第五章 正弦波振荡器

1、第五章 正弦波振荡器 本章主要讨论的内容： n1.正弦波振荡器的起振条件和平衡条件。n2.反馈式正弦波振荡器的振荡原理和典型电路分析。（LC振荡器：电容三点式，电感三点式，电容三点式改进型振荡器）n3.振荡器的稳定度及提高稳定度的措施。n4.石英晶体振荡器。（高精确度，高稳定度振荡器） 51 概述n对于振荡器，我们最关心的问题是电路怎么会产生振荡；它的基本结构，电路组成以及振荡的波形、频率与哪些因素有关等。 n一、振荡器的定义： 振荡器是在没有外加输入信号没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变信号输出的装置。二、与放大器的异同点：相同

2、：都是能量转换装置不同：放大器：需外加激励信号n 振荡器：不需外加激励信号，其输出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。 n三、应用：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、电子医疗仪器、测量仪表乃至电子手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。n四、分类：n1、根据产生波形的不同，可分为：振荡器振荡器分类分类正弦振荡正弦振荡非正弦波振荡器非正弦波振荡器低频正弦振荡器低频正弦振荡器高频正弦振荡器高频正弦振荡器微波振荡器微波振荡器矩形波振荡器矩形波振荡器三角波振荡器三角波振荡器锯齿波振荡器锯齿波振荡器2、根据采用的分析法和振荡器的特性，可分为：反馈式振荡器、负阻式振荡器五、常用正

3、弦波振荡器的分类nRC振荡器nLC振荡器n石英晶体振荡器六、振荡电路的主要技术指标n振荡频率振荡频率f及频率范围:n频率稳定度：调频广播和电视发射机要求: 10-510-7左右 标准信号源: 10-610-12 要实现与火星通讯: 10-11 要为金星定位: 10-12n振荡幅度及稳定度n振荡波形的频谱纯度(残波辐射残波辐射): 讨论内容:从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡条件的分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定度。 52 反馈式振荡器 n组成：振荡回路：包含两个或以上的储能元件直流电源：补充由振荡回路电阻产生的能量损耗控制设备：控制能量转换的有源器件、具有正反馈作用的

4、选频网络如LC回路，RC网络等5.2.1 反馈式振荡器的基本原理:n反馈振荡器是由反馈放大器演变而来。 右图是反馈放大右图是反馈放大器的方框图器的方框图, ,由该图知由该图知: :oioifiioXFAXAXFXAXXAXAX )( )(FAAXXAXAFAXiofio1 )1 (iXAiXFoX反馈放大器方框图反馈放大器方框图 当放大器接成负反馈时，（5.2.1）式中取正号，当负反馈变成自激振荡器。其 振幅条件为1FA（5.2.1）1|FA相位条件为相位条件为.0,1,2,.n 12 argnFA 而振荡器往往直接引入的正反馈，如而振荡器往往直接引入的正反馈，如 上图上图 (+)号所示。号所

5、示。此时式此时式5.2.1式变为式变为FAAAf1当其当其1FA时，时，就会产生自激振荡就会产生自激振荡。（5.2.2）5.2.2 振荡器的平衡与稳定条件n1、起振过程和起振条件幅度条件： （5.2.5）相位条件： n2、平衡过程和平衡条件为维持等幅振荡所需满足的条件： 振荡器的平衡状态进入等幅振荡状态。选饱和特性还是截止特性限幅的考虑维持振荡器的振幅平衡条件： 维持振荡器的相位平衡条件： 1AFnFA201AFnFA203、平衡状态的稳定条件n所谓平衡状态的稳定条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。 n上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡

6、，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必需看平衡状态是否稳定。 n图 (a) 中的小球处于不稳定平衡状态。因为只要外力使它稍稍偏离平衡点 B ，小球即离开原来位置而落下，不可能再回到原状态。图 (b) 的小球则处于稳定平衡状态，因为外力可使它偏离平衡位置 Q ，外力一消除，它即自动回到原来的平衡位置。因此，所谓振荡器的稳定平衡，是指所谓振荡器的稳定平衡，是指在外因作用下，振荡器在平衡点附近可重建新的平衡状态。在外因作用下，振荡器在平衡点附近可重建新的平衡状态。一旦外因消失，它即能自动恢复到原来的平衡状态。一旦外因消失，它即能

