第四章正弦波振荡器

1、第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器第第4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.2 LC 振振 荡荡 器器4.3 频率稳定度频率稳定度4.4 LC振荡器的设计考虑振荡器的设计考虑4.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器 4.6 振荡器中的几种现象振荡器中的几种现象第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器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

2、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： RC振荡器、振荡器、LC振荡器和晶体振荡器等类型振荡器和晶体振荡器等类型概述概述第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器本章主要讨论本章主要讨论反馈型正弦波振荡器的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

3、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第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.1 反馈振荡器的原理反馈振荡器的原理 4.1.1 反馈振荡器的原理分析反馈振荡器的原理分析 反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路. 放大器：以某种选频网络(如振荡回路)作负载, 是一调谐放大器。 反馈网络：由无源器件组成的线性网络。 讨论工作原理就是揭示该闭合环路产生等幅持续振荡的条件。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 作为反馈振荡器，当它刚接通电源时，振荡电压是不作为反馈振荡器，当它刚接通电源时，振荡电压是不会立即建立起来的，而必须经历一

4、般会立即建立起来的，而必须经历一般从无到有逐步增从无到有逐步增长长的过程，直到进入的过程，直到进入平衡状态平衡状态，使振荡电压的振幅和，使振荡电压的振幅和频率维持在相应的平衡值上。即使有外界不稳定因素频率维持在相应的平衡值上。即使有外界不稳定因素的影响，仍的影响，仍稳定稳定在原平衡值附近，而不会产生突变或在原平衡值附近，而不会产生突变或者停止振荡。者停止振荡。 条件有三：条件有三：1.起振条件：保证接通电源后从无到有建立起振荡起振条件：保证接通电源后从无到有建立起振荡2.平衡条件：保证进入平衡状态，输出等幅持续振荡平衡条件：保证进入平衡状态，输出等幅持续振荡3.稳定条件：保证平衡状态不因外界不

5、稳定因素影响而受稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受 到破坏。到破坏。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器)()()()()()()()()()()()(sUsUsUsUsUsFsUsUsKsUsUsKisioiioSou由 (4 1) (4 2) (4 3) (4 4)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器)()()()()()(1)()()(1)()(sUsUsFsKsTsTsKsFsKsKsKiiu (4 5) (4 6)得 其中 )()(1)()()()()()()()(sUsUsKsUsUsUsKsUsUsKiiiiiSou称为反馈系统的环路增益环路增益第第4 4章

6、章 正弦波振荡器正弦波振荡器 自激振荡的条件就是环路增益为1, 即 1)()()(jFjKjT(4 7) 通常又称为振荡器的平衡条件。 由式(4 5)还可知,)()(,1)(,)()(,1)(sUsUjTsUsUjTiiii形成增幅振荡 形成减幅振荡(4 8)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。FK第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器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

7、。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FK)(), 1, 1(2)(1相相位位平平衡衡振振幅幅平平衡衡nnKFFK=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，使振荡器得以维持。的平衡，使振荡器得以维持。K K为平均放大量为平均放大量 4.1.2平衡条件平衡条件第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器基本反馈环基本反馈环若在某种情况下若在某种情况下1- =0时，此时即使时，此时即使没有输入信号没有输入信号(v

8、i=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。 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。FK反馈放大器反馈放大器: 4.1.3 起振条件起振条件 )()()()()()(1)()()(1)()(sUsUsFsKsTsTsKsFsKsKsKiiuFK第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.1.3 起振条件起振条件 为了使振荡过程中输出幅度不断增加, 应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大, 即振荡开始时

9、应为增幅振荡, 因而由式(4 8)可知1)(jT称为自激振荡的起振条件, 也可写为 , 2 , 1 , 021)(nnjTT(4 16a) (4 16b) 振幅起振条件振幅起振条件相位起振条件相位起振条件其物理意义是：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。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器0UoUb(a)A反馈特性放大特性0UoUb(b)F1AK 图 4 2 振幅条件的图解表示 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器上面所讨论的振荡平衡条件

