高频电子线路第5章

1、第第5 5章章 正弦波振荡器正弦波振荡器5.1 5.1 概述概述5.2 5.2 反馈振荡器反馈振荡器5.3 5.3 振荡器的分析方法振荡器的分析方法5.4 5.4 互感耦合振荡器互感耦合振荡器5.4.1 单管互感耦合振荡器单管互感耦合振荡器5.4.2 差分对管互感耦合振荡器差分对管互感耦合振荡器5.5 5.5 三点式振荡器三点式振荡器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5.5.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器考毕兹振荡器考毕兹振荡器5.5.3 电感三点式振荡器电感三点式振荡器哈特莱振荡器哈特莱振荡器5.5.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式与电感三点式振荡器

2、比较5.5.5 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器5.6 5.6 振荡器频率稳定度振荡器频率稳定度5.6.1 频率准确度和频率稳定度频率准确度和频率稳定度5.6.2 频率稳定度分析频率稳定度分析5.6.3 提高频率稳定度措施提高频率稳定度措施5.7 石英晶体振荡器石英晶体振荡器5.7.1 并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器5.7.2 串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器 振荡器振荡器就是自动地将直流能量转换为具有一定波形就是自动地将直流能量转换为具有一定波形参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换参数的交流振荡信号的装置。和放大器一样也是能量转换器。它与放大器的区

3、别在于，不需要外加信号的激励，其输器。它与放大器的区别在于，不需要外加信号的激励，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。出信号的频率，幅度和波形仅仅由电路本身的参数决定。振荡器振荡器分类分类正弦振荡正弦振荡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非正弦波振荡器非正弦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5.15.1 概概 述述 应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生应用范围：在发射机、接收机、测量仪器（信号发生器）、计算机、医疗、仪器乃至电子手表等许多方面振荡器器）、计算机、医疗、仪器乃至电子

4、手表等许多方面振荡器都有着广泛的应用。都有着广泛的应用。 主要技术指标：主要技术指标： 1.振荡频率振荡频率f及频率范围及频率范围: 2.频率稳定度频率稳定度:调频广播和电视发射机要求调频广播和电视发射机要求:10-510-7左右左右 标准信号源标准信号源:10-610-12 要实现与火星通讯要实现与火星通讯:10-11 要为金星定位要为金星定位:10-12 3.振荡的幅度和稳定度振荡的幅度和稳定度: 4.4.频谱频谱( (残波辐射残波辐射):): 讨论内容讨论内容:从振荡原理入手研究振荡器判据、寻求振荡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

5、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。频率稳定度。 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 (5.2.1 当放大器接成负反馈时，当放大器接成负反馈时，5.2.1式中取正号，当式中取正号，当1FA负反馈变成自激振荡器。其负反馈变成自激振荡器。其 振幅条件为振幅条件为1|FA5.25.2 反馈振荡器反馈振荡器oXiXAFiX反馈放大器方框图反馈放大器方框图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

6、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。号所示。此时式此时式5.2.1式变为式变为FAAAf15.2.2当其当其1FA时，时，就会产生自激振荡就会产生自激振荡。其。其振幅条件为：振幅条件为：相位条件为：相位条件为：.210 2arg1|，nnFAFAFA 要使振荡器能够起振要使振荡器能够起振，在刚接通电源后在刚接通电源后，1|FA，当达当达到平衡时到平衡时，1|FA。这就是振荡器振幅平衡条件这就是振荡器振幅平衡条件。5.3 5.3 振荡器的分析方法振荡器的分析方法 分析振荡器有两种方法：即瞬态分析法和稳态分析法。分析振荡器有两种方法：即瞬态分析法和稳态分析法。这里只介

7、绍稳态分析法。这里只介绍稳态分析法。 稳态分析方法考虑问题的基础是：振荡器在起振时是小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。所以稳态分析法是适来近似处理，使问题的分析得到简化。所以稳态分析法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

8、生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。自激振荡的必要条件。 而正反馈只是反馈放大器的特殊形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。式，我们试图将振荡器与反馈放大器联系起来，如图所示。 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)()()()(sDsAsAsAsFsAsAsVsVsALsof5.3.1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)

9、(sVo)(sVs)(sF)(sA)(sUf)(sUi反馈放大器反馈放大器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)(1)()()()()()(sAsDsVsVsFsAsALifL 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。 0)()(1)

