通信电子电路第4章

1、第四章第四章 正正 弦弦 振振 荡荡 器器第六节第六节 RC 振振 荡荡 器器第一节第一节 反反 馈馈 振振 荡荡 器器 的的 基基 本本 原原 理理第二节第二节 三三 点点 式式 L C 振振 荡荡 器器第三节第三节 石石 英英 晶晶 体体 振振 荡荡 器器第四节第四节 压压 控控 振振 荡荡 器器第五节第五节 集集 成成 电电 路路 振振 荡荡 器器概概 述述以前学过的放大器都是在外界激励信号的作用下，将信号以前学过的放大器都是在外界激励信号的作用下，将信号能量转换成交流能量。我们设想，如果从输出反馈到输入能量转换成交流能量。我们设想，如果从输出反馈到输入（正反馈）作为激励信号，也能完成直

2、流能量转换为交流（正反馈）作为激励信号，也能完成直流能量转换为交流能量，这就是本章要讲的振荡器。能量，这就是本章要讲的振荡器。振荡器分类：振荡器分类：分为正弦振荡器分为正弦振荡器 和非正弦振荡器和非正弦振荡器一、按一、按振荡波形振荡波形分：分：分为高频振荡器分为高频振荡器 和低频振荡器和低频振荡器二、按二、按频率频率分：分：三、按三、按振荡原理振荡原理分：分：分为反馈型振荡器和负阻型振器分为反馈型振荡器和负阻型振器分为分为LC振荡器和振荡器和RC振荡器振荡器四、按四、按选频回路选频回路分：分：对振荡器性能的要求：对振荡器性能的要求： 1振荡频率和频率稳定度高振荡频率和频率稳定度高 2振荡幅度和

3、振荡稳定度高振荡幅度和振荡稳定度高 3波形纯度好波形纯度好振荡器的组成（三部分）：振荡器的组成（三部分）： 1控制能量转换的有源器件控制能量转换的有源器件 2具有正反馈的选频网路具有正反馈的选频网路 3稳幅的限幅电路（通常由有源器件本身完成）稳幅的限幅电路（通常由有源器件本身完成）下面首先分析振荡器的基本理论，然后据前述性能要求对下面首先分析振荡器的基本理论，然后据前述性能要求对各种振荡器进行讨论。各种振荡器进行讨论。第一节第一节 反馈振荡器的基本原理反馈振荡器的基本原理一、振荡的必要条件一、振荡的必要条件一般情况下，反馈振荡的框图可一般情况下，反馈振荡的框图可表示为：表示为：此即著名的此即著

4、名的巴克豪森条件巴克豪森条件。将上式分解为幅值条件和相位条件：将上式分解为幅值条件和相位条件：1AB)2 , 1 , 0(2nnba表明补充能量等于消耗能量表明补充能量等于消耗能量表明正反馈表明正反馈因此因此正反馈是振荡的必要条件正反馈是振荡的必要条件。显然显然 当当ifiABUUU即即01 AB产生自激振荡产生自激振荡反馈振荡器方框图反馈振荡器方框图幅值条件幅值条件相位条件相位条件下面以互感耦合下面以互感耦合LC振荡器为例来具体讨论：振荡器为例来具体讨论：如果不看反馈电路，如果不看反馈电路，它就是典型的调谐放它就是典型的调谐放大器。输入信号大器。输入信号Ui经经过放大在过放大在LC两端输出两

5、端输出Uo。当谐振时。当谐振时Uo与与Ui反相，经过互感耦合反相，经过互感耦合在次级得到反馈电压在次级得到反馈电压Uf。按图示同名端，。按图示同名端，Uf=Ui,形成了正反馈形成了正反馈环路，构成了自激振环路，构成了自激振荡器。荡器。图图4-3 互感耦合互感耦合LC振荡器振荡器二、振荡器的起振过程和起振条件二、振荡器的起振过程和起振条件起振过程：起振过程：起振之初，当电源一闭合，电流呈阶跃信号，起振之初，当电源一闭合，电流呈阶跃信号，它包含有各种频率成分。通过它包含有各种频率成分。通过LC回路的选频作用，只有回路的选频作用，只有和回路谐振频率相同的成分被放大，产生和回路谐振频率相同的成分被放大

