第2章 正弦波振荡器

1、第第 2 章章正弦波振荡器正弦波振荡器概述概述2.1反馈振荡器的工作原理反馈振荡器的工作原理2.2LC 正弦波振荡器正弦波振荡器2.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度2.4晶体振荡器晶体振荡器2.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器2.6负阻正弦波振荡器负阻正弦波振荡器2.7寄生振荡、间歇振荡和频率占据寄生振荡、间歇振荡和频率占据本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量电路。一定频率和一定幅度的交变能量电路。振荡器的分类：

2、振荡器的分类：按波形分：按波形分：正弦波振荡器正弦波振荡器和非正弦波振荡器和非正弦波振荡器按工作方式：负阻型振荡器和按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器反馈型振荡器按选频网络所采用的元件分类：按选频网络所采用的元件分类： LC振荡器、振荡器、RC振荡器和晶体振荡器振荡器和晶体振荡器等类型等类型概述概述一、与功放比较一、与功放比较( (从能量角度从能量角度) )1功率放大器功率放大器将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交将直流电源提供的直流能量转换为按信号规律变化的交变能量。变能量。特点：特点：被动地被动地，需输入信号控制，需输入信号控制2正弦波振荡器正弦波振荡器( (Sinewav

3、e Oscillator) )将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。将直流能量转换为频率和振幅特定的正弦交变能量。特点：特点：自动地自动地，无需输入信号控制。，无需输入信号控制。二、正弦波振荡器的应用二、正弦波振荡器的应用1作信号源作信号源( (本章将讨论本章将讨论) )载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；载波信号：无线发射机；本振信号：超外差接收机；正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。正弦波信号源：电子测量仪器；时钟信号：数字系统。 要求：要求：振荡频率和振幅的准确性和稳定性。振荡频率和振幅的准确性和稳定性。 2正弦交变能源正弦交变能源( (本章不讨论本章不讨论

4、) )用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。用途：高频加热设备和医用电疗仪器中的正弦交变能源。要求：要求：功率足够大，高效。功率足够大，高效。三、三、分类分类( (按组成原理按组成原理) )1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。2负阻振荡器负阻振荡器:利用负阻效应抵消回路中的损耗，以产利用负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。生等幅自由振荡。工作于微波段。实际中的反馈振荡器是由反馈实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来，如右图。放大器演变而来，如右图。+vfvoLC+viK12Rb2ReCe+VCCM+自激振荡建

5、立的物理过程自激振荡建立的物理过程若开关若开关K拨向拨向“1”时，该电路则时，该电路则为调谐放大器，当输入信号为正弦波为调谐放大器，当输入信号为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器时，放大器输出负载互感耦合变压器L2上的电压为上的电压为vf ，调整互感，调整互感M及同名及同名端以及回路参数，可以使端以及回路参数，可以使 vi = vf。 此时，若将开关此时，若将开关K快速拨向快速拨向“2”点，则集电极电路和点，则集电极电路和基极电路都维持开关基极电路都维持开关K接到接到“1”点时的状态，即始终维持点时的状态，即始终维持着与着与vi相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自相同频率的正弦信号

6、。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。激振荡器。L2三、自激振荡建立的物理过程三、自激振荡建立的物理过程在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极在电源开关闭合的瞬间，电流的跳变在集电极LC振振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级回，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。路，这就是激励信号。 起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行起始振荡信号十分微弱，但是由于不断地对它进行放大放大选频选频反馈反馈再放大等多次循环，于是一个与振再放大等多次循环，于是一个与振荡回

7、路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。荡回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定由于晶体管特性的非线性，振幅会自动稳定到一定的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。的幅度。因此振荡的幅度不会无限增大。要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足：要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足：起振条件起振条件刚通电时，须经历一段振荡电压从无到刚通电时，须经历一段振荡电压从无到有逐步增长的过程有逐步增长的过程（接通电源后可从无到有建立起振荡）（接通电源后可从无到有建立起振荡）平衡条件平衡条件进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频进入平衡状态时，振荡电压的振幅和频

8、率要能维持在相应的平衡值上（进入平衡状态后可输出等幅率要能维持在相应的平衡值上（进入平衡状态后可输出等幅持续振荡）持续振荡）稳定条件稳定条件当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳当外界条件不稳时，振幅和频率仍应稳定，而不会产生突变或停止振荡（定，而不会产生突变或停止振荡（平衡状态不因外界不稳定平衡状态不因外界不稳定因素的影响而受到破坏因素的影响而受到破坏）组成：组成： 可变增益放大器可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。 相移网络相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路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

9、上的相移为提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n 。2.1.1平衡和起振条件平衡和起振条件一、起振条件一、起振条件)(j)(j)(jfofioif kAVVVVVVT ( (1) )振幅起振条件振幅起振条件1)(osc T( (2) )相位起振条件相位起振条件 T( osc) = A( osc) + f( osc) = 2n ( (n 0，1，2，) ) 物理意义：振幅起振条件要求反馈电压幅度物理意义：振幅起振条件要求反馈电压幅度vf要一次要一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。二、平衡条件二、平衡条件1分析分析ifVV 同相又

