始信号来自电扰动起始信号来自电扰动起振时要满足起振时要满足 .i.fUU 输出信号大小满足要求输出信号大小满足要求时，要能自动稳定输出电压，时，要能自动稳定输出电压，实现实现 ，使电路进入，使电路进入稳定状态，输出幅度和频率稳定状态，输出幅度和频率都稳定的信号。故要有稳幅都稳定的信号。故要有稳幅环节环节（正弦波还要有选频网络）正弦波还要有选频网络）。.i.fUU 放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUiUoUf放大器放大器Au反

4、馈网络反馈网络FuUiUoUfUi要满足要满足 .i.fUU 起始信号来自电扰动起始信号来自电扰动起振时要满足起振时要满足 .i.fUU 稳幅稳幅 内稳幅内稳幅外稳幅外稳幅利用放大器利用放大器件的非线性件的非线性二、二、 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理OUiUoOUiA放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUiUoUf放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUiUoUfUi要满足要满足 .i.fUU 起始信号来自电扰动起始信号来自电扰动起振时要满足起振时要满足 .i.fUU 稳幅稳幅 内稳幅内稳幅外稳幅外稳幅利用在反馈网络中接入非线性利用在反馈网络中接入非线性器件。输出波形失真小器件。输出

5、波形失真小二、二、 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理4.1.2 振荡的平衡条件和起振条件振荡的平衡条件和起振条件一、一、 振荡的平衡条件振荡的平衡条件， ioUUA ofUUF 由于由于故故.i.o.fUAFUFU 由由.i.fUU 可得可得1.FA又由于环路增益又由于环路增益.i.o.o.f.i.f.AFUUUUUUT 故又得故又得1. T放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUiUoUf一、一、 振荡的平衡条件振荡的平衡条件1. FAT2FATn n=0,1,21. FAT振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件即正反馈即正反馈振幅条件和相位条件必须同时满足。振幅条件和相位条

6、件必须同时满足。 相位平衡条件确定振荡频率；相位平衡条件确定振荡频率；振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值。振幅平衡条件确定振荡输出信号的幅值。4.1.2 振荡的平衡条件和起振条件振荡的平衡条件和起振条件一、一、 振荡的平衡条件振荡的平衡条件1. FAT2FATn n=0,1,21. FAT二、二、 振荡的起振条件振荡的起振条件1. FAT2FATn n=0,1,21. FAT振幅起振条件振幅起振条件相位起振条件相位起振条件4.1.2 振荡的平衡条件和起振条件振荡的平衡条件和起振条件振荡条件讨论与小结振荡条件讨论与小结振荡条件：振荡条件：同时满足起振条件和平衡条件同时满足起振条件和平衡条件引入正

7、反馈是构成振荡器的关键。引入正反馈是构成振荡器的关键。同时同时T必须具有随振荡电压必须具有随振荡电压Ui 增大而下降的特性增大而下降的特性OUiA平衡点平衡点 为获得这样的为获得这样的环路增益特性，环路增益特性，反反馈环路中要有非线馈环路中要有非线性环节。性环节。 为获得正弦波，振荡电为获得正弦波，振荡电路中要有选频环节。振荡频路中要有选频环节。振荡频率通常就由选频环节确定。率通常就由选频环节确定。(a)(b)V/CEut 振荡的建立、稳定与稳幅00mA/CiV/BEu1Q2Q0V/BEutmA/Ci0tmA/Ci0CEUCICCUV/CEu 4.1.5 振荡线路举例振荡线路举例互感耦合振荡器

8、互感耦合振荡器 图图4 4是一是一LC振荡器的实际电路振荡器的实际电路, 图中反馈网络图中反馈网络由由L和和L1间的互感间的互感M担任担任, 因而称为互感耦合式的反馈因而称为互感耦合式的反馈振荡器振荡器, 或称为变压器耦合振荡器。或称为变压器耦合振荡器。 有关同名端的极性有关同名端的极性 同名端的极性同名端的极性 变压器变压器反馈反馈LC振荡电路的振荡频率振荡电路的振荡频率与并联与并联LC谐振电路相同，谐振电路相同，为为: :LCf210二、工作原理二、工作原理LC+iUoU+变压器反馈式振荡器交流通路变压器反馈式振荡器交流通路fU+二、工作原理二、工作原理 起振时放大器工作于起振时放大器工作