10、只能说明振荡能在某一状态平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

11、平衡与不稳定平衡的概念 BQ 4.1.4稳定条件稳定条件 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 不稳定的平衡状态：通过放大、反馈的反复循环，振荡器越来越离开原来的平衡状态，振荡器停振、突变到新平衡状态。 稳定的平衡状态：通过放大、反馈的反复循环，振荡器能够产生回到平衡状态的趋势，并在原平衡状态附近建立新的平衡状态。影响因素消失后能回到原平衡状态，振荡器不会停振、突变到新平衡状态。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器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K即出现即出现KF1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

12、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K ，即出现即出现KF1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 K Q VomQ 反馈特性 振荡特性 Vom F 1 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器由于在由于在VomVomVomBVomB的区间，振荡始终是衰减的，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，而必须在起振时外加一个较大幅度种振荡器不能自行起振，而必须在起振时外加一个较大幅度的

13、初始激励，使其冲过不稳定平衡点的初始激励，使其冲过不稳定平衡点B B点，才有可能激起稳定点，才有可能激起稳定于于Q Q点的平衡状态。设计电路要力加避免。点的平衡状态。设计电路要力加避免。 Vom K0 F 1 F 1 K B Q 这时这时K=1/F(Vom)K=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

14、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。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器0iAiUUiUT(4 17) 由于反馈网络为线性网络, 即反馈系数大小F不随输入信号改变, 故振幅稳定条件又可写为 0iAiUUiUK (4 18) 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，即振幅平衡的稳定

15、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。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器必须强调指出：相位稳定条件和频率稳定条件实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

16、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 第

17、第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器相位稳定条件应为相位稳定条件应为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 0Z 因此，0 相位稳定条件为 01L(4 20) 第第4

18、4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性振荡器的相位稳定的条件说明只有谐振回路的相频特性曲线曲线 Z=f( )在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳定条件。定条件。 并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率，如图所示。并联谐振回路的相频特性正好具有负的斜率，如图所示。因而因而LC并联谐振回路并联谐振回路不但是决定振荡频率的主要角色，而且不但是决定振荡频率的主要角色，而且是稳定振荡频率的机构。是稳定振荡频率的机构。 Zffo感性容性并联谐振回路的相频特性并联谐振回路的相频特性第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡

19、器 综上，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满综上，要产生稳定的正弦振荡，振荡器必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，缺足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，缺一不可。一不可。可变增益放大器：应提供足够的增益，且其值随可变增益放大器：应提供足够的增益，且其值随Ui的增的增大而减小。大而减小。相移网络：负斜率变化的相频特性，且为环路提供合适相移网络：负斜率变化的相频特性，且为环路提供合适的相移，保证环路在振荡频率上相移为的相移，保证环路在振荡频率上相移为2n。各种反馈振荡电路的区别就在于可变增益放大器和相移各种反馈振荡电路的区别就在于可变增益放大器和相移网络的实现电路不同。网络的实现电路不同

20、。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.2 LC 振振 荡荡 器器 4.2.1振荡器的组成原则振荡器的组成原则 基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器, 即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路, 如图4 5所示。 Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.图 4 5三端式振荡器的组成 其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器耦合振荡电路高一些，约为103104量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性, 因而有0321XXX(4 21) 一般情况下, 回路Q

21、值很高, 因此回路电流远大于晶体管的基极电流 İb 、集电极电流 İ c以及发射极电流 İe, 故由图4 5有IjXUIjXUcb12 (4 22a) (4 22b) 因此X1、 X2应为同性质的电抗元件。 Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器以此准则可迅速判断振荡电路组成是否合理，能否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现象。起振。也可用于分析复杂电路与寄生振荡现象。(1)(1)X1 1和和X2 2的电抗性质相同；的电抗性质相同；(2)(2)X3 3与与X1、 X2的电抗性质相反。的电抗性质相反。许多变形的三

22、端式许多变形的三端式LCLC振荡电路，振荡电路，x x1 1和和x x2 2、x x3 3往往不都是往往不都是单一的电抗元件，而是可以由不同符号的电抗元件组成。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，但是，多个不同符号的电抗元件构成的复杂电路，在频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率一定时，可以等效为一个电感或电容。根据等效电抗根据等效电抗是否具备上述三端式是否具备上述三端式LCLC振荡器电路相位平衡判断准则的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。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