10、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iV当当环路闭合环路闭合后：后：osc oV 主网络将输出正弦振荡电压主网络将输出正弦振荡电压 ，角频率为，角频率为 。 所需输入电压所需输入电压 全部由反馈电压全部由反馈电压 提供，无需外提供，无需外加输入电压。加输入电压。 iVfV2平衡条件平衡条件)(joscoscosce )()j ( TTT 由由则：则： 振幅平衡条件：振幅平衡条件：环路增益的模环路增益的模 T( osc) = 1 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 T( osc) = 2n (n 0，1，2，) 3讨论讨论反馈振荡器需同时

11、满足起振条件与平衡条件：反馈振荡器需同时满足起振条件与平衡条件： 起振时起振时，T( osc) 1，Vi 迅速增长；迅速增长； 随随后后，T( osc)下降，下降，Vi 的增长速度变慢；的增长速度变慢； 到到 T( osc) = 1 时，时，Vi 停止增长，振荡器进入平衡状停止增长，振荡器进入平衡状态，在相应的平衡振幅态，在相应的平衡振幅 ViA 上维持等幅振荡。上维持等幅振荡。环路增益环路增益 特性特性如图如图所示所示。 而 环 路 增 益 的 相 角而 环 路 增 益 的 相 角 T( osc) 则必须维持在则必须维持在 2n 上。上。 平衡条件平衡条件多利用放大多利用放大器的非线性实现。

12、器的非线性实现。 osc()T A ViA Vi 1 三、稳定条件三、稳定条件1振荡电路中存在干扰振荡电路中存在干扰 外部：外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回路参数的变化。回路参数的变化。 内部：内部：存在固有噪声存在固有噪声( (起振时的原始输入电压起振时的原始输入电压, ,进入进入平衡后与输入电压叠加引起波动平衡后与输入电压叠加引起波动) )。 均造成均造成 T( osc) 和和 T( osc) 的变化，破坏平衡条件。的变化，破坏平衡条件。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) )通过放大和反馈的反复循环：通过放大和反馈

13、的反复循环： 振荡器离开原平衡状态，导致振荡器离开原平衡状态，导致停振停振或或突变突变到到新的平新的平衡状态衡状态。原平衡状态是不稳定的，应避免。原平衡状态是不稳定的，应避免。 振荡器有回到平衡状态的振荡器有回到平衡状态的趋势趋势。当干扰消失后，能。当干扰消失后，能回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。回到平衡状态。原平衡状态是稳定的。3、环路增益特性要求、环路增益特性要求左图左图环路增益特性，还满足振幅稳定条件，过程如下：环路增益特性，还满足振幅稳定条件，过程如下： ,iAiVV 1)(osc T若若，干扰使：，干扰使：iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 环路特性环路特性 最后在新

14、的最后在新的 上重新满足平衡条件上重新满足平衡条件 T( osc) = 1iAV最后达到新的平衡。最后达到新的平衡。iAiVV 1)(osc T iV)(osc T 环路特性环路特性 osc()T A ViA Vi 1 硬激励：硬激励：靠外加冲击靠外加冲击而产生振荡的方式。而产生振荡的方式。软激励：软激励：接通电源接通电源后自动进入稳定平后自动进入稳定平衡状态衡状态的方式的方式。4振幅稳定条件振幅稳定条件 可见，可见，要使平衡点稳定，要使平衡点稳定，T( osc) 必须在必须在 ViA 附近具有附近具有随随 Vi 增大而下降增大而下降( (负斜率变化负斜率变化) )的的特性特性，即，即0)(i

15、Aiosc VVT 斜率越陡，则斜率越陡，则 Vi 的变化而产生的的变化而产生的 T( osc) 变化越大，变化越大，系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。系统回到稳态的时间越短，调节能力越强。 工作于非线性状态的有源器件工作于非线性状态的有源器件(晶体管、电子管等晶体管、电子管等)正正好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能。必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实质上必须强调指出：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，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发

16、生变化。振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量很小的相位增量+，这就意味着反馈电压超前于原有输，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压一个相角入电压一个相角,相位超前就意味着周期缩短相位超前就意味着周期缩短,频率不断地提频率不断地提高。反之，如果高。反之，如果为负，即滞后于原输入电压为负，即滞后于原输入电压,同理将导致同理将导致频率的不断降低。频率的不断降低。从以上分析可知，外因引起的相位变化与频率的关系是：从以上分析可知，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

17、致频率降低，频率随相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位的变化关系可表示为 5、相位、相位(频率频率)稳定条件稳定条件()ddtT( )00)(oscT 相位稳定条件相位稳定条件斜率越陡，斜率越陡，则稳定性越灵敏。则稳定性越灵敏。图图 3- -1- -4 为了保持振荡器相位平衡点稳定，振荡器本身应该具有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