9、于甲类，甲类，T1。随着振荡幅。随着振荡幅度的增大，放大器进入非度的增大，放大器进入非线性状态，且由于自给偏线性状态，且由于自给偏置效应进入乙类或丙类非置效应进入乙类或丙类非线性工作状态，使线性工作状态，使T减小，减小，直至直至T=1，进入平衡状态，进入平衡状态LC+iUoU+变压器反馈式振荡器交流通路变压器反馈式振荡器交流通路fU+ 在回路谐振频率上构在回路谐振频率上构成正反馈，满足了振荡的成正反馈，满足了振荡的相位条件。相位条件。振荡电路起振工作状态的变化振荡电路起振工作状态的变化三、振荡条件的分析三、振荡条件的分析LC+iUoU+变压器反馈式振荡器交流通路变压器反馈式振荡器交流通路fU+

10、.i.c.i.o.UZIUUA 为集电极电流基波分量；为集电极电流基波分量； Z 为回路对基波电流呈现的为回路对基波电流呈现的阻抗。阻抗。.cI.cI三、振荡条件的分析三、振荡条件的分析LC+iUoU+变压器反馈式振荡器交流通路变压器反馈式振荡器交流通路fU+.i.c.i.o.UZIUUA Yfe 为晶体管的正向传输导纳为晶体管的正向传输导纳.cIZYfe 三、振荡条件的分析三、振荡条件的分析LC+iUoU+变压器反馈式振荡器交流通路变压器反馈式振荡器交流通路fU+.i.c.i.o.UZIUUA ）（Zfejfee ZY ZYfe fe.o.f. jFLjrMjUUF r 为电感线圈为电感线圈

11、L的等效损耗电阻。的等效损耗电阻。 忽略忽略r 时，时， 。 如互感为全耦合，则如互感为全耦合，则 说明忽略说明忽略r 时，时， 为实数，为实数， fe0；且；且 为常数。为常数。LMF/. 12./ NNF .F.F三、振荡条件的分析三、振荡条件的分析LC+iUoU+变压器反馈式振荡器交流通路变压器反馈式振荡器交流通路fU+.i.c.i.o.UZIUUA ）（Zfejfee ZY ZYfe fe.o.f. jFLjrMjUUF 故故 ）（fZfejfe.e FZYFAT 即即 FZYTfe fZfeT 在小信号时为常数，在大信号非在小信号时为常数，在大信号非线性工作状态时，随振荡幅度增大而线

12、性工作状态时，随振荡幅度增大而减小，故能满足减小，故能满足T的频率特性要求。的频率特性要求。feY三、振荡条件的分析三、振荡条件的分析 实际电路中，实际电路中， fe 和和 f 都很小，故相位平衡条件可近似为都很小，故相位平衡条件可近似为可得该振荡器相位平衡条件为可得该振荡器相位平衡条件为0fZfeT 因此采用因此采用LC谐振回路作选频网络的振荡器，其振荡频率谐振回路作选频网络的振荡器，其振荡频率约等于回路谐振频率。约等于回路谐振频率。0Z 当当 LC回路调谐于回路调谐于f0上时，即上时，即可满足此条件。可满足此条件。 210LCf 例例4.1.1试分析下图电路是否可能产生振荡试分析下图电路是

13、否可能产生振荡解：解：该电路由共基放大电路和该电路由共基放大电路和LC反馈选频网络构成，反馈选频网络构成，在在LC回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节故此电路可能产生振荡。故此电路可能产生振荡。4.2 LC4.2 LC振荡器振荡器(LC Oscillator CirCuits)(LC Oscillator CirCuits)4.2.1 LC4.2.1 LC振荡器

14、的组成原则振荡器的组成原则一一 构构成成L LC C振振荡荡器器的的基基本本原原则则L LC C 振振荡荡器器又又称称为为三三点点式式振振荡荡器器, ,其其基基本本电电路路结结构构如如右右图图所所示示, ,即即晶晶体体三三极极管管的的三三个个电电极极分分别别于于三三个个电电抗抗元元件件X X1 1 , ,X X2 2 , ,X X3 3相相连连接接. .X X1 1 , ,X X2 2 , ,X X3 3可可以以是是电电感感也也可可以以是是电电容容, , 但但电电路路在在构构造造上上必必须须满满足足以以下下基基本本原原则则: :1 1为为了了满满足足正正反反馈馈的的相相位位条条件件, ,反反馈

