第3章2012422正弦波振荡器(1)

1、13.1 概述概述3.2 反馈型振荡器的基本工作原理反馈型振荡器的基本工作原理3.3 具体具体LC正弦振荡电路正弦振荡电路:互感互感,三点式三点式3.4 振荡器的改进:克拉泼克拉泼,西勒西勒,晶体振荡器晶体振荡器3.5 RC振荡电路振荡电路3.6 章末小结章末小结第3章 正弦波振荡器2音 频 放 大高 频 振 荡倍 频高 频 放 大调 制缓 冲传 输 线话 筒声 音（ 直 流 电 源 未 画 ） 高频放大 fs fs 本地振荡 fo 混频 fofs=fi fi 低频放大 检波 中频放大 F F 高频电路高频电路高功放高功放定义：不需外加激励，自身将直流电能转换为交流电能定义：不需外加激励，自身

2、将直流电能转换为交流电能。3.1 概述 3.1.1.定义3正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器负阻式振荡器负阻式振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器反馈型反馈型RC振荡器振荡器 本章重点掌握反馈型本章重点掌握反馈型LCLC振荡器的工作原理。振荡器的工作原理。石英晶体振荡器石英晶体振荡器3.1.2.振荡器的分类振荡器的分类4n正弦波振荡器可分成两大类：n一类是利用正反馈原理构成的反馈型振荡器，它是目前应用最多的一类振荡器（本课程）（本课程）；n另一类是负阻振荡器（见下页），它是将负阻器件直接接到谐振回路中，利用负阻器件的负

3、电阻效应去抵消回路中的损耗，从而产生等幅的自由振荡，这类振荡器主要工作在微波频段。从原理上分类图 电阻器件的伏安特性 （a）正电阻器件 （b）电压控制型负阻器件 (c) 电流控制型负阻器件 负电阻是流过其间的电流越大，电阻两端电压越小，故电流、电压增量的方向相反，两者的乘积为负值，如图（b）、(c)所示： VI R 本页了解6振荡器本质n正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成所需交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。7n应用场合： 正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发射机中的载波信号源，接收

4、设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、T测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。n指标：输出f范围;输出幅度范围; f稳定度。 振荡器的应用和指标高频低频大小功率医疗、微波基准源83.2 反馈型振荡器的基本工作原理n反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由两部分组成，一是放大电路，二是反馈网络，见图3.1(a)。 Xo 基基本本放放大大 电电路路 Xid A Xf+Xi反反馈馈网网络络F180018009图3.1 反馈振荡器的组成方框图及相应电路(a)放大器反馈网络UfUiUoUfUfUoUiUfLfLC谐振放大器反馈网络(b)反

5、馈振荡器框图振荡电路是单口网络，起振的信号源来自接通电源瞬间的电扰动振荡电路是单口网络，起振的信号源来自接通电源瞬间的电扰动10平平衡衡n起振要求起振要求：(1) 接通电源后能够从无到有，从小到大建立起具有某一固定频率的正弦波输出。 (信号源信号源,正反馈正反馈,放大放大,选频选频)n平衡要求平衡要求： (2)振荡器在变大后能进入稳态，能维持一个等幅连续的振荡（从变大到保持不变）。(环路增益随着输出的增大而减小环路增益随着输出的增大而减小)n稳定要求稳定要求：(3)当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受到破坏（保持输出不变）。(负反馈负反馈)振荡器保证性能的三点要求起振起振稳定稳定振荡器振荡

6、器工作示意图工作示意图11振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？起振的信号源来自何处？接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。 初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号被保的信号被保留（被选出），成为等幅振荡输出信号。留（被选出），成为等幅振荡输出信号。（从无到有）（从无到有）一般电路初始信号很微弱，放大很小，易被干扰信号淹没，不能形成一定幅一般电路初始信号很微弱，放大很小，易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出

7、信号。因此，振荡器起振阶段要求度的输出信号。因此，振荡器起振阶段要求（由弱到强放大）（由弱到强放大） 起振条件起振条件1)()(00FA2)()(0f0an3.2.1 振荡器的起振条件振荡器的起振条件 （正反馈）（正反馈）12起振和平衡条件推导振荡过程描述（A是放大系数；F是反馈系数）第一次循环：UiAUiAFUi第二次循环：AFUiA2FUi（AF）2Ui第n次循环：（AF）（n-1）UiA（AF）（n-1）UiAF（AF）（n-1）（AF）nUi放大电路A选频网络0正反馈网络FUi Ui =AUi Ui =AUi Ui=AFUi 对任意第n次循环，信号由小到大（起振）的条件：AF1第n次后