18、因引起的外因引起的变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位变化，因而这二者的符号应该相反，亦即相位稳定条件应为稳定条件应为T( )0 4举举例例说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。说明变压器耦合振荡电路满足相位平衡条件。 T( ) 由由两部分组成：两部分组成： ( (1) )放大器输出电压放大器输出电压 对输入电压对输入电压 的相移的相移 A( )iVoV( (2) )反馈网络反馈电压反馈网络反馈电压 对对 的相移的相移 f( )oVfV即即 T( ) = A( ) + f( ) T( ) = A( ) + f( ) A( )放大管放大管( (可略可略) )并联谐振回路相移并联谐振回路相移

19、 Z( ) f( )，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 无关。无关。故故 Z( ) 随随 变化的特性可代表变化的特性可代表 T( ) 随随 变化的特性。变化的特性。( (a) )并联谐振回路并联谐振回路图图 3- -1- -5谐振回路的相频特性曲线谐振回路的相频特性曲线并联谐振回路，其相频特性并联谐振回路，其相频特性e00z)(2arctan)(Q 0 谐振频率谐振频率 Qe 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特性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，的谐振回路来满足相位稳定条件的，且且 Qe

20、越高越高， 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 要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足起振、平衡、起振、平衡、稳定稳定三项条件。三项条件。 1组成组成 可变增益放大器可变增益放大器提供足够的增益，且其增益随提供足够的增益，且其增益随输入电压增大而减小。输入电压增大而减小。 相移网络相移网络具有负斜率变化的相频特性，为环路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提供合适的相移，保证在谐振频率上的相移为 2n 。或：四个环节或：四个环节

21、稳定环节稳定环节正反馈环节正反馈环节选频环节选频环节放大环节放大环节2种类种类 根据可变增益放大器和相移网络的不同：根据可变增益放大器和相移网络的不同：( (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管放大器晶体管放大器场效应管放大器场效应管放大器差分对管放大器差分对管放大器集成运算放大器等集成运算放大器等 按实现可变增益的方法按实现可变增益的方法内稳幅内稳幅( (Self Limiting) )：利用放大管固有的非线性利用放大管固有的非线性 外稳幅外稳幅( (External Limiting) )：放大器线性工作，另外插放大器线性工作，另外插入非线性环节，共同组成。入非线性

22、环节，共同组成。( (2) )相移网络相移网络具有负斜率变化的相移具有负斜率变化的相移 LC 谐振回路谐振回路 RC 相移和选频网络相移和选频网络 石英晶体谐振器石英晶体谐振器3分析方法分析方法反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计反馈振荡器为包含电抗元件的非线性闭环系统，用计算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用：算机可对其进行近似数值分析。但工程上广泛采用： 首先，首先，检查环路是否包含可变增益放大器和相频特检查环路是否包含可变增益放大器和相频特性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。性具有负斜率变化的相移网络；闭合环路是否是正反馈。 其次，其次，分析起振条件。起振

23、时，放大器小信号工作，分析起振条件。起振时，放大器小信号工作，可用小信号等效电路分析方法导出可用小信号等效电路分析方法导出 T( (j ) )，并由此求出起，并由此求出起振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。振条件及由起振条件决定的电路参数和相应的振荡频率。若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的若振荡电路合理，又满足起振条件，就能进入稳定的平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。平衡状态，相应的电压振幅通过实验确定。 最后，最后，分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。分析振荡器的频率稳定度，并提出改进措施。 第第 2 章正弦波振荡器章正弦波振荡器2.2LC 正弦波振荡器正弦

24、波振荡器2.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路2.2.2差分对管振荡电路差分对管振荡电路 2.2.3举例举例 三点式三点式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几几MHz到几百到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为荡电路高一些，约为103104量级，采取一些稳频措施后，量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。还可以再提高一点。三点式三点式LC振荡器有多种形式，主要有：振荡器有多种形式，主要有：电感三端式，又称电感三端式，又称哈特莱振荡器哈特莱振荡器(Hartley)；电容三端式，又称电容三

25、端式，又称考毕兹振荡器考毕兹振荡器(Coplitts)；串联型改进电容三端式，又称串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器克拉泼振荡器(Clapp)；并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Selier)。LC 正弦波振荡器：正弦波振荡器：采用采用 LC 谐振回路作为相移网络的振谐振回路作为相移网络的振荡。荡。 种类：种类：变压器耦合振荡电路、变压器耦合振荡电路、三点式振荡电路三点式振荡电路 差分对管振荡电路（主要用在集成电路中）差分对管振荡电路（主要用在集成电路中）2.2.1三点式振荡电路三点式振荡电路一、电路组成法则一、电路组成法则图图 3- -2-1-1三

