正弦波振荡器

1、第第 3 章章 正弦波振荡器正弦波振荡器概概 述述3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理3.2 LC 正弦波振荡器正弦波振荡器3.3 LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度3.4 晶体振荡器晶体振荡器3.5 RC 正弦波振荡器正弦波振荡器概概 述述1. 与与功放的比较功放的比较( (从能量角度从能量角度) ) (1) 功率放大器：功率放大器：在在输入信号控制下输入信号控制下，把直流电源，把直流电源提供的提供的直流能量直流能量转换为按信号规律变化的转换为按信号规律变化的交变能量交变能量。(2) 正弦波振荡器正弦波振荡器(Sinewave Oscillator)：不需要输不需要输入信

2、号控制，入信号控制，自动地自动地将将直流能量直流能量转换为频率和振幅特转换为频率和振幅特定的定的正弦交变能量正弦交变能量。 2. 正弦波振荡器的应用正弦波振荡器的应用 (1) 无线发射机中的无线发射机中的载波信号源载波信号源，超外差接收机中，超外差接收机中的的本振信号源本振信号源，电子测量仪器中的，电子测量仪器中的正弦波信号源正弦波信号源，数，数字系统中的字系统中的时钟信号源时钟信号源。 要求：要求：振荡频率和振幅振荡频率和振幅尤其是振荡频率的准确性尤其是振荡频率的准确性和稳定性。和稳定性。 (2) 高频加热设备和医用电疗仪器中的高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能正弦交变能源源。要求：要

3、求：高效产生足够大的高效产生足够大的正弦交变功率正弦交变功率，对振荡，对振荡频率的准确性和稳定性不作过高要求。频率的准确性和稳定性不作过高要求。本章只讨论本章只讨论前一类用途的振荡器前一类用途的振荡器3. 分类分类( (按组成原理按组成原理) )反馈振荡器：反馈振荡器：利用正反馈原理构成，应用广泛。利用正反馈原理构成，应用广泛。 负阻振荡器：负阻振荡器：利用负电阻效应抵消回路中的损耗，利用负电阻效应抵消回路中的损耗，以产生等幅自由振荡。工作于微波段。二者工作原理以产生等幅自由振荡。工作于微波段。二者工作原理是一致的。是一致的。3.1 反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理1. 组成组成由由主

4、网络主网络和和反馈网络反馈网络构成的构成的闭合环路闭合环路。 例：例：变压器耦合反馈变压器耦合反馈振荡器振荡器( (交流通路交流通路) ) (1) 主网络主网络负载为谐振回路的负载为谐振回路的谐振放大器谐振放大器(2) 反馈网络反馈网络与与 L 相耦合的线圈相耦合的线圈 Lf。 2. 工作原理工作原理 讨论该闭合环路产生等幅持续振荡的讨论该闭合环路产生等幅持续振荡的条件条件。 (1) 刚通电时，须经历一段刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步振荡电压从无到有逐步增长的过程增长的过程； (2) 进入平衡状态时，振荡电压的进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频率要能振幅和频率要能维持在相应的平衡值上

5、维持在相应的平衡值上。 (3) 当外界不稳时，振幅和频率当外界不稳时，振幅和频率仍应稳定仍应稳定，而，而不会不会产生突变产生突变或或停止振荡停止振荡。 闭合环路闭合环路成为成为反馈振荡器反馈振荡器(Feedback Oscillator)的的三个条件三个条件： (1) 起振条件起振条件保证接通电源后从无到有地建立保证接通电源后从无到有地建立起振荡。起振荡。 (2) 平衡条件平衡条件保证进入平衡状态后能输出等幅保证进入平衡状态后能输出等幅持续振荡。持续振荡。 (3) 稳定条件稳定条件保证平衡状态不因外界不稳定因保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏。素影响而受到破坏。 3.1.1 平衡和起

6、振条件平衡和起振条件一、平衡条件一、平衡条件 将闭合环路在将闭合环路在处拆处拆开，并按所标极性定义它开，并按所标极性定义它的的环路增益环路增益为为 )(j)(j)(jfofioif kAVVVVVVT 同相又等幅，即同相又等幅，即若在某一频率若在某一频率 osc 上，上，fV与与iVifVV ，或，或1)j (osc T (3-1-1) 则当则当环路闭合环路闭合后：后：，角频率为，角频率为 (1) 主网络将输出正弦振荡电压主网络将输出正弦振荡电压oVosc 。 因而因而式式 (3-1-1) 即为即为振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件。 令令 (2) 所需输入电压所需输入电压iV全部由反馈电压全部