8、信号由变大到不变（平衡）的条件：AF=113负反馈稳定电路。负反馈稳定电路。正反馈产生自激振荡。正反馈产生自激振荡。若环路增益若环路增益1 FA则则， fidXX去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。 又又fafa AFFAFA所以等幅振荡条件为所以等幅振荡条件为1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan相位平衡条件相位平衡条件 Xo 基基本本放放大大 电电路路 Xid A Xf+Xi反反馈馈网网络络F同学们注意与负反馈同学们注意与负反馈方框图的角度差别方框图的角度差别3.2.2 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件1800180014n在接通电源后，依据放大器大振幅的

9、非线性抑制作用，环路增益T(j)具有随振荡器电压振幅Ui增大而下降的（非线性）特性，n结论： 振荡器起振后，振荡幅度不会无限增长下去（因为放大器大振幅的非线性的失真抑制作用），而是在某一点处于平衡状态。因此，反馈振荡器可以既满足起振条件，又满足平衡条件。 平衡条件分析UiAT(j)Ui10AA点15 平衡表示，平衡表示，第n次循环时输出信号与输入相等，输出信号与输入相等，所以：振幅平衡条件从所以：振幅平衡条件从 AF1 到到AF=1 。（由增到不（由增到不增增）平衡条件分析（黄色底纹部分）第n次循环前后信号通式：（AF）（n-1）Ui（AF）nUi输出大到一定程度输出大到一定程度(A点点)时时

10、,放大倍数放大倍数A下降，下降， 且且AF从大于从大于1变为变为AF等于等于116 以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件和产生等幅振荡的平衡条件。振荡的起振条件和产生等幅振荡的平衡条件。 实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件到破坏的稳定条件(这里这里,外界因素变化有一定限制外界因素变化有一定限制)。

11、稳定条件也分为稳定条件也分为振幅稳定振幅稳定与与相位稳定相位稳定两种。以两种。以下分别讨论之。下分别讨论之。3.2.3振荡器的稳定条件振荡器的稳定条件稳定不稳定17 要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，化时，AF的大小朝反方向变化（平衡点附近）。的大小朝反方向变化（平衡点附近）。0:omQomomVVVA振幅稳定条件1）振幅稳定条件）振幅稳定条件-保持振幅平衡保持振幅平衡一般要避免硬自激输出大到一定程度输出大到一定程度(Q点点)时时,放大倍数下降，反向变化放大倍数下降，反向变化 且且AF从大于从大于1变为变为AF小于小于1(

12、小于小于Q点点AF1，Q点点AF=1，大于，大于Q点点AF1)另为了使另为了使振荡器的环路增益T 随信号的变化曲线变陡，产生变陡，产生自偏压效应，自偏压效应，一般加入一般加入RE电阻。电阻。具体分析见下页具体分析见下页在实际电路中，为了帮助振荡器在起振过程中，将1fTAk1fTAk状态快速调节为平衡时的状态，从而减弱管子的非线性工作程度，以改善输出信号波形，减少失真，通常采用图3.1.9所示的电路形式，这是一带有直流负反馈电阻ER的振荡电路。 图3.1.9 振荡器的偏置效应 18、 电阻的作用是：电路在刚起振时，让正反馈占主导；而在起振过程中，随着幅度的增大，使负反馈量随之增加，从而降低放大器

13、增益，达到平衡，图中偏置电阻 、 、 使晶体管的静态工作点为 ，工作点处的偏置电压是 1BR2BRERQBEQBBBQBEQEVVIRIR21221/BBBBBBCCBBRRRRRRVV，图3.1.9 振荡器的偏置效应（b）偏置电路 其中19 起振时晶体管处于甲类状态，增益较高，起振后，随着 不断增大，晶体管进入非线性区，导致电流 正负半周不对称（见图3.1.9（c）， 的平均分量 增大，使 ，在发射极电阻 上的压降 增大。同理， 的平均分量 也相应增大。结果是在起振过程中晶体管的直流工作点变为iV()ECiiEi0EI0EEQII0EEIRERBi0BI00BEBBBBEEVVIRIR图3.

