《通信电子线路》第三章

1、第3章 正弦波振荡器3.1 反馈振荡器原理反馈振荡器原理3.2 LC振荡电路振荡电路3.4 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性3.5 晶体振荡器晶体振荡器 振振荡荡器器：在在没没有有激激励励信信号号的的情情况况下下，能能自自动动的的将将直直流流电电源源能能量量转转换换为为周周期期性性交交流流信信号号输输出出的的电电子子电电路路。振振荡荡器器的的应应用用十十分分广广泛泛，振振荡荡器器的的种种类类也也很很多多。 低低频频振振荡荡器器 按按振振荡荡频频率率分分类类 高高频频振振荡荡器器 正正弦弦波波振振荡荡器器 按按振振荡荡波波形形分分类类 非非正正弦弦波波振振荡荡器器（多多谐谐振振荡荡器器等等）

2、 LC 振振荡荡器器 按按选选频频回回路路元元件件性性能能分分类类 RC 振振荡荡器器 晶晶体体振振荡荡器器等等振荡器分类振荡器分类 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. 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、寻求振荡条件从振荡原理入手研究振荡器

3、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频率的分析方法，讨论各种振荡电路，基本线索是振荡器的频率稳定度。稳定度。用途：用途：凡是从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入凡是从输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号信号，无需外部提供激励信号, ,能产生等幅正弦能产生等幅正弦波波输输出称为正反馈振荡器出称为正反馈振荡器电子设备电子设备高频加热设备高频加热设备医疗仪器医疗仪器发射机发射机(载波频率载波频率fC）接收机（本地振荡频率接收机（本地振荡频率fL）仪器仪表振荡源仪器仪表振荡源数字系统时钟信号数字系统时钟信号反馈振荡器的含义与用途反馈振荡

4、器的含义与用途3.2 反馈振荡器原理一一 反反馈馈振振荡荡器器工工作作原原理理分分析析能能产产生生自自激激振振荡荡一一个个基基本本的的条条件件是是必必须须构构成成正正反反馈馈回回路路，即即反反馈馈到到输输入入端端的的信信号号和和放放大大器器输输入入信信号号相相位位相相同同。 suiufuou如如果果设设放放大大器器的的电电压压放放大大倍倍数数为为 A（s） ，反反馈馈网网络络的的反反馈馈系系数数为为 F（s）则则有有： 闭闭环环增增益益：)()()(sususAsof , 开开环环增增益益： )()()(sususAioo 反反馈馈系系数数：)()()(sususFof 又又因因为为：)()(

5、)(sususufsi )()(1)()()()()(1)()()(1)()()()()()(sFsAsAsususususAsusususususususAooofiooifiofiof 其其中中： )()()()()(sususFsAsTifo 称称为为反反馈馈系系统统的的环环路路增增益益。 若若令令 js 代代入入上上式式,则则有有： )()()()( jFjAsFsAoo 则则有有 )( jAf,即即表表明明在在没没有有外外加加信信号号,也也可可以以维维持持振振荡荡输输出出, 故故自自激激振振荡荡的的条条件件为为: 1)()( jFjA 显显然然在在某某一一个个工工作作频频率率 o 时

6、时, 如如果果1)()( ooojFjA ,即即)()(susufi 放大器放大器 A（s） 反馈网络反馈网络 F（s）二二 正弦波正弦波反馈振荡器的电路组成反馈振荡器的电路组成正正 弦弦 波波 反反 馈馈 振振 荡荡 器器 主主 要要 由由 三三 个个 部部 分分 构构 成成 : 电源电源 有源器件有源器件 选频网络选频网络 反馈网络反馈网络1 有源器件有源器件:非线性有源器件非线性有源器件,具有一具有一定的功率增益定的功率增益, 能维持振荡回路不能维持振荡回路不可避免的功率损耗可避免的功率损耗。 互互感感反反馈馈振振荡荡器器:由由互互感感(变变压压器器)构构成成反反馈馈网网络络. 根根据据

7、反反馈馈网网络络 电电感感反反馈馈振振荡荡器器:由由电电感感构构成成反反馈馈网网络络. 电电容容反反馈馈振振荡荡器器:由由电电容容构构成成反反馈馈网网络络. 3.3 振荡条件的分析振荡条件的分析由上述分析已知振荡条件由上述分析已知振荡条件:1)()( jFjA它它是是维维持持振振荡荡的的基基本本条条件件， 通通常常也也称称为为振振荡荡的的平平衡衡条条件件。 又又由由于于 FAjjFejFAejA )()( 所所以以振振荡荡平平衡衡条条件件的的约约束束方方程程可可以以分分为为两两个个方方程程: )21，0(21，nnAFFA 或或 nFZ2 其其中中:的的相相角角与与基基极极输输入入电电压压为为

8、集集电电极极基基波波电电流流i1c:ui 的的相相角角谐谐振振回回路路基基波波谐谐振振阻阻抗抗为为LC:Z 晶体管晶体管 反馈网络反馈网络 LC选频网络选频网络Y Z F uiic1uc1uf在电源接通时，电路中必然存在着各在电源接通时，电路中必然存在着各种电的扰动，如电流的变化、管子和种电的扰动，如电流的变化、管子和器件的固有噪声等，而这些噪声都是器件的固有噪声等，而这些噪声都是广谱的，因此必有一频率分量是与广谱的，因此必有一频率分量是与LC谐振回路的谐振频率相等。这一谐振回路的谐振频率相等。这一频率分量即被放大输出，并由反馈网频率分量即被放大输出，并由反馈网络反馈到放大器的输入端，此信号又

