正弦波振荡器原理基础

1、本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信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、一定频号的情况下，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。率和一定幅度的交变能量电路。振荡器的分类：振荡器的分类：按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器 按选频网络所采用的元件分：按选频网络所采用的元件分： LC振荡器、振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型振荡器和晶体振荡器等类型本章主要讨论本章主要讨论反馈型正弦波振荡器的

2、基本工作原理反馈型正弦波振荡器的基本工作原理 振荡器的起振条件振荡器的起振条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡稳定条件振荡器的平衡稳定条件正弦波振荡器三端电路的判断准则正弦波振荡器三端电路的判断准则正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标正弦波振荡器的电路特点、频率稳定度等性能指标实际中的反馈振荡器是由反实际中的反馈振荡器是由反馈放大器演变而来，如右图。馈放大器演变而来，如右图。+vfvoLC+viK12Rb2ReCe+VCCM+自激振荡建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，该电时，该电路则为调谐放大器，当输入信号路则为调谐放大器，当输入信号为正弦

3、波时，放大器输出负载互为正弦波时，放大器输出负载互感耦合变压器感耦合变压器L2上的电压为上的电压为vf ，调整互感调整互感M及同名端以及回路参及同名端以及回路参数，可以使数，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，则集电极电路和基点，则集电极电路和基极电路都维持开关极电路都维持开关K接到接到“1”点时的状态，即始终维持着与点时的状态，即始终维持着与vi相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。相同频率的正弦信号。这时，调谐放大器就变为自激振荡器。L2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振荡电

4、路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端振荡电路中激起振荡。选频网络带宽极窄，在回路两端产生正弦波电压产生正弦波电压vo，并通过互感耦合变压器反馈到基级，并通过互感耦合变压器反馈到基级回路，这就是激励信号。回路，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。

5、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。反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成：反馈型自激振荡器的电路构成必须由三部分组成：包含两个包含两个(或两个以上或两个以上)储能元件的振荡回路。储能元件的振荡回路。2) 可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。可以补充由振荡回路电阻产生损耗的能量来源。3) 使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。使能量在正确的时间内补充到电路中的控制设备。振荡器的起振条件振荡器的起振条件:AF+vi+vo基本反馈环基本反馈环FA1AAoof0VVVAfioo若在某种情况下若在某种情况下1- =0时，此时即使没时，此时即使没有输入信号有输

6、入信号(vi=0)时，放大器仍有输出时，放大器仍有输出电压放大器变为振荡器。电压放大器变为振荡器。FAo 要维持一定振幅的振荡，反馈系数要维持一定振幅的振荡，反馈系数F F应设计得大一些。一般应设计得大一些。一般取取8121这样就可以使得在这样就可以使得在 1时的情况下起振。时的情况下起振。FAoofvvF 甲类无反馈放大器甲类无反馈放大器:反馈放大器反馈放大器:由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：由上分析知，反馈型正弦波振荡器的起振条件是：), 1, 0(21nnFAFAoFAo1其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度v vf f要要一次

7、比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。一次比一次大，而相位起振条件则要求环路保持正反馈。振幅起振条件振幅起振条件相位起振条件相位起振条件CbRbReCcCL+VCC(vf)VEBvfvs+IBOIEO+ReicoVBVBicoICQebebotICQt自给偏压使工作点下移(b)Q起振过程中偏置电压建立的过程起振过程中偏置电压建立的过程 放大器增益放大器增益A A与输出电压幅度与输出电压幅度V Vo o之间的关系叫振荡特性，之间的关系叫振荡特性，F F与与V Vo o之间之间的关系叫反馈特性。起振的幅度条件的关系叫反馈特性。起振的幅度条件可用右上图表示。可用右上图表示。在实际设计中，如果

8、设计不当，在实际设计中，如果设计不当，振荡特性可能不是单调下降的，而如振荡特性可能不是单调下降的，而如右下图所示。其静态工作点太低，右下图所示。其静态工作点太低，I ICQCQ太小，因而太小，因而A A0 0太小，以至不满太小，以至不满足足 。这种振荡器电路一般不能自行起这种振荡器电路一般不能自行起振，而必须给以一个较大幅度的初始振，而必须给以一个较大幅度的初始激励，使动态点越过不稳定平衡点激励，使动态点越过不稳定平衡点B B才能起振，这叫硬激励起振，设计电才能起振，这叫硬激励起振，设计电路要力加避免。路要力加避免。A0QVomQ反馈特性振荡特性VomF1起振条件与平衡条件起振条件与平衡条件