7、自动恢复到原来的平衡状态。 3、平衡状态的稳定条件 n1）.振幅平衡的稳定条件n说明放大器的增益A必须与Ui变化趋势相反。 n形成稳定平衡点的根本原因是什么呢？由上所述可知，关键就在于在平衡点附近，放大倍数随振幅的变化特性具有负的斜率，即:n 01振幅平衡条件：FAiUAA与与Ui的变化方向相反的变化方向相反2）、相位稳定条件 n影响相位稳定的因素：电源波动，温度变化 n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。 n必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率 ，所以当振荡器

8、的相位变化时，频率也必然发生变化。 n外因引起的相位变化与频率的关系是：相位超前导致频率升高，相位滞后导致频率降低，频率随相位的变化关系可表示为 0 n为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有恢复相位平衡的能力。换句话说，就是在振荡频率发生变化的同时，振荡电路中能够产生一个新的相位变化，以抵消由外因引起的 频率变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为 0 ，写成偏微分形式，即 n相位平衡稳定条件：0g相位与频率的变化方向相反相位与频率的变化方向相反n说明要保证相位稳定必须有一个相频特性为负（负斜率）的网络。（LC并联网络正好具有此特性，因而 LC 并联 谐振回路不但是决定振

9、荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。 ） 5.3 振荡器的分析方法n一、瞬态分析法建立在非线性理论的基础上，采用近似解法n基本步骤：1、先画出振荡器的交流等效电路2、再列出整个环路的微分方程3、根据解出的振荡因子求振荡频率，根据解出的阻尼因子求振幅条件常用的方法有：范德堡方程、相平面法、数值解法等 二、稳态分析法建立在准线性理论的基础上 稳态分析方法考虑问题的基础是：振荡器在起振时是小信号，属于线性电路。因此，可按线性电路的分析方法来初理。而振荡器在平衡时虽属大信号非线性电路，但是对基波而言则属准线性电路，当引入平均参数后，即可按线性电路来近似处理，使问题的分析得到简化。所以稳态分析法

10、是适应在线性理论基础之上的。由前面分析可知，正反馈是产生自激振荡的必要条件。 而正反馈只是反馈放大器的特殊形式，我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来，如图所示。)(sVo)(sVs)(sF)(sA)(sUf)(sUi 根据反馈理论，整个反馈放大器的根据反馈理论，整个反馈放大器的“闭环增益闭环增益”Af(s)为为)()()(1)()()(1)()()()(sDsAsAsAsFsAsAsVsVsALsof其中其中)()()()()()(sVsVsFsVsVsAofio为放大器的电压增益为放大器的电压增益为反馈网络的反馈系数为反馈网络的反馈系数5.3.1基本依据：将振荡器看成是反馈放大器的特殊形式)

11、(1)()()()()()(sAsDsVsVsFsAsALifL为开环电压增益为开环电压增益为反馈放大器的特征多项式为反馈放大器的特征多项式 由式由式5.3.1可知，若令可知，若令UL(s)=0，则，则Af(s)趋于无穷趋于无穷,就是说在就是说在没有输入信号激励的情况下没有输入信号激励的情况下,就能自动地将直流能量转换为交就能自动地将直流能量转换为交流能量。因此，我们说振荡器是反馈放大器的特殊形式。这流能量。因此，我们说振荡器是反馈放大器的特殊形式。这是稳态分析方法的基本依据。是稳态分析方法的基本依据。 欲满足振荡条件就必须欲满足振荡条件就必须0)()(1)()(1sDsAsFsAL5.3.2

12、 这就是反馈放大器的特征方程。解此方程就可得振荡频这就是反馈放大器的特征方程。解此方程就可得振荡频率、振幅平衡条件和起振条件。所谓巴克好森准则、矩阵法率、振幅平衡条件和起振条件。所谓巴克好森准则、矩阵法网孔电流法等都是以此为基础的。网孔电流法等都是以此为基础的。n基本步骤：n1、先画出振荡器的交流等效电路，进而画出Y参数等效电路n2、依据振荡器的振荡条件求出反映此电路平衡条件的特征方程式D(s)=0D(s)=03、然后分别由分别由ReD(s)=0ReD(s)=0求振幅平衡条件，求振幅平衡条件， ImD(s)=0ImD(s)=0求振荡频率求振荡频率n4、用微变参数代替平均参数求得起振条件n常用的

13、方法有：巴克豪森准则、矩阵法、网孔电流法等5.4 RC正弦波振荡器n5.4.1 RC串并联网络振荡电路：文式桥振荡器文式桥振荡器相位条件：振幅起振条件：Au 3振幅平衡条件：Au =3振荡频率：RCf2105.4.2 移相式振荡电路n优点：n结构简单、经济n缺点：n选频作用差、调节频率不方便、输出幅度不够稳定、输出波形较差5.4.3 双T选频网络振荡电路n优点：n选频特性好、频率稳定性较高、输出波形较好n缺点：n调节频率较困难5.5 互感耦合振荡器n互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，因此，耦合线圈同名端的正确位置至关重要。同时，耦合量 M 要选择合适，使之满足振幅起振条件。