7、由反馈电压fV 提供，无需提供，无需外加输入电压。外加输入电压。 )(joscoscosce )()j ( TTT 则则平衡条件平衡条件改写为：改写为： (1) 振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模 1)(osc T(2) 相位平衡条件：相位平衡条件：环路增益的相角环路增益的相角2)(oscTn (n 0，1，2，) (1) 在刚接通电源时，电路中的各部分存在着各种在刚接通电源时，电路中的各部分存在着各种电的扰动，电的扰动，这些扰动这些扰动( (电流突变或管子、电路中的固有电流突变或管子、电路中的固有噪声噪声) )具有具有很宽的频谱很宽的频谱。 (2) 谐振回路具有谐振回路具有

8、选频功能选频功能，只有角频率为，只有角频率为 osc 的的分量分量( osc 0)才能在谐振回路两端产生较大的电压。才能在谐振回路两端产生较大的电压。(3) 变压器绕向正确，可保证反馈信号变压器绕向正确，可保证反馈信号 fV 与输入信与输入信号号iV 同相，经放大和反馈的循环，振荡电压的振幅不同相，经放大和反馈的循环，振荡电压的振幅不断增长。断增长。二、起振条件二、起振条件 若说明等幅持续振荡能否在接通电源后从无到有若说明等幅持续振荡能否在接通电源后从无到有地建立起来，还需讨论地建立起来，还需讨论起振条件起振条件。以。以变压器耦合反馈变压器耦合反馈振荡器振荡器来说明。来说明。 可见，振荡器接通

9、电源后，能够从小到大地建立可见，振荡器接通电源后，能够从小到大地建立起起振荡的条件振荡的条件是：是：(1) 振幅起振条件：振幅起振条件：(2) 相位起振条件：相位起振条件：ifVV 或或1)(osc T 2)(oscTn (n 0，1，2，) 这就是反馈振荡器的这就是反馈振荡器的起振条件起振条件。三、讨论三、讨论1. 起振过程起振过程 作为作为反馈振荡器反馈振荡器，要满足，要满足起振条件起振条件，又要满足，又要满足平衡平衡条件条件。为此：。为此：(1) 起振时起振时1)(osc T，iV迅速增长；迅速增长； 下降，下降，(2) 而后而后)(osc TiV的增长速度变慢；的增长速度变慢；时，时，

10、(3) 到到1)(osc TiV停止增长，振荡器进入平衡状态，停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅在相应的平衡振幅 ViA 上维持上维持等等幅振荡幅振荡。即电源接通后，环路增益的模值即电源接通后，环路增益的模值)(osc T 必须具有必须具有随振荡电压振幅随振荡电压振幅iV 增大而下降的特性增大而下降的特性( (如图如图) )。而环路而环路增益的相角增益的相角 )(oscT 则必须维持在则必须维持在2n上。上。 2. 实现方法实现方法 环路中必须包含环路中必须包含非线性环节非线性环节，多由，多由主网络放大器主网络放大器的非线性放大特性的非线性放大特性实现的。实现的。 例如：例如：变压

11、器耦合反变压器耦合反馈振荡器，刚通馈振荡器，刚通电电时，时，Vi 很小，放大器小信号工作，很小，放大器小信号工作，增益较大，相应的增益较大，相应的 为为大于大于 1 的水平线。的水平线。)(osc T的增大而下降。符合对的增大而下降。符合对当当iV 增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，增大到一定数值后，放大器进入大信号工作，由于放大特性非线性，放大器的增益将随由于放大特性非线性，放大器的增益将随iV 增大而减增大而减小，相应地小，相应地)(osc T也就随着也就随着iV)(osc T的要求。的要求。3.1.2 稳定条件稳定条件 一、问题的提出一、问题的提出1. 振荡电路中存在干扰振荡电路中