26、点式振荡的原理电路三点式振荡的原理电路1电路电路两种基本类型三点式振两种基本类型三点式振荡器的原理电路荡器的原理电路( (交流通路交流通路) )。 2组成法则组成法则交流通路中，晶体管的三个极与谐振回路的三个引出端交流通路中，晶体管的三个极与谐振回路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个相连接。其中，与发射极相接的为两个同性质同性质电抗，接在集电抗，接在集- -基间的为基间的为异性异性电抗。电抗。 二、三点式振荡器电路基本电路二、三点式振荡器电路基本电路( (1) )电路电路图图 3- -2- -2电容三点式振器电路（电容三点式振器电路（考毕兹振荡器考毕兹振荡器） RB1、RB2 和和

27、 RE ：分压式偏置电阻分压式偏置电阻； CC、CB、CE ：旁旁路和隔直流电容路和隔直流电容；RC ：集电极直流负载电阻集电极直流负载电阻； RL ：输出输出负载电阻负载电阻 ； L、C1、C2 ：并联谐振回路并联谐振回路。图图 3- -2- -2电容三点式振器电路电容三点式振器电路( (2) )组成组成可变增益器件：晶体管可变增益器件：晶体管 T；相；相移网络：移网络：并谐；并谐；发射极：为两同性发射极：为两同性质容性电抗；集质容性电抗；集- -基：感性电抗。基：感性电抗。2电感三点式振荡器电路（哈特莱电路）电感三点式振荡器电路（哈特莱电路）( (1) )电路与元件作用电路与元件作用 (

28、(2) )组成法则判断组成法则判断 图图 3- -2- -6例例题题三、电容三点式振荡电路的起振条件三、电容三点式振荡电路的起振条件( (相位与振幅相位与振幅) )1等效电路等效电路 以图以图 3- -2- -2( (b) )为例为例 推导环路增益推导环路增益 T( (j ) ) 时，应将闭合环路断开。时，应将闭合环路断开。( (1) )改画电路改画电路 图图 3- -2- -3对应图对应图 3- -2- -2 电路的交流通路电路的交流通路断点左面加环路的输入电压断点左面加环路的输入电压 Vi(j )断点右边断点右边( (与与C2 并联并联) )接入自断点向左看进去的阻抗接入自断点向左看进去的

29、阻抗 Zi Re0 ： L、C1、C2 并联谐振回路的固有谐振电阻并联谐振回路的固有谐振电阻。( (2) )用混合用混合 型等效电路表示型等效电路表示设设 fosc 1 (gm A)可求得三点式振荡器的相位可求得三点式振荡器的相位起振条件起振条件为为0Li21212osc gLgCCCLC ( (3- -2- -3) )振幅振幅起振条件起振条件为为)11()1(12osci12LmLCgCCgg ( (3- -2- -4) )讨论：讨论：1振荡角频率振荡角频率 osc 振荡频率振荡频率 osc 由相位起振条件决定，解由相位起振条件决定，解( (3- -2- -3) )求得求得2120Li021

30、Liosc11CCggCCggLC ( (3- -2- -5) )式中，式中， 2121CCCCC ：LC 回路总电容回路总电容， LC10 ：固有谐振角频率。固有谐振角频率。 osc 与与 0 (LC) 有关，还与有关，还与 gi (Ri)、g L ( Re0、 RL) 有关，有关，且且 osc 0 ；在实际电路中，一般在实际电路中，一般满足满足 Li2120ggCC 工程估算时，工程估算时， osc 0 = 1/ ( (3- -2- -6) )LC2振幅起振条件振幅起振条件 工程估算时，令工程估算时，令 = osc 0 ，代入，代入( (3- -2- -4) )式，即式，即)11()1(1

31、2osci12LmLCgCCgg ( (3- -2- -4) )211i121LmCCCgCCCgg 振幅起振条件可简化为振幅起振条件可简化为设设211CCCn ( (3- -2- -7) )n 为电容分压比为电容分压比 ，上式改写为，上式改写为gm iL1nggn ( (3- -2- -8a) )或或 1i2Lm gnggn( (3- -2- -8b) )2C 若若 gi ，则由，则由图图 3- -2- -7 可见，可见，n2gi 便是便是 gi 经电经电容分压器折算到集电极上的电导值。容分压器折算到集电极上的电导值。 Lg 2C 因而回路谐振时集电极上的总电导为因而回路谐振时集电极上的总电

32、导为( (+ n2gi) )，gm 除除以这个总电导就是回路谐振时放大器的电压增益以这个总电导就是回路谐振时放大器的电压增益 Av( 0)*，而而 n 则是反馈网络则是反馈网络( (C1、组成组成) )的反馈的反馈系数系数 kfv 。这样，式这样，式( (3- -2- -8b) ) 又可表示为又可表示为 Av( 0) kfv 11i2Lm gnggn图图 3- -2- -7 推导推导 T(j ) 的等效电路的等效电路图图 3- -2- -7 推导推导 T(j ) 的等效电路的等效电路讨论：讨论：为满足振幅起振条件，应增大为满足振幅起振条件，应增大 Av( 0) 和和 kfv 。 增大增大 kf