9、络反馈到放大器的输入端，此信号又被进一步地放大，反馈到输入端，如被进一步地放大，反馈到输入端，如此反复，输出端不断地得到一个增大此反复，输出端不断地得到一个增大的自激振荡，且反馈信号的相位与前的自激振荡，且反馈信号的相位与前一输入信号的相位是同相的，即形成一输入信号的相位是同相的，即形成正反馈。从而完成了起振的目的。正反馈。从而完成了起振的目的。如如下下图图所所示示的的电电路路为为互互感感耦耦合合正正弦弦波波振振荡荡器器.1 自自激激振振荡荡过过程程: ifoccbiuuuiiiu1 开开启启电电源源VTRb1Rb2ReCeCL1LfECCbM主网络主网络反馈网络反馈网络+ui- -ic- -

10、uo+uf- -ib实实 际际 上上 振振 荡荡 器器 在在 开开 始始 建建 立立 振振 荡荡 时时应应 满满 足足 的的 条条 件件 为为 :1 FA ifuu uiuo1/F1iu 3iu 2iu 4iu 03u 02u 01u 04u 1fu 2fu 3fu 如如右右图图：分分别别为为基基本本放放大大器器 A 和和反反馈馈网网络络 1/F 的的曲曲线线,如如果果设设开开启启电电源源后后产产生生扰扰动动电电压压 :,1则则有有iu 121011fifiuuuuu 232022fifiuuuuu 343033fifiuuuuu 123123,oooiiiuuuuuu 即即有有可见起振初期是

11、一个增幅的振荡过程可见起振初期是一个增幅的振荡过程 丙丙类类状状态态乙乙类类甲甲乙乙类类甲甲类类仿真仿真 当环路增益下降到当环路增益下降到1时，振幅的增长过程时，振幅的增长过程将停止，振荡器达到平衡状态，即进入等幅将停止，振荡器达到平衡状态，即进入等幅振荡状态。振荡状态。 2 2 振荡器平衡状态的稳定条件振荡器平衡状态的稳定条件 为了维持振荡器稳定的工作为了维持振荡器稳定的工作, ,只满足平衡只满足平衡条件和起振条件是不够的条件和起振条件是不够的, ,因为平衡条件只能因为平衡条件只能说明振荡可能平衡在某一状态说明振荡可能平衡在某一状态, ,而不能说明振而不能说明振荡的平衡状态是否稳定荡的平衡状

12、态是否稳定. .1 1 振幅平衡的稳定条件振幅平衡的稳定条件 由由于于放放大大器器的的非非线线性性, ,放放大大倍倍数数是是信信号号振振幅幅的的函函数数, ,即即)(iuAAuu ， 而而反反馈馈系系数数F仅仅取取决决于于反反馈馈网网络络的的元元件件参参数数，一一般般与与信信号号振振幅幅大大小小无无关关，导导致致环环路路增增益益)()()( jFjAjT 随随着着ui振振幅幅的的迅迅速速增增长长而而下下降降。 0)(: iAiUuioujT 振振幅幅稳稳定定条条件件UiO|A(o)| A1UiA|T(o)| 实实际际中中, ,由由于于工工作作于于大大信信号号状状态态下下的的非非线线性性有有源源

13、器器件件正正好好具具有有这这种种特特性性, ,自自然然具具有有稳稳定定幅幅度度的的功功能能。 在平衡点在平衡点Ui=UiA附近，当不稳定因素使附近，当不稳定因素使ui的振幅的振幅Ui增大时，环路增益减小，使反馈增大时，环路增益减小，使反馈电压振幅电压振幅Uf减小，从而阻止减小，从而阻止Ui增大；反之，增大；反之，当不稳定因素使当不稳定因素使ui的振幅的振幅Ui减小时，环路增减小时，环路增益增大，使反馈电压振幅益增大，使反馈电压振幅Uf增大，从而阻止增大，从而阻止Ui减小。减小。 即即表表明明: :在在平平衡衡点点附附近近, ,放放大大器器增增益益随随信信号号振振幅幅的的变变化化特特性性具具有有

14、负负斜斜率率. . 如果环路增益特性存在着两个平衡点如果环路增益特性存在着两个平衡点A和和B，其中，其中，A点点是稳定的，而是稳定的，而B是不稳定点，如右图所示。是不稳定点，如右图所示。|T(o)|BAUiUiAUiB1 若某种原因使若某种原因使Ui大于大于UiB，则，则|T(o)|随随之增大，势必使之增大，势必使Ui进一步增大，从而更偏进一步增大，从而更偏离平衡点离平衡点B，最后到达平衡点，最后到达平衡点A； 反之，若某种原因使反之，若某种原因使Ui小于小于UiB，则则|T(o)|随之减小，从而进一步加速随之减小，从而进一步加速Ui减小，直到停止振荡。减小，直到停止振荡。 通过上述讨论可见，