15、馈电电路路必必须须使使晶晶体体管管的的交交流流瞬瞬时时电电压压极极性性的的相相位位关关系系满满足足: : be 为为正正时时, ,ce 为为负负 be 为为负负时时, ,ce 为为正正 即即: : be 与与ce 反反相相。 bev cevI证证明明：若若设设回回路路电电流流为为 I I, ,则则有有: : be = =2jXI ； ce = =1jXI 要要求求电电抗抗X X1 1与与X X2 2具具有有相相同同的的电电抗抗特特性性。即即X X1 1与与X X2 2或或者者同同为为电电感感元元件件, ,或或同同为为电电容容元元件件2 2 X X1 1, ,X X2 2, ,X X3 3构构成

16、成振振荡荡回回路路, ,当当回回路路谐谐振振时时应应满满足足谐谐振振条条件件: : X X1 1+ +X X2 2+ +X X3 3= =0 0, , | |X X1 1+ +X X2 2| |= =| |X X3 3| |表表明明三三个个电电抗抗元元件件不不可可能能全全为为电电感感与与电电容容, ,而而是是由由两两种种性性质质的的电电抗抗所所组组成成 . .由由上上所所述述可可得得结结论论: : 晶晶体体管管发发射射极极所所按按的的两两个个电电抗抗元元件件性性质质相相同同, ,而而不不与与发发 射射极极相相接接的的回回路路元元件件, ,其其电电抗抗性性质质与与前前者者相相反反. . 振振荡荡

17、频频率率满满足足: : | |X X1 1+ +X X2 2| |= =| |X X3 3| |I I I I 图图 4 7是一些常见振荡器的高频电路。是一些常见振荡器的高频电路。图图 4 7 几种常见振荡器的高频电路几种常见振荡器的高频电路 4.2.2 4.2.2 电容反馈三点式振荡器电容反馈三点式振荡器(Colpitts (Colpitts Oscillators)Oscillators)1 1. . 电电路路结结构构( (1 1) ) 直直流流偏偏置置电电路路决决定定了了起起振振时时电电路路的的工工作作点点, ,当当振振荡荡以以后后 R Re e, ,C Ce e 构构成成自自给给偏偏压

18、压电电路路, ,L Lc c阻阻流流圈圈可可以以用用一一个个大大电电阻阻代代替替, ,防防止止电电源源对对回回路路旁旁路路. .（2 2）交交流流等等效效电电路路典典型型的的电电容容三三点点式式振振荡荡电电路路. .满满足足相相位位平平衡衡条条件件, ,只只要要适适当当选选取取C C1 1与与 C C2 2的的比比值值, ,并并使使放放大大器器有有足足够够的的放放大大量量, ,电电路路就就能能产产生生振振荡荡. .（3 3） 起起振振条条件件分分析析分分析析起起振振条条件件时时可可以以利利用用高高频频小小信信号号放放大大器器的的分分析析法法. . 如如右右图图为为小小信信号号微微变变等等效效电

19、电路路, ,如如果果忽忽略略rey且由于且由于mfeoeiegyCCCC ,12( (即忽略即忽略ci与与bV的相移的相移) )而回路线圈的损而回路线圈的损耗及负载用耗及负载用Lg等效等效+VC-+Vb-I+VC-Vb+I1 1, ,反反 馈馈 系系 数数 F F | |F F| |= =cb = =1211cjIcjI = =21CC2 2, ,放放大大器器的的放放大大倍倍数数| |VoA| |因因为为| |VoA| |= =bc 而而 ggbmc ie2FLoegkggg 其其中中ieFg2 为为ieg折折合合到到放放大大器器输输出出端端的的等等效效电电阻阻, ,而而21CCkF 为为折折

20、合合系系数数. .FCCvvkgkvgv21cbFie2F2cie2b ie2FLoemmvogkgggggA 代入起振条件代入起振条件: : 1 FAvo)gg(1C2Cg2C1Cg1kgkgggLoeiemFie2FLoem 有有+VC-I I I I( (4 4) ) 振振荡荡频频率率振振荡荡频频率率一一般般可可以以利利用用相相位位平平衡衡条条件件求求解解: :即即令令 bbvvFA 的的相相位位差差为为 0 02ie2ie2ie1Loebm,bCjg1LjCjg1Cjg1Lj1Cj1ggvgv 2ie2ie2ie1LoembbCjg1LjCjg1Cjg1Lj1Cj1gggvv -Vb+

