正弦波振荡器重庆三峡学院

1、第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器1第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.2 LC 振振 荡荡 器器4.3 频率稳定度频率稳定度4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器24.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 反馈型振荡器是由放大器和反馈网路组成的一个闭合环路，放大器通常是以某种选频网络作负载，是一调谐放大器，反馈网路一般是由无源器件组成的线性网络 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器3)()()(sUsUsKSou)()()()()(sUsUsFsKsTii)()()(sUsUsFoi)(1)()

2、()(1)()(sTsKsFsKsKsKu)()()(sUsUsKio)()()(sUsUsUisi第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器41)()()(jFjKjT通常又称为振荡器的平衡条件。 ,)()(,1)(sUsUjTii增幅振荡减幅振荡自激条件)()()()()(sUsUsFsKsTii)(1)()()()(sTsKsUsUsKsou,)()(,1)(sUsUjTii第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器51)( KFjTbicoUUUU,1)()()(jFjKjT 2 , 1 , 02nnFKT振幅平衡条件相位平衡条件单调谐谐振放大器为例来看K(j)与F(j)的意义：Lfccb

3、cbcioZjYIUUIUUUUjK)()(ZL为放大器的负载阻抗LjLccLeRIUZYf(j)为晶体管的正向转移导纳 fjfbcfeYUIjY)(第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器61)()()()()(jFZjYjFZjYjTLfLf 2 , 1 , 02nnFLfLfZjYjK)()(1)()()(jFjKjT振荡条件可写为振幅平衡条件相位平衡条件1FRYLf第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器71)(FRYjTLf , 2 , 1 , 02nnFLfT振幅条件相位条件1)()()(jFjKjT1)( KFjT 2 , 1 , 02nnFKT振幅条件相位条件（正反馈条件）第第

4、4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器80UoUb(a)A反馈特性放大特性0UoUb(b)F1AK第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器90iAiUUiUT0iAiUUiUK 在外界因素影响下，振荡器能通过放大和反馈的不断循环，在原平衡点附近建立起新的平衡状态；而当外界因素消失后，振荡器能自动回到原平衡状态，则原平衡点是稳定的。振幅条件KFjT)(第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器1001L一个正弦信号的相位和它的频率之间的关系dtdtd012 (fF )L(fF )L,相位条件 , 2 , 1 , 02nnFLfTLrCCIC.IR.R0IL.L0B11/2Q1 Q2Q1Q20 /2

5、/2感性Q2Q1Q1 Q2容性Z( a )( b )( c )( d )U.0|zp|/R0I.第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器11 C VCC M Rb1 Rb1 Rb2 Cb Ce Re L L1 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器12互感耦合振荡器可以通过耦合线圈同名端的正确位置实现正反馈的相位起振条件、相位平衡条件；通过选择线圈之间合适的互感耦合量M，使之满足振幅起振条件、振幅平衡条件LC并联谐振选频网络具有相位稳定条件，三极管基极分压式自偏压电路具有自动稳定振幅的功能互感耦合振荡器在调整反馈（改变M）时，基本上不影响振荡频率。但由于变压器线圈的分布电容限制了振荡频率的提

6、高，所以该种电路一般应用于中、短波波段。为了提高振荡频率可以采用LC三点式振荡器。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器13振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定；相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定；振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线性电路。振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。 振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网路，它们必须完成选频、稳频、稳幅的功能。 利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换为丙类工作状态。 振

7、荡条件第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器144.2 LC 振振 荡荡 器器 Ic.VUb.Uc.X2X1X3I. LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路0321XXX谐振时回路应呈纯电阻性 回路Q值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流ib、集电极电流ic以及发射极电流ieIjXUc1X1、 X2应为同性质的电抗元件IjXUb2 X3与X1、 X2应为相反性质的电抗元件。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器15LC2C1V(a )CL2L1V(b )X2X1X3X3X1X2LC2C1V(a )CL2L1V(b )X2X1X3X3X1X2电容反馈振荡器, 考必兹(

8、Colpitts)振荡器电感反馈振荡器, 哈特莱(Hartley)振荡器三端式振荡器基本电路第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器16(d)Cbc(a)(b)(c)(e)(f)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器17CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)VLC2C1V(b) gieUb.C1C2egieUb.(c)goegLbUb.gmI.组合自偏压振幅稳定 LC并联谐振相位稳定 LC并联谐振相位稳定 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器182121CCCCCLC101gieUb.C1C2egieUb.(c )goegLbUb.gmI.振荡频率 LC2C1V(b)第第4 4章章

9、 正弦波振荡器正弦波振荡器19FieFLoemKgKggg1)(12FLoeieFmLfKgggKgFRY21)(CCUUjFKcbFgieUb.C1C2egieUb.(c )goegLbUb.gmI.振幅条件 反馈系数KF 1)( KFjT1)(FRYjTLfieFLoeLLgKgggR21放大器总负载电阻RL正向导纳Yf mfgY 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器20 频率可调范围有限。调整C1和C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。 3）适用于较高的工作频率。可以直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容，它的工作频率可以做到几十到几百兆赫兹的甚高频波段范围。优点 ： 1

10、）振荡波形好。反馈由电容产生，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小，对波形影响较小。 2）电路的频率稳定度高。适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。缺点： 只要在L两端并上一个可变电容，并令C1和C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。 改造措施：第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器21CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2Ucb.Ub.CL2L1V(b)gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器22LC101MLLL221振荡频率 CL2L1V(b)gieUb.L1cegi

11、eUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器23振幅条件 gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M1)( KFjT1)(FRYjTLfMLMLUUjFKcbF12)(反馈系数KF ieFLoeLLgKgggR21放大器总负载电阻RL正向导纳Yf mfgY FieFLoemKgKggg1)(12FLoeieFmLfKgggKgFRY第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器24 2）振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可；C的改变基本上不影响电路的反馈系数。 1）容易起振。L1和L2之间有互感，反馈较强优点