9、图解图解( (软激励起振软激励起振) )VomA0F1F1ABQ硬激励起振特性硬激励起振特性F1A0振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件:所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡所谓平衡条件是指振荡已经建立，为了维持自激振荡必须满足的幅度与相位关系。必须满足的幅度与相位关系。振荡器的平衡条件为振荡器的平衡条件为FA)(), 1, 1(2)(1相相位位平平衡衡振振幅幅平平衡衡nnAFFA=1在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大在平衡条件下，反馈到放大管的输入信号正好等于放大管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压管维持及所需要的输入电压，从而保持反馈环路各点电压的平衡，使

10、振荡器得以维持。的平衡，使振荡器得以维持。A A为平均放大量为平均放大量ifec1fe11maxc1)()()cos1 ()(VyVyvgiIbccbccc)(c1fefeyy振荡器的回路输出电压 p1c1cZIVpfe1icZyVZIVVAipc1pfeZFy 将各因子写成指数形式，有式中称为晶体管平均正向传输导纳FA=1FZYFFZZyyjjp1p1jfefeeee1|1FZypfe)3,2,1,0(2FzYnn 用电路参数表示振荡器的平衡条件：用电路参数表示振荡器的平衡条件：振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件上面所讨论的振荡平衡条件只能说明振荡能在某一状态平上面所讨论的振荡

11、平衡条件只能说明振荡能在某一状态平衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建衡，但还不能说明这平衡状态是否稳定。平衡状态只是建立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能立振荡的必要条件，但还不是充分条件。已建立的振荡能否维持，还必需看平衡状态是否稳定。否维持，还必需看平衡状态是否稳定。 所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件所谓平衡状态的稳定条件即指在外因作用下，平衡条件被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。被破坏后，振荡器能自动恢复原来平衡状态的能力。两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念两个简单例子来说明稳定平衡与不稳定平衡的概念 BQ振荡器平衡状态

12、的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件:1F1F假定由于某种因素使振幅增大超过了假定由于某种因素使振幅增大超过了VomQ，可见这时，可见这时A即出现即出现AF1的情况，于是振幅就自动衰减而回到的情况，于是振幅就自动衰减而回到VomQ。反之，当某种因素使振幅小于反之，当某种因素使振幅小于VomQ，这时，这时A ，即出现即出现AF1的情况。于是振幅就自动增强，从而又回到的情况。于是振幅就自动增强，从而又回到VomQ。因此。因此Q点是稳定平衡点。点是稳定平衡点。，1) 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件A0QVomQ反馈特性振荡特性VomF1由于在由于在VomVomVomBVomB的区间，振荡始终是衰

13、减的，因此，这的区间，振荡始终是衰减的，因此，这种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个大于种振荡器不能自行起振，除非在起振时外加一个大于VomBVomB的的冲击信号，使其冲过冲击信号，使其冲过B B点，才有可能激起稳定于点，才有可能激起稳定于Q Q点的平衡状点的平衡状态。这样的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电路态。这样的现象，称为硬自激。一般情况下都是使振荡电路工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。工作于软自激状态，通常应当避免硬自激。 Vom A0 F 1 F 1 A B Q 这时这时A=1/F(Vom)A=1/F(Vom)的变化曲线不是单调的变化曲线不是单调下降的，而是先随下降

14、的，而是先随VomVom的增大而上升，的增大而上升，达到最大值后，又随达到最大值后，又随VomVom的增大而下降。的增大而下降。因此，它与因此，它与1/F1/F线可能出现两个交点线可能出现两个交点B B与与Q Q。这两点都是平衡点。这两点都是平衡点。 如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向偏置，而如果晶体管的静态工作点取得太低，甚至为反向偏置，而且反馈系数且反馈系数F F又较小时，可能会出现另一种振荡形式。又较小时，可能会出现另一种振荡形式。B B点的平衡状态是不稳定的。点的平衡状态是不稳定的。形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数形成稳定平衡点的关键在于在平衡点附近，放大倍数随振

15、幅的变化特性具有负的斜率，即随振幅的变化特性具有负的斜率，即omQomomVVVA02) 相位平衡的稳定条件相位平衡的稳定条件相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身相位稳定条件指相位平衡条件遭到破坏时，线路本身能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其能重新建立起相位平衡点的条件；若能建立则仍能保持其稳定的振荡。稳定的振荡。振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件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，因而它们好具有这一性能，因而它们具有稳定振幅的功能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