33、v (= n) ，n2gi 增大，增大，Av( 0) 减小；减小减小；减小 kfv ，虽提高虽提高 Av( 0)，但但受限于受限于回路增益回路增益 T( 0) ，故故 n 取值应适中。取值应适中。 提高提高 ICQ，可以增大，可以增大 gm，从而提高，从而提高 Av( 0) ，但不宜，但不宜过大，否则，过大，否则，gi( ( 1/re = gm/ ) )会过大，造成回路有载品质会过大，造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。因数下降，影响频率稳定性。ICQ 一般取一般取 1 5 mA。 ( (a) )( (b) )图图 3- -2- -3对应图对应图 3- -2- -2 电路的交流通路电路的

34、交流通路结论：结论：若振荡管若振荡管 fT 5fosc，RL 又不太小又不太小( ( 1 k ) )，且，且 n( (两电容两电容) )取值适中，一般都满足起振条件。取值适中，一般都满足起振条件。分析表明，闭合环路不论何处断开，它们的振幅起振条分析表明，闭合环路不论何处断开，它们的振幅起振条件都是一样的。但断开点不同，件都是一样的。但断开点不同，主网络主网络和和反馈网络反馈网络的组成就的组成就不同，相应的不同，相应的放大器增益放大器增益和和反馈系数反馈系数也就不同。也就不同。 四、用工程估算法求起振条件四、用工程估算法求起振条件 将闭合环路断开，画出开环等效电路。将闭合环路断开，画出开环等效电

35、路。 求出固有谐振频率求出固有谐振频率 0，并令，并令 osc 0。 将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路将谐振回路的电导折算到集电极上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。 例：指出下面振荡电路中错误例：指出下面振荡电路中错误 电感三点式振荡器的优点是容易起振，另外，改电感三点式振荡器的优点是容易起振，另外，改变谐振回路的电容变谐振回路的电容C，可以方便地调节振荡频率。但由，可以方便地调节振荡频率。但由于反馈信号取自电感于反馈信号取自电感L2两端压降两端压降 ，而，而L2对高次谐波呈对高次谐波呈现高阻抗，故不能抑制高

36、次谐波的反馈，因此，振荡现高阻抗，故不能抑制高次谐波的反馈，因此，振荡器输出信号中的高次谐波成份较大，信号波形较差。器输出信号中的高次谐波成份较大，信号波形较差。电感三点式振荡器的优缺点：电感三点式振荡器的优缺点： 电容三点式振荡器的反馈信号取自电容电容三点式振荡器的反馈信号取自电容C2两端，因为两端，因为电容对高次谐波呈现较小的容抗，反馈信号中高次谐波分电容对高次谐波呈现较小的容抗，反馈信号中高次谐波分量小，故振荡输出波形好。但当通过改变量小，故振荡输出波形好。但当通过改变C1或或C2来调节来调节振荡频率时，同时会改变正反馈量的大小，因而会使输出振荡频率时，同时会改变正反馈量的大小，因而会使

37、输出信号幅度发生变化，甚至会使振荡器停振。所以电容三点信号幅度发生变化，甚至会使振荡器停振。所以电容三点式振荡电路频率调节很不方便，故适用于频率调节范围不式振荡电路频率调节很不方便，故适用于频率调节范围不大的场合。大的场合。电容三点式振荡器的优缺点：电容三点式振荡器的优缺点：串联型改进电容三端式振荡器串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路克拉泼电路)（a a）克拉泼电路的实用电路）克拉泼电路的实用电路（b b）高）高频频等效电路等效电路因为因为C C3远远小于远远小于C C1和和C C2，所以三电容串联后的等效电容，所以三电容串联后的等效电容323133313221321CCCCC1CCCCC

38、CCCCCC30LC1LC1振荡角频率振荡角频率故克拉泼电路的振荡频率几乎与故克拉泼电路的振荡频率几乎与C C1、C C2无关。无关。21CCF 4讨论讨论接入接入 C3 后，虽反馈系数不变，后，虽反馈系数不变，但接在但接在 A、B 两端的电阻两端的电阻折算到集电极间的数折算到集电极间的数值值 减小，减小， )/(e0LLRRR LR L22133L2L)(RCCCRnR 、C1，2 是是 C1、C2 极间电容的总和，因而环路增益减小。极间电容的总和，因而环路增益减小。C3 越小，环路增益越小。可见，在这种振荡电路中，减小越小，环路增益越小。可见，在这种振荡电路中，减小 C3 提高标准性是以牺

39、牲环路增益为代价的。提高标准性是以牺牲环路增益为代价的。C3 过小，就不会过小，就不会满足振幅起振条件，而停振。满足振幅起振条件，而停振。 2.3LC 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度( (1) )定义：定义： 频率稳定度又称为频稳度，为振荡器最重要的指标，频率稳定度又称为频稳度，为振荡器最重要的指标，指指在规定时间内在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，围内，振荡频率的相对变化量振荡频率的相对变化量。( (2) )种类种类 按规定按规定时间的长短时间的长短不同，频稳度可分为：不同，频稳度可分为： 长期频稳度：长期频稳度：一天以上乃至几个