23、电路组成法则为： “射同余异射同余异” “源同余异源同余异”Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器LC2C1V(a)CL2L1V(b)X2X1X3X3X1X2 图 4 6两种基本的三端式振荡器(a) 电容反馈振荡器; (b) 电感反馈振荡器 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

24、改进电容三端式，又称并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器西勒振荡器(Selier)。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器例例4-1 4-1 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，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？L3C3C1C2Rb1Rb2CcCcRcReCeL1CVCCebcC2C3eL3C1L1bc2) 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

25、 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。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 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

26、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第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器C1L1C3L3C2L2ebc例例4-2 4-2 有一振荡器的交流等效电路如图所示。已知回路参数有

27、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？其振荡频率电路？其振荡频率f1与各回路的固有谐振频率之间有何关系？与各回路的固有谐振频率之间有何关系？ 解解 ：该电路属于三端式振荡器，是否能振荡就要该电路属于三端式振荡器，是否能振荡就要看是否满足看是否满足“射同它异射同它异”的原则，即要让的原则，即要让L1、C1回路回路与与L2、C2回路在振荡时呈现的电抗性质相同，回路在振荡时呈现的电抗性质相同，L3、C3回路与它们的电抗性质不同。图中三

28、个回路均为并联回路与它们的电抗性质不同。图中三个回路均为并联谐振回路，根据并联谐振回路的相频特性可知，工作谐振回路，根据并联谐振回路的相频特性可知，工作频率大于回路的谐振频率时，回路呈容性；工作频率频率大于回路的谐振频率时，回路呈容性；工作频率小于回路的谐振频率时，回路呈感性。小于回路的谐振频率时，回路呈感性。先假定先假定x xcece、x xbebe均为电感，则均为电感，则x xcbcb应为电容。应为电容。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 f0 01 1f f0 02 2f f0 03 3，若要，若要x xcece、

29、x xbebe为电感，则应该为电感，则应该f f1 1f f0 01 1，f f1 1f f0 02 2，同时，同时f f1 1f f0303，由已知条件看出，由已知条件看出f f1 1不可能不可能同时大于同时大于f f0303小于小于f f0202，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 f1 1f f0202f f0101，同时应该，同时应该f f1 1f f0303，有已知条件知振荡频率可满足该条件，即，有已知条件知振荡频率可满足该条件，即f f0101f f0202f f1 1f f0303，所以，该电路应为电容三端振荡器。，所以，该电路应为

30、电容三端振荡器。 Z f f0 感性 容性 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器所以：所以：（1） f01f02f03，故电路可能振荡，可能振荡的频率，故电路可能振荡，可能振荡的频率f1为为f02f1f02f03，故电路可能振荡，可能振荡的频率，故电路可能振荡，可能振荡的频率f1为为f02f1f03，属于电感反馈的振荡器；，属于电感反馈的振荡器；（3） f01=f02f03，故电路可能振荡，可能振荡的频率，故电路可能振荡，可能振荡的频率f1为为f01=f02f1f02=f03，故电路不可能振荡。，故电路不可能振荡。332211CLCLCL332211CLCLCL332211CLCLCL33

31、2211CLCLCL第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器要使得电路可能振荡，根据三端式振荡器的组成原则有：要使得电路可能振荡，根据三端式振荡器的组成原则有：L1、C1回路与回路与L2、C2回路在振荡时呈现的电抗性质相同，回路在振荡时呈现的电抗性质相同，L3、C3回路与回路与它们的电抗性质不同。又由于三个回路都是并联谐振回路，根据它们的电抗性质不同。又由于三个回路都是并联谐振回路，根据并联谐振回路的相频特性，该电路要能够振荡三个回路的谐振频并联谐振回路的相频特性，该电路要能够振荡三个回路的谐振频率必须满足率必须满足f03max(f01、f02) 或或f031, 可以得到 (4 28) (4

32、29) 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器考毕兹电路的优点：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到几百到几百MHz的甚高频波段

33、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。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.2.3 电感反馈振荡器电感反馈振荡器 图4 9是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等 效电路。 CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2Ucb.Ub.CL2L1V(b) (a) (a) 电感反馈三端式振荡器电路电感反馈三端式振