6、，产生Uf，当电压回输，当电压回输到输入，再进一步放大，如此下去便由小到大的振荡起来。到输入，再进一步放大，如此下去便由小到大的振荡起来。这个这个振荡不断增长的过程振荡不断增长的过程即是起振过程。即是起振过程。根据以上分析，可直接写出振荡器的根据以上分析，可直接写出振荡器的起振条件起振条件：iifUABUU即即AB1,1ABnba2表明补充能量表明补充能量消耗能量消耗能量表明是正反馈表明是正反馈分解后得：分解后得：三、三、平衡过程和平衡条件平衡过程和平衡条件起振之初是增幅振荡，但这种增幅不会一直起振之初是增幅振荡，但这种增幅不会一直“增增”下去下去。这主要是由于管子非线性和限幅作用，使。这主要

7、是由于管子非线性和限幅作用，使A随随Ui增长增长而下降，直到而下降，直到|AB|=1，进入等幅状态为止。，进入等幅状态为止。大信号情况下，振荡器工作在丙类，按折线性分析法，有大信号情况下，振荡器工作在丙类，按折线性分析法，有imicmcUGUGII)cos1 (111显见显见iUiCmUICosG11)1 (其中其中称平均跨导称平均跨导)(LmRGA)(ibrUEUarcCos)cos1 (1GGm三、三、平衡过程和平衡条件平衡过程和平衡条件当下降到当下降到AB=1（平衡状态）时，振荡器满足（平衡状态）时，振荡器满足Ui=Uf，保持保持等幅振荡。等幅振荡。振荡平衡的幅值条件和相位条件为：振荡平

8、衡的幅值条件和相位条件为： 应该指出的是应该指出的是|AB|=1A A+B B=2n (n=0,1,2=2n (n=0,1,2) )表明：补充的能量=消耗的能量表明：是正反馈AuAu起起AuAu平平四、振荡器的稳定条件四、振荡器的稳定条件上述的平衡条件，只能说明能等幅振荡，并不说明这种上述的平衡条件，只能说明能等幅振荡，并不说明这种平衡状态是否稳定。实际上，不稳定因素总是存在的，平衡状态是否稳定。实际上，不稳定因素总是存在的，如如Ec、T、RL、Gm、L、C的变化破坏了平衡，最终导致的变化破坏了平衡，最终导致Uo、fo、A的变化。如果不稳定因素去掉后，振荡器仍能回到的变化。如果不稳定因素去掉后

9、，振荡器仍能回到原来的平衡状态，则称是稳定的，否则称非稳定的。下面原来的平衡状态，则称是稳定的，否则称非稳定的。下面我们设法找出稳定平衡的振幅条件和相位条件。我们设法找出稳定平衡的振幅条件和相位条件。平衡时平衡时 AB=1 或或 A=1/B ,B一般与一般与Ui 无无关。所以关。所以1/B为一条水平线，如图：为一条水平线，如图：变化相同同muLmuARGAGAu (Gm)UiQUiQ1/BUi Au关系曲线如图所示关系曲线如图所示交点在平衡点交点在平衡点Q我们考察一下，我们考察一下，A在在Q点附近点附近变化的情况：变化的情况：ifiUUAU若从若从Q点向右变点向右变若从若从Q点向左变点向左变增

10、幅增幅减幅减幅所以我们称所以我们称Q点为稳定平衡点，显然要使点为稳定平衡点，显然要使Uo、Ui稳定，必稳定，必须在振荡平衡点有阻止幅度变化的能力，即须在振荡平衡点有阻止幅度变化的能力，即A（或（或Gm）的）的变化趋势必须同变化趋势必须同Ui相反。相反。BAimUG1BAiUA1此即振幅平衡的稳定条件此即振幅平衡的稳定条件。或或ifiUUAUAu (Gm)UiQUiQ1/B（二）相位稳定条件（二）相位稳定条件不稳定因素也会破坏相位平衡条件，而相位的变化会导致不稳定因素也会破坏相位平衡条件，而相位的变化会导致f的变化，这是因为的变化，这是因为dtd当当 相当于提前向相当于提前向LC补偿能量补偿能量

11、,使使0.f要使振荡器的相位得到稳定，必须在要使振荡器的相位得到稳定，必须在f变化时，产生变化时，产生反方向的相位变化，以便补偿原来的相位变化，所反方向的相位变化，以便补偿原来的相位变化，所以以相位稳定条件是相位稳定条件是：0实际上，实际上，LC回路具有补偿相位变化的作用，为了说明回路具有补偿相位变化的作用，为了说明这一点，看其这一点，看其相频特性相频特性:0.f当当 相当于滞后向相当于滞后向LC补偿能量补偿能量,使使当外界干扰引入当外界干扰引入 （提前补偿能量）（提前补偿能量）回路引入相移回路引入相移 （滞后补偿能量）（滞后补偿能量）使使 f 不再增长，当外界干扰撤去不再增长，当外界干扰撤去