14、1.9 振荡器的自偏置效应20截止区的rbe大，等于负载大，Qe减小少 直流偏置随着起振的过程不断降低，工作点不断左移，放大器工作状态从甲类向乙类，甚至丙类过渡（见右图）。上述现象称之为振荡器中的自偏自偏压效应。压效应。工作点越低，放大器的增益越小，从而在起振的过程中环路增益不断降低，最终达到振幅平衡。图3.1.9 振荡器的自偏置效应图3.1.10 具有自偏压的振荡器环路增益iV 振荡器的环路增益T 随 的变化曲线如图3.1.10中虚线所示。21 这样，对选频回路 值的影响就很小，也即对选频回路的选频性能影响就很小，从而对振荡器的频率稳定性有益。Q 由图3.1.10知，环路增益的变化率要比固定

15、偏置的振荡器陡。 采用自偏置方法的优点优点是避免了通过晶体管的饱和来达到振幅平衡，而是让晶体管在振荡周期的一周内有一部分时间是截止的（截止时（截止时R相对饱和时相对饱和时R要大，按照要大，按照Qe公式，截止时公式，截止时Qe较大）较大）。2223 相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。外部外部扰动扰动 稳定原理：稳定原理： 频率频率 相位相位 频率频率 tttd)()(2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件由公式推导由并联选频电路得相位角下标的含义见

16、书P25624 12QQ 0011L0jQAAvv00arctanQ外界因素的变化同样会破坏相位平衡条件，使环路相移偏离2n。相位稳定条件是指相位条件一旦被破坏时环路能自动恢复T=2n所应具有的条件。25n 振荡电路中，振幅的稳定依靠放大电路自身非线性，相位稳定条件是依靠具有负斜率相频特性的并联谐振回路来满足，且越大，Z()随增加而下降的斜率就越大，振荡器的稳定度也就越高。振荡器稳定条件小结振荡器稳定条件小结263.2.3 正弦振荡电路的基本组成 从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件

17、，它们振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括： (1)放大电路； (2)选频网络； (3)正反馈网络；（有时与选频网络合二为一，如三点式）（有时与选频网络合二为一，如三点式） (4)稳幅环节（有时与上面网络合二为一与上面网络合二为一,如：并联选频如：并联选频 网络的负斜网络的负斜率相位特性）。率相位特性）。见书P60页271、放大（合适偏置-软自激,放大倍数随输入大小自动调整-放大的非线性,在不同时间满足条件AF1，AF=1； AF / Ui0）2、反馈（正）支路（T=n 2，使AF1

18、 ）3、选频（并联）支路（ / f0稳定相位，选出所需频率 ）满足条件的对应实际电路框图分析电路名称放大（平衡点附近A随输入变化反向变化）反馈（正）支路选频（并联）支路满足条件（或电路目的）AF1，AF=1； AF / Ui0T=n 2AF始终稳定大于等于1 / f0选出所需频率，稳定相位条件的分析放大到一定程度失真自身非线性限幅；负斜率（软自激）必须正反馈w=wo时输出最大，选出需要的信号；并联谐振电路负斜率的相频特性 28反馈型振荡器原理小结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, 放大器通常是以某种选频网络作负载, 是一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。

19、29振荡器具体电路分析振荡器具体电路分析3.3.1 互感耦合振荡器互感耦合振荡器(图见书图见书P61)3.3.2 LC三端式振荡器相位平衡条件三端式振荡器相位平衡条件的判断准则的判断准则(图见书图见书P62)3.3.3 电感反馈式三端振荡器电感反馈式三端振荡器 ( (哈特莱振荡器哈特莱振荡器) )3.3.4 电容反馈式三端振荡器电容反馈式三端振荡器 ( (考毕兹振荡器考毕兹振荡器) )3.3 具体具体LC正弦振荡电路正弦振荡电路本节重点：具体电路图、原理、正常振荡的条件判断30 放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能，不同在于：放大器需要

20、外加控制信号而振荡器不能，不同在于：放大器需要外加控制信号而振荡器不需要。因此，将放大回路的输出正反馈回输入端，以需要。因此，将放大回路的输出正反馈回输入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡器。提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡器。 如果由如果由LC谐振回路通过电感互相耦合将输出信谐振回路通过电感互相耦合将输出信号送回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。号送回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。 由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成正反馈时，满足相位平衡条件。如果再满足振幅的正反馈时，满足相位平衡条件。如果再满足振幅的起振和平衡条件，就符