12、存在干扰 (1) 外部：外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。子和回路参数的变化。 (2) 内部：内部：振荡电路内部存在固有噪声振荡电路内部存在固有噪声( (起振时的起振时的原始输入电压原始输入电压, ,进入平衡后与输入电压叠加引起波动进入平衡后与输入电压叠加引起波动) )。均造成均造成)(osc T和和)(oscT 的变化，破坏已维持的的变化，破坏已维持的平衡条件平衡条件。2. 干扰对平衡状态的影响干扰对平衡状态的影响两种两种 (1) 通过放大和反馈的反复循环，振荡器离开原平通过放大和反馈的反复循环，振荡器离开原平衡状态，导致衡状态，导

13、致停振停振或或突变突变到到新的平衡状态新的平衡状态。原平衡状态原平衡状态是不稳定的是不稳定的。 (2) 通过放大和反馈的反复循环，振荡器能够产生通过放大和反馈的反复循环，振荡器能够产生回到平衡状态的回到平衡状态的趋势趋势。当干扰消失后，能回到平衡状。当干扰消失后，能回到平衡状态。原态。原平衡状态是稳定的平衡状态是稳定的。 在稳定的平衡状态下，振荡器的在稳定的平衡状态下，振荡器的振荡振幅和频率振荡振幅和频率虽会受到干扰的影响而稍有变化，但不会虽会受到干扰的影响而稍有变化，但不会导致停振导致停振或或突变突变。所以，为了产生等幅持续振荡，振荡器还必须。所以，为了产生等幅持续振荡，振荡器还必须满足稳定

14、条件满足稳定条件，保证所处，保证所处平衡状态是稳定平衡状态是稳定的。的。二、振幅稳定条件二、振幅稳定条件 图示图示增益特性环路，不增益特性环路，不仅满足仅满足起振和振幅平衡条件起振和振幅平衡条件，而且还满足而且还满足振幅振幅稳定条件稳定条件。 1. 稳定过程稳定过程 在在iAV ，外因使，外因使 T 的增量与内因使的增量与内因使 T 的减量相等，的减量相等，重新平衡重新平衡情况情况 1： ,iAiVV 1)(osc T 干干扰扰iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 最后在新的最后在新的平衡值平衡值iAV上重新满足平衡条件上重新满足平衡条件1)(osc T 环路特性环路特性情况情况

15、2： ,iAiVV 1)(osc T 干干扰扰 iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 最最后达到新的平衡。后达到新的平衡。2. 环路增益存在两个平衡点的情况环路增益存在两个平衡点的情况 如如右图所示右图所示，振荡器存在着两个，振荡器存在着两个平衡点平衡点 A 和和 B，其中其中 A 是稳定的，是稳定的，B 点点是否稳定呢？是否稳定呢？分析：分析：若使若使iBiVV ，则，则)(osc T随之增大，导致随之增大，导致iV进一步增大，从而更远离进一步增大，从而更远离平衡点平衡点 B。最后到达。最后到达平衡点平衡点 A。反之反之，若，若iBiVV )(osc T iV直到停止振荡。直到停

16、止振荡。 可见，这种振荡器不满足振幅可见，这种振荡器不满足振幅起振条件，须加大的电冲击，产生起振条件，须加大的电冲击，产生大于大于iBV的起始扰动电压，的起始扰动电压，才能进入才能进入平衡点平衡点 A，产生持续，产生持续等幅振荡等幅振荡。硬激励：硬激励：靠外加冲击而产生振荡。靠外加冲击而产生振荡。软激励：软激励：接通电源后自动进入稳定平衡状态。接通电源后自动进入稳定平衡状态。3. 振幅稳定条件振幅稳定条件 要使平衡点稳定，要使平衡点稳定，)(osc T必须在必须在iAV 附近具有负斜附近具有负斜率变化，即随率变化，即随iV增大而下降的增大而下降的特性：特性： iAiosc)(VVT 0 斜率越

17、陡，则斜率越陡，则iV的变化而产生的的变化而产生的)(osc T 变化越变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。 三、三、相位相位( (频率频率) )稳定条件稳定条件1)(oscT 的偏移对振荡频率的影响的偏移对振荡频率的影响(1) 相位平衡条件相位平衡条件2)(oscTn (n 0，1，2，)，表明每次放大，表明每次放大和反馈的电压与原输入电压同相。和反馈的电压与原输入电压同相。 )，因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率将高于因此，这种相位的不断超前表明振荡器的角频率将高于(2) 若某种原因使若某种原因使)(oscT 0，则通过每次放大