10、()(1sDsAsFsAL5.3.2 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 欲满足振荡条件就必须欲满足振荡条件就必须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。 其基本步骤是：首先画出振荡器的交流等效电路，进而其基本步骤是：首先画出振荡器的交流等效电路，进而画出画出Y Y参数等效电路；其次求出特征方程参数等效电路；其次求出特征方程D(s)=0D(s)=0；然后分别；然后分别由由ReD(s)=0ReD(s)=0求振幅平

11、衡条件，求振幅平衡条件，ImD(s)=0ImD(s)=0求振荡频率；最求振荡频率；最后由微变参数代替平均参数求得起振条件。后由微变参数代替平均参数求得起振条件。5.4 5.4 互感耦合振荡器互感耦合振荡器振荡器分类振荡器分类互感耦合振荡器互感耦合振荡器石英晶体振荡器石英晶体振荡器三三 点点 式式 振振 荡荡 器器电感反馈振荡器电感反馈振荡器电容反馈振荡器电容反馈振荡器基本型基本型克拉泼振荡器克拉泼振荡器西勒振荡器西勒振荡器5.4.1 单管互感耦合振荡器单管互感耦合振荡器 互感耦合振荡器互感耦合振荡器(或变压器反馈振荡器或变压器反馈振荡器)又称为调谐型振又称为调谐型振荡器，根据回路荡器，根据回路

12、(选频网络选频网络)的三极管不同电极的连接点又可的三极管不同电极的连接点又可分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。如图分为集电极调谐型、发射极调谐型和基极调谐型。如图5.4-1所示。这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可所示。这里我们只讨论集电极调谐型，而集电极调谐型又可分为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共分为共射和共基两种类型，均得到广泛应用。两者相比，共基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但基电路的功率增益较小，输入阻抗较低，所以难于起振，但截止频率较高。此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较截止频率较高。此外，共基电路内部反馈比较小，工作比较稳

13、定。稳定。三种互感耦合振荡器三种互感耦合振荡器 以上三种电路，变压器的同名端如图所示。它必须满足以上三种电路，变压器的同名端如图所示。它必须满足振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量振荡的相位条件，在此基础上适当调节反馈量M M以满足振荡以满足振荡的振幅条件。下面利用的振幅条件。下面利用“切环注入法切环注入法”判断电路是否满足相判断电路是否满足相位条件。位条件。 (1)(1)在电路中某一个合适的位置在电路中某一个合适的位置( (往往是放大器的输入端往往是放大器的输入端) )把电路断开，把电路断开，( (用用X X号表示号表示) )； (2)(2)在断开出的一侧在断开出的一侧( (往往是放大器

14、的输入端往往是放大器的输入端) )对地引入对地引入一个外加电压源一个外加电压源 , ,该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐振频率；振频率； (3)(3)看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对看经过放大器反馈网络之后转回到断开处另一侧对iU地的电压地的电压 是否与是否与 同相，为同相则其中必有某一个频率满同相，为同相则其中必有某一个频率满足自激振荡的相位条件足自激振荡的相位条件( (注意这里是实际方向注意这里是实际方向) )，电路有振荡，电路有振荡的可能。的可能。 如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了。如果电路又同时满足振幅条件就可以产生正弦振荡了

15、。下面用巴克好森准则分析集电极调谐型反馈振荡器的振荡条下面用巴克好森准则分析集电极调谐型反馈振荡器的振荡条件。件。 设工作频率远小于振荡器的特征频率，忽略其内部反馈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，用平均参数画出了的影响，用平均参数画出了图图(a)(a)的大信号等效电路，的大信号等效电路，如图如图所示所示。它与变压器耦合放大器区别在于次级负载就是放大器。它与变压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G Gieie。其。其 为为fUiUoULjrGCjGUGUieoeimo12LjrCjGGUUAmio1故故5.4.1式中式中ieoeGGG2其中其中12NN

16、互感耦合振荡器大信号等效电路互感耦合振荡器大信号等效电路而而LjrMjILjrIMjUUFLLof5.4.2 根据巴克好森准则，根据巴克好森准则，1FA即即11LjrMjLjrCjGGFAm5.4.3可得可得012mMGrCLGjLCrG5.4.4012rGLCjMGrCLGm即即0012mMGCrLGLCrG5.4.5解上述方程组得解上述方程组得MCrLGGrGLCm115.4.6 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)(5.4.7 上式说明，上式说明，r越大越大，M越小越