21、令令上上式式虚虚部部为为零零, ,可可得得: :0CLC)gg(Lg)CC(213Loeie21 所所以以有有: : LCCCgggLCLoeie1) (121 其其中中2121CCCCC 4.2.3 4.2.3 电感三点式振荡器电感三点式振荡器(Hartly Oscillators)(Hartly Oscillators)( (1 1) ) 电电路路结结构构 其其交交流流等等效效电电路路及及起起振振时时的的小小信信号号高高频频电电路路如如右右下下图图所所示示注注意意其其中中高高频频小小信信号号等等效效电电路路忽忽略略了了rey和和ieC及及oeC对对电电路路的的影影响响, ,另另外外, ,m

22、fegy （2 2） 起起振振条条件件分分析析: :忽忽略略ieg对对回回路路的的影影响响时时, ,反反馈馈系系数数为为: :F12cbk)ML(I)ML(IvvF cV VbI即即: :MLMLkFF 12 RgvvAmbcvo +VC-Vb+Iie2FLoegkgg1R 由由起起振振条条件件 1FAvo 有有: :)gg(k1gkgLoeFieFm ( (3 3) ) 振振荡荡频频率率令令bbvvjFjA)()( 的的虚虚部部为为零零即即可可求求出出振振荡荡频频率率: :LC1)MLL(g )gg(LC1221ieLoe 而而其其中中: :MLLL221 一一般般LC10 而而当当1LLM

23、K21 时时. .有有0 两种振荡器电路比较：两种振荡器电路比较：（1）电容反馈型电路的优缺点：）电容反馈型电路的优缺点：n 优点：优点：由于输出端和反馈电路是电容，对高次谐波电抗小，振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。n 缺点：缺点：用两个电容调节频率不方便。（又要 不变）振荡器的振幅不稳定。振荡器的振幅不稳定。21CCF PPPRnRCCCR22212)(（2）电感反馈型电路的优缺点：）电感反馈型电路的优缺点：n 优点：优点：用一个电容可方便调节频率。n 缺点：缺点：由于反馈电路是电感，振荡波形含有高次谐波多。振荡波形含有高次谐波多。 振荡频率不高。

24、振荡频率不高。电容反馈型三点式振荡电路的振荡波形更接近正弦波。振荡振荡波形更接近正弦波。振荡频率可较高。有什么问题？频率可较高。有什么问题？n 反馈系数反馈系数F则只有一段范围内较合适则只有一段范围内较合适。F过小，反馈不足，回路能量的补充不足以弥补回路的损耗，使振荡最终不能建立；F过大，输入电路与回路耦合过紧，使Q值降低，增益减小，环路负载过重，振荡也难以发生。n 晶体管的输出输入电容影响振荡频率晶体管的输出输入电容影响振荡频率。n 晶体管的等效电阻晶体管的等效电阻 、 的影响回路的的影响回路的Q值，从而影值，从而影响振荡频率。响振荡频率。iRORn 影响反馈系数影响反馈系数F与振荡频率的因

25、素都是与振荡频率的因素都是 和和 。1C2C改进办法：改进办法：t 把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系数F的主要元件分开。的主要元件分开。t 振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。4.2.44.2.4两种改进型的电容反馈振荡器两种改进型的电容反馈振荡器 电感反馈振荡器电感反馈振荡器: :反馈系数反馈系数 F=KF=KF F的改变可通过改变线圈抽头位的改变可通过改变线圈抽头位置实现置实现, ,但振荡频率比较低但振荡频率比较低, ,产生振荡波形不如电容三点式振荡器产生振荡波形不如电容三点式振荡器. . 电电容容反反馈馈振

26、振荡荡器器: :反反馈馈系系数数 F F= =K KF F改改变变必必须须改改变变 C C1 1与与 C C2 2的的比比值值, ,振振荡荡频频率率较较高高, ,电电压压波波形形较较好好. .1 1 C Cl la ap pp p O Os sc ci il ll lt to or r右右图图为为 C Cl la ap pp p 振振荡荡器器的的实实际际电电路路和和等等效效电电路路, ,它它是是在在原原电电容容三三点点式式振振荡荡器器中中, ,用用 L L, ,C C3 3的的串串联联电电路路代代替替原原来来的的 L L 而而构构成成, ,C C3 3和和 L L 的的串串联联电电路路在在振振