14、n5.5.1 单管互感耦合振荡器：n1、分类：根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来分 ：n集电极调谐型n发射极调谐型n基极调谐型特点：晶体管共射：功率增益高，输入阻抗高，结构简单，易起振，调节方便。但截止频率较低，频率稳定性差，适用于中、短波段频率不是很高的场合。晶体管共基：功率增益小，输入阻抗低，难于起振，但截止频率高，工作较稳定 。n2、反馈网络是否正反馈的判断相位判据：n“切环注入法” n3、振荡条件：n以集电极调谐型互感振荡器为例：如果电路又同时满足振幅条件如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了。就可以产生正弦振荡了。下面用巴克好森准则分析集电下面用巴克好森准则分

15、析集电极调谐型反馈振荡器的振荡极调谐型反馈振荡器的振荡条件。条件。集电极调谐型互感振荡器分析 设工作频率远小于振荡器的特征频率，忽略设工作频率远小于振荡器的特征频率，忽略其内部反馈的影响，用平均参数画出了下图其内部反馈的影响，用平均参数画出了下图的大信号等效电路，如图所示。它与变压器的大信号等效电路，如图所示。它与变压器耦合放大器区别在于次级负载就是放大器耦合放大器区别在于次级负载就是放大器输入端的输入端的Gie。LjrGCjGUGUieoeimo12LjrCjGGUUAmio1ieoeGGG212NN故故式中式中其中其中而而LjrMjILjrIMjUUFLLof其其 为为oU 根据巴克好森准

16、则，根据巴克好森准则，1FA即即11LjrMjLjrCjGGFAm可得可得012mMGrCLGjLCrG012rGLCjMGrCLGm即即0012mMGCrLGLCrG解上述方程组得解上述方程组得MCrLGGrGLCm11 起振时，应用微变参数代替平均参数，因此互感耦合振起振时，应用微变参数代替平均参数，因此互感耦合振荡器的起振条件是：荡器的起振条件是：MLGCrggmmmin)( 上式说明，上式说明，r越大越大，M越小越小，电路起振所需要的跨导电路起振所需要的跨导gm就越大就越大。当当M=0时时，起振需要的跨导起振需要的跨导gm为无穷大为无穷大。这表明这表明电路已不再是振荡器了电路已不再是振

17、荡器了。集电极调谐型互感振荡器分析n相位保证：同名端的正确接法 n起振条件和振荡频率：n起振条件： （5.5.7）n(跨导： 总电导： 耦合度：M)n（5.5.7）式结论：n（1）只有 满足（5.5.7）式才起振。n（2）M越大越易起振。n（3） 对起振有利。n振荡频率： （5.5.6）MLGrCgmmgGGrC,mgrGLCg11集电极调谐型互感振荡器分析n结论：n（1） 不仅决定于LC，也受 r 和 的影响，即振荡器的频率和晶体管的参数有关。（。（G G=G=Goeoe+2 2G Gieie） 。n（2） 略高于 ， r 越小， 与 越接近。n（3）fo受 变化影响。实际上，管子的极间实际

18、上，管子的极间电容对高频振荡频率影响较大，这一点是不希望的。电容对高频振荡频率影响较大，这一点是不希望的。因为这些参数与温度有关。因为这些参数与温度有关。 gg0Ggg0VT 、互感耦合振荡器的特点和适用性：n 变压器分布电容限制了振荡频率的提高，宜工作在频率不太高的中、短波段本机振荡。5.5.2差分对管互感耦合振荡器 n1、电路：图5.18n2、元件介绍：两差分对管的集电极分别接有由两差分对管的集电极分别接有由L L1 1、C C1 1、R R1 1和和L L2 2、C C2 2、R R2 2组成组成并联谐振回路。反馈电压并联谐振回路。反馈电压 和输出电压和输出电压 分别由两管的分别由两管的