17、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荡器了。 由式由式5.4.6还可以看出，振荡器的频率和晶体管的参数有还可以看出，振荡器的频率和晶体管的参数有关。（关。（G G=G=Goeoe+2 2G Gieie）实际上，管子的极间电容对高频振荡）实际上，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。因为这些参数与温度有频率影响较大，这一点是不希望的。因为这些参数与温度有关。关。5.4.2 5.4.2 差分对管互感耦合振荡器差分对管互感耦合振荡器 如图所示。两

18、差分对管的集电极分别接有由如图所示。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组成并联谐振回路。反馈电压组成并联谐振回路。反馈电压 和输出电压和输出电压 分别由两管的集电极取出。振荡器的闭环回路由分别由两管的集电极取出。振荡器的闭环回路由BGBG1 1fUoU差分振荡器差分振荡器的集电极经互感线圈耦合到的集电极经互感线圈耦合到BGBG2 2的基极，然后通过共发耦合的基极，然后通过共发耦合电路回到电路回到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。同相，环路满足正反馈特性。再调节互感再调节互

19、感M M使之满足振幅平衡条件，电路便可进入振荡状使之满足振幅平衡条件，电路便可进入振荡状态。态。 与单管振荡器比较，差分对管振荡器更为优越：与单管振荡器比较，差分对管振荡器更为优越：1.1.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BGBG2 2不工作在饱和区内不工作在饱和区内，负负载与环路就处于隔离状态载与环路就处于隔离状态，振荡器的频率稳定度和幅度稳定振荡器的频率稳定度和幅度稳定度都会有所提高度都会有所提高；2.2.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，故失真大故失真大为减小为减小。5.55.5 三点式振荡器三点式振荡器 什么叫三点式振

20、荡器什么叫三点式振荡器? ? 所谓三点式振荡器就是对于交流所谓三点式振荡器就是对于交流等效电路而言等效电路而言，由由LCLC回路引出三个端点分别与晶体管三个电回路引出三个端点分别与晶体管三个电极相连的振荡器极相连的振荡器。 依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式依靠电容产生反馈电压构成的振荡器则称为电容三点式振荡器，又称振荡器，又称考毕兹考毕兹振荡器。振荡器。 依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式依靠电感产生反馈电压构成的振荡器则称为电感三点式振荡器，又称振荡器，又称哈特莱哈特莱振荡器。振荡器。 构成三点式的基点是如何取出满足相位条件的正反馈电构成三点式的基点是如何取出满

21、足相位条件的正反馈电压。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)不计晶体管的电抗效应；不计晶体管的电抗效应； (2)LC回路由纯电阻元件组成，即回路由纯电阻元件组成，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？ 如图所示如图所示，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振，振荡器的振荡频率十分接近回路的谐振频率，于是有频率，于是有cbcbbebececejXZjXZjXZcbbececbbeceXXXXXX0即即5.5.25.5.35

22、.5.1三点式振荡器的相位判据三点式振荡器的相位判据 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。oUiUfUoUcebecebeofXXjXIjXIUUF5.5.4 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

23、来记忆，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。fUoU5.5.2 5.5.2 电容三点式振荡器电容三点式振荡器考毕兹振荡器考毕兹振荡器 图所示电路是电容三点式的典型电路。图所示电路是电容三点式的典型电路。LC回路的三个回路的三个端点分别与三个电极相连，且端点分别与三个电极相连，且Xce和和Xbe为容抗，为容抗，Xcb为感抗。为感抗。故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。故属电容反馈三点式振荡器，又称考毕兹振荡器。电容三点式振荡器电容三点式振荡器 其中其中ZLZL为高频扼流圈，防止高频交流接地。为高频扼流

24、圈，防止高频交流接地。R Rb1b1、R Rb2b2、Re为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，图为偏置电阻。下面分析该电路的振荡条件，图 (a)画了交画了交流等效电路。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sILIooifLoriisUYUYIUYUYI5.5.5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

25、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， 其系数行列式为其系数行列式为0 0，即，即00ooiforiiUyUyUyUy0y y o rfiyy5.5.65.5.7 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 oT

26、rTonrnrTrToronfnfTrniniTfninfTiTfiyyyyyyyyyyyy 式中，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5.5.8 这就是反映振荡器满足平衡条件这就是反映振荡器满足平衡条件。使用上述方法时，应。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、电流求和的条使两个网络的电压、电流方向符合电压取样、电流求和的条件。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