15、要使平衡点稳定，通过上述讨论可见，要使平衡点稳定，|T(o)|必须在必须在UiA附近具有负斜率变化附近具有负斜率变化 由由于于dtd , ,即即相相位位变变化化时时, ,频频率率也也变变化化, ,故故相相位位稳稳定定条条件件也也就就是是频频率率稳稳定定的的条条件件. . tui同理：同理：fu 0 落后落后iu 信号周期信号周期信号频率信号频率0 显显然然可可以以看看出出由由于于外外因因引引起起的的相相位位变变化化与与频频率率之之间间的的关关系系为为: : 0000 即即可可得得：0 提提出出问问题题: :要要保保证证振振荡荡的的相相位位平平衡衡点点的的稳稳定定, ,必必须须当当振振荡荡器器频

16、频率率发发生生变变化化的的同同时时, ,要要求求振振荡荡电电路路内内部部能能够够产产生生一一个个新新的的相相位位变变化化, ,而而这这个个相相位位变变化化与与外外因因引引起起的的相相位位变变化化T 的的符符号号应应相相反反, ,以以消消弱弱或或抵抵消消由由外外因因引引起起的的变变化化, , 即即要要求求: :0)(0)( FAFA或或ZYA 又又因因为为一一般般Y 和和F 对对频频率率变变化化的的灵灵敏敏性性远远小小于于Z , ,即即有有 Y 时增大, 即 会向 靠近；0)(TOSCOSC如， 时增大, 即 不会向 靠近；0)(TOSCOSC如， L2C2L3C3；（2）L1C1=L2C2L2

17、C2L3C3时，f01f02f03 三个回路的电抗曲线和合成曲线如右图所示。 可以满足x=x1+x2+x3=0, 且满足相位平衡条件的频率唯有f0， f02 f0 f03 ，此时c-e和b-e间呈容抗，b-c间呈感抗，电路属于电容三点式振荡器。f01fPZf02fPZf03fPZ（2） L1C1=L2C2f03 三个回路的电抗曲线和合成曲线如右图所示。可以看到，满足x=x1+x2+x3=0的角频率为f0, 且在角频率上满足相位平衡条件，因而电路可能振荡在f0上。 此时： f03 f0 f02 ，c-e，b-e间呈现感抗，b-e间呈现容抗，是电感三点式振荡电路。 1PZ 2PZ 3PZ习题习题3

18、-4：在振幅条件已满足的前提下：在振幅条件已满足的前提下,用相位条件去判断如图用相位条件去判断如图所示各振荡器哪些必能振荡所示各振荡器哪些必能振荡?哪些必不能振荡哪些必不能振荡?哪去仅当电路哪去仅当电路元件参数之间满足一定的条件时方能振荡元件参数之间满足一定的条件时方能振荡?并相应说明其振荡并相应说明其振荡频率所处的范围以及电路元件参数之间应满足的条件。频率所处的范围以及电路元件参数之间应满足的条件。 习题习题3-4：在振幅条件已满足的前提下：在振幅条件已满足的前提下,用相位条件去判断如图用相位条件去判断如图所示各振荡器哪些必能振荡所示各振荡器哪些必能振荡?哪些必不能振荡哪些必不能振荡?哪去仅

19、当电路哪去仅当电路元件参数之间满足一定的条件时方能振荡元件参数之间满足一定的条件时方能振荡?并相应说明其振荡并相应说明其振荡频率所处的范围以及电路元件参数之间应满足的条件。频率所处的范围以及电路元件参数之间应满足的条件。 习题习题3-4：在振幅条件已满足的前提下：在振幅条件已满足的前提下,用相位条件去判断如图用相位条件去判断如图所示各振荡器哪些必能振荡所示各振荡器哪些必能振荡?哪些必不能振荡哪些必不能振荡?哪去仅当电路哪去仅当电路元件参数之间满足一定的条件时方能振荡元件参数之间满足一定的条件时方能振荡?并相应说明其振荡并相应说明其振荡频率所处的范围以及电路元件参数之间应满足的条件。频率所处的范

20、围以及电路元件参数之间应满足的条件。 C1C2LLECRb1Rb2ReCbC2C1Lc三三 电容反馈三点式振荡器电容反馈三点式振荡器(Colpitts Oscillators)(Colpitts Oscillators)典典型型的的电电容容三三点点式式振振荡荡电电路路.满满足足相相位位平平衡衡条条件件,只只要要适适当当选选取取 C1与与 C2的的比比值值,并并使使放放大大器器有有足足够够的的放放大大量量,电电路路就就能能产产生生振振荡荡. +uce- -+ube - -仿真CC 在工程设计的近似条件在工程设计的近似条件下，可认为振荡器的工作下，可认为振荡器的工作频率频率g等于由等于由L、C1、

21、C2组成的回路的谐振频率组成的回路的谐振频率0。所以该振荡器的工作频率所以该振荡器的工作频率 C1C2L(b)REUiUoLRe0C1C2UfRLiLoeLRRRR /C2C1LreRERL Re0gmube+ucb- -+ube- -CbereCbe2222222,/ebcbiEeiicboiiiiebiUUrRrrRUUrRrrUUF 代代入入起起振振条条件件: : 1 FAuo 1 FRgLm 2222222,/ebcbiEeiicboiiiiebiUUrRrrRUUrRrrUUF (b)REUiUoLRe0C1C2UfRL在负载和反馈系数已知的在负载和反馈系数已知的条件下，可以导出满足