19、集电极取出。振荡器的闭环回路由集电极取出。振荡器的闭环回路由BGBG1 1的集电极经互感的集电极经互感线圈耦合到线圈耦合到BGBG2 2的基极，然后通过共发耦合电路回到的基极，然后通过共发耦合电路回到BGBG1 1的集电极。图的集电极。图A A与与D D同相，环路满足正反馈特性。再调节同相，环路满足正反馈特性。再调节互感互感M M使之满足振幅平衡条件，电路便可进入振荡状态。使之满足振幅平衡条件，电路便可进入振荡状态。n3、优点：n与单管振荡器比较，差分对管振荡器更为与单管振荡器比较，差分对管振荡器更为优越：优越：1.输出回路不在反馈环路内输出回路不在反馈环路内，只要只要BG2不工作在饱和区内不

20、工作在饱和区内，负载与环路就处于隔离状态负载与环路就处于隔离状态，振荡器的频率稳定度和幅度振荡器的频率稳定度和幅度稳定度都会有所提高稳定度都会有所提高；2.输出不含有偶次谐波输出不含有偶次谐波，且奇次谐波成分比较小且奇次谐波成分比较小，故失真故失真大为减小大为减小。5.6 LC正弦波振荡器 n LC正弦波振荡器：n 采用LC谐振回路作为相移网络的反馈振荡器称为LC正弦波振荡器。n LC振荡器的分类：变压器耦合式差分对管式1.三点式（电感三点式、电容三点式及它的改进型）本节讨论要点： LC正弦波振荡器的构成原则。电感三点式和电容三点式振荡器的特点。n改进型电容三点式振荡器克拉波振荡器和西勒振荡器

21、。 n电视接收机中的本机振荡器常选用西勒电路。调频接收机的集成电路中，振荡器基本上都是三端式电路。 三点式振荡器 n1、何谓三点式振荡器：n所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言，由由LC回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器振荡器。n2、三点式振荡器的基本类型和它的一般电路： 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压。构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电压。5.5.1 5.5.1 构成三点式振荡器的原则构成三点式振荡器的原则( (相位判据相位判据) ) 假设假设: (1)不计晶

22、体管的电抗效应；不计晶体管的电抗效应； (2)LC回路由纯电抗元件组成，即回路由纯电抗元件组成，即为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三为满足相位条件，回路引出的三个端点应如何与晶体管的三个电极相连接？个电极相连接？ 如图所示，谐振时，谐振回路应呈纯阻性，此时振荡器如图所示，谐振时，谐振回路应呈纯阻性，此时振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，于是有的振荡频率十分接近回路的谐振频率，于是有cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即即5.5.15.5.25.5.3电路中的三个电抗元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成三点

23、式振荡器的相位判据三点式振荡器的相位判据图图5.5-1 放大器已经倒相放大器已经倒相, ,即即 与与 差差180180，所以要求反馈电所以要求反馈电压压 必须与必须与 反相才能满足相位条件反相才能满足相位条件，如图，如图5.5-1所示。所示。oUiUfUoUcebecebeofXXjXIjXIUUF 因此，因此，Xbe必须与必须与Xce同性质同性质，才能保证才能保证 与与 反相反相。 由由5.5.3和和5.5.4式，归结起来，式，归结起来，Xbe和和Xce性质相同性质相同；Xcb和和Xce、Xbe性质相反性质相反。这就是三点式振荡器的相位判据这就是三点式振荡器的相位判据。也。也可以这样来记忆，

24、可以这样来记忆，与发射极相连接的两个电抗性质相同与发射极相连接的两个电抗性质相同，另另一个电抗则性质相反一个电抗则性质相反。即：。即：射同基反射同基反射同他异射同他异fUoU5.5.4结论：三点式电路的正确构成如图：例 ：振荡电路如图 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？ n解 1) 根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图所示。 n2) 根据交流等效电路可知，因为 x eb 为容性电抗，为了满足三端电路相位平衡判断准则， x ce 也必须呈容性。同理， x cb 应该呈感性。 n根据并联

25、谐振回路的相频特性 ，当振荡频率 f 0 f 1 ( 回路 L 1 C 1 的固有频率 ) 时， L 1 C 1 呈容性。根据 x be + x ce + x bc =0 ， L 3 C 3 回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图 可知， f 0 f 3 时可以振荡，等效为电容三端振荡电路。其条件可写为 即 L 1 C 1 L 3 C 3 5.6.2电容三点式振荡器考毕兹振荡器 电容三点式振荡器n元件的作用：Colpitts 其中其中ZLZL为高频扼流圈，防止高频交流接地。为高频扼流圈，防止高频交流接地。R Rb1b1、R Rb2b2、Re为为分压式偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件（即振幅