27、率远低于fT，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 0fnfTrnrTonoTiniTyyyyyyyy5.5.9oernG G0 ieTGy5.5.10 由由下图下图，根据，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 将式将式 5.5.10和和5.5.11代入式代入式5.5.9得得 0111112LjGLjLjCjGLjCjGrnoeie整理得整理得无源网络无源网络5.5.120

28、21212221LCCCCGGjLGGGGCGCoeieoeiernoeie 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211CGCGLCoeieg5.5.13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LC1ieoemGCCGCCG21125.5.14 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

29、求的最小跨导跨导(gm)min，其起振条件为，其起振条件为ieoemmgCCgCCgg2112min5.5.15因因2112CCCjICjIUUFof5.5.16代入上式得代入上式得 从从图（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ieoemmFggFgg1min5.5.17fUFggoemminmin2mgFC当当，利于起振利于起振。 当当gie较大时，较大时，gie的分

30、流作用不能忽略，此时第二项起主的分流作用不能忽略，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，而应该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好该有一定范围。另外反馈系数的大小还会影响振荡波形的好坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常坏，反馈系数过大会产生较大的波形失真。通常F0.011且一般取得较小。且一般取得较小。 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,则起振条件应该修正，如则起振条

31、件应该修正，如图（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ieLoeieLoemmFgggFgCCggCCgg12112min5.5.18图（图（a a）影响起振因素）影响起振因素图（图（b b）起振条件修正）起振条件修正5.5.3 5.5.3 电感三点式振荡器电感三点式振荡器哈特莱振荡器哈特莱振荡器 电感三点式振荡器电路如图所示。电感三点式振荡器电路如图所示。 是从是从L2取得的取得的,故称为电感反馈三点式振荡器。通常故称为电感反馈三点式振荡器。通常L1、L2同绕在一个骨架同绕在一个骨架上，

32、它们之间存在着互感，且耦合系数上，它们之间存在着互感，且耦合系数M1。fU电感三点式等效电路电感三点式等效电路 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. .由由图图 (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 2122121MLLCCMLLGGoeie

33、得得221212 21MLLGGCMLLoeieg5.5.20 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体管参数有关。通常。通常2212122MLLGGMLLCoeie故故LCg15.5.21 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I022221222oeoeiemieGLMMLMLGGGGML可得振荡平衡条件可得振

34、荡平衡条件MLMLGMLMLGGieoem12215.5.22因此振荡条件是因此振荡条件是 MLMLGMLMLGggieoemm1221min5.5.23 故起振条件可写成：故起振条件可写成：1212F NNMLMLUUofieoemmgFgFgg1min5.5.245.5.25 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。5.5.4 5.5.4 电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式与电感三点式振荡器比较电容三点式电容三点式: 1.输出波形好，接近于正弦波；输出波形好，接近于正弦波； 2.因晶体管的输入输出电容与回路电

35、容并联，可因晶体管的输入输出电容与回路电容并联，可 适当增加回路电容提高稳定性；适当增加回路电容提高稳定性； 3.工作频率可以做得较高（利用极间电容）工作频率可以做得较高（利用极间电容） 缺点：调整频率困难，起振困难。缺点：调整频率困难，起振困难。电感三点式：优点是起振容易，调整方便；缺点是输出波形电感三点式：优点是起振容易，调整方便；缺点是输出波形 不好，在频率较高时，不易起振。不好，在频率较高时，不易起振。优点优点5.5.5 5.5.5 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器 前面研究的三种振荡器，其振荡频率前面研究的三种振荡器，其振荡频率不仅取决于不仅取决于LCLC回回路路参数，还

36、与晶体管的内部参数参数，还与晶体管的内部参数(Goe、Gie、Coe、Cie)有关，有关，而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因而晶体管的参数又随环流温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图所示此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图所示,Cie和和Coe分别与回路电容并联，其振荡频率可近似写成分别与回路电容并联，其振荡频率可近似写成)()(12121ieoeieoegCCCCCCCCL 如何减小晶体管电容如何减小晶体管电容Coe、Cie对频率的影响呢？对频率的影响呢？1.加大回路电容加大回路电容C1和和C2的值，但它限制了振荡频率的提高，的值，