40、月内因一天以上乃至几个月内因元器件老化元器件老化而引而引起的频率相对变化量。起的频率相对变化量。 短期频稳度：短期频稳度：一天内因温度、电源电压、负载等一天内因温度、电源电压、负载等外界因外界因素变化素变化而引起的频率相对变化量。而引起的频率相对变化量。 瞬时瞬时( (秒级秒级) )频稳度：频稳度：极短时间内由振荡信号和极短时间内由振荡信号和噪声噪声间相间相互作用而引起频率相对变化量。互作用而引起频率相对变化量。通常指短期频稳度。通常指短期频稳度。 将规定时间划分为将规定时间划分为 n 个等间隔，各间隔内实测的振荡个等间隔，各间隔内实测的振荡频率为频率为 fi，短期频稳度的定义：短期频稳度的定

41、义：2oscoscoscosc1oscosc)(1limffffnffinin 式中，式中，( fosc)i = fi - - fosc ，第，第 i 个间隔内实测的绝对频差；个间隔内实测的绝对频差； 为绝对频差的平均值，为绝对频差的平均值， 越小，越小，频率准确度就越高。频率准确度就越高。fosc为标称频率为标称频率)(1limosc1oscffnfinin oscf( (4) )对频稳度的不同要求对频稳度的不同要求 高精度信号高精度信号 发生器发生器用用 途途中波电台中波电台电视发射机电视发射机信号发生器信号发生器频稳度频稳度10- -510- -4 10- -510- -710- -7

42、10- -9( (3) )表达式表达式 由相位平衡条件由相位平衡条件 T( osc) = 0即即0)()()()(foscZoscfoscAoscT 说明：说明： A( ) 主要取决于并联谐振回路的相移主要取决于并联谐振回路的相移 z( ) ，它在，它在谐振频率附近随谐振频率附近随 的变化十分剧烈；的变化十分剧烈； f( ) 随随 的变化相对要缓慢得多，可近似认为它是的变化相对要缓慢得多，可近似认为它是与频率无关的常数，用与频率无关的常数，用 f 表示。表示。得：得： Z( osc) = - f故：故： Z( ) 曲线与高度为曲线与高度为 f 水平线相交点上所对应的角频水平线相交点上所对应的角

43、频率率振荡角频率振荡角频率 osc 。 0Ze02()()arctanQ 一、影响频率稳定性的因素一、影响频率稳定性的因素可知：可知：影响振荡频率影响振荡频率 osc 的参数是的参数是 0 0、Qe 和和 f 。故讨论。故讨论频稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的频稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影响。影响。 ( (1) )谐振频率谐振频率 0 0 变化变化若若 L 、C 变化，变化， 0 0 产生产生 0 0 的变化，的变化，则则 z z( ( ) )曲线沿横坐标曲线沿横坐标平移平移 0 0，曲线形状不变。，曲线形状不变。0Ze02()()arctanQ os

44、c = 0 0( (2) )Qe 变化变化 若若负载和管子参数变化，使谐振回路负载和管子参数变化，使谐振回路 Qe增加增加 Qe，则，则 z z( ( ) )曲线变陡。曲线变陡。 Qe 引起振荡频率的变化量引起振荡频率的变化量与与 f f 大小有大小有关关。oscosc ( (3) )若若 f f 产生产生 f f，则，则 z z( ( ) )曲线形状不变，而交曲线形状不变，而交点移动。点移动。 f f 引起振荡频率的变化与引起振荡频率的变化与 f f( (同条曲线同条曲线) )、Qe 的大小有关。的大小有关。 减小减小 0、 Qe 和和 f，故应减小外界因素变化引，故应减小外界因素变化引起起

45、 0、Qe 和和 f 的变化。的变化。 减小减小 f 和增大和增大 Qe ，以减小由，以减小由 Qe、 f 引起的振引起的振荡频率变化量。荡频率变化量。 二、提高频稳度的基本措施二、提高频稳度的基本措施1减小外界因素的变化减小外界因素的变化 外界因素：外界因素：温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中以温度的影响最严重。场、机械振动及负载变化等，其中以温度的影响最严重。 措施：措施：减振、恒温、密封减振、恒温、密封( (湿度、大气压湿度、大气压) )、高稳定度、高稳定度电源、屏蔽罩、振荡器与负载间插入跟随器。电源、屏蔽罩、振荡器与负

46、载间插入跟随器。 综上，提高综上，提高LC振荡器的频率稳定度的途径：振荡器的频率稳定度的途径：2提高振荡回路标准性提高振荡回路标准性( (1) )标准性标准性 LCLC振荡回路标准性是指振荡回路在外界因素变化时保持振荡回路标准性是指振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能力。固有谐振频率不变的能力。标准性越高，外界因素变化引起的标准性越高，外界因素变化引起的 0 0 就越小。就越小。( (2) ) 0 0 与与 L、 C 的关系的关系)1)(1(1)(1000CCLLCCLL 将此式展开，忽略高阶小量，化简为将此式展开，忽略高阶小量，化简为 00 CCLLCCLL2121)21)(21