16、质上是必须强调指出：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一回事。因为振荡的角频率就是相位的变化率，所以当振荡，所以当振荡器的相位变化时，频率也必然发生变化。器的相位变化时，频率也必然发生变化。)dtd(如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很如果由于某种原因，相位平衡遭到破坏，产生了一个很小的相位增量小的相位增量+，这就意味着反馈电压超前于原有输入电，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压一个相角压一个相角,相位超前就意味着周期缩短相位超前就意味着周期缩短,频率不断地提高。频率不断地提高。反之，如果反之，如果为负，即滞后于原输入电压为负，即滞后于原输

17、入电压,同理将导致频率的同理将导致频率的不断降低。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 0 0 相位稳定条件应为相位稳定条件应为0)(FZY或或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

18、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写成偏微分形式，即写成偏微分形式，即00 0由于由于 y y和和 F F对于频率变化的敏感性一般远小于对于频率变化的敏感性一般远小于 Z Z对频率变化的敏对频率变化的敏感性，即感性，即 ZYZFZ 因此，1振幅起振条件振幅起振条件相位起振条件相位起振条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件:FA)(), 1, 1(2)(1相相位位平平衡衡振振幅幅平平衡衡nnAFFA=11|1FZypfe)3,2,1,0(2Fz

19、Ynn振幅平衡条件振幅平衡条件相位平衡条件相位平衡条件用电路参数表示振荡器的平衡条件：用电路参数表示振荡器的平衡条件：管子是自动稳幅机构管子是自动稳幅机构振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件:omQomomVVVA0振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件:相位稳定条件相位稳定条件: :0 0Z并联谐振回路具有相位稳定功能并联谐振回路具有相位稳定功能 LC振荡器按其反馈网络的不同，可分为振荡器按其反馈网络的不同，可分为互感耦合振荡互感耦合振荡器、电感反馈式振荡器器、电感反馈式振荡器和和电容反馈式振荡器电容反馈式振荡器三种类型。三种类型。本部分内容重点介绍不同型式的反馈型本部分内容重点介

20、绍不同型式的反馈型LC振荡器，以振荡器，以三点式振荡器作为重点。三点式振荡器作为重点。互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦馈的，耦合线圈同名端的正确位置的放置，选择合适的耦合量合量M，使之满足振幅起振条件很重要。，使之满足振幅起振条件很重要。互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和互感耦合振荡器有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路调发电路，这是根据振荡回路是在集电极电路、基极电路和发射极电路来区分的。和发射极电路来区分的。5.3.1互感耦

21、合振荡器互感耦合振荡器 由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分耦合。耦合。 调基电路振荡频率调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。振幅比较平衡。 VCC Rb1 Rb2 Cb Ce M C L1 L2 Re L (a) 调基电路调基电路调基电路调基电路调集电路在高频输出方调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成而且幅度较大，谐

22、波成分较小。分较小。v1Rb1Rb2ReCbCeVCCCM（b）调集电路）调集电路LL1 由于基极和发射极由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回为了避免过多地影响回路的路的Q值，故在调基和值，故在调基和调发这两个电路中，晶调发这两个电路中，晶体管与振荡回路作部分体管与振荡回路作部分耦合。耦合。VCCRb1Rb2RoCbCeMCL2L1（c）调发电路）调发电路 互感耦合振荡器在调整反馈互感耦合振荡器在调整反馈(改变改变M)时，基本上不影时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出

23、稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。高，一般应用于中、短波波段。根据根据h参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率参数等效电路分析可知互感耦合振荡器的振荡频率LCrhhLCfio1211121起振条件：起振条件：MhLChbi hf其中其中 为为L中的损耗电阻，中的损耗电阻， h=h0hi hf hr显然，显然，M与与hf越大，越容易起振。越大，越容易起振。 三端式三端式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

24、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。三端式三端式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，又称哈特莱振荡器电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)；电容三端式，又称考毕兹振荡器电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)；串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(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三端式振荡器组成

25、法则三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则相位平衡条件的判断准则)v1Rb 1Rb 2Cb VC CCLL1L2CeRe (a) (a) 共发电感反馈三端式振荡器电路共发电感反馈三端式振荡器电路v1CN1N2L1L2+vivf(b) 等效电路等效电路由由h h参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件参数等效电路可以推导，电感反馈三端电路的起振条件MLMLRhRFh21piepiepfeieRhh hfe 电感反馈三端电路的振荡频率为电感反馈三端电路的振荡频率为LC121)MLL(hh)M2LL(C121f221ieoe210电感反馈三端式振荡器电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路哈特