37、但它限制了振荡频率的提高，同时为确保同时为确保的不变，减小了的不变，减小了L的值，随之带来的值，随之带来Q值下降，值下降，5.5.26使振使振荡幅度下降甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场荡幅度下降甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场合。合。2.同时减小接入系数同时减小接入系数pce和和pbe，而又不改变反馈系数，这就是，而又不改变反馈系数，这就是图所示的克拉泼图所示的克拉泼(Clapp)振荡器。振荡器。这种电路就是在这种电路就是在L支路中串支路中串接一个可变的小电容器接一个可变的小电容器C3，所以又叫做串联型电容三点式反所以又叫做串联型电容三点式反馈振荡器馈振荡器，它是在电容三点式的基础

38、上进行了改进它是在电容三点式的基础上进行了改进。晶体管电容晶体管电容Coe、Cie 对振荡频对振荡频率的影响率的影响克拉泼振荡器克拉泼振荡器所以可采用电容三点式的分析方法。所以可采用电容三点式的分析方法。3231, CCCC故故LCg105.5.27式中式中3323121321CCCCCCCCCCC5.5.2830g1 LC5.5.29 可见，可见，g只取决于只取决于L、C3，而与而与C1、C2基本无关基本无关。于是于是可以增加可以增加C1、C2(不必减小电感不必减小电感L)以减小晶体管极间电容对频以减小晶体管极间电容对频率的影响率的影响，提高了频率稳定度提高了频率稳定度，改变改变C3即可改变

39、振荡频率而即可改变振荡频率而不影响反馈系数不影响反馈系数，改变改变C C1 1、C C2 2可调节反馈系数而不会影响振可调节反馈系数而不会影响振荡频率荡频率。 起振条件可以用式起振条件可以用式5.5.18来得出，问题是如何求得来得出，问题是如何求得gL，由下图所示。由下图所示。克拉泼振荡器的起振条件克拉泼振荡器的起振条()(CCCCCCCCCCCpce故故021300022021002312111QLCLQLCLQCCpggcepL5.5.30因而起振条件为因而起振条件为ieoemmgCCQLCgCCgg210213012min5.5.31而基本放大器谐振时增益为而基

40、本放大器谐振时增益为LoemuogggA5.5.32(1)(1)若若C C1 1gL(分路作用增强分路作用增强) (gm)min 难于起振难于起振; Auo 振荡幅度减小振荡幅度减小(2)若若C3 0gL (gm)min 难于起振难于起振; Auo 振荡幅度减小振荡幅度减小(3)若若Q0 gL (gm)min 易于起振。易于起振。 Auo 振荡幅度增大振荡幅度增大 频率稳定性提高频率稳定性提高 克拉泼振荡器存在的问题是当增大克拉泼振荡器存在的问题是当增大C1和减小和减小C3时引起时引起振荡幅度下降振荡幅度下降，难于起振难于起振。原因在于。原因在于pce下降，使得下降，使得gL增大，增大，因为因

41、为gL和和03成正比，解决这一矛盾，成正比，解决这一矛盾，可以保持可以保持C3不变不变，而而 由由5.5.31和和5.5.32式可见：式可见：在电感在电感L L两端并联一个小的可变电容两端并联一个小的可变电容，用以改变振荡频率用以改变振荡频率。这就是西勒这就是西勒(Seiler)振荡器振荡器。因为。因为C4与与L并联，所以又成为并并联，所以又成为并联型电容三点式振荡器。联型电容三点式振荡器。如下图所示如下图所示西勒振荡器的原理图西勒振荡器的原理图 由于由于C C1 1、C C2 2远小于远小于C C4 4，所以回路电容，所以回路电容3432141111CCCCCCC430g1 CCL5.5.3

42、3 再看起振条件，利用式再看起振条件，利用式5.5.18ieLoemmgCCggCCgg2112min 将将图图 (a)再变换一下，再变换一下，如下图所示如下图所示，求出，求出gL。CCCCCCCCCCpce5.5.34LQCCgpgpceL002212115.5.35西勒振荡器的起振条件西勒振荡器的起振条件pce与与C4无关，改变无关，改变C4不会影响不会影响pce，也不会影响，也不会影响gL；C40gL(gm)min利于起振利于起振; Auo振荡幅度增加振荡幅度增加 这样，可以补偿由于频率增加引起的这样，可以补偿由于频率增加引起的Gm下降，使振荡下降，使振荡幅度下