22、起条件下，可以导出满足起振条件要求的晶体管跨导振条件要求的晶体管跨导gm的范围：的范围：111111111(1)(1)(1)mLLeoimmLeoEeLeomLeoEFgR FR FR FrFFgg FR FR FRrR FR FFgR FFR FFRF在晶体管跨导和负载已知的条件下，同样可以导出满足起在晶体管跨导和负载已知的条件下，同样可以导出满足起振条件的反馈系数范围：振条件的反馈系数范围：2111mLmLmeom iFFg Rg Rg Rg r在晶体管跨导和反馈系数已知的条件下，同样可导出满足在晶体管跨导和反馈系数已知的条件下，同样可导出满足起振条件的负载电阻起振条件的负载电阻RL的范围

23、。的范围。C2C1LreRERL Re0gmube+ucb- -+ube- -CbereCbe电容反馈（考毕兹）电路的优点：电容反馈（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

24、工作 频率可做到几十频率可做到几十MHz到几百到几百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。L1L2C三三 电感三点式振荡器电感三点式振荡器 (Hartly Oscillators)(a)L1CC1RERB2CBRB1LC ECCEL2CCC2RLUiUfRBRLcL1L2Cbe(b)(c)R

25、BRLcL1L2CerbebUiUfgmUi( (1 1) ) 电电路路结结构构（2 2） 起振条件分析起振条件分析: :1212LLLiLiuuFcebe LmbeceuoRguuA 仿真+uce- -+ ube - -i11mLeoBbeFFgFRFRRr 1 FRgLm 电感反馈（哈特莱）电路的优点：电感反馈（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

26、，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，L太小且分布参数的影响太太小且分布参数的影响太 大。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。 前面研究的前面研究的LC振荡器，其振荡频率振荡器，其振荡频率不不仅取决于仅取决于LC回路参数，还与晶体管的内部回路参数，还与晶体管的内部参数参数(goe、gie、Coe、Ci

27、e)有关，而晶体管的有关，而晶体管的参数又随环境温度、电源电压的变化而变参数又随环境温度、电源电压的变化而变化，因此其频率稳定度不高。以电容三点化，因此其频率稳定度不高。以电容三点式为例，如图所示式为例，如图所示,Cie和和Coe分别与回路电分别与回路电容并联，其振荡频率可近似写成：容并联，其振荡频率可近似写成：)()(121210cbieoeieoeCCCCCCCCCL 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，同时为的值，但它限制了振荡频率的提高，同时为确保确保的不变，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，使振荡幅度下降使振荡幅度

28、下降甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场合。甚至停振。这种方法只适用于频率不高的场合。四、改进型电容三点式振荡器四、改进型电容三点式振荡器如何减小晶体管电容如何减小晶体管电容Coe、Cie、Cbc对频率的影响呢？对频率的影响呢？2.同时减小接入系数同时减小接入系数p，而又不改变反馈系数。，而又不改变反馈系数。晶体管电容晶体管电容Coe、Cie 等对振荡频率的影响等对振荡频率的影响(a)(b)RLC1C2RERB2CBRB1ECRCC3LABRCC1C2RECcbBCceCbeebRe0RLLcC3ALC1C2C3RLBA3211111CCCC 仿真ECRLLC2C3C1Rb1Rb2CbReR

29、cABLC1C2C3RLBAECRLLC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB23312132311ceC CCPC CC CC CC 321beCPC132333121323211bcC CC CCCPC CC CC CCC be22ce11CCC , CCC 其中：其中：c、e两个电极间的接入系数两个电极间的接入系数b、e两个电极间的接入系数两个电极间的接入系数c、b两电极间的接入系数两电极间的接入系数 ECRLLC2C3C1Rb1Rb2CbReRcABLC1C2RLC3RL(1)由于由于Cce、Cbe的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。的接入系数减小，晶体管与谐振回路是松耦合。(2

30、)调整调整C1 C2的值可以改变反馈系数的值可以改变反馈系数,但对谐振频率的影响很小。但对谐振频率的影响很小。 由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升由于放大倍数与频率的立方成反比，故随着放大频率的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故:(3)调整调整C3值可以改变系统的谐振频率值可以改变系统的谐振频率,对反馈系数无影响。对反馈系数无影响。(1) 克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。克拉泼电路的波段覆盖的范围窄。(3) 工作波段内输出波形随着频率的变化大。工作波段内输出波形随着频率的变化大。克拉泼电路的特点克拉泼电路的特点:(2) 增大增大

31、C1 C2和减小和减小C3时引起振荡幅度下降，难于起振。时引起振荡幅度下降，难于起振。LC1C2C3C4ABC4LC2C3C1Rb1Rb2CbReRcAB其其振振荡荡频频率率为为: :)(1)(1434CCLCCL 而而电电压压反反馈馈系系数数: :121CCCuuFcbeb 保保持持不不变变, ,又又因因 RL的的接接入入系系数数为为: 3212111111CCCCCp 2313CCCC 由由于于 C3为为固固定定值值,所所以以p值值 不不变变（即即与与调调谐谐电电容容 C4无无 关关）,所所以以在在波波段段内内振振幅幅比比 较较稳稳定定,且且调调谐谐范范围围比比较较宽宽, 实实际际中中常常