26、偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件（即振幅条件），图条件），图 (a)画了交流等效电路。画了交流等效电路。(b)为为Y参数等效电路。参数等效电路。电容三点式振荡器的等效电路电容三点式振荡器的等效电路 容易判断振荡器属并容易判断振荡器属并- -并联接，电压取样电流求和的反并联接，电压取样电流求和的反馈放大器。设其信号源电流为馈放大器。设其信号源电流为 ，负载电流为，负载电流为 ，显然，显然sILIooifLoriisUYUYIUYUYI式中，式中，Yi网络网络aa-bb的大信号输入导纳；的大信号输入导纳； Yr网络网络aa-bb的大信号反向传输导纳；的大信号反向传输导纳； Yf网络网络aa-bb

27、的大信号正向传输导纳；的大信号正向传输导纳； Yo网络网络aa-bb的大信号输出导纳。的大信号输出导纳。 实际上实际上 ，这只不过是虚构的。而，这只不过是虚构的。而意味着式意味着式5.5.5是线性齐次方程。即是线性齐次方程。即00LsII，00oiUU，5.5.500ooiforiiUyUyUyUy 其系数行列式为其系数行列式为0 0，即，即0y y o rfiyy 因网络因网络aa-bb是两个网络是两个网络(有源和无源有源和无源)并并-并联接，所并联接，所以以0y y y y y y y y oTrTonrnrTrToronfnfTrniniTfninfTiTfiyyyyyyyyyyyy 式

28、中，式中，T表示晶体管，表示晶体管，n表示无源网络。即表示无源网络。即5.5.65.5.75.5.8 0fnfTrnrTonoTiniTyyyyyyyy 这就是反映振荡器满足平衡条件方程这就是反映振荡器满足平衡条件方程。使用上述方法时，。使用上述方法时，应使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的应使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条件。条件。 5.5.9式中式中yT是晶体管参数，可以测得和计算出是晶体管参数，可以测得和计算出, yn则则可以由具体网络根据可以由具体网络根据y参数的定义求得。参数的定义求得。 假设，振荡器的工作频率远低于假设，振荡器的工作频率远低于fT，

29、且忽略内部反馈的，且忽略内部反馈的影响和不计晶体管的电抗效应，有影响和不计晶体管的电抗效应，有5.5.9oernG G0 ieTGy5.5.10 由下图，根据由下图，根据y y参数的定义，可求得无源网络参数的定义，可求得无源网络|y|yn n| |为为LjCjUIyLjUIyLjUIyLjCjUIyioioUooonUiofnUoirnUiiin1111100020无源网络无源网络5.5.11 将式将式 5.5.10和和5.5.11代入式代入式5.5.9得得 0111112LjGLjLjCjGLjCjGrnoeie整理得整理得021212221LCCCCGGjLGGGGCGCoeieoeier

30、noeie 令其虚部等于令其虚部等于0,可求得振荡频率为可求得振荡频率为211CGCGLCoeieg式中式中2121CCCCC 可见，可见，电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振电容三点式振荡器的振荡频率略高于回路的谐振频率频率，且与晶体管的参数有关且与晶体管的参数有关。 令其实部等于令其实部等于0 0，并近似认为，并近似认为 ，可求得其，可求得其振荡振荡平平衡条件为衡条件为LC1ieoemGCCGCCG2112 用微变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小用微变参数代替平均参数，可求得起振时所要求的最小跨导跨导(gm)min，其起振条件为，其起振条件为ieoemmgCCgCCgg21

31、12min因反馈系数因反馈系数2112CCCjICjIUUFof代入上式得代入上式得ieoemmFggFgg1min影响起振的因素：影响起振的因素：图（图（a a）影响起振因素）影响起振因素 从图（从图（a a）可以看出，）可以看出，反馈电压反馈电压 不仅取决于电容不仅取决于电容C C2 2 ，还与晶体管的输入导纳还与晶体管的输入导纳gie有关有关。当。当gie较小时，较小时，gie的分路作的分路作用可以忽略，此时第一项起主要作用用可以忽略，此时第一项起主要作用fUFggoemmin当当min2mgFC，利于起振利于起振。 当当gie较大时，较大时，gie的分流作用不能忽略，此时第二项起主的分

32、流作用不能忽略，此时第二项起主 要作用，要作用，iemFggmin则则 min2mgFC，难于起振难于起振。 所以不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振，而应所以不能简单地认为反馈系数越大，就越易起振，而应该有一定范该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏，反馈系数过大会产围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常生较大的波形失真。通常F0.010.5，且一般取得较小。且一般取得较小。起振条件的修正： 以上的讨论，没有考虑线圈的损耗，如考虑到以上的讨论，没有考虑线圈的损耗，如考虑到r的影响的影响,gm要求将会增大，则起振条件应该修正，如图