43、降，使振荡幅度变化不大。因此，作为波段振荡器的幅度下降，使振荡幅度变化不大。因此，作为波段振荡器的波段覆盖可以较宽，波段覆盖可以较宽，ka1.61.8，且在波段内幅度较均匀，且在波段内幅度较均匀，其工作频率也较高，可达到数百兆赫。这是一种性能较好的其工作频率也较高，可达到数百兆赫。这是一种性能较好的振荡器。振荡器。C3的选取应综合考虑波段覆盖系数，频率稳定度和起振，的选取应综合考虑波段覆盖系数，频率稳定度和起振，在保证起振的条件下，在保证起振的条件下，C3应选得小一点好。应选得小一点好。 可见：可见：5.65.6 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。

44、例如电频率稳定度是振荡器非常重要的电气指标之一。例如电子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；子钟时钟频率不稳，直接影响计时的精度；FMFM广播如广播如FMFM发射发射频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。频率非常稳定，就可实现自动播音，取代有线广播。5.6.1 频率准确度和频率稳定度频率准确度和频率稳定度 评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。评价振荡频率的主要指标是频率准确度和稳定度。 频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它频率准确度表明实际工作频率偏离标称频率的程度。它可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。可以分为绝对频率准确度和相对频率准确度。定义：定义：绝对频

45、率准确度绝对频率准确度offf相对频率准确度相对频率准确度ooofffff5.6.15.6.2 式中，式中，f f为实际工作频率，为实际工作频率，f fo o为标称频率。为标称频率。 频率稳定度频率稳定度：是在指定时间间隔内频率准确度变化的最是在指定时间间隔内频率准确度变化的最大值大值。也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度也分为绝对频率稳定度和相对频率稳定度。常用相对。常用相对频率稳定度表示。频率稳定度表示。时间间隔oofffmax|5.6.3 频率稳定度按时间间隔分为频率稳定度按时间间隔分为: 长期频率稳定度长期频率稳定度数月或一年内的相对频率准确度数月或一年内的相对频率准确度; 短期频率稳

46、定度短期频率稳定度一天内的相对频率稳定度一天内的相对频率稳定度; 瞬时频率稳定度瞬时频率稳定度秒或毫秒内的相对频率稳定度。秒或毫秒内的相对频率稳定度。 频率稳定度数据处理方法有：频率稳定度数据处理方法有：1.1.均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频均方根值表示法：它是用在指定的时间间隔内测得的各频率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即率准确度与其平均值的偏差的均方根值来表征的。即 nioonffffn12215.6.4 式中式中,n为测量次数，为测量次数，off为为n个测量数据的平均值。个测量数据的平均值。 2.阿伦阿伦(Allon)方差表示法：方差表示法：2 12222

47、11lim)(jjonyfffn5.6.5 式中，式中，每次测量的取样时间；每次测量的取样时间；n为测量组数；为测量组数；fo为为标称频率；标称频率；j为正整数为正整数(j=1,2,3,n)；f2j，f2j-1分别为分别为2j次和次和2j-1次所测得的频率值。次所测得的频率值。5.6.2 5.6.2 频率稳定度分析频率稳定度分析 为寻求提高频率稳定度的途径，就必须找出引起频率不为寻求提高频率稳定度的途径，就必须找出引起频率不稳的因素。稳的因素。一、相位平衡条件一、相位平衡条件 由物理知识可知，任何平衡都要相应地考虑是否稳定平由物理知识可知，任何平衡都要相应地考虑是否稳定平衡。所谓稳定平衡是当外

48、因使系统偏离原来的平衡状态，一衡。所谓稳定平衡是当外因使系统偏离原来的平衡状态，一旦外因消除后，系统能自动地恢复到原来的状态；否则就是旦外因消除后，系统能自动地恢复到原来的状态；否则就是不稳定平衡。例如一个小球放置在抛物面形的锅底就属于稳不稳定平衡。例如一个小球放置在抛物面形的锅底就属于稳定平衡，杂技表演者用头顶篮球就是不稳定平衡。定平衡，杂技表演者用头顶篮球就是不稳定平衡。 作为正弦振荡器，通常情况下，人们希望它是稳定振荡作为正弦振荡器，通常情况下，人们希望它是稳定振荡其振荡的幅度、频率其振荡的幅度、频率( (相角相角) )不随时间而变化。即使有变化，不随时间而变化。即使有变化，希望它尽快地