34、荡器电路(b) 等效电路等效电路v1CN1N2L1L2+vivf第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器gieUb.L1cegieUb.(c)goegLUc.bUb.gmI.CL2M 图 4 9电感反馈振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路; (c) 高频等效电路 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 同电容反馈振荡器的分析一样, 振荡器的振荡频率 可以用回路的谐振频率近似表示, 即LC121 式中的L为回路的总电感, 由图4 9有MLLL221(4 30) (4 31) v1CN1N2L1L2+vivf 工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响, 反馈系数的大小为 MLMLj

35、GKF12)(第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器哈特莱电路的优点：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，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

36、、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。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.2.4 两种改进型电容反馈振荡器两种改进型电容反馈振荡器 1. 克拉泼振荡器克拉泼振荡器 图4 10是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路 。 图 4 10 克拉泼振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器332111111213CCCCCCCC(4 35) oLRCCRpRCCCCp21302131)( (4 36) (4 3

37、7) 2130111CCKLCLCF (4 38) (4 39) 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。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器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 （a a）克拉泼

38、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第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器和电容三端式电路中Cce与谐振回路的接入系数P1=C2/(C1+C2)比较，由于C3C1，C3C2，所以PP1由于Cce的接入系数大大减小，所以它等效到回路两端的电容值也大大减小，对振荡频率的影响也大大减小。同理，Cbe对振荡频率的影响也极小。因此，克拉泼电路的频率稳定度比电容三端式电路要好 克拉泼电路克拉泼电路的接入系数的接入系数:PC3/ C1第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器(1)1)由于接入系数小，晶体管与谐振回路是松耦合。由于接入系数小，晶体管与谐振回路是松耦合。(2

39、)(2)调整调整C C1 1 C C2 2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。 而由于管子的放大倍数与频率成反比，故随着放大频率而由于管子的放大倍数与频率成反比，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。故的升高振荡的幅度明显下降，上限频率受到限制。故: :(3)3)调整调整C C3 3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) (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。(2) (2) 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

40、着频率的变化大。克拉泼电路的特点克拉泼电路的特点: :第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 2. 西勒振荡器西勒振荡器 图4 11是西勒振荡器的实际电路和交流等效电 路。 它的主要特点, 就是与电感L并联一可变电容C4。 R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V 图 4 11 西勒振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 由图4 11可知, 回路的总电容为 )(1111114321434321CCLLCCCCCCCC(4 40) (4 41) 振荡器的振荡角频率为 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡

41、器(1) 波段覆盖率宽。波段覆盖率宽。(2) 工作波段内工作波段内,输出波形不随频率变化。输出波形不随频率变化。西勒西勒(Seiler)(Seiler)电路电路特点：特点： C3的选择要合理，的选择要合理，C3过小时，振荡管与回路间的耦过小时，振荡管与回路间的耦合过弱，合过弱， 振幅平衡条件不易满足，电路难于起振振幅平衡条件不易满足，电路难于起振; C3过大时，频率稳定度会下降。过大时，频率稳定度会下降。 在保证起振条件得到满足的前提下，尽可能的减小电在保证起振条件得到满足的前提下，尽可能的减小电容容C3值。值。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.2.5 场效应管振荡器场效应管振荡器

42、 RLCL2EcCGugsRGL1iDVDSGM(a)(b) EcL1C1CSRSRGGVSDRDCB第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器输出1.3 H1 M6.8 kRL20 MHz振荡器C1680 pFC275 pFVCF47 pF Ec 12 VL(c) Ec 图 4 12 由场效应管构成的振荡器电路(a) 互感耦合场效应管振荡器; (b) 电感反馈场效应管振荡器; (c) 电容反馈场效应管振荡器 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.2.6 压控振荡器压控振荡器 压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。 压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量, 用S表示,

43、 即ufS(4 42) 图4 14 示出了一压控振荡器的频率-控制电压特性, 一般情况下, 这一特性是非线性的, 非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 12 VL1100 pF输出V110 k100 pFC11.5 pFC2V2控制电压100kCj0f0Uf 图 4 13 压控振荡器线路 图 4 14 压控振荡器的 频率与控制电压关系 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.2.7 E1648单片集成振荡器单片集成振荡器 (a)V10V11V12V13V14VD2VD1V6V7V8V5V4V3V2V1输出V91214第第4 4章章 正弦波振