18、和，则通过每次放大和反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。由于反馈后的电压相位都将超前于原输入电压相位。由于正弦电压的角频率是瞬时相位对时间的导数正弦电压的角频率是瞬时相位对时间的导数(t / osc 。(3) 反之反之，若某种原因使，若某种原因使)(oscT 0，则由于每次，则由于每次放大和反馈后的电压相位都要滞后于原输入电压相位，放大和反馈后的电压相位都要滞后于原输入电压相位，因而振荡频率将低于因而振荡频率将低于osc 。2. 相位相位( (频率频率) )稳定的讨论稳定的讨论 如果如果)(T 具有随具有随 增加而减增加而减小的特性小的特性( (如右图如右图) )，则必将阻止由，则必将阻

19、止由外界因素引起的频率变化。外界因素引起的频率变化。 由于由于(1) 若某种原因使若某种原因使)(oscT 0，导致导致振荡频率振荡频率 原振荡频率原振荡频率 osc， )(T 随之减小，随之减小，iV的超前势必受到阻止，的超前势必受到阻止，0)(oscT 两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原两种情况都通过不断的放大和反馈，最后都在原振荡频率附近振荡频率附近osc 达到新的平衡，使达到新的平衡，使 。0)(osc (2) 若某种原因使若某种原因使 ，导致导致振荡频率振荡频率 )(T 随之随之增大增大，iV滞后滞后势必受阻势必受阻。原振荡频率原振荡频率 osc，3. 平衡过程：平衡过程：4

20、. 相位稳定条件相位稳定条件 0)(oscT 相角相角)(T 在在osc 附近有负斜率变化，斜率越陡，附近有负斜率变化，斜率越陡， 说明很小的振荡频率变化就可抵消干扰引起的说明很小的振荡频率变化就可抵消干扰引起的)(T = 0， 0， 反复循环，反复循环， )(oscT 0 干干总总 )(oscT 0)(T 反反复复循循环环)( 总总 达新的平达新的平衡。衡。 osc 干扰消失后，干扰消失后， )(oscT )(oscT 0，复原。，复原。 干干扰扰 )( 总总 的变化，干扰引起的频率波动就越小。的变化，干扰引起的频率波动就越小。 5. 例：说明例：说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件变压器

21、耦合振荡电路满足相位平衡条件的相移的相移(1) 放大器输出电压放大器输出电压 oV对输入电压对输入电压 iV)(A 如果如果 随频率的增大而增大，说明加剧振荡频随频率的增大而增大，说明加剧振荡频率的变化，无法实现新的相位平衡。率的变化，无法实现新的相位平衡。)(T oV的相移的相移(2) 反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 fV对对 )(f )(T 由由两部分组成：两部分组成： 即即)(T )(A )(f )(A 除放大管相移外，主要是并联谐振回路的相除放大管相移外，主要是并联谐振回路的相移移)(z ，它在谐振频率附近随，它在谐振频率附近随 的变化较快，相比的变化较快，相比之下，之下， )(f

22、随随 的变化十分缓慢，可认为它与的变化十分缓慢，可认为它与 无无关。故关。故)(z 随随 变化的特性可代表变化的特性可代表)(T 随随 变化变化的特性。并联谐振回路，其相频特性：的特性。并联谐振回路，其相频特性：)(z e00)(2arctgQ 0 谐振频率谐振频率 eQ有载品质因数有载品质因数 可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频可见在实际振荡电路中，是依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来满足相位稳定条件的，特性的谐振回路来满足相位稳定条件的， 且且eQ ，)(z 随随 的变化斜率越大，频率稳定度越高。的变化斜率越大，频率稳定度越高。 3.1.3 基本组成及其分析方法基本组成及其分析方法

23、 总之，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足总之，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振条件、平衡条件起振条件、平衡条件和和稳定条件稳定条件，缺一不可。，缺一不可。 1. 闭合环路组成闭合环路组成 (1) 可变增益放大器可变增益放大器提供足够的增益，且其增提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。益随输入电压增大而减小。 (2) 相移网络相移网络具有负斜率变化的相频特性，为具有负斜率变化的相频特性，为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为环路提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为2n。 2. 种类种类 根据根据可变增益放大器可变增益放大器和和相移网络相移网络的不同可实现的不同可实现多种多种反馈振荡电路反馈振荡电路(1) 可变增益放大器可变增益放大器 按放大管按放大管晶体三极管放大器晶体三极管放大器场效应管放