49、恢复到原来的稳定状态。希望它尽快地恢复到原来的稳定状态。 不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波动不稳定因素也会破坏相位平衡条件。如电流电压的波动或者工作点的变化会使晶体管或者工作点的变化会使晶体管Y Yfefe的相角的相角fefe发生变化。相角发生变化。相角的变化必然会引起频率的变化。因为的变化必然会引起频率的变化。因为dtd 设外因引起的相角变化设外因引起的相角变化 ，即反馈电压，即反馈电压 比原来的比原来的输入电压输入电压 的相位超前了，相当于提高给回路的补充能量，的相位超前了，相当于提高给回路的补充能量，振荡频率就提高了；反之，振荡频率就提高了；反之， ， 相位滞后于相位滞后于

50、 ，频率就，频率就下降。因此外因引起的相角的变化，相位变化又引起频率变下降。因此外因引起的相角的变化，相位变化又引起频率变fUiU0fUiU0化的趋势是化的趋势是0 为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化为了使振荡器的相位平衡条件稳定，必须使得频率变化时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。时产生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。因此，相位平衡的稳定条件是：因此，相位平衡的稳定条件是：0g5.6.6而振荡器的相移而振荡器的相移:FZYFA5.6.7式中，式中，Y为晶体管正向传输导纳相移，为晶体管正向传输导纳相移，Z为回路相移，为回路相移，F为反馈网络相移。为反

51、馈网络相移。FZY5.6.8当当|ZFZY，时时Z因此，相位的稳定条件为因此，相位的稳定条件为0Z 由此可见，振荡器的相位平衡条件是靠并联回路的相频由此可见，振荡器的相位平衡条件是靠并联回路的相频特性来保证的。回路的品质因数特性来保证的。回路的品质因数Q值越高，这种稳频能力越值越高，这种稳频能力越强。强。二、频率稳定度分析二、频率稳定度分析 根据式根据式5.4.65.4.611rGLC，振荡器的，振荡器的主要取决于主要取决于回路的回路的L、C，当然也与晶体管的参数，当然也与晶体管的参数(G)有关。从相位平有关。从相位平衡条件可知，电路中任何一个相角发生变化都会使振荡频率衡条件可知，电路中任何一

52、个相角发生变化都会使振荡频率产生变化，而使振荡器重新平衡在某一新的频率上。例如温产生变化，而使振荡器重新平衡在某一新的频率上。例如温度、湿度、电源电压、负载等的变化以及机械振动的影响都度、湿度、电源电压、负载等的变化以及机械振动的影响都有可能引起回路元件参数有可能引起回路元件参数(L、C、Q等等)。有源器件参量和相。有源器件参量和相角角 、 、 发生变化，而使发生变化，而使发生变化。令发生变化。令代表外界不代表外界不稳定因素，由于振荡器各相角都是外界不稳定因素稳定因素，由于振荡器各相角都是外界不稳定因素和频率和频率的函数。所以相位平衡条件可以写成：的函数。所以相位平衡条件可以写成：YZF 当当

53、变化时，变化时，也相应变化，只要相位平衡条件重新得也相应变化，只要相位平衡条件重新得0, ,FAFZY5.6.9到满足，则到满足，则0,对式对式5.6.9全微分全微分0,FZYFZY因而因而FZYFZY由于由于 、 对频率变化的敏感性远小于对频率变化的敏感性远小于 对频率变化的对频率变化的YFZ敏感性，即敏感性，即FYZ又又0则上式可近似写成则上式可近似写成ZFZY005.6.10 从式从式5.6.10可知提高振荡器频率稳定度的一般规律：可知提高振荡器频率稳定度的一般规律：(1) 要小。要尽量减小外界不稳定因素要小。要尽量减小外界不稳定因素的变化，最主要的变化，最主要LC10的是减小振荡回路固

54、有频率的是减小振荡回路固有频率的变化量的变化量(2) 分子分子FZY越小越好，在外界因素越小越好，在外界因素变化时，变化时，不完全同号，相互抵消。不完全同号，相互抵消。FZY、的变化量尽量小。或者设法使的变化量尽量小。或者设法使FZY、三个量三个量(3) 分母分母Z越大越好。即要求并联谐振回路相频特性的斜越大越好。即要求并联谐振回路相频特性的斜率要大，在较小斜率增量作用下，能产生足够的相位来补偿率要大，在较小斜率增量作用下，能产生足够的相位来补偿外因所引起的外因所引起的 的相移。的相移。 由并联振荡回路的相频特性可知，由并联振荡回路的相频特性可知，Q越高，越高，越接近越接近0相频特性就越大。因