26、莱电路)MLMLF12iepfehRhApoeoeR1hhL=L1+L2+2M F F值过小，值过小，A A0 0F F1 1不易满足；不易满足； F F值过大，值过大，L L2 2+M+M 由图由图可知，可知，F F，L L2 2+M+M 接入系数接入系数P Pbebe= = 管子输入阻抗管子输入阻抗Z Zi i折合到折合到cbcb的阻抗的阻抗 cb cb回路的回路的Q Q值减小值减小R R p p ，M2LLML2122beiiPZZCZiL1L2ecZibF F不能取得太小，也不能取得太大，否则振荡条件均难以满足。不能取得太小，也不能取得太大，否则振荡条件均难以满足。 即要求的即要求的h

27、 hfefe加大，难于起振，同时影响了振荡波形产生失真。加大，难于起振，同时影响了振荡波形产生失真。MLMLF12哈特莱电路的优点：哈特莱电路的优点： 1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；之间有互感，反馈较强，容易起振；电路的缺点：电路的缺点：1、振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，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，因此对高次谐波的而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的 反馈较强，使波形失真大；反馈较强，使波形失真大；2、电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这 是因为频率太高，是因为频率太高，

28、L L太小且分布参数的影响太大。太小且分布参数的影响太大。2、振荡频率调节方便，只要调整电容、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。的大小即可。3、而且、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。的改变基本上不影响电路的反馈系数。电容反馈三端振荡器电容反馈三端振荡器(考毕兹电路考毕兹电路)v1CbReCe VCCLRsCcC1C2v1C1C2+Lvivf电容三端式振荡电路电容三端式振荡电路（a）（b）可推导电容反馈三端电路的起振条件可推导电容反馈三端电路的起振条件12pieCCRhpfeieRhh hfe 电容反馈三端电路的振荡频率电容反馈三端电路的振荡频率21CCF iepfehRhAL

29、C121CChhCLCCC21f21ieoe21210 2121CCCCC考毕兹电路的优点：考毕兹电路的优点：1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可）电路的频率稳定度较高，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。以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振 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 频率可做到几十频率可做到几十MHz到几

30、百到几百MHz的甚高频波段范围。的甚高频波段范围。电路的缺点：电路的缺点： 调调C1或或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在只要在L两端并上一个可变电容器，并令两端并上一个可变电容器，并令C1与与C2为固定电为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。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) ) Cb Re VCC Rs C3 C1 C2 L Rb2 Rb1 A B RL C1 L A B Cce Cbe C2 Re b Ccb c e Reo C3 （

31、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 3远远小于远远小于C C1 1和和C C2 2，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323133313221321CCCCC1CCCCCCCCCCC30LC1LC1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 1、C C2 2无关。无关。21CCF 和电容三端式电路中Cce与谐振回路的接入系数Pce=C2/(C1+C2)比较，由于C3C1，C3C2，所以PcePce，同理 Pbe0, 所以所以F=x xbebe/x xcece0 ,

32、x xebeb与与x xcece性质相同性质相同 简言之就是简言之就是“ce，be同抗件，同抗件，cb反抗件反抗件” 以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡能否起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。现象。 x xebeb、x xcece电抗性质相同，电抗性质相同，x xcbcb与与x xebeb、x xecec电抗性质相反。电抗性质相反。Xb e+bXceXcbvivf+voce许多变形的三端式许多变形的三端式LCLC振荡电路，振荡电路，x xcece和和x xbebe、x xcbcb往往不都往往不都是单一的

33、电抗元件，而是可以由不同符号的电抗元件组是单一的电抗元件，而是可以由不同符号的电抗元件组成。但是，成。但是，多个不同符号的电抗元件构成的复杂电路，多个不同符号的电抗元件构成的复杂电路，在频率一定时，可以等效为一个电感或电容。在频率一定时，可以等效为一个电感或电容。根据等效根据等效电抗是否具备上述三端式电抗是否具备上述三端式LCLC振荡器电路相位平衡判断准振荡器电路相位平衡判断准则的条件，便可判明该电路是否起振。则的条件，便可判明该电路是否起振。由此得出三端电路组成法则为：由此得出三端电路组成法则为：例例5-1 5-1 振荡电路如图振荡电路如图( (a)a)所示，试画出交流等效电路，并判断电所示