44、荡器正弦波振荡器1234567141312111098(b)0.1 F0.1 F 15 VC1CL1 k输出 9 VRL10.1 F 图 4 15 E1648内部原理图及构成的振荡器 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 E1648单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和12脚之间的外接振荡电路的L、C值决定, 并与两脚之间的输入电容Ci有关, 其表达式为)(21iCCLf第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4.3 频率稳定度频率稳定度 4.3.1 频率稳定度的意义和表征频率稳定度的意义和表征 振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化, 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度, 它是振

45、荡器的一个很重要的指标。 001001ffffffff(4 44) (4 43) 频率准确度频率准确度: 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，之间的偏差，称为振荡频率的准确度。它通常分为绝对偏差与相对偏差称为振荡频率的准确度。它通常分为绝对偏差与相对偏差两种，其表达式为两种，其表达式为绝对偏差绝对偏差相对偏差相对偏差第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 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

46、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

47、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.第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器短期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。

48、振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4.3.3 提高频率稳定度的措施 1. 提高振荡回路的标准性 振荡回路的标准性是指回路元件和电容的标准性。温度是影响的主要因素:温度的改变,导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化,而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也将变化,从而使电感、电容值改变。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 2. 减少晶体管的影响 在上节分析反馈型振荡器原理时已提到,极间电容将影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外,应选择fT较高的晶体管,fT越高,高频性能越好,可以保证在工作频率范围内

49、均有较高的跨导,电路易于起振;而且fT越高,晶体管内部相移越小。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 3. 提高回路的品质因数 我们先回顾一下相位稳定条件,要使相位稳定,回路的相频特性应具有负的斜率,斜率越大,相位越稳定。根据LC回路的特性,回路的Q值越大,回路的相频特性斜率就越大,即回路的Q值越大,相位越稳定。从相位与频率的关系可得,此时的频率也越稳定。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 4. 减少电源、负载等的影响 电源电压的波动,会使晶体管的工作点、电流发生变化,从而改变晶体管的参数,降低频率稳定度。为了减小其影响,振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端,

50、这会降低回路的品质因数,从而使振荡器的频率稳定度下降。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器1. 1. 减小外因变化，根除减小外因变化，根除“病因病因”1)1) 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、负温度系数不同的荡器远离热源，如采用正、负温度系数不同的L L、C C，抵消，抵消 L L、 C C。2)2) 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

51、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。5.4.3振荡器稳定频率的方法振荡器稳定频率的方法第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器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。6)6) 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

52、荡回路之采取克拉泼或西勒电路，减弱晶体管与振荡回路之 间耦合，使折算到回路内的有源器件参数减小，提高回间耦合，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。路标准性，提高频率稳定度。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 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

53、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)CC(CC ，CCb= Co+CL第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 图417 皮尔斯振荡器 CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.

54、gmUb.C3CqLqrqC0第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器(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：第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器(4) (4) 由于晶振的由于晶振的Q Q值和特

55、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，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

56、能极好。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器图419 并联型晶体振荡器的实用线路 20012 VC1V68 k3/15 pF20 pF15 k33 k7503DG6C300 pF4700 pF301 kC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)750510320第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器2. 2. 密勒密勒(Miller)(Miller)振荡电路振荡电路 密勒振荡电路密勒振荡电路 EcVC2LCeC1第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 3. 3.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器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

57、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。 EcVLC2C1(a)C1C2LVJT(b)Xef0CL的电抗曲线fpfqfN第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 图423一种串联型晶体振荡器 (a)实际线路;(b)等效电

58、路 EcVLC2C1(a)C1C2LVJT(b)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器 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在晶振工作频率所以在晶振工作频率5MHz5MHz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。

59、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3-10pF3-10pF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5MHz5MHz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 20p10/3p200pecbv1330p4.7H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)Zffo感性容性第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器4使用注意事项 使用石英晶体谐振器时应注意以下几点: (1)石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前,在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使