32、用用于于宽宽波波段段工工作作系系 统统中中. 仿真仿真EC p与与C4无关，改变无关，改变C4不会影响不会影响p； C40RL利于起振利于起振; Auo振荡幅度增加振荡幅度增加 作为波段振荡器的波段覆盖可以较宽，作为波段振荡器的波段覆盖可以较宽，ka1.61.8，且，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。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振荡器。这是一种性能较好的振荡器。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

33、点好。 可见：可见：ECLC2C3C1Rb1Rb2CbReRc例6：如图所示，C1C21000pF L=20uH, QL=50, C3=6.8125pF, 若gm=8.2mS, 求振荡频率范围。解：当C3125pF时，C C3Hz.LCfmin631018321当C3减小到一定时，起振条件不满足，将停振。21211 CCCF 1221 1 FgRFRgmm33023131 CLQLLCQLQRCCCCpLLLL pFCCLQCCRpRLL8 .69 1222 332132 HzCLf63max103 . 421 例例5 检查图示的振荡器线路，有那些错误？并加以改正。题意分析题意分析：检查振荡器

34、线路是否正确一般步骤为：（1）检查交流通路是否正确及是否存在正反馈，正反馈的判断对互感耦合电路应检查同名端，对三端式电路检查是否满足“射同余异”的组成原则；（2）检查直流通路是否正确。需要进一步注意的是，为了满足起振的振幅条件，起振时应使放大器工作在线性放大区，即对于三极管电路，直流通路应使得be结正偏、bc结反偏。 解解：图（a）为互感耦合的振荡器，交流通路正确，但反馈为负反馈，故应改变同名端；检查直流通路发现，基极直流电位被短路接地，故应加隔直电容。改正后的电路如图所示。 图（b）为三端式的振荡器，检查交流通路时发现基极悬空，而发射极由于旁路电容CE存在，使其短路接地，回路电容C1被短路掉

35、，故去掉旁路电容CE、基极增加一旁路电容，这样才满足三端式组成原则；直流通路正确。改正后的电路如图所示。讨论：在高频电子线路中，直流要有直流通路，交流要有交讨论：在高频电子线路中，直流要有直流通路，交流要有交流通路，必须要遵守。分析时，一般先检查交流通路是否正流通路，必须要遵守。分析时，一般先检查交流通路是否正确，是否满足正反馈的要求，再检查直流通路是否正确，这确，是否满足正反馈的要求，再检查直流通路是否正确，这样不易出错。上述步骤全部完成后，再复查一下，以免顾此样不易出错。上述步骤全部完成后，再复查一下，以免顾此失彼失彼.pFC501例例7: 如图是一电容反馈振荡器的实际电路，已知,要求工作

36、在波段范围：试计算回路电感L和电容C0。负载电阻，晶体管输入电阻若要求起振时环路增益问要求的跨导和静态工作电流必须多大？,1002pFC pFC260103MHzf20101000Q kRL1 500iR30FAmg，设回路无载题意分析题意分析：在分析振荡器时，其工作频率可以用回路的谐振频率近似表示，由谐振频率的计算公式就可以得到回路的参数。由于振荡器工作在波段范围，不同频率时呈现的谐振阻抗不同，在晶体三极管的输出端呈现的等效电阻也就不同，放大器的增益也将不同，起振条件随之发生变化，故要考虑到波段内所有频率都应能正常起振，要求的 才行。mgmaxmg 应大于计算出的MHzfmSMHzfmSgm

37、2026.191085.1700mSgm26.19mAmVgImCQ5 . 026则故MHzf.MHzf.20133610531100iFLgkgR2132212CCCp)RR(pgLpL21讨论讨论：振荡器波段工作是靠改变电容实现的，波段低端频率对应的总电容值较大，波段高端频率对应的总电容值较小。另外，对于谐振回路而言，虽然无载Q0不变，但频率改变也会影响谐振阻抗，从而改变起振的振幅条件；在关系式中 ，负载阻抗R是指晶体管发射极和集电极之间呈现的阻抗大小，即交流通路中所有的负载阻抗在C、E两端反映。对于该电路，应考虑晶体管输入电阻在C、E端的反映阻抗，也应考虑回路本身的损耗在C、E端的反映阻

38、抗以及所加的实际负载在C、E端的反映阻抗，本题都是部分接入方式，输入阻抗的影响可以看成由部分（B、E两端）到全部（回路两端），再由全部到部分（C、E两端）；而回路的谐振阻抗与实际负载是并联连接，它们的影响是由全部到部分（C、E两端）。 FRgFAm0解解： LCf210其中C为（C1串C2）并C0并C3，即pFCCpFCCCCCCC26033.2931033.43/1/1130303021HL77. 0pFC40030FRgFAm5021.CCkFF其中：因此解得由于MHzfk.MHzfk.fLQRp2067129108356420003.4 振荡器的频率稳定性振荡器的频率稳定性一一, ,频频