34、，试画出交流等效电路，并判断电路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？路在什么条件下起振，属于什么形式的振荡电路？L3C3C1C2Rb1Rb2CcCcRcReCeL1CVCCebc C2C3eL3C1L1bc2) 2) 根据交流等效电路可知，因为根据交流等效电路可知，因为x xebeb为容性电抗，为了满足为容性电抗，为了满足三端电路相位平衡判断准则，三端电路相位平衡判断准则，x xcece也必须呈容性。同理，也必须呈容性。同理，x xcbcb应该应该呈感性。呈感性。( (b)b)( (a)a)解解 1) 1) 根据画交流等效电路原则，将所有偏置视为开路，将耦根据画交流等效电路原则，将所有偏

35、置视为开路，将耦合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图合电容、交流旁路电容视为短路，则该电路的交流等效电路如图( (b)b)所示。所示。 根据并联谐振回路的相频特性，当振荡频率根据并联谐振回路的相频特性，当振荡频率f f0 0f f1 1( (回路回路L L1 1C C1 1的固有频率的固有频率) )时，时，L L1 1C C1 1呈容性。根据呈容性。根据x xbebe+ x+ xcece+ x+ xbcbc=0=0，L L3 3C C3 3回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知，回路应呈感性，振荡电路才能正常工作。由图可知，f f0 0f f3 3时可以振荡，等效为电

36、容三端振荡电路。其条件可写时可以振荡，等效为电容三端振荡电路。其条件可写为为11CL2133CL21Zffo感性容性即即L L1 1C C1 1L L3 3C C3 3并联谐振回路的相频特性并联谐振回路的相频特性C1L1C3L3C2L2ebc例例5-2 5-2 有一振荡器的交流等效电路如图所示。已知回路参数有一振荡器的交流等效电路如图所示。已知回路参数L L1 1C C1 1L L2 2C C2 2L L3 3C C3 3，试问该电路能否起振，等效为哪种类型的振荡试问该电路能否起振，等效为哪种类型的振荡电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之间有何关系？电路？其振荡频率与各回路的固有谐振频率之

37、间有何关系？ 解解 ： 该电路要振荡必须满足相位平衡判该电路要振荡必须满足相位平衡判 断准则。先假定断准则。先假定x xcece、x xbebe均为电感，则均为电感，则x xcbcb应为应为电容。电容。根据已知条件根据已知条件L L1 1C C1 1L L2 2C C2 2L L3 3C C3 3，则有则有f f1 1f f2 2f f3 3，若要若要x xcece、x xbebe为电感，则应为电感，则应该该f f0 0f f1 1，f f0 0f f2 2，同时同时f f0 0f f3 3，由已知条件由已知条件看出看出f f0 0不可能同时大于不可能同时大于f f3 3小于小于f f2 2，

38、故不成立。故不成立。若若x xcece、x xbebe同为电容，则同为电容，则f f0 0f f2 2f f1 1，同时应同时应该该f f0 0f f3 3，有已知条件知振荡频率可满足该条有已知条件知振荡频率可满足该条件，即件，即f f1 1f f2 2f f0 0f f3 3，所以，该电路应为电所以，该电路应为电容三端振荡器。容三端振荡器。频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。最小。绝对准确度绝对准确度0fff相对准确度相对准

39、确度000fffff 振荡器的实际工作频率振荡器的实际工作频率f f与标称频率与标称频率f f0 0之间的偏差，称为之间的偏差，称为振荡频率的准确度。它通常分为绝对频率准确度与相对频率准振荡频率的准确度。它通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为确度两种，其表达式为频率准确度频率准确度:5.4.1频率稳定度频率稳定度的定义的定义 指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度，如于标称频率变化的程度，如 t t时间内测得频率的最大变化为时间内测得频率的最大变化为 f fmaxmax，则频率稳定度

40、则频率稳定度 定义为定义为: : tt0maxff长期频率稳定度：长期频率稳定度：一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。一般指一天以上乃至几个月的相对频率变化的最大值。 短期频率稳定度：一般指一天以内频率的相对变化最大值。一般指一天以内频率的相对变化最大值。 瞬间频率稳定度：瞬间频率稳定度：指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，指秒或毫秒内随机频率变化，即频率的瞬间无规则变化，通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。通常称为振荡器的相对抖动或相位噪声。振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 指在一定时间间隔内指在一定时间间隔内,频率准确度变化的最大值频率准确度变化的最大值.短期

