第6章正弦波振荡器

1、7.1 概述概述7.2 LCR回路中的瞬变现象回路中的瞬变现象7.3 LC振荡器的基本工作原理振荡器的基本工作原理7.4 由正反馈的观点来决定振荡的条件由正反馈的观点来决定振荡的条件7.5 振荡器的平衡与稳定条件振荡器的平衡与稳定条件7.6 反馈型反馈型LC振荡器线路振荡器线路7.7 振荡器的频率稳定问题振荡器的频率稳定问题7.8 石英晶体振荡器石英晶体振荡器7.9 负阻负阻振荡器振荡器7.10 几种特殊振荡现象几种特殊振荡现象7.11 集成电路集成电路振荡器振荡器7.12 RC振荡器振荡器音 频 放 大高 频 振 荡倍 频高 频 放 大调 制缓 冲传 输 线话 筒声 音（ 直 流 电 源 未

2、 画 ） 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F 高频电路高频电路1.1.定义定义高功放高功放不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能。2.2.振荡器的分类振荡器的分类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振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器负阻式振荡器负阻式振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器反馈型反馈型RC振荡器振荡器 本章主要介绍反馈型本章主要介绍反馈型RC、LCLC振荡器和石英晶体振荡器振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。的工作原理。石英晶体振荡器

3、石英晶体振荡器 所谓所谓“谐振谐振”，就能量关系而，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。振荡。1）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收就接收能量。释放与能量。释放与接收能量可以往返进行，其接收能量可以往返进行，其频率决定频率决定于元件

4、的于元件的数值。数值。2）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。损失。在晶体管振荡器中在晶体管振荡器中，这个能源，这个能源就是就是直流电源。直流电源。3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件有源器件和正反馈电路完和正反馈电路完成的成的。-+负反馈产生自激振荡。负反馈产生自激振荡。若环路增益若环路增益1 FA则则， fidXX去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。又又)( )(fafaAF

5、FAFA所以等幅振荡条件为所以等幅振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan相位平衡条件相位平衡条件 Xo 基本放大基本放大 电路电路 Xid A Xf+Xi反馈网络反馈网络F 正反馈产生自激振正反馈产生自激振荡。（注意与负反馈荡。（注意与负反馈方框图的差别）方框图的差别）7.5.1 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件7.5.2 振荡器平衡状态和稳定条件振荡器平衡状态和稳定条件负反馈产生自激振荡。负反馈产生自激振荡。若环路增益若环路增益1 FA则则， fidXX去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。 又又fafa AFFAFA所以等幅振荡条件为所以等幅振荡条

6、件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan相位平衡条件相位平衡条件 Xo 基本放大基本放大 电路电路 Xid A Xf+Xi反馈网络反馈网络F 正反馈产生自激振正反馈产生自激振荡。（注意与负反馈荡。（注意与负反馈方框图的差别）方框图的差别） # 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？号源来自何处？接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。 初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号应该的信号应

7、该被保留被保留，成为等幅振荡输出信号。，成为等幅振荡输出信号。（从无到有）（从无到有） 然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不然而，一般初始信号很微弱，很容易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求（由弱到强）（由弱到强）起振条件起振条件1)()(00FA2)()(0f0an 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加。 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 AF1

8、到到AF=1 。（由增到稳）（由增到稳） 以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡起振条件；保证振荡器进入平衡状态、产生等幅振荡的平衡条件。的平衡条件。 实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。到破坏的稳定条件。 稳定条件也分为稳定条件也分为振幅稳定振幅稳定与与相

9、位稳定相位稳定两种。以两种。以下分别讨论之。下分别讨论之。1 1）振幅平衡的稳定条件）振幅平衡的稳定条件 要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，化时，AF的大小朝反方向变化。的大小朝反方向变化。0:omQomomVVVA振幅稳定条件2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件 相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。外部外部扰动扰动 稳定原理：稳定原理： 频率频率 相位相位 频率频率 t

10、ttd)()( 12QQ 2 2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件0011L0jQAAvv00arctanQEnd4放大电路放大电路3） 基本组成部分基本组成部分4正反馈网络正反馈网络4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。）网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节4稳定环节稳定环节 从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈

11、型正弦波振荡器应该包括：是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：从从 回到回到1 AF1AF幅度稳定幅度稳定相位稳定相位稳定7.6.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器7.6.2 电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器 ( (哈特莱振荡器哈特莱振荡器) )7.6.3 电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器 ( (考毕兹振荡器考毕兹振荡器) )7.6.4 LC三端式振荡器相位平衡条件三端式振荡器相位平衡条件的判断准则的判断准则放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能，不同之处在于：放大器需要外加控制信号而流电能，不同之处在于：放大器需要外

12、加控制信号而振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反回输入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡器。器。 如果由如果由LC谐振回路通过互感耦合将输出信号送谐振回路通过互感耦合将输出信号送回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。 由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件，正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件，就符合基本原理。就符合基本原理。 由于三极管结电容和其它分布电容

13、的存在，在频率较高由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高而而LC回路电容较小时，将影响稳定性。回路电容较小时，将影响稳定性。 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。(+)(-)(+)(+)MLMLF12L1L2CMLMLF1212LL电路的特点电路的特点: :4容易起振容易起振FA1变电容而不影响变电容而不影响F。4调整频率方便调整频率方便4振荡波形不够好振荡波形不够好高次谐波反馈较强，高次谐波反馈较强，波形失真较大。波形失真较