55、此应尽量提高相频特性就越大。因此应尽量提高Q值，减小值，减小 相角。相角。 以上研究了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述以上研究了提高频率稳定度的原则性措施，为了将上述措施具体化，下面讨论振荡频率与电路参量之间的关系。措施具体化，下面讨论振荡频率与电路参量之间的关系。FY、Z由相位平衡条件：由相位平衡条件：02arctanQZ5.6.110YFZFYZ得得02arctan0YFQ则振荡频率则振荡频率为：为：YFQtan2110即即YFQtan2005.6.12 对式对式5.6.12全微分得：全微分得： 并联谐振回路的相频特性为：并联谐振回路的相频特性为：当当YFYFYFYFYFYFQQQQ

56、QQ2020000cos122tantan211 12tanQYF时，时，YFYFYFQQQ22000cos22tan5.6.13该式表明了该式表明了YFQ、0对频率稳定度影响的定量对频率稳定度影响的定量关系，可以看出：关系，可以看出：(1)YFQ、0均影响振荡器的频率稳定度；均影响振荡器的频率稳定度；(2)对频率稳定度的影响最严重；对频率稳定度的影响最严重；0(3) Q对频率稳定度的影响要考虑到系数对频率稳定度的影响要考虑到系数22tanQYF，Q越高，越高，YF越小，越小，Q的影响越弱；的影响越弱；(4)YF对频率稳定度的影响要考虑到系数对频率稳定度的影响要考虑到系数YFQ2cos21，Q

57、越高，越高，YF越小，则越小，则YF的影响越弱。的影响越弱。 结论：要提高频率稳定度，首先要提高回路的标准性。结论：要提高频率稳定度，首先要提高回路的标准性。所谓回路的标准性就是指回路在外界因素变化时保持其固有所谓回路的标准性就是指回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。谐振频率不变的能力。|越小标准性越高。此外，要求越小标准性越高。此外，要求Q值要高，值要高，YF要小。要小。5.6.3 5.6.3 提高频率稳定度的措施提高频率稳定度的措施 要提高频率稳定度可采取如下两方面的措施：要提高频率稳定度可采取如下两方面的措施：1.1.减小减小；2.2.减小外界因素对减小外界因素对0 0、Q

58、 Q、 的影响，即为外界因的影响，即为外界因素变化时，设法使素变化时，设法使0 0、Q Q、 尽可能小。尽可能小。1. 减小外界因素变化减小外界因素变化的措施的措施 影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度影响振荡频率的外界因素主要有：机械振动，环境温度的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围电的变化、湿度及大气压力的变化、电源电压的变化、周围电磁场的影响、负载不稳定等。磁场的影响、负载不稳定等。 (1)机械振动：回路线圈、电容应具有较高的机械强度，机械振动：回路线圈、电容应具有较高的机械强度，底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊接牢固。加防震措施和调底板和屏蔽罩必须结实。元器件焊

59、接牢固。加防震措施和调YFYF谐回路锁定装置。谐回路锁定装置。 (2)温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路元温度：将主要元器件放在恒温槽中。合理选择回路元件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。采用件的材料，如选用膨胀系数小的金属材料和介质材料。采用正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。正负温度补偿。也可用热敏电阻稳定偏置。 (3)湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选湿度和大气压力：将振荡器和主要元件密封，还可选用吸潮性较小的介质和绝缘材料。用吸潮性较小的介质和绝缘材料。 (4)电源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独供电。电源电压：采用性能好的稳压电源，振荡器单独

60、供电。 (5)周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。周围电磁场的影响：采用电磁屏蔽措施。 (6)负载变化：加缓冲级（跟随器）。负载变化：加缓冲级（跟随器）。 (7)老化：预先对元器件进行老化处理。老化：预先对元器件进行老化处理。2.2.提高电路抗外界因素影响的能力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提高振荡回路的标准性 所谓振荡回路的标准性就是指振荡回路在外界因素变化所谓振荡回路的标准性就是指振荡回路在外界因素变化时，保持谐振频率不变的能力。因此，回路的标准性越高，时，保持谐振频率不变的能力。因此，回路的标准性越高，0随外界因素的变化越小。随外界因素的变化越小。 在高在高Q时