41、频率稳定度主要与温度变化、电源电压变化和电路参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。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。体和老化特性，与频率的瞬间变化无关。瞬间频率稳定度主要是由于频率源内部噪声而引起的频率瞬间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。起伏，它与外界条件和长期频率稳定度无关。振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度1. 1. 振荡回路参数对频率的影响振荡回路参数对频率的影响因为振荡频率

42、因为振荡频率LC10其相对频率变化量为其相对频率变化量为)CCLL(21002. 2. 回路品质因素回路品质因素Q Q值对频率的影响值对频率的影响如右图，如右图，Q Q值越高，则相同的相角变值越高，则相同的相角变化引起频率偏移越小。化引起频率偏移越小。ZYFoo2YFYFYFo2o2ZYFQ2Q1Q1Q21o1o13. 有源器件的参数对频率的影响有源器件的参数对频率的影响 振荡管为有源器件，若它的工作状态振荡管为有源器件，若它的工作状态( (电源电压电源电压或周围温度等或周围温度等) )有所改变，则由式有所改变，则由式 如果晶体管参数如果晶体管参数 h h与与h hi i将发生变化，即引起振荡

43、频率的改变。将发生变化，即引起振荡频率的改变。LC1211hhLC121fio另外，另外， 当外界因素当外界因素( (如电源电压、温度、湿度等如电源电压、温度、湿度等) )变化时，变化时，这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。这些参数随之而来的变化就会造成振荡器频率的变化。LC121CChhCLCCC21f21ieoe21210LC121)MLL(hh)M2LL(C121f221ieoe2101. 1. 减小外因变化，根除减小外因变化，根除“病因病因”减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振减小温度的变化，可将振荡器放在恒温槽内；另使振 荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的

44、荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L L、C C，抵，抵消消 L L、 C C。减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采减小电源的变化，采用二次稳压电源供电；或者振荡器采取单独供电。取单独供电。3) 3) 减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。减小湿度和大气压力的影响，通常将振荡器密封起来。4) 4) 减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。减小磁场感应对频率的影响，对振荡器进行屏蔽。5) 5) 消除机械振动的影响消除机械振动的影响 通常可加橡皮垫圈作减振器。通常可加橡皮垫圈作减振器。 减小负载的影响减小负载的影响: : 在振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路在

45、振荡器和下级电路之间加缓冲器，提高回路Q Q值；值； 本级采用低阻抗输出本级采用低阻抗输出; ; 本级输出与下一级采取松耦合；本级输出与下一级采取松耦合； 采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之之 间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回路标准性，提高频率稳定度。提高回路标准性，提高频率稳定度。 2. 2. 提高回路的标准性提高回路的标准性 所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持所谓回路的标准性即指振荡回路在外界因素变化时保持其固有谐振频率不变的能力。其固有谐振频率不变的能力。 要提高回

46、路标准性即要减小要提高回路标准性即要减小 L L和和 C C，因此可采取优质材，因此可采取优质材料的电感和电容。料的电感和电容。 3. 3. 减小相角减小相角 YFYF及其变化量及其变化量YFYF 为使振荡器的频率稳定度高，则为使振荡器的频率稳定度高，则要求要求 YFYF的数值小，且变化量小。的数值小，且变化量小。 可使振荡器的工作频率比振荡管的特性频可使振荡器的工作频率比振荡管的特性频率低很多，即率低很多，即fff Cq，所以，Pcb很小，约为104。电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小，提高了回路的标准性。L0qqcbabcbCCCCCCP2121LCCCCCqL0qL0qabCCCC)C

47、C(CC ，CCb= Co+CL(2) (2) 振荡频率几乎由石英晶振的振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本身的参参数决定，而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。数具有高度的稳定性。CoLqC1C2rqbceCqaLqrqCqaCoCLcb其中其中CL是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值，即根据是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值，即根据产品要求的负载电容。产品要求的负载电容。 L0qqL0qL0qq0CCC1fCCC)CC(CL21f振荡频率：振荡频率：(4) (4) 由于晶振的由于晶振的Q Q值和特性阻抗值和特性阻抗 都很高，所以晶振的谐振都很高，所以晶振的谐振 电阻也很高，