33、（则起振条件应该修正，如图（b）所示。）所示。 将将r经过两次折算，折算到经过两次折算，折算到ce两端和两端和goe并联，所以起振并联，所以起振条件应修正为条件应修正为ieLoeieLoemmFgggFgCCggCCgg12112min图（图（b b）起振条件修正）起振条件修正5.6.3 电感三点式振荡器哈特莱振荡器 1、电感三点式振荡器及其作用：n元件作用：电感三点式振荡器电路如图电感三点式振荡器电路如图所示。所示。 是从是从L2取得的取得的, 故称故称为电感反馈三点式振荡器。为电感反馈三点式振荡器。通常通常L1、L2同绕在一个骨架同绕在一个骨架上，它们之间存在着互感，上，它们之间存在着互感

34、，且耦合系数且耦合系数M1。2、交流等效电路：3、振荡条件与振荡频率： 下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件下面利用基尔霍夫定律列出网孔方程来分析其振荡条件. .由图由图 (c)列出回路方程：列出回路方程：0)()(12IIMjIILjIGcbbie012010121121122ICjMjLjLjILjMjILjMjIMjLjILjGIGGGMjIMjLjIMjILjGcbcoeboeiemcbie5.5.19 令上面方程组系数行列式令上面方程组系数行列式D D的虚部等于零，得的虚部等于零，得0 1 2122121MLLCCMLLGGoeie221212 21MLLGGCMLLoe

35、ieg得得 可见，可见，g略低于回路谐振角频率略低于回路谐振角频率0，且振荡频率与晶且振荡频率与晶体管参数有关，即体管参数有关，即 。通常选取：。通常选取：2212122MLLGGMLLCoeie故故LCg15.5.205.5.21有关与oeiegGG ,式中式中L=LL=L1 1+L+L2 2+2M+2M为求起振条件，设式为求起振条件，设式5.5.205.5.20第三个方程中第三个方程中 的系数为的系数为0,0,此时令此时令5.5.205.5.20式的系数行列式的实部等于式的系数行列式的实部等于0 0，即，即022221222oeoeiemieGLMMLMLGGGGMLI可得振荡平衡条件可得

36、振荡平衡条件MLMLGMLMLGGieoem12215.5.22因此振荡条件是因此振荡条件是MLMLGMLMLGggieoemm1221min5.5.231212F NNMLMLUUof 故起振条件可写成：故起振条件可写成：ieoemmgFgFgg1min 至于反馈系数的选取，为兼顾振荡的振荡波形，通常取至于反馈系数的选取，为兼顾振荡的振荡波形，通常取F=0.10.5。5.5.245.5.255.6.4电容三点式和电感三点式振荡器的比较（优缺点） n电容三点式 电感三点式n1、 （C1/C2） n2、 XL=L , XL 对高次谐波可滤 不能滤去高次谐波， 除，波形失真小，接近正弦波 输出波形

37、较差 （失真大） Ci+Co并入LC回路： Ci+Co对回路特性影响但回路C1和C2较大，Ci+C 0 较大（因回路L大C小）影响较小 工作频率高 工作频率低n 调整频率困难 易起振频率调节方便。 12CCF 1212NNMLMLFccCXX,15.6.5 改进型电容反馈三点式振荡器 n从上面分析可知，电容三端式电路比电感三端式电路性能要好些，但如何减少晶体管输入输出电容对回路的影响仍是一个必须解决的问题，于是出现了改进型的电容三端式电路克拉泼电路。 nCie和Coe对振荡频率的影响n减小Cie和Coe对回路的影响可在L串一电容C3变成克拉波振荡器 一、串联改进型电容三点式振荡器克拉波振荡器

38、a) 克拉波振荡器 b)交流等效电路2、性能分析：nC3的作用：na)决定振荡频率 nb)减小Cie和Coe对振荡频率的影响 23133313221321CCCCCCCCCCCCCCC，取31LCogC1和C3大小对起振和振幅的影响 n接入系数： ngP折合到ce回路Gln起振条件：n基本放大器增益：(CCCCCCCCCCCPce),(3132CCCC02130222102312111QLCLQLCLQCCPggOOOOcePLieOoemmgCCQLCgCCgg21021312min)(LoemuogggA讨论：电路参数变化对振荡器特性的影响 n1、 n2、 n这说