12、 反之亦然。反之亦然。00fff由rr0由00fff由应该指出：应该指出：稳定平衡不应理解稳定平衡不应理解为在不稳定因素影响下振幅、为在不稳定因素影响下振幅、相位不变，而是一种振幅和相相位不变，而是一种振幅和相位上的动态平衡。位上的动态平衡。综合以上分析，可得结论：综合以上分析，可得结论： （1）影响振幅平衡的主要不）影响振幅平衡的主要不 稳定因素是电阻性的稳定因素是电阻性的 （2）影响相位平衡的主要不）影响相位平衡的主要不 稳定因素是电抗性的稳定因素是电抗性的1长期稳定度长期稳定度：我们通常讲的稳定度是指短期稳定度，它定义为我们通常讲的稳定度是指短期稳定度，它定义为:niinffffnff1

13、20_0001lim（三）振荡器的频稳度（三）振荡器的频稳度频率稳定度是衡量振荡器的重要指标，根据测试时间的长短频率稳定度是衡量振荡器的重要指标，根据测试时间的长短分为：分为：其中其中 第第i次测试时的绝对频率偏差次测试时的绝对频率偏差 绝对频率偏差的平均值绝对频率偏差的平均值0fffiiniinffnf10_01lim用于天文台或计量单位用于天文台或计量单位用于评价通信测量设备用于评价通信测量设备用于衡量设备的瞬时稳定度用于衡量设备的瞬时稳定度2短期稳定度短期稳定度：3瞬间稳定度瞬间稳定度：提高稳定度的措施，主要从两方面着手：提高稳定度的措施，主要从两方面着手：减小外界因素的变化；减小外界因

14、素的变化；提高电路本身抵抗外界因素影响的能力。提高电路本身抵抗外界因素影响的能力。1减小外界因素变化的影响：可采用稳压、温补、恒温、减小外界因素变化的影响：可采用稳压、温补、恒温、 屏蔽等方法。屏蔽等方法。2提高电路抵抗外界因素变化影响的能力：提高电路抵抗外界因素变化影响的能力： （1）提高电路的标准性）提高电路的标准性 （2）选取合理的电路形式。）选取合理的电路形式。第二节第二节 三点式三点式LC振荡器振荡器前述的前述的LC互感耦合振荡器具有电路简单，易起振等特点互感耦合振荡器具有电路简单，易起振等特点但其频稳度较低（和晶体管参数有关），振荡频率不高。但其频稳度较低（和晶体管参数有关），振荡

15、频率不高。目前分离电路中采用较多的是三点式目前分离电路中采用较多的是三点式LC振荡器。本节就振荡器。本节就典型的三点式振荡器进行分析和讨论。典型的三点式振荡器进行分析和讨论。一、三点式电路的组成法则一、三点式电路的组成法则三点式振荡器：指三点式振荡器：指LC回路的三个端点分别接在晶体回路的三个端点分别接在晶体管三个极而组成的振荡器。管三个极而组成的振荡器。我们首先分析在满足正反馈我们首先分析在满足正反馈时，时，LC回路中三个电抗元件回路中三个电抗元件应具有什么性质。应具有什么性质。为简单起见，假设：为简单起见，假设：（1）晶体管的内部附加相移忽略不计）晶体管的内部附加相移忽略不计（2）谐振时，

16、谐振电流）谐振时，谐振电流IIc、Ib（3）LC回路中的损耗可略回路中的损耗可略由图可见由图可见cebecebeceCbeBfBXXIXIXXIIXIIUUBB)()(0三点式三点式LC振荡器振荡器IIbIC三点式振荡器的原理图如图：三点式振荡器的原理图如图：在三点式电路中，在三点式电路中，LCLC回路中与发射极相连的两个电抗元件回路中与发射极相连的两个电抗元件 (X(Xbebe、X Xcece) )必须为同性质；另一个电抗元件必须为异性质。必须为同性质；另一个电抗元件必须为异性质。这是三点式电路的组成法则，有时也称为三点式振荡器的相这是三点式电路的组成法则，有时也称为三点式振荡器的相位平衡法