12、：缺点： 1）振荡波形不好。因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，波形失真大。 2）振荡频率不能做得太高。因为频率太高，L太小则分布参数的影响太大第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器251. 克拉泼振荡器R2R1ReCbEcRc(a )LC1C2C3(b )L RoC1C2C3V R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)L RoC1C2C3V213, CCC 减小了晶体管对LC谐振回路的耦合，减小了极间电容对LC谐振回路参数的影响，从而提高频率稳定度第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器26332111111213CCCCCCCCoLR

13、CCRpR21302)(LC101R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)L RoC1C2C3V振荡频率 31LC振幅条件 1)( KFjT1)(FRYjTLf正向导纳Yf mfgY 21)(CCUUjFKcbF反馈系数KF 总负载电阻RL02321RCCCgm102123RCCCgFRYmLf第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器27 频率稳定度高。因为晶体管极间电容的接入系数小，即极间电容对LC谐振回路的影响较小优点：缺点： 可调频率范围低。因为调整C1、C2或C3的值时，会影响反馈系数F或等效负载RL，从而影响到振荡条件。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器282. 西勒

14、振荡器西勒振荡器 R2R1ReCbEcRc(a )LC1C2C4(b )LC1C2C3VC3C4VR2R1ReCbEcRc(a )LC1C2C4(b )LC1C2C3VC3C4VLC101振荡频率 4343211111CCCCCCC)(143CCLoLRCCRpR21302)(振幅条件 1)(FRYKFjTLf正向导纳Yf mfgY 21)(CCUUjFKcbF反馈系数KF 总负载电阻RL02321RCCCgm102123RCCCgFRYmLf第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器29 频率稳定度高，频率可调范围较大。因为调整C4并不影响电路的振荡条件特点：R2R1ReCbEcRc(a )L

15、C1C2C4(b )LC1C2C3VC3C4V第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器30 RLCL2EcCGugsRGL1iDVDSGM(a )(b ) EcL1C1CSRSRGGVSDRDCBRLCL2EcCGugsRGL1iDVDSGM(a)(b) EcL1C1CSRSRGGVSDRDCB互感耦合 电感三端式 输出1.3 H1 M 6.8 k RL20 MHz 振荡器C1680 pFC275 pFVCF47 pFEc12 VL(c)Ec电容三端式 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器31 12 VL1100 pF输出V110 k100 pFC11.5 pFC2V2控制电压100kCj

16、第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器32 (a)V10V11V12V13V14VD2VD1V6V7V8V5V4V3V2V1输出V91214第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器331234567141312111098(b)0.1 F0.1 F15 VC1CL1 k输出9 VRL10.1 F E1648单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和12脚之间的外接振荡电路的L、C值决定, 并与两脚之间的输入电容Ci有关, 其表达式为)(21iCCLf第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器344.3 频率稳定度频率稳定度 振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化, 引起振荡器的实际工作频率偏离标称

17、频率的程度, 它是振荡器的一个很重要的指标。 01fff绝对偏差 0010fffff相对偏差 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 瞬时频率稳定度：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 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器35)(FfL001)(2tanLLQ01L , 2 , 1 , 02nnFLfTarctan)2arctan(0QZFfLQtan)(2001FfLQtan20011000101111002()t an() t

18、 an()2()()LfFfFLLfFLfFQQQQ第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器360010122()tan()2cos ()2fFfFLfFLQQQ 0由构成回路的电感L和电容C决定,它不但要考虑回路的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件外,还应考虑并在回路上的其它电抗,如晶体管的极间电容,后级负载电容(或电感)等。设回路电感和电容的总变化量分别为L、C, 01/LC001()2LCLC 1. 回路谐振频率0的影响f+F 绝对值越小，频率稳定度越高QL绝对值越大，频率稳定度越高2.f+F、QL对频率的影响第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器371. 提高振荡回路的标准性 振荡回路

19、的标准性是指回路元件和电容的标准性。温度是影响的主要因素:温度的改变,导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化,而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也将变化,从而使电感、电容值改变。机械震动引起回路元件发生形变湿度、大气压力的改变也会引起LC值的变化 2. 减少晶体管的影响 极间电容将影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外,应选择fT较高的晶体管,fT越高,高频性能越好,可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导,电路易于起振;而且fT越高,晶体管内部相移越小。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器383. 提高回路的品质因数 要使相位稳定,回路的相频

20、特性应具有负的斜率,斜率越大,相位越稳定。根据LC回路的特性,回路的Q值越大,回路的相频特性斜率就越大,即回路的Q值越大,相位越稳定,此时的频率也越稳定。 4. 减少电源、负载等的影响 电源电压的波动,会使晶体管的工作点、电流发生变化,从而改变晶体管的参数,降低频率稳定度。为了减小其影响,振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端,这会降低回路的品质因数,从而使振荡器的频率稳定度下降。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器394.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑 1振荡器电路选择 2晶体管选择 3直流馈电线路的选择 4振荡回路元件选择 5反馈回路元件选择第第4 4章章

21、正弦波振荡器正弦波振荡器404.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 q1q3q5C0LqCqrqC0(a )(b )00000112121CCfCCCLCCCCLfqqqqqqqq)211 ()211 (21000CCfCCCLfqqqqqqqqCLf21Xe0q0第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器411）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p很小3）石英晶体有非常高的Q值 晶体振荡器的电路类型很多,但根据晶体在电路中的作用,可以将晶体振荡器归为两大类:并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器42CeEc( a )C1C2C3( b )C1VCEBC2Ub.gmUb.C3C