48、一般可达电阻也很高，一般可达10101010 以上。这样即使外电路接以上。这样即使外电路接 入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗入系数很小，此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗 仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。仍很大，使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。 Xef0CL的电抗曲线fpfqfN(3) (3) 由于振荡频率由于振荡频率f f0 0一般调谐在标称一般调谐在标称频率频率f fN N上，位于晶振的感性区间，电上，位于晶振的感性区间，电抗曲线陡峭，稳频性能极好。抗曲线陡峭，稳频性能极好。2. 2. 密勒密勒(Miller)(Miller)振荡电路振荡电路3

49、00p61122H0.022.2kVDDCgd10M1MHz 密勒振荡电路密勒振荡电路右图是场效应管密勒振荡电路。右图是场效应管密勒振荡电路。石英晶体作为电感元件连接在栅极石英晶体作为电感元件连接在栅极和源极之间。和源极之间。LCLC并联回路在振荡频并联回路在振荡频率点等效为电感，作为另一电感元率点等效为电感，作为另一电感元件连接在漏极和源极之间，极间电件连接在漏极和源极之间，极间电容容C Cgdgd作为构成电感三点式电路中的作为构成电感三点式电路中的电容元件。由于电容元件。由于C Cgdgd又称为密勒电容，又称为密勒电容，故此电路有密勒振荡电路之称。故此电路有密勒振荡电路之称。 密勒振荡电路

50、通常不采用晶体管，原因是正向偏置时密勒振荡电路通常不采用晶体管，原因是正向偏置时晶体管发射结电阻太小，虽然晶振与发射结的耦合很弱，晶体管发射结电阻太小，虽然晶振与发射结的耦合很弱，但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性，但也会在一定程度上降低回路的标准性和频率的稳定性，所以采用输入阻抗高的场效应管。所以采用输入阻抗高的场效应管。 3. 3. 泛音晶体振泛音晶体振荡荡电路电路C2C1C3LXf(MHz)01234567 并联型泛音晶体振荡电路，假设泛音晶并联型泛音晶体振荡电路，假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为振为五次泛音，标称频率为5MHz，基频，基频为为1MHz，则，则LC1回路必

51、须调谐在三次和回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。五次泛音频率之间。 在在5MHz频率上，频率上，LC1回路呈容性，振荡回路呈容性，振荡电路满足组成法则，而对于基频和三次泛电路满足组成法则，而对于基频和三次泛音频率来说，音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，上泛音频率，LC1回路虽呈现容性，但等回路虽呈现容性，但等效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数效容抗减小，从而使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于减小，环路增益小于1，不满足振幅起振，不满足振幅起振条件。条件。LC1回路的电抗特性如回

52、路的电抗特性如(b)图所示。图所示。 (b) LC1回路的电抗特性回路的电抗特性 (a) 并联型泛音晶体振荡电路并联型泛音晶体振荡电路 4.4.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器ReC1C2C3L串联型晶体振荡电路串联型晶体振荡电路 串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反是将石英晶振用于正反馈支路中，利用其串联馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件，谐振时等效为短路元件，电路反馈作用最强，满足振电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶幅起振条件，使振荡器在晶振串联谐振频率振串联谐振频率f fq q上起振。上起振。 这种振荡器与三点式振荡器基本类似，只不过在正反这种振荡器与

53、三点式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶振。馈支路上增加了一个晶振。 Cb Re VCC R C1 C2 L C3 1600p 680 C 20k 2.2k Rb1 Rb2 Cp 300p 3.8h 解解 先画出先画出V V1 1管高频交流等效电路，如图管高频交流等效电路，如图 ( (b)b)所示，所示，0.010.01 F F电容较大，作电容较大，作为高频旁路电路，为高频旁路电路，V V2 2管是射随器。管是射随器。 由高频交流等效电路可以看到，由高频交流等效电路可以看到，V V1 1管的管的c c、e e极之间有一个极之间有一个LCLC回路，其谐振频回路，其谐振频率为率为所以

54、在晶振工作频率所以在晶振工作频率5 5MHzMHz处，此处，此LCLC回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔回路等效为一个电容。可见，这是一个皮尔斯振荡电路，晶振等效为电感，容量为斯振荡电路，晶振等效为电感，容量为3-103-10pFpF的可变电容起微调作用，使振荡器的可变电容起微调作用，使振荡器工作在晶振的标称频率工作在晶振的标称频率5 5MHzMHz上。上。MHz0 . 410330107 . 421f1260 C VCC 20k b c e 5.6k 20p 10/3p 330p 0.01 5MHz 200p v 1 4.7 2.7k 1.5k v 2 20p10/3p200pecbv1