47、(0000 ）（所以所以CCLL2100 可见，可见，为提高回路标准性，必须减小为提高回路标准性，必须减小 L、C 的相对的相对变化变化量，可采取的措施：量，可采取的措施： 温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿。偿。 缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。 增加回路总电容，减小管子与回路间的耦合，均能增加回路总电容，减小管子与回路间的耦合，均能有效降低有效降低管子极间不稳定的寄生量在管子极间不稳定

48、的寄生量在 L、C 中的比重，及中的比重，及管子输入和输出阻抗对回路管子输入和输出阻抗对回路Q Q的影响。的影响。（如克拉泼振荡电路）（如克拉泼振荡电路）0012LCLC （）2.4晶体振荡器晶体振荡器 频稳度频稳度晶体振荡器：超过晶体振荡器：超过 10 5LC 振荡器：振荡器：10 3 10 5晶体振荡器晶体振荡器是采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的是采用石英谐振器控制和稳定振荡频率的振荡器。振荡器。石英谐振器石英谐振器是利用石英晶体是利用石英晶体( (Quartz- -Crystal) )的压的压电效应制成的一种谐振器件。电效应制成的一种谐振器件。 石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），

49、化学成石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），化学成分是分是S Si iO O2 2。 一、石英晶体的物理特性一、石英晶体的物理特性正压电效应正压电效应若对石英晶片施加外力使其发生机械形若对石英晶片施加外力使其发生机械形变，则在石英晶片两面引出的两个电极上就会产生符号变，则在石英晶片两面引出的两个电极上就会产生符号相反、数值相等的电荷，其值与形变大小成正比。相反、数值相等的电荷，其值与形变大小成正比。负压电效应负压电效应当在与之相接的两个电极上施加电压时，当在与之相接的两个电极上施加电压时，石英晶片产生机械形变，形变的大小与两电极间的电场石英晶片产生机械形变，形变的大小与两电极间的电场强度成正

50、比。强度成正比。 压电转换性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效压电转换性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高；率最高；将其接到振荡器的闭合环路中，利用其将其接到振荡器的闭合环路中，利用其固有频固有频率率，能有效地控制和稳定，能有效地控制和稳定振荡频率。振荡频率。 振动振动具有多谐性：具有多谐性：基频振动、奇次谐波的泛音振动。基频振动、奇次谐波的泛音振动。石英谐振器：石英谐振器：利用上述压电效应制成的一种谐振器件。利用上述压电效应制成的一种谐振器件。 （1 1）等效电路）等效电路 C0：静态电容和支架引线分布电容之和；静态电容和支架引线分布电容之和；Lq1、Cq1、rq1：晶体基频等效电路；

51、晶体基频等效电路；Lq3、Cq3、rq3：晶体三次泛音等效电路晶体三次泛音等效电路 二、石英谐振器的电特性二、石英谐振器的电特性（2 2）石英谐振器的特点）石英谐振器的特点等效电感等效电感Lq特别大、等效电容特别大、等效电容Cq特别小，因此石英晶体特别小，因此石英晶体的的Q值值 很大，一般为几万到几百万。这是普通很大，一般为几万到几百万。这是普通LC电路无法比拟的；电路无法比拟的； 由于由于 ，这意味着等效电路中，这意味着等效电路中的接入系数很小，因此外电路对晶体电特性的影响很小。的接入系数很小，因此外电路对晶体电特性的影响很小。 qqqq1LQrC0qCC （3 3）石英谐振器的等效电抗（阻

52、抗特性）石英谐振器的等效电抗（阻抗特性） 石英晶体有两个谐振角频率。一个是右边支路的串联石英晶体有两个谐振角频率。一个是右边支路的串联谐振角频率谐振角频率 q，即石英片本身的自然角频率。另一个为，即石英片本身的自然角频率。另一个为石英谐振器的并联谐振角频率石英谐振器的并联谐振角频率 p。 串联谐振频率串联谐振频率 并联谐振频率并联谐振频率 qqq1CLCLCCCCLqq0q0qp11（3 3）石英谐振器的等效电抗（阻抗特性）石英谐振器的等效电抗（阻抗特性）可证：忽略可证：忽略 rq 时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为时，晶体两端呈现纯电抗，其值近似为2p2s0crcr)(1)(11jj)(j

53、CXZ0q0qqpqqs1,1CCCCLCL 图图 3- -4- -3晶体的阻抗曲线晶体的阻抗曲线讨论：讨论： 在在 s p 之间为正值，呈之间为正值，呈感性感性；其他频段内为负值，呈其他频段内为负值，呈容性。容性。 在在 s 上上 Xcr = 0 ，为，为串联谐振串联谐振；在在 p 上上 Xcr ，为，为并联谐振。并联谐振。又又0qs0q0qqqqqq0q0qqp111CCCCCCLCLCLCCCCL 因为因为 C0 Cq，所以，所以 p 很靠近很靠近 s 晶振体只能工作于上述两种方式，而不能工作在低于晶振体只能工作于上述两种方式，而不能工作在低于fs 和高于和高于fp呈容性的频段内呈容性的