17、则。位平衡法则。显然要使显然要使B B=，X Xbebe和和X Xcece的性质必须相同。的性质必须相同。由相位平衡条件：由相位平衡条件：A A+B B=2 =2 A A，因此放大器的，因此放大器的负载必须为纯阻。这发生在负载必须为纯阻。这发生在LCLC回路谐振时，即回路谐振时，即X Xbebe+X+Xcece+X+Xbebe=0=0或或X Xbcbc=-(X=-(Xbebe+X+Xcece) )即即X Xbcbc与与X Xbebe、X Xcece的性质相反。的性质相反。当当X Xbebe、X Xcece为电容时，称电容三点式振荡器，为电容时，称电容三点式振荡器，也称科皮兹也称科皮兹（Colp

18、itsColpits）振荡器）振荡器；当当X Xbebe、X Xcece为电感时，称电感三点式振荡器，为电感时，称电感三点式振荡器，也称哈特莱也称哈特莱（HartleyHartley）振荡器。）振荡器。试从相位条件出发，判断图示交流等效电路中，哪些可能振荡，哪些不可能振荡。能振荡的属于哪种类型振荡器？题42图答4-2(a) 可能振荡，电感三点式反馈振荡器,(b) 不能,(c) 不能,(d) 不能,(e) 可能振荡，振荡的条件是L1C1回路呈容性，L2C2回路呈感性，即要求f01ff02,这时是一个电感反馈振荡器,(f) 可能振荡，振荡的条件是LC3支路呈感性，即要求f03f,这时是一个电容反馈

19、振荡器二、电容三点式振荡器二、电容三点式振荡器各元件作用：各元件作用：L Lc c高频扼流圈，通直隔交；高频扼流圈，通直隔交；C CB B通交隔直。通交隔直。使交、直流不致相互短路。使交、直流不致相互短路。1 1交流通路（如图）交流通路（如图）由于满足相位平衡准则，只要再满足由于满足相位平衡准则，只要再满足振幅条件，即可正常工作。振幅条件，即可正常工作。2 2振荡频率和振荡条件振荡频率和振荡条件振荡器平衡状态下，其可采用大信振荡器平衡状态下，其可采用大信 号等效电路，号等效电路， 如图如图电路如图：电路如图：LC1C2C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbICEcRb1Rb2ReC

20、BC2C1CeLLc其中，其中， 流流 源源iebmimGIGUG由图列出回路方程由图列出回路方程0)11(1101)11(01)11(21121122ICjCjLjICjICjICjICjGIGGGICjICjGcbcoebieoembie上式为线性齐次方程组上式为线性齐次方程组,所以所以Ib、 Ic、 I不为不为0的充分必要条件的充分必要条件是系数行列式是系数行列式D=0,这就是待求的特征方程式。这就是待求的特征方程式。D=0,它的实部它的实部和虚部均为和虚部均为0.oeiebmGGIG转换成压源转换成压源C2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbIC令令D的虚部等于的虚部等于0,

21、可求出振荡频率可求出振荡频率212102111CCCCCLCCCGGLCoeie其中显然显然,振荡器工作时振荡器工作时,LC回路处于失谐状态回路处于失谐状态,但通常但通常211CCGGLCoeieLC10令令D的实部等于的实部等于0,可得振荡平衡条件可得振荡平衡条件2112CCGCCGGieoem由此可求出起振条件由此可求出起振条件min2112mieoemgCCgCCgg(gm)min起振所需的最小跨导。起振所需的最小跨导。211201)(1)(CCCjIICjIIUUBcbf根据等效电路根据等效电路,可求得可求得所以起振条件可改写为所以起振条件可改写为BgBggieoem1一般说来一般说来

22、, 有利起振有利起振,但这是有条件的但这是有条件的,其条件是其条件是gie对对LC回路的作用小到可忽略的程度回路的作用小到可忽略的程度,同时同时r极小极小,此时此时 ; 如果如果gie较大较大,则起振条件中的第二项不可则起振条件中的第二项不可忽略忽略,此时此时 ,反而不易起振反而不易起振,那么最佳反馈系数应为多那么最佳反馈系数应为多少呢少呢?B12CCggoemBC2C1LGieG0eGmIb/GieGoeIIbICUfUo+-+2121)(CCgCCGggiepoem令令 求得最佳反馈系数求得最佳反馈系数0)(minBdgdm)3171(ieoeoptggB在以上推导中在以上推导中,认为认为

23、 r=0 ,若考虑若考虑r 0 ,则起振条件应为则起振条件应为其中其中2pGGpp2121CCCPLCrLCQGp其中其中rGPGPLC1C2例例4-1 一Colpitts振荡器，振荡器，L=50us ,C1=200pF ,C2=100pF,LC回路回路的的Q=80,在工作点的在工作点的gie=1ms,goe=0.02ms,求振荡频率求振荡频率f和最和最小跨导小跨导(gm)min.解：解：pFCCCCC167100020010002002121MHzLCf74. 11016710502121126当当Q时，时，Gp 0, 需考虑固有损耗需考虑固有损耗msLCQGp0228. 010501016