14、大。4不适于很高频率工作不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于L1与与L2两端，两端，F随频率变化而改变。随频率变化而改变。ieCoeCL1L2CoVfV)(HPF 高通(+)(-)(+)(+)CpI21CCF 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。C1C2LC1C2L电路的特点电路的特点: :ieCoeCoVfV变电容影响变电容影响F，变电感不便。，变电感不便。4调整频率不太方便调整频率不太方便4输出波形较好

15、输出波形较好高次谐波反馈较弱，高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。波形接近正弦波。4频率稳定度较好频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于C1与与C2两端，被较大两端，被较大C1与与C2 吸收。吸收。4适用于较高的工作频率适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容甚至可只利用器件的输入电容和输出电容。和输出电容。)(LPF 低通 回顾回顾LC三端式振荡器的基本电路，发现其电路结构存三端式振荡器的基本电路，发现其电路结构存在一个规律：晶体管的集电极在一个规律：晶体管的集电极发射极（发射极（ce）之间和基）之间和基极极发射极（发射极（be）之间回路元件的电抗性质相同）之间回

16、路元件的电抗性质相同; 它们与集它们与集电极电极基极之间基极之间(bc)回路元件的电抗性质相反。它具有普回路元件的电抗性质相反。它具有普遍意义吗？下面就此证明。遍意义吗？下面就此证明。L1L2CC1C2L 为简便起见，我们假定谐振回为简便起见，我们假定谐振回路三个元件都是纯电抗，即路三个元件都是纯电抗，即振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率，即振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率，即0cbcebeXXX结论结论: :4Xeb与与Xce同性质，它们与同性质，它们与Xcb相异；相异；4成立成立cbcebeXXXce1jXZ be2jXZ cb3jXZ 举例举例: : 振荡器的振荡频率应低于振荡

17、器的振荡频率应低于L1和和C1支路的串联谐振频率，此支路的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端的相位条件。振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率2121210)(1CCCCLL 评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与稳定评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与稳定度。振荡器实际工作频率度。振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f 0之间的偏差，称为之间的偏差，称为振荡频率准确度。振荡频率准确度。 通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为达式为 振荡器的频率稳

18、定度是指在一定时间间隔内，频率准确振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化。度的变化。根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。影响振荡频率的有如下三种因素：影响振荡频率的有如下三种因素：）振荡回路参数）振荡回路参数与与;）回路电阻）回路电阻；）有源器件的参数。）有源器件的参数。 尽管电容尽管电容三端式振荡器较三端式振荡器较电感电感三端式振荡器的稳定性好，三端式振荡器的稳定性好，但是它是以较大的电容但是它是以较大的电容C1和和C2，即

19、以下降最高工作频率上限，即以下降最高工作频率上限为代价。为代价。此外，输入、输出电阻的界入也会降低谐振回路的此外，输入、输出电阻的界入也会降低谐振回路的Q Q值，降低选频特性，造成输出波形偏离正弦波。值，降低选频特性，造成输出波形偏离正弦波。 1. 1. 克拉泼电路克拉泼电路3211111CCCC21CCF131ceCCCCp232beCCCCp调频不太方便调频不太方便311LCLC )(1143CCLLC2.2.西勒电路西勒电路LC1C2C3C4AB131ceCCCCp232beCCCCp7.8.1 并联谐振型晶体振荡器并联谐振型晶体振荡器7.8.2 串联谐振型晶体振荡器串联谐振型晶体振荡器

20、7.8.3 泛音晶体振荡器泛音晶体振荡器一般一般LC振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度f /f0只能达到只能达到10-3 10-5。若。若要求频率稳定度超过要求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。，需用石英晶体振荡器。）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；）晶体的）晶体的值可高达数百万数量级；值可高达数百万数量级；）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。灵敏的补偿能力。1. 石英晶体滤波器的特

21、点石英晶体滤波器的特点 因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频因此，用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频率稳定度大大提高。率稳定度大大提高。2. 石英晶体滤波器的应用石英晶体滤波器的应用 O X容性容性 容性容性 感感性性 sfpf4作电感用作电感用4工作于串联谐振状态工作于串联谐振状态 因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为串联谐振型晶体振荡器。串联谐振型晶体振荡器。2. 石英晶体滤波器的应用石英晶体

22、滤波器的应用 C0 (a) (b) Cq Lq rq C0 Cq1 Lq1 rq1 Cq3 Lq3 rq3 Cq5 Lq5 rq5 Cqk Lqk rqk (c) 石英晶体谐振器(a) 符号 (b) 基频等效电路 (c) 完整等效电路 除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次（2n-1）谐波的泛音振动。）谐波的泛音振动。基频振动模式时，产生奇次谐波谐基频振动模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。振的支路因阻抗较高可忽略。4奇次谐波的泛音振动奇次谐波的泛音振动这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式

23、LC振荡器相振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型基本电路。基本电路。石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一

24、个办法就是令晶作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。 所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分附近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。 若泛音晶体的标称泛音次数为若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称频率为，相应的标称频率为5MHz，则，则LC谐振回路应调谐在谐振回路应调谐在35次泛音频率之间，如次泛音频率之间，如3.5MHz。在。在5MHz, LC谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。