39、率率稳稳定定的的意意义义和和表表征征频频率率稳稳定定: :在在各各种种外外界界条条件件发发生生变变化化的的情情况况下下, ,要要求求实实际际工工作作频频率率与与指指定定频频率率的的偏偏差差最最小小. .频频率率稳稳定定在在数数量量上上常常用用频频率率偏偏差差来来表表示示: :绝绝对对偏偏差差: :01fff , , 相相对对偏偏差差: : 0011011ffffffff 其其中中: :1f为为实实际际工工作作频频率率, ,0f为为指指定定频频率率定定义义: : 频频率率稳稳定定度度= =tff 1即即在在一一定定时时间间间间隔隔t 内内, ,频频率率的的相相对对偏偏差差. .一一般般按按时时间

40、间的的长长短短不不同同, ,通通常常可可分分为为三三种种频频率率稳稳定定度度: : 长长期期稳稳定定度度: :一一般般指指几几天天或或几几个个月月 短短期期稳稳定定度度: : 指指一一天天内内, ,以以小小时时, ,分分, ,秒秒计计. . 瞬瞬时时稳稳定定度度: : 一一般般以以秒秒或或毫毫秒秒计计. . 放大器放大器LC选频选频 反馈网络反馈网络YZ F uiic1ZLuouf)(FYZZ )(FY0 1 因因而而凡凡是是能能引引起起交交点点变变化化的的因因素素都都会会引引起起振振荡荡频频率率的的变变化化。Z )(FY0 1 即即Z ) (000曲曲 线线 平平 移移) (111 在在这这

41、种种情情况况下下有有: : 10 0 1 2 2 谐谐振振回回路路的的品品质质因因数数 Q 变变化化 )()(111 曲曲线线斜斜率率变变化化ZQQQ 1 1 QQ1 1 故故可可看看出出提提高高频频率率稳稳定定度度的的方方法法: :值增大减少减少Q)(FY0o 1 1 1 1, ,提提高高振振荡荡器器回回路路的的标标准准性性提提高高回回路路元元件件 L,C 的的标标准准性性,而而温温度度是是引引起起元元件件 L,C 变变化化的的主主要要原原因因,电电感感 L 和和电电容容 C 随随温温度度变变化化的的大大小小通通常常用用温温度度系系数数来来表表示示. 电电感感: : TLLL ; ; 电电容

42、容: : TCCC L LC C 振振荡荡回回路路的的温温度度系系数数: :)(210CLfTff 可可见见回回路路中中的的电电感感和和电电容容元元件件应应选选用用温温度度系系数数小小的的元元件件, ,另另外外还还可可采采用用温温度度补补偿偿的的方方法法2 2, ,减减少少晶晶体体管管对对振振荡荡频频率率的的影影响响 极极 间间 电电 容容oeieCC,对对o 的的 影影 响响 , , 加大回路总电容加大回路总电容, 晶体管以部分接入方式接入回路晶体管以部分接入方式接入回路（CLAPP 或或 SEILOR） 3 3, ,减减 少少 负负 载载 的的 影影 响响减减少少后后级级负负载载影影响响的

43、的方方法法有有: : 减减弱弱与与负负载载之之间间的的藕藕合合, ,振振荡荡器器后后接接缓缓冲冲器器. .3.5 晶体振荡器晶体振荡器 (Crystal Oscillator) 1 石英晶体的物理特性：石英晶体的物理特性： 石英是矿物质硅石的一种（也可人工制造），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SiO2，其形状为结晶的六角锥体。图，其形状为结晶的六角锥体。图(a)表示自然结表示自然结晶体，图晶体，图(b)表示晶体的横截面。为了便于研究，人们根表示晶体的横截面。为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三

44、种几何对称轴，连接两个角锥顶点的一根轴称轴，连接两个角锥顶点的一根轴ZZ，称为光轴，在图，称为光轴，在图(b)中沿对角线的三条中沿对角线的三条XX轴，称为电轴，与电轴相垂直的轴，称为电轴，与电轴相垂直的三条三条YY轴，称为机械轴。轴，称为机械轴。 Y X1 X Y Z Y Y X X Y Y X X Y Y X X (a) (b) 沿着不同的轴切下，有不同的切型，沿着不同的轴切下，有不同的切型，X切型、切型、Y切型、切型、AT切切型、型、BT、CT等等。等等。 石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一石英晶体具有正、反两种压电效应。当石英晶体沿某一电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产

45、生机械振动，反电轴受到交变电场作用时，就能沿机械轴产生机械振动，反过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。且换能过来，当机械轴受力时，就能在电轴方向产生电场。且换能性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。性能具有谐振特性，在谐振频率，换能效率最高。 石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在石英晶体和其他弹性体一样，具有惯性和弹性，因而存在着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等着固有振动频率，当晶体片的固有频率与外加电源频率相等时，晶体片就产生谐振。时，晶体片就产生谐振。2 石英晶体振谐器的等效电路和符号石英晶体振谐器的等效电路和符号 石英片相当一个石英片相当一