27、荡荡频频率率上上等等效效为为一一个个电电感感, ,仍仍属属于于电电容容反反馈馈型型电电路路, ,振振荡荡回回路路的的总总电电容容为为: :321C1C1C11C 由由于于一一般般 C C1 1, ,C C2 2取取值值较较大大, ,即即 C C1 1, ,C C2 2 C C3 3 所所以以有有: :3CC 振振荡荡频频率率：311LCLC 而而电电压压反反馈馈系系数数: :21CCvvFcb 另另外外, ,由由于于 C C1 1, ,C C2 2只只是是整整个个振振荡荡回回路路的的一一部部分分, ,晶晶体体管管是是以以部部分分接接入入方方式式与与回回路路联联接接, ,减减弱弱了了晶晶体体管管

28、与与回回路路之之间间的的藕藕合合. .如如果果设设回回路路 L L 两两端端的的等等效效电电阻阻为为R R0 0, ,则则折折合合到到集集电电极极回回路路做做为为集集电电极极负负载载电电阻阻 R RL L时时的的关关系系为为: :02021LRpR)CC(R 可可见见接接入入系系数数为为131CCCCp 很很小小, ,且且 voL1ARpC有有可可能能不不满满足足振振荡荡条条件件( (不不利利于于起起振振) ) C CL LA AP PP P电电路路的的一一个个主主要要缺缺点点是是波波段段范范围围不不宽宽, ,波波段段覆覆盖盖倍倍数数小小, ,一一般般约约为为1 1. .2 21 1. .3

29、3, ,另另外外波波段段内内输输出出幅幅度度不不均均匀匀, ,不不易易起起振振. .RoRL4.2.24.2.2两种改进型的电容反馈振荡器两种改进型的电容反馈振荡器2 2. .S Se ei il lo or r O Os sc ci il ll la at to or r 与与C CL LA AP PP P电电路路不不同同点点仅仅在在于于回回路路电电感感L L两两端端并并联联一一个个可可变变电电容容C C4 4 , ,而而C C3 3 为为固固定定值值电电容容 , ,且且有有C C3 3 L2C2 L3C32. L1C1 L2C2 L3C34. L1C1 L2C2 = L3C3110121C

30、Lf 220221CLf 330321CLf 设电路为电感三点式，设电路为电感三点式，感性感性感性感性容性容性则：则：f03 fOSC f01 、 f02 设电路为电容三点式，设电路为电容三点式，容性容性容性容性感性感性则：则： f01 、f02 fOSC (310)f1max。同时。同时希望电流放大系数希望电流放大系数大些大些,这既容易振荡这既容易振荡,也便于减小晶也便于减小晶体管和回路之间的耦合。体管和回路之间的耦合。 3直流馈电线路的选择直流馈电线路的选择 为保证振荡器起振的振幅条件为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在起始工作点应设置在线性放大区线性放大区;从稳频出发从稳频出发

31、,稳定状态应在截止区稳定状态应在截止区,而不应在饱而不应在饱和区和区,否则回路的有载品质因数否则回路的有载品质因数QL将降低。所以将降低。所以,通常应将通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区晶体管的静态偏置点设置在小电流区,电路应采用自偏压。电路应采用自偏压。 4振荡回路元件选择振荡回路元件选择 从稳频出发从稳频出发,振荡回路中电容振荡回路中电容C应尽可能大应尽可能大,但但C过大过大,不利于波段工作不利于波段工作;电感电感L也应尽可能大也应尽可能大,但但L大后大后,体积大体积大,分布分布电容大电容大,L过小过小,回路的品质因数过小回路的品质因数过小,因此应合理地选择回路因此应合理地选择回路的

32、的C、L。在短波范围。在短波范围,C一般取几十至几百皮法一般取几十至几百皮法,L一般取一般取0.1至几十微亨。至几十微亨。 5反馈回路元件选择反馈回路元件选择 由前述可知由前述可知,为了保证振荡器有一定的稳定振幅以为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振及容易起振,在静态工作点通常应选择在静态工作点通常应选择3 5fLY R F (451) 当静态工作点确定后当静态工作点确定后,Yf的值就一定的值就一定,对于小功率对于小功率晶体管可以近似为晶体管可以近似为260.1 0.5cQfmIYgmVF(451)反馈系数的大小应在下列范围选择反馈系数的大小应在下列范围选择4.5 石英晶体振荡器石英晶体