54、频段内，否则频稳度下降。，否则频稳度下降。三、并联型晶体振荡电路三、并联型晶体振荡电路皮尔斯皮尔斯( (Pirece) )晶体振荡电路晶体振荡电路( (a) )实际电路实际电路( (b) )交流通路交流通路图图 3- -4- -1皮尔斯振荡电路皮尔斯振荡电路RB1、RB2 和和 RE ：分压偏置电路分压偏置电路，LC：高频扼流圈高频扼流圈，CB： 旁路电容旁路电容，CC：耦合电容耦合电容。 是指工作在略高于是指工作在略高于f fs s呈感性的频段内，晶体等效为一呈感性的频段内，晶体等效为一个高个高Q Q值得电感，与外电路电容构成并联谐振回路。值得电感，与外电路电容构成并联谐振回路。 C C1

55、1和和C C2 2是晶体管的负载电容，如果其值等于晶体规定是晶体管的负载电容，如果其值等于晶体规定的数值，则振荡电路的振荡频率就是晶体的标称频率。的数值，则振荡电路的振荡频率就是晶体的标称频率。四、串联型晶体振荡电路四、串联型晶体振荡电路1电路电路 1当当 f = fs 时，晶体串联谐振，等效为短路元件，时，晶体串联谐振，等效为短路元件，T1、T2管和外接晶体构成正反馈放大器，满足管和外接晶体构成正反馈放大器，满足相位平衡条件相位平衡条件，且，且反馈最强，满足反馈最强，满足起振条件起振条件。图图 3- -4- -9XK76 集成晶体振荡的内部电路集成晶体振荡的内部电路谐振频率谐振频率 fsf

56、fs 时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振时，晶体呈高阻抗，反馈显著减弱，不能满足振幅和相位起振条件，所以这种振荡器的振荡频率受晶体串幅和相位起振条件，所以这种振荡器的振荡频率受晶体串联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。联谐振频率的控制，具有很高的频稳度。2电路电路 2 晶体串联谐振，等效为短路元件，电路符合晶体串联谐振，等效为短路元件，电路符合三点式组成三点式组成法则法则，为电容三点式电路。，为电容三点式电路。偏离串联谐振频率，晶体阻抗迅偏离串联谐振频率，晶体阻抗迅速增大，电路不能振荡。速增大，电路不能振荡。振荡频率取决于振荡频率取决于晶体的串联谐振晶体的串联谐振频率频率。为提高频稳度

57、，可将。为提高频稳度，可将 L、C1、C2、C3 回路调谐在串谐频率附近。回路调谐在串谐频率附近。2.5RC 正弦波振荡器正弦波振荡器1概念概念采用采用 RC 电路作为移相网络的振荡器电路作为移相网络的振荡器振荡频率：振荡频率：低频段，几低频段，几赫兹至赫兹至 1 MHz 之间。之间。 移相网络移相网络 RC 导前移相网络导前移相网络RC 滞后滞后移相网络移相网络 RC 串、并联串、并联选频网络选频网络 由由RC导前移相网络导前移相网络或或RC滞后移相网络滞后移相网络构成的振荡器构成的振荡器称为称为RC( (Phase Shift) ) 相移振荡器相移振荡器。 由由RC串、并联选频网络串、并联

58、选频网络构成的构成的振荡器称为振荡器称为串、并联串、并联 RC 振荡器振荡器。 ( (2) )滞后移相电路滞后移相电路0/j1)j ( RA( (3) )串、并联选频电路串、并联选频电路 02020j3)1(j)(j /A( (1) )导前移相电路导前移相电路 00/j1/j)j ( A2RC 相移振荡电路相移振荡电路图图 3- -5- -2( (a) )为导前相移电路构成的为导前相移电路构成的 RC 相移振荡器电路相移振荡器电路。( (a) )( (b) )图图 3- -5- -2RC 相移振荡电路相移振荡电路集成运放：集成运放：反相放大，反相放大，相移相移 180 ，当，当 RC 导前相移

59、导前相移电路提供电路提供 180 相移时，环路满足相位平衡条件。相移时，环路满足相位平衡条件。一节一节 RC 电路电路提供最大相移小于提供最大相移小于 90 ( (相位趋近相位趋近 90 时，时，增益已趋于增益已趋于 0) )，故需三节，故需三节 RC 电路才能提供电路才能提供 180 相移。相移。 ( (a) )( (b) )图图 3- -5- -2RC 相移振荡电路相移振荡电路将其在将其在处断开，断开点的右端加处断开，断开点的右端加 ，左端接运放的，左端接运放的输入电阻输入电阻( (其值等于其值等于 R) )，得图，得图 3- -5- -2( (b) )。可得出环路增益。可得出环路增益 iV)16( j5)j (222333333f RCRCCRCRRRT 由此可以得到由此可以得到振荡频率振荡频率和和振幅起振条件振幅起振条件分别为分