46、个串联谐振电路串联谐振电路，可用集中参数，可用集中参数Lq、Cq、rq来模拟，来模拟，Lq为晶体的为晶体的质量（惯性），质量（惯性），Cq 为为等效弹性模数等效弹性模数，rg 为机械振动中的为机械振动中的摩擦损耗摩擦损耗。 C0 rq Cq Lq JT b a rqLqCqCoab0qCCp 电容电容C0称为石英谐振器的静电容称为石英谐振器的静电容,容量容量主要决定于石英片尺寸和电极面积。主要决定于石英片尺寸和电极面积。dsC 0 石英晶体的特点是：石英晶体的特点是：等效电感等效电感L Lq q特别大、等效电容特别大、等效电容C Cq q特别小，因此，石英晶特别小，因此，石英晶体的体的Q值值

47、很大，一般为几万到几百万。这是很大，一般为几万到几百万。这是普通普通LCLC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的接入系数很小，这意味着等效电路中的接入系数很小, ,因此外电路影响很小。因此外电路影响很小。 qqqq1CLrQq0CC 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） 石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的石英晶体有两个谐振角频率。一个是左边支路的串联谐振角串联谐振角频率频率 q，即石英片本身的，即石英片本身的自然角频率自然角频率。另一个为石英谐振器的。另一个为石英谐振器的并联谐振角频率并联谐振角频率 p。 串联谐振频率串联谐

48、振频率 并联谐振频率并联谐振频率 qqq1CLCLCCCCLqq0q0qp11很接近因此,由于qp0qqp与CC显然显然 接入系数接入系数p很小，一般为很小，一般为10-3数量级，所以数量级，所以 p与与 q很接近。很接近。 PCC11q0qqp0qqqqqq00212101111Cj)CL( jr)CL( jrCjzzzzz上式忽略上式忽略 r rq q 后可简化为后可简化为 当当 = q时时z0 = 0 Lq、Cq串谐谐振，当串谐谐振，当 = p，z0 = ，回，回路路并谐谐振并谐谐振。当当 为为容性容性。 当当 时时, ,jx0 为为感性感性。其电抗曲线如上图所示。其电抗曲线如上图所示。

49、 22p22q000/1/11Cjjxz0qp,时,jxqp xo 容性 O 容性 q p 感性 222202111/CLpqe并不等于石英晶体片本身的等效电感并不等于石英晶体片本身的等效电感Lq。 石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频率之间石英晶体滤波器工作时，石英晶体两个谐振频率之间感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度。感性区的宽度决定了滤波器的通带宽度。 必须指出，在必须指出，在 q q与与 p p的角频率之间，谐振器所呈现的角频率之间，谐振器所呈现的等效电感的等效电感 2 2, ,串串, ,并并联联谐谐振振频频率率 串串联联谐谐振振频频率率: :ggqLCf21 并联谐振频率并联谐振

50、频率: :)C2C1(fCC1fCCCCL21f0gq0qqg0g0gp 一一般般0gCC= =( (0 0. .0 00 02 2- - - -0 0. .0 00 03 3) )3 3, ,晶晶体体谐谐振振器器电电抗抗特特性性 Z Ze eeZ q 电感性电感性P 电容性电容性电容性电容性二二 晶体振荡器电路晶体振荡器电路(Circuit of Crystal Oscillators)1 1, ,并并联联型型晶晶体体振振荡荡器器( (P PA AR RA AL LL LE EL L C CR RY YS ST TA AL L O OS SC CI IL LL LA AT TO OR RS

51、S) )常用的有两种基本类型常用的有两种基本类型: :仿真1 1. . 电电路路结结构构右右图图为为典典型型的的并并联联晶晶体体振振荡荡器器, ,晶晶体体接接在在集集电电极极与与基基极极之之间间, ,振振荡荡 器器 工工 作作 频频 率率 为为f f, , 且且 有有psfff , ,晶晶体体呈呈电电感感性性, ,相相当当于于 C Cl la ap pp p 电电路路. .1 1 当当振振荡荡平平衡衡时时: :如如果果忽忽略略y yr re e, , y yo oe e= =g go oe e+ +j jc co oe e , , c ci ie e的的作作用用. .其其高高频频小小信信号号等

52、等效效电电路路如如右右图图所所示示: :在在忽忽略略 g gi ie e的的负负载载作作用用后后的的等等效效电电路路如如下下右右图图所所示示, ,可可推推出出: :Leebem21bem2321ee1beCj1jXRvgCj1Cj1vgCj1)C1C1C1(j1jXRCj1v +bev+bev)C1X( jRvCCgLeebe212m 1vvvvbebebebe 2.2.振荡条件的近似分析振荡条件的近似分析0)C1X( jCCgR1)C1X( jRCCgLe212meLee212m 令令其其虚虚部部为为零零, ,可可得得振振荡荡频频率率由由: :01 LeCX 决决定定2 2 由由起起振振条条

53、件件: :bebevv 即即有有: : 2122121CCRgRCCgemem 注注意意: : 以以上上结结果果只只是是在在考考虑虑到到晶晶体体损损耗耗的的情情况况下下的的起起振振条条件件. .当当具具体体考考虑虑到到振振荡荡电电路路中中的的其其它它损损耗耗( (如如负负载载Lg, ,输输入入电电阻阻g gi ie e, , 输输出出g go oe e) ), ,而而忽忽略略晶晶体体的的损损耗耗时时, ,则则振振荡荡器器起起振振条条件件与与电电容容三三点点式式相相同同, ,即即21, 0CCkgkgFFm 其其中中 g为为各各种种损损耗耗等等效效到到集集电电极极- - - -发发射射极极间间的