39、明，要使振荡稳定和幅度均匀，不允许 变化太大，即说明振荡覆盖不宽。n 3、 起振难度加大（分流增大）min01mLggC振幅uoA起振难min03mLggC振幅uoA0易于起振min0mLggQ振幅uoA克拉波振荡器存在的问题和解决的方法 n问题： n解决方法西勒振荡器 。振幅起振困难31CC二、并联改进型电容三点式振荡器西勒（Seiler）振荡器 n1、电路特点：2、性能分析n振荡频率： n 调节C4可调f0n起振条件：n n 4301CCL(CCCCCCCCCCCPceLQCCgOL02311ieoemmgCCLQCCgCCgg2100232112min)(分析

40、na)Pce与C4无关，改变C4不影响Pce和gL。nb) n Kd1.61.8，且幅度均匀 利于起振min04mLggC振幅uoA5.6.6几种三点式振荡器的性能比较n考毕兹n哈特莱n克拉波n西勒5. 小结 n以上所介绍的五种 LC 振荡器均是采用 LC 元件作为选频网络。由于 LC 元件的标准性较差，因而谐振回路的 Q 值较低，空载 Q 值一般不超过 300 ，有载 Q 值就更低，所以 LC 振荡器的频率稳定度不高，一般为 量级，即使是克拉泼电路和西勒电路也只能达到 量级。如果需要频率稳定度更高的振荡器，可以采用晶体振荡器。 4103104105.7 振荡器的频率稳定度 n本节要点：n频率

41、稳定度的含义n影响频率稳定度的主要因素n提高频率稳定度的措施一、频率准确度n准确度和稳定度的重要性n1、定义n2、分类及表征：nf准确度：绝对准确度n 相对准确度二、频率稳定度 n1、定义n2、分类及表征：nf稳定度：绝对稳定度n 相对稳定度 n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：n长期频率稳定度：长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。它主要用来评价天文台或计量单位的高精度频率标准和计时设备的稳定指标。 n短期频率稳定度：短期频率稳定度：一般指一天以内频率的相对变化最大值。外界因素引起的频率变化大都属于这一类，通常称之为频率漂移。短

42、期频率稳定度一般多用来评价测量仪器和通信设备中主振器的频率稳定指标。 n瞬间频率稳定度：瞬间频率稳定度：指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。 n短期频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参数不稳定性等因素有关。长期频率稳定度主要取决于有源器件和电路元件及石英晶体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。而瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。 n对频率稳定度的要求因用途而异。对中波电台发射机为 10 5 数量级，电视发射机为 10 7 数量级，普通信号发生器约为 10 4 10 5 数量级，高精

43、度信号发生器约为 10 7 10 9 数量级。 5.7.2频率稳定度分析n一、影响频率不稳定的因素： nLC回路参数的不稳定n晶体管参数的不稳定n二、定性分析：ZFZY00提高频率稳定度的一般规律n要 小 n a)设法减小 n b)设法使Y，Z，F 不完全同号，相互低偿一部分n c)提高回路Q值，以得较大的 , 即要求并联谐振回路相频特性的斜率要大。0Z电路参量变化对振荡频率稳定度影响的定量关系 YFYFYFanQQQt2200cos22结论：要提高回路的频率稳定度 a)要提高回路的标准性b)回路Q值要高c)电路的YF要小5.7.3提高频率稳定度的措施： n1. 减小外因变化，根除“病因” n

44、1) 减小温度的变化： 为了减小温度对振荡器频率的影响，可将振荡器放在恒湿槽内；另使振荡器远离热源，在电路设计、安装时振荡器不要靠近功放；采取温度补偿方法，如采用正、负温度系数不同的 L 、 C ，抵消 L 、 C ，使 为零。 n2) 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。 n3) 减小湿度和大气压力的影响 ：通常将振荡器密封起来。 n4) 减小磁场感应对频率的影响： 对振荡器进行屏蔽。 n5) 消除机械振动的影响： 通常可加橡皮垫圈作减振器。 n6) 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，提高回路 Q 值；本级

45、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 ) 。2、提高电路抗外界因素影响的能力：1）. 提高振荡回路的标准性 回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。 n要提高回路标准性即要减小 L 和 C ，可nA.采用高质量的回路元件：采取优质材料的电感和电容，如将镀银线圈绕在高频骨架上；采用优质云母电容。nB.减小分布电容和引线电感：注意安装的结构工艺，在结构工艺上紧固回路元件，尽量缩短引线，采用机械强度高的引线，如较粗的镀银线进行牢固的安装和焊接，以提高分布电容的稳定性，并减小分布电感。在频率较高的频段，常采用柱形电容，使电容的