21、合振荡器基本条件。起振和平衡条件，就符合振荡器基本条件。 互感耦合振荡器定义互感耦合振荡器定义313.3.1互感耦合振荡器分为：互感耦合振荡器分为： 调集电路，调集电路和调集电路（看选频电路在三极管哪个极来区分）(a)调集电路(c)调发电路(b)调基电路并联谐振接在基极的为调基，余类推（其他条件（其他条件-静静态、旁路等条件同态、旁路等条件同低频，这里不再重低频，这里不再重复，可简单复习）复，可简单复习）看书P61，会判断类型和正常振荡条件3.3 具体具体LC正弦振荡电路正弦振荡电路:互感互感,三点式三点式 反馈振荡器的组成框图如反馈振荡器的组成框图如图所示。 其主网络一般由放其主网络一般由放

22、大器件和选频网络组成的放大器大器件和选频网络组成的放大器, 反馈网络一般由无源器反馈网络一般由无源器件组成。件组成。a、b图图为变压器（互感）耦合调集反馈振荡器。为变压器（互感）耦合调集反馈振荡器。(a)原理电路 (b)交流通路 组成框图由正反馈的观点来分析振荡的条件互感耦合振荡器只需要同名端互感耦合振荡器只需要同名端合适，合适，要满足正反馈要满足正反馈要求会分析具体收音机电路图中的同名端3233复习同名端概念12i1u212111(a)ABCD12i1u212111(b)ABCD互感线圈的同名端是这样规定的：如果两个互感线圈的电流i1和i2所产生的磁通是相互增强的，那么，两电流同时流入(或流

23、出)的端钮就是同名端；如果磁通相互削弱，则两电流同时流入(或流出)的端钮就是异名端。同名端用标记“”、“*”或“”标出，另一端则无须再标。 引入互感线圈的同名端目的：示意图不需画出线圈绕向也知流向。本课程应用：互感线圈的同名端极性相同，同为正或同时为负互感线圈的同名端极性相同，同为正或同时为负34复习复习瞬时极性法判断正负反馈瞬时极性法判断正负反馈 反馈：输出的一部分被返回到输入端，削弱输入的为反馈，加强输入的为正反馈；正负反馈的应用不同.。 正负反馈的判断：正负反馈的判断： 用瞬时极性法用瞬时极性法正负分别表示上升、下降（先设输入正负分别表示上升、下降（先设输入为上升为上升+，然后逐级判断上

24、升、下降，然后逐级判断上升、下降( (正、负），返回到正、负），返回到输入为正的为正反馈）。输入为正的为正反馈）。 特别提醒：先设定原点（第一点），最后回到原点瞬时极性法判断时大致分有源器件和无源器件瞬时极性法判断时大致分有源器件和无源器件无源器件的极性无源器件的极性-正负不变正负不变有源器件的极性会变有源器件的极性会变-正负会变正负会变有源器件的正负变化见下页三极管和集成电路复习有源器件的正负变化见下页三极管和集成电路复习跳转到第一页跳转到第一页上上一一张张幻幻灯灯片片下下一一张张幻幻灯灯片片2022-4-2936RbRcuitOOiBIBQiBtiCICQtuBEtUBEQbeciCuCE

25、UCEQOuotO UCCC1C2OtO三极管共射放大电路动态时的波形示意图分析-输入与输出电压方向相反，输入与输出电压方向相反，输入（输入（b点）为正则输出（点）为正则输出（c点）为负，点）为负，如发射极接电阻，则（e点）为正。 uCE=VCCiCRc，负反馈放大器负反馈放大器uiR1Rf3R2Rf2Rf1uo+(c)A1A2R4图 用瞬时极性法判断反馈极性的几个例子 38(a)放大器反馈网络UfUiUoUfUfUoUiUfLfLC谐振放大器反馈网络(b)调集电路调集电路1交流等效图交流等效图具体分析振荡电路是否正反馈：本课程：互感耦合振荡器只需要同名端合适，满足正反馈本课程：互感耦合振荡器

26、只需要同名端合适，满足正反馈39-+调集电路调集电路2交流等效分析交流等效分析分析具体收音机电路图练习：40（互感耦合振荡器分三类：调基、调发、调集）（互感耦合振荡器分三类：调基、调发、调集）调基、调发电路调基、调发电路判断正负反馈时，判断正负反馈时，遇到有遇到有LC串联的支路应避串联的支路应避开，选单一的开，选单一的L支路，另习惯从发射极回到初始端。支路，另习惯从发射极回到初始端。分析书上P92 3.9题互感式LC振荡器优缺（引出三点式LC振荡器）优点：起振容易，电路简单缺点：因为是电感耦合，高频特性差，一般频率较高时不常用。三点式LC振荡器，特别是电容三点式LC振荡器的原理电路。下面进行介