54、的总总电电导导. .+bev+bevL0qqL0L0qqqL0qL0qq0CCC1CCCCCCL1CCC)CC(CL1 利利用用二二项项式式展展开开, ,并并忽忽略略高高次次项项可可得得: : )( 2100LqqCCC 另另外外由由右右图图可可以以看看出出, ,晶晶体体管管与与晶晶体体之之间间的的接接入入系系数数为为: :qL0qCCCCp 2 2 电路的谐振频率的估算电路的谐振频率的估算: :晶晶体体接接在在基基极极与与发发射射极极之之间间, ,2 2 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器( (S SE ER RI IE ES S C CR RY YS ST TA AL L O OS SC C

55、I IL LL LA AT TO OR RS S) )电电路路的的交交流流等等效效电电路路如如图图所所示示0 0 0 0 Z 串串联联型型晶晶体体振振荡荡器器的的稳稳频频原原理理: :由由于于在在一一般般的的 L LC C 振振荡荡器器中中, ,L LC C 振振荡荡回回路路的的阻阻抗抗相相移移Z 在在0 附附近近变变化化显显著著, ,而而A 与与F 则则基基本本上上不不随随频频率率变变化化, ,因因而而由由相相位位平平衡衡条条件件所所决决定定的的振振荡荡工工作作频频率率基基本本上上决决定定0 0，即即: :0 而而在在串串联联晶晶体体振振荡荡器器中中就就完完全全不不同同, ,由由于于晶晶体体

56、串串接接在在反反馈馈电电路路中中, ,且且在在q 附附近近相相位位变变化化很很快快, ,从从而而使使反反馈馈系系数数的的相相角角F 随随频频率率变变化化显显著著, ,这这样样振振荡荡器器的的工工作作频频率率就就主主要要决决定定于于q , ,故故起起到到稳稳频频作作用用. .即即: : q AF Z F qqeZ q 电感性电感性P 电容性电容性电容性电容性 石英片的振动具有多谐性，除基频振动外，还有奇次谐波的泛音振动，利用石英谐振器的泛音振动特性对频率实行控制的振荡器称为泛音晶体振荡器。这种振荡器可以将振荡频率扩展到甚高频以至超高频频段。n 采用采用AT切割石英片的基频频率一般都限制在切割石英

57、片的基频频率一般都限制在20MHz以下以下。因为此时石英片的厚度仅有0.041mm，频率再高，石英片的厚度太薄，不足以提供必要的强度。n 因此，要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体，其泛音因此，要求更高的工作频率时，一般均是泛音晶体，其泛音次数通常选为次数通常选为37次泛音次泛音。泛音次数太高，晶体的性能也将显著下降。n 石英晶体的机械谐波（泛音）和电路中谐波的区别：石英晶体的机械谐波（泛音）和电路中谐波的区别：t 电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。电路中谐波是基波的整数倍，是同时并存的。t 泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。泛音是基波的奇数倍，不能同时并存的。3. 泛音晶体振荡器泛

58、音晶体振荡器2C1CLfX1次 3次 5次 7次n 泛音晶体振荡器的振荡环路中必须包含两个振荡回路。两个振荡回路。n 其中一个作为放大器的选择性负载，即作泛音选择电路，该电路使环路仅在所限定的泛音振荡频率上符合振荡的相位平衡条件或振幅平衡条件。111LCn 泛音选择电路设计在 n 次泛音和（n-2） 次泛音之间。n 泛音晶体振荡器的振荡频率是5次泛音，泛音选择电路设计在 5 次泛音和3 次泛音之间。（5次泛音）使用石英晶体谐振器时应注意以下几点使用石英晶体谐振器时应注意以下几点: :(1)(1)石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前, ,在石英晶体谐振在石英晶

59、体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的器上并接一定负载电容条件下测定的, ,实际使用时也必须外实际使用时也必须外加负载电容加负载电容, ,并经微调后才能获得标称频率。并经微调后才能获得标称频率。 (2)(2)石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。(3)(3)在并联型晶体振荡器中在并联型晶体振荡器中, ,石英晶体起等效电感的作用石英晶体起等效电感的作用, ,若作若作为容抗为容抗, ,则在石英晶片失效时则在石英晶片失效时, ,石英谐振器的支架电容还存石英谐振器的支架电容还存在在, ,线路仍可能满足振荡条件而振荡线路仍可能满足振荡条件而振荡, ,石英晶体谐振

60、器失去石英晶体谐振器失去了稳频作用。了稳频作用。(4)(4)晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率, ,当要求在波段中当要求在波段中得到可选择的许多频率时得到可选择的许多频率时, ,就要采取别的电路措施就要采取别的电路措施, ,如频率如频率合成器合成器, ,它是用一块晶体得到许多稳定频率。它是用一块晶体得到许多稳定频率。10P36P12PH55. 045. 012P36P10P6800P6800P30K2.7K5.6P-12VH100H55. 045. 0470输出输出PC8 .19MHZCLf3 .5321minmaxMHZCLf3 .4821maxmin例