46、外接线缩到最低限度。nC.减小不稳定电容对回路标准性的影响：一是降低振荡频率，二是采用弱耦合，即采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，从而提高了频率稳定度。 nD.提高回路的有效Q值 2）减小相角 及其变化量n由相位平衡条件得知， j YF = j Z ，若 j YF 大，则要求 jZ 大，才能满足相位平衡，即意味着回路失谐严重。由前述可知，为使振荡器的频率稳定度高，则要求 j YF 的数值小，且变化量小。 j YF = j Y + j F ， j Y 是集电极电流基波分量与基极输入电压之间的相角，数值总是负的。理论和实践都证明，

47、 随工作频率的升高jY基本上成正比的增大。除此之外，在高频工作时，发射极电流产生负脉冲，以及振荡波形失真都会使相角 j Y 增大。为了减小 j Y ，可使振荡器的工作频率比振荡管的的特性频率低很多，即 ff T ，并选用电容三端式振荡电路，使振荡波形良好。 nj F 是反馈系数的相角。这是由于振荡管的输入阻抗、输出阻抗以及振荡回路本身的损耗而引起的相角，对电容三端电路而言， j F 0 ，对电感三端电路，则 j Y 0 ，为使 j YF 小，则选择电容三端电路较好。FY5.8 石英晶体振荡器石英是矿物质硅石的一种，化学成分是 SiO 2 ，是形如六面锥体的结晶体 石英晶体振荡器的特点：高准确度

48、，高稳定度（一般105106，最高1091011），点频工作。5.8.1石英谐振器的性能和等效电路n石英晶片的固有机械振动频率与晶片的几何尺寸和结构有关。n 石英晶片的正压电效应与逆压电效应n 正压电效应：振动力-交变电荷量n 逆压电效应：交变电压-交变机械振动n 谐振：当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一个固有的机械振动频率。外加交变电压的频率等于晶体固有机械振动频率时，晶片的机械振动最大，晶片两片的电荷量最多，在外电路中交流电流最大，便产生了谐振。 结构及外形：将石英晶体按一定方位切割成片，两边敷以电极，焊上引线，再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体谐振器 ( 简称石英晶振 ) 。 n石

49、英晶振的固有频率十分稳定，它的温度系数 ( 温度变化 1 所引起的固有频率相对变化量 ) 在 以下。另外，石英晶振的振动具有多谐性，即除了基频振动外，还有奇次谐波泛音振动。对于石英晶振，既可利用其基频振动，也可利用其泛音振动，前者称为基频晶体，后者称为泛音晶体。晶体厚度与振动频率成反比，工作频率越高，要求晶片越薄，机械强度越差，加工越困难，使用中也易损坏。由此可见，在同样的工作频率上，泛音晶体的切片可以做得比基频晶体的切片厚一些。所以在工作频率较高时，常采用泛音晶体。通常在工作频率小于 20MHz 时采用基频晶体，大于 20MHz 时采用泛音晶体。 610石英谐振器的符号及等效电路 n（1）n

50、 n Lq 很大，Cq 很小，Qq 很大，几万至几百万n（2）接入系数P= C q /(C 0 + C q )很小，大约为104103，所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。 电抗特性 651010 很大：qQ3241(1010 )1111010qqqqHLQCrpF几十综合以上两点，不难理解石英晶振的频率稳定度是非常高的。 （3）串联谐振频率和并联谐振频率串联：并联：标称频率fN：f N 的值位于 f q 与 f p 之间，这是指石英晶振两端并接某一规定负载电容 C L 时石英晶振的振荡频率。 负载电容 C L 的值在生产厂家的产品说明书中有注明，通常为 30pF( 高频晶体 ) ，或 1

51、00pF( 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 ) 。 qqs21CLfq0q0qp21CCCCLf0qs1CCf石英谐振器的电抗频率特性曲线 讨论：na)感性区曲线斜率大，利于稳频。n 设外因使n振荡器应用感性区特性。nb)容性区不宜用原因：n 1、容性区曲线变化缓慢，不利于稳频n 2、如晶体弄坏，仍呈C0无法判定晶体是否起作用。qqqCLL15.8.2石英晶体振荡器 n分类：以石英谐振区在谐振器中的作用分：n并联型晶体振荡器：石英振荡器在回路作为等效电感元件（高Q,L），又分为：n皮尔斯振荡器，n密勒振荡器，n并联泛音晶体振荡器。n串联谐振型振荡器：石英振荡器在回路作为串联谐振元件（选频网络），又分为：n串联基音晶体振荡器n串联泛音晶体振荡器一、并联型晶体振荡器 n1、皮尔斯(Pierc