33、振荡器 4.5.1 石英晶体振荡器频率稳定度石英晶体振荡器频率稳定度 石英晶体振荡器之所以能获得很高的频率稳石英晶体振荡器之所以能获得很高的频率稳定度定度,由第由第2章可知章可知,是由于石英晶体谐振器与一般是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性的谐振回路相比具有优良的特性,具体表现为具体表现为: (1)石英晶体谐振器具有很高的标准性。石英晶体谐振器具有很高的标准性。 (2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小很小,一般为一般为10-310-4。 (3) 石英晶体谐振器具有非常高的石英晶体谐振器具有非常高的Q值。值。4.5.2 晶体振荡器电路

34、晶体振荡器电路 晶体振荡器的电路类型很多晶体振荡器的电路类型很多,但根据晶但根据晶体在电路中的作用体在电路中的作用,可以将晶体振荡器归为两可以将晶体振荡器归为两大类大类:并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。 图图417 皮尔斯振荡器皮尔斯振荡器CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC0Xe0q01并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器皮尔斯振荡器的工作频率应由皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的回路决及晶体构成的回路决定定,即由晶体电抗即由晶体电抗 Xe与外部电容相等的条件决定与外部电容相等的条件决定,设

35、外部电容设外部电容为为CL,则则1123101111eLLXCCCCC(452) (453) 12qqqfL C0100000()11()()22()111()()2LqLLqqqqLqqqqLLqqCCCfCCCC CL CLCCCCCfCCCCL C由图有由图有111()LoLoqqqLoqLoCCpCCCCCCCCCC (455) (454) 图图418 并联型晶体振荡器稳频原理并联型晶体振荡器稳频原理101()qqLCffCC1(1)2qpff图图419 并联型晶体振荡器的实用线路并联型晶体振荡器的实用线路 20012 VC1V68 k3/15 pF20 pF15 k33 k7503D

36、G6C300 pF4700 pF301 kC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)750510320反馈系数反馈系数F的大小为的大小为12CFCCeEc(a )C1C2C3(b )C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC0 反馈系数反馈系数F的大小为的大小为 由于晶体的品质因数由于晶体的品质因数Qq很高很高,故其并联谐振电阻故其并联谐振电阻Ro也很高也很高,虽然接入系数虽然接入系数p较小较小,但等效到晶体管但等效到晶体管CE两端两端的阻抗的阻抗RL仍较高仍较高,所以放大器的增益较高所以放大器的增益较高,电路很容易满电路很容易满足振幅起振条件。足振幅起振条件

37、。 12CFC(456) 图图420 密勒振荡器密勒振荡器 EcVC2LCeC1图图421 泛音晶体皮尔斯振荡器泛音晶体皮尔斯振荡器 Xe0q0图图422 场效应管晶体并联型振荡器线路场效应管晶体并联型振荡器线路 4.7 k 24 V输出1 M1 000 pF1 000 pF1 000 pF 2串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器 在串联型晶体振荡器中在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻抗的晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间两点之间,通常接在反馈电路中。图通常接在反馈电路中。图423示出了一串联型晶示出了一串联型晶体振荡器的实际线路和等效电路。体振荡器的实际线路和等效电路。 EcVLC2C

38、1(a)C1C2LVJT(b) 图423一种串联型晶体振荡器 (a)实际线路;(b)等效电路 3使用注意事项使用注意事项 使用石英晶体谐振器时应注意以下几点使用石英晶体谐振器时应注意以下几点: (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的标称频率都是在出厂前,在石英在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使用实际使用时也必须外加负载电容时也必须外加负载电容,并经微调后才能获得标称频率。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在

39、并联型晶体振荡器中,石英晶体起等效电感石英晶体起等效电感的作用的作用,若作为容抗若作为容抗,则在石英晶片失效时则在石英晶片失效时,石英谐振器石英谐振器的支架电容还存在的支架电容还存在,线路仍可能满足振荡条件而振荡线路仍可能满足振荡条件而振荡,石石英晶体谐振器失去了稳频作用。英晶体谐振器失去了稳频作用。 (4)晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率,当当要求在波段中得到可选择的许多频率时要求在波段中得到可选择的许多频率时,就要采取别的就要采取别的电路措施电路措施,如频率合成器如频率合成器,它是用一块晶体得到许多稳定它是用一块晶体得到许多稳定频率频率,频率合成器的