24、7801161283. 010002001000212CCCpmsPGGpp033. 0)83. 0(228. 022msCCgCCGggiepoem465. 0100020012001000)033. 002. 0() ()(2112min电感三点式振荡器电路电感三点式振荡器电路三、电感三点式振荡器三、电感三点式振荡器电路和交流通路如图电路和交流通路如图交流通路交流通路振荡频率和振荡条件振荡频率和振荡条件 其分析方法与分析电容三点式相同其分析方法与分析电容三点式相同令特征方程令特征方程D的虚部为的虚部为0,得得振荡频率振荡频率:021221211)2(1)()2(1 LCMLLCMLLGGM

25、LLCoeie显见显见,振荡频率振荡频率 略小于略小于 0,也处于略失谐状态。也处于略失谐状态。令令D的实部为的实部为0，得，得起振条件起振条件：MLMLgMLMLggieoem1221MLMLUUBf120反馈系数反馈系数因为因为L1 L2绕在同一骨架上绕在同一骨架上,属全耦合属全耦合,即即K=1,21LLM 代入上式代入上式1212121122211212)()(NNLLLLLLLLLLLLLLB为兼顾起振和波形为兼顾起振和波形,可取可取N2=(0.10.5)N1四、两种三点式振荡器的比较四、两种三点式振荡器的比较电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式1、制作简单（、制作简单（L无抽头）

26、无抽头） 波形好（因为电容滤除高波形好（因为电容滤除高 次谐波性能好）次谐波性能好）2、频稳度高、频稳度高3、振荡频率高，一般可达、振荡频率高，一般可达 几百几百MHz4、调节、调节f不便不便用途：用于固定用途：用于固定f振荡器振荡器1、制作复杂（、制作复杂（L有抽头）有抽头） 波形较差（电感对高次谐波形较差（电感对高次谐 波呈高阻波呈高阻,滤波性能差）滤波性能差）2、频稳度稍低、频稳度稍低3、振荡频率不高，一般可达、振荡频率不高，一般可达 几十几十MHz4、调节、调节f方便方便5、当、当f不太高时不太高时,较易起振较易起振用途：用于可变用途：用于可变f振荡器振荡器五、改进型电容三点式电路五、

27、改进型电容三点式电路从以上比较可知，电容三点式比电感三点式性能好，但如何从以上比较可知，电容三点式比电感三点式性能好，但如何减小减小C Cieie、C Coeoe对频稳度影响仍是需解决的问题，于是出现了对频稳度影响仍是需解决的问题，于是出现了改进电路：改进电路：克拉泼克拉泼（clappclapp）oscosc；西勒西勒（seilerseiler）oscosc在在colpittscolpitts电路基础上在电路基础上在L L支路上支路上串联串联C C3 3，满足，满足C C3 3CC1 1、C C2 2，所以又，所以又称为称为串联改进型电容三点式串联改进型电容三点式oscosc基本思想：基本思想

28、：设法实现管、路分离，以甩掉设法实现管、路分离，以甩掉C Coeoe、C Cieie的影响。的影响。3332111111CCCCCCC所以其振荡频率所以其振荡频率3011LCLC 与与C1、C2无关。无关。1 1电路（如图）：电路（如图）：（一）克拉泼振荡器（一）克拉泼振荡器2 2起振条件起振条件：由交流通路可得由交流通路可得13313323213232CCCCCCCCCCCCCCpLQGp01QLCLQCCpGGpp21300231212112)(CCgCCGggiepoem（一）克拉泼振荡器（一）克拉泼振荡器其交流通路如图：其交流通路如图：讨论：讨论：导致不起振过份提高一定时min10,1mpgGC这都是克拉泼存在的缺点，他只适于频率不太高，频率覆盖这都是克拉泼存在的缺点，他只适于频率不太高，频率覆盖系数要求不高的场合。系数要求不高的场合。（二）西勒振荡器（二）西勒振荡器它主要是针对克拉泼存在的问题提出来的，其电路见下页：它主要是针对克拉泼存在的问题提出来的，其电路见下页：导致停振过分减小min032mpgGC3 . 12 . 1,minmaxkffk一般不能很高系数这种振荡器的频率覆盖QLCLQCCpGGpp213