55、330p4.7H例例5-3 5-3 图图( (a)a)是一个数字频率计晶振电路，试分析其工作情况。是一个数字频率计晶振电路，试分析其工作情况。( (b)b)( (a)a) 1) 1) 画出振荡器的高频等效电路，并指出电路的振荡形式；画出振荡器的高频等效电路，并指出电路的振荡形式； 2) 2) 若把晶体换为若把晶体换为1MHz1MHz，该电路能否起振，为什么？，该电路能否起振，为什么？ 3) 3) 求振荡器的振荡频率；求振荡器的振荡频率； 4) 4) 指出该电路采用的稳频措施。指出该电路采用的稳频措施。例例5-4已知石英晶体振荡电路如图所示，试求：已知石英晶体振荡电路如图所示，试求： VCC 1

56、0k b 2k 20-5pF 20pF 330F 7MHz 4.7 1k 330pF 200pF 100pF 10pF 10F 2.7k 6.8pF 0.01F 稳压 0.01 7MHz 10pF 4.7 330pF 200pF 20-5pF 3）因为石英晶体的标称频率为）因为石英晶体的标称频率为7MHz所以该振荡器的工作所以该振荡器的工作频率即为频率即为7MHz。4）该电路采用的稳频措施有：）该电路采用的稳频措施有：采用晶体振荡的克拉波电路；采用晶体振荡的克拉波电路；(b) 振荡与射级跟随器是松耦合；振荡与射级跟随器是松耦合；(c) 用射级跟随器进行隔离；用射级跟随器进行隔离；(d) 电源进

57、行稳压，以保晶体管参数的稳定性电源进行稳压，以保晶体管参数的稳定性 要想电路起振，要想电路起振，ce间必须呈现容性，间必须呈现容性，4.7 H和和330pF并联回路的并联回路的谐振频率为，谐振频率为，MHzLCf41004.4104.3928.6110330107.421216912604MHz=f01MHz，回路对于，回路对于1MHz呈现感性，不满足三点法呈现感性，不满足三点法则，所以把晶体换为则，所以把晶体换为1MHz，该电路不能起振。，该电路不能起振。6.6.1压控振荡器压控振荡器(VCO)6.6.2集成电路振荡器集成电路振荡器 压控振荡器是以某一电压来控制振荡频率或相位大小的一压控振荡

58、器是以某一电压来控制振荡频率或相位大小的一种振荡器，常以符号种振荡器，常以符号VCO(Voltage Controlled OscVCO(Voltage Controlled Osci illator)llator)代之。代之。 在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接在电子设备中，压控振荡器的应用极为广泛，如彩色电视接收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制收机高频头中的本机振荡电路、各种自动频率控制( (AFC)AFC)系统系统中的振荡电路、锁相环路中的振荡电路、锁相环路( (PLL)PLL)中所用的振荡电路等均为压控中所用的振荡电路等均为压控振荡器。振荡器输出的波形有正弦

59、型的，也有方波型的。振荡器。振荡器输出的波形有正弦型的，也有方波型的。 5.6.1压控振荡器压控振荡器(VCO)1. 1. 变容二极管压控振荡器的基本工作原理变容二极管压控振荡器的基本工作原理 在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元在振荡器的振荡回路上并接或串接某一受电压控制的电抗元件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极件后，即可对振荡频率实行控制。受控电抗元件常用变容二极管取代。管取代。C1C2LC3C4CjC1C2LC3C4Cj(隔直)变容二极管的电容量变容二极管的电容量C Cj j取决于外加控制电压的大小，控制电压的取决于外加控制电压的大小，控制电压的变化会

60、使变容管的变化会使变容管的C Cj j变化，变化，C Cj j的变化会导致振荡频率的改变。的变化会导致振荡频率的改变。 对于图中，若对于图中，若C C1 1、C C2 2值较大，值较大，C C4 4又是隔直电容，容量很大，则振荡又是隔直电容，容量很大，则振荡回路中与回路中与L L相并联的总电容为相并联的总电容为CCCCCCCCCCCCCCCCCj413221321j123j串串利用半导体利用半导体PNPN结的结电容受控于外加结的结电容受控于外加反向电压的特性而制成的一种晶体二反向电压的特性而制成的一种晶体二极管，它属于电压控制的可变电抗器极管，它属于电压控制的可变电抗器件，其压控特性的典型曲线