40、有关内容将在第频率合成器的有关内容将在第8章介绍。章介绍。 4.5.3 高稳定晶体振荡器高稳定晶体振荡器 影响晶体振荡器频率稳定度的因素仍然是温度、影响晶体振荡器频率稳定度的因素仍然是温度、电源电压和负载变化电源电压和负载变化,其中最主要的还是温度的影响。其中最主要的还是温度的影响。 图图424 AT切片的频率温度特性切片的频率温度特性T ( )806040200 20 40 40 20 (106)ffAT 图图425是一种恒温晶体振荡器的组成框图。它由是一种恒温晶体振荡器的组成框图。它由两大部分组成两大部分组成:晶体振荡器和恒温控制电路。晶体振荡器和恒温控制电路。 图图425 恒温晶体振荡器

41、的组成恒温晶体振荡器的组成 直流放大器功率放大器电桥感温电阻加热电阻晶振调谐放大器输出放大器检波器恒温槽AGC电压图图426 温度补偿晶振的原理线路温度补偿晶振的原理线路RTRTEc(T) EcE4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象 4.6.1 间歇振荡间歇振荡 LC振荡器在建立振荡的过程中振荡器在建立振荡的过程中,有两个互有联系有两个互有联系的暂态过程的暂态过程,一个是回路上高频振荡的建立过程一个是回路上高频振荡的建立过程;另一个另一个是偏压的建立过程。回路有储能作用是偏压的建立过程。回路有储能作用,要建立稳定的振要建立稳定的振荡器需要有一定的时间。荡器需要有一定的时间。 图427

42、间歇振荡时Ub与Eb的波形CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)V 4.6.2 频率拖曳现象频率拖曳现象 图图428变压器反馈振荡器变压器反馈振荡器(a)实际电路实际电路; (b)耦合回路的等效电路耦合回路的等效电路(a)C1CbVCeC2MRbRrEcL1L2C2L2L1r1r2C1(b) 由图可以看出以下几点由图可以看出以下几点: (1)II始终大于始终大于I,且有且有II01,I01; (2)当当02远低于远低于01时时,02对对I影响较大影响较大;当当02远大于远大于01时时,02对对II影响较大。影响较大。图图429 阻抗阻抗ZL的幅角的幅角L的频率特性的频率特性|Z21|ma

43、x|Z21|10.707k k0k k0k k0ff1faf0fbf20 图430 I、II与02的关系曲线及拖曳 0220120122200201010(b)(a)1 ,22MNdecbaf 4.6.3 振荡器的频率占据现象振荡器的频率占据现象 在一般在一般LC振荡器中振荡器中,若从外部引入一频率为若从外部引入一频率为fs的信号的信号,当当fs接近振荡器原来的振荡频率接近振荡器原来的振荡频率f1时时,会发生占据现象会发生占据现象,表现表现为当为当fs接近接近f1时时,振荡器受外加信号影响振荡器受外加信号影响,振荡频率向接近振荡频率向接近fs的频率变化的频率变化,而当而当fs进一步接近原来进一

44、步接近原来f1时时,振荡频率甚至等于振荡频率甚至等于外加信号频率外加信号频率fs,产生强迫同步。产生强迫同步。图431 占据现象ES.Ui.Ic1.Uo.(a)f0fsfCfDfAfB2f(b)fs f1fs f1UbUb.Uo.Ui.ES.0(b)(a)Uo.Ic1.Ui.Ub.ES.0LIc1 4.6.4 寄生振荡寄生振荡 在高频放大器或振荡器中在高频放大器或振荡器中,由于某种原因由于某种原因,会产生不需会产生不需要的振荡信号要的振荡信号,这种振荡称为寄生振荡。如第这种振荡称为寄生振荡。如第3章介绍的小章介绍的小信号放大器稳定性时所说的自激信号放大器稳定性时所说的自激,即属于寄生振荡。即属

45、于寄生振荡。 产生寄生振荡的形式和原因是各种各样的产生寄生振荡的形式和原因是各种各样的,有单级和有单级和多级振荡多级振荡,有工作频率附近的振荡或者是远离工作频率的有工作频率附近的振荡或者是远离工作频率的低频或超高频振荡。低频或超高频振荡。图图433 低频寄生振荡的等效电路和波形低频寄生振荡的等效电路和波形LcC2C3C1EcLbL1R(a)(b)VLcCbcLb0uct(c)V 图图434 电源去耦举例电源去耦举例C EcC CC1C24.7 RC 振振 荡荡 器器RC选频网络的选频特性比选频网络的选频特性比LC选频网络的选频特性差得多，选频网络的选频特性差得多， 因此常采用负反馈来提高电路的

46、选频特性。其原理是电路中除了因此常采用负反馈来提高电路的选频特性。其原理是电路中除了有产生自激振荡所需的正反馈外，还同时加有负反馈。总的反馈有产生自激振荡所需的正反馈外，还同时加有负反馈。总的反馈效果是效果是: 在振荡频率，正反馈超过负反馈，并满足自激条件，偏在振荡频率，正反馈超过负反馈，并满足自激条件，偏离自激频率时，力求使负反馈超过正反馈，以抑制不需要的频率，离自激频率时，力求使负反馈超过正反馈，以抑制不需要的频率， 从而改善输出波形。从而改善输出波形。 根据根据RC网络的不同构成，网络的不同构成，RC振荡器可分为相移振荡器和桥振荡器可分为相移振荡器和桥式振荡器两大类，我们先回顾一下式振荡

47、器两大类，我们先回顾一下RC网络的特性，网络的特性， 然后再讨论然后再讨论RC振荡器。振荡器。4.7.1 RC网络网络1 超前型移相网络超前型移相网络图图4-35(a)示出了示出了RC超前型移相网络。传输系数为超前型移相网络。传输系数为j12ej1jj1ARCRCCRRUUA(4-61)其模值和相角分别为其模值和相角分别为200222)/(1/1CRRCA式中式中0=1/(RC)。幅频特性和相频特性分别如图。幅频特性和相频特性分别如图4-35(b)、(c)所示。所示。001arctanarctanarctan2RC200222)/(1/1CRRCA001arctanarctanarctan2R

48、C幅频特性和相频特性曲线幅频特性和相频特性曲线2 滞后型移相网络滞后型移相网络图图4-36(a)示出了示出了RC滞后型移相网络。传输系数为滞后型移相网络。传输系数为012j11j11j1j1CRCRCUUA20222)/(1111CRA0arctanarctanCR其模值和相角分别为其模值和相角分别为(4-62)式中式中0=1/(RC)。20222)/(1111CRA0arctanarctanCR幅频特性和相频特性分别如图幅频特性和相频特性分别如图4-36(b)、(c)所示。所示。3. 串并联型选频网络串并联型选频网络图图 4-37(a)示出了示出了RC串并联型网络。传输系数为串并联型网络。传

49、输系数为0012j31 1CRj31 j1j1j1CRCRRCRRCRUUA(4-63)式中式中0=1/RC，其模和相角分别为相应的幅频特性和相频特性如图其模和相角分别为相应的幅频特性和相频特性如图4-37(b)、(c)所示。所示。200231A0031arctan4.7.2 RC振荡器振荡器图图4-38(a)和和(b)分别示出了由晶体管以及由集成运放构成的反相分别示出了由晶体管以及由集成运放构成的反相放大器所组成的超前型放大器所组成的超前型RC振荡器。它们都可以提供振荡器。它们都可以提供180的相移，的相移， 相移网络也必须提供相移网络也必须提供180相移，相移， 图图(a)中第三节中第三节

50、RC电路的电路的R由由晶体管的输入电阻取代。晶体管的输入电阻取代。图图 4-38 超前型超前型RC振荡器振荡器4.7.3 文氏桥振荡器文氏桥振荡器文氏桥正弦波振荡器的原理电路如图文氏桥正弦波振荡器的原理电路如图4-39所示，所示， 它是正它是正弦波振荡器的一种最常用的电路。桥形弦波振荡器的一种最常用的电路。桥形RC网络接在输出端与网络接在输出端与同相输入端之间，同相输入端之间， 则起振条件应当是相移等于零，则起振条件应当是相移等于零， 故此电路故此电路又称零相移桥式振荡器。又称零相移桥式振荡器。222111j1/j1CR，ZCRZ)/1( j)/1 (j1j1)j1/(12211221222211222212CCRRCCRRRCRRCRCRRZZZUUFof图图 4-39 文氏桥振荡器文氏桥振荡器现在要求现在要求Uf和和Uo之间相移在某个频率上等于零，之间相移在某个频率上等于零， 则上式的虚部则上式的虚部等于零，等于零， 于是有于是有01102210CCRR212101CCRRRCf21031F根据式根据式(4-66)可以求出满足幅度平衡条件的运算放大器的闭可以求出满足幅度平衡条件的运算放大器的闭环增益等于环增益等于3。为了便于起振，。为了便于起振， 要求要求Rf /R3略大于略大于2。)/1( j)/1 (122112212CCRRCCRRRF