27、绍：3.3.2 3.3.2 三点式振荡电路三点式振荡电路电路组成法则（主要是满足相位条件）电路组成法则（主要是满足相位条件） 三点式振荡器是指三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。其特点是无三个电极分别连接而组成的一种振荡器。其特点是无单独的反馈支路，工作频率可达到几百兆赫。单独的反馈支路，工作频率可达到几百兆赫。 在三点式电路中，回路中与发射极相连接的两个电抗元件必须为同性质，另外一个电抗元件必须为异性质。同同时满足时满足 0cebebcXXX图3.3. 1 三点式振荡器的原理图电路组成法则电路组成法则简称：射同它异42见书P

28、61433.3.2 LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则三端式振荡器相位平衡条件的判断准则 LC三端式振荡器 1.三点式振荡器的原理电路 图（）所示为电容三点式电路，又称为考毕兹电路，它的反馈电压取自C1和C2组成的分压器；图（）所示为电感三点式电路，又称为哈脱莱电路，它的反馈电压取自L1和L2组成的分压器。从结构上可以看出,三极管的发射极相接两个相同性质的电抗元件，而集电极与基极则接不同性质的电抗元件。 44图 三点式振荡器的原理电路C1C2iUfUoULL1L2iUfUoUCVV(a)(b)三点式振荡器的条件示意图-射同他异45由正反馈的观点来推导振荡的条件

29、18001800这里是共射电路4三点式振荡器条件推导Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.IjXUIjXUcb12条件是正反馈条件是正反馈（输出应该与输入相差360度），由图知Ub与Uc应该相差180度（本身经过三极管反向已经有180度） Ub/Uc 0 ，代入上公式，有：X2/X10 推导结果表示X2与X1位于同一象限，即X2与X1为同性元件，又谐振时4结论：结论：4Xeb与与Xce同性质，同性质，4它们与它们与Xcb相异；相异；I为并联谐振回路电流，较大，所以忽略三极管支路电流0cbcebeXXX所以X3与X1X2相异相异推导可见书6247 L1和和C1支路应为容性，振荡器的

30、总振荡频率应低于支路应为容性，振荡器的总振荡频率应低于L1和和C1支路支路的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三的串联谐振频率，此时，该支路呈容性，整个回路满足电容三端式的相位条件。端式的相位条件。振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率2121210)(1CCCCLL实际电路不可能是纯电容或纯电感，实际电路不可能是纯电容或纯电感，具体振荡条件具体振荡条件举例与分析举例与分析:)1(wcwLjrRZ阻抗公式48 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。送回输入回路，所形成的是电

31、感反馈式三端振荡器。(+)(-)(+)(+)MLMLF12 3.3.3具体分析：电感反馈式三端振荡器 (哈特莱振荡器)49L1L2CMLMLF1212LL4容易起振容易起振FA1变电容而不影响变电容而不影响F。4调整频率方便调整频率方便4振荡波形不够好振荡波形不够好高次谐波反馈较强，高次谐波反馈较强，波形失真较大。波形失真较大。4不适于很高频率工作不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于L1与与L2两端，两端，F随频率变化而改变。甚至改变极性不能振荡随频率变化而改变。甚至改变极性不能振荡ieCoeCL1L2CoVfV)(HPF 高通电感反馈式三端振荡器特点电感反馈式三

32、端振荡器特点:012122fLCLLLM50211211CCwCwCF 如果正反馈网络由如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信号谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。3.3.4具体分析：电容三点式(考毕兹振荡器)旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。旁路电容和耦合电容的电容值至少要比回路电容值大一个数量级以上。 有些电路里有些电路里Rc为高频扼流圈，其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对于高为高频扼流圈，其作用是为直流提供通路而又不影响谐振回路工作特性。对

33、于高频振荡信号，旁路电容和耦合电容可近似为短路，高频扼流圈可近似为开路。频振荡信号，旁路电容和耦合电容可近似为短路，高频扼流圈可近似为开路。 51C1C2LC1C2L电路的特点电路的特点: :ieCoeCoVfV变电容影响变电容影响F，变电感不便。，变电感不便。4调整频率不太方便调整频率不太方便4输出波形较好输出波形较好高次谐波反馈较弱，高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。波形接近正弦波。4频率稳定度较好频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于分布电容和极间电容并联于C1与与C2两端，被较大两端，被较大C1与与C2 吸收。吸收。4适用于较高的工作频率适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容甚

34、至可只利用器件的输入电容和输出电容达到振荡目的。和输出电容达到振荡目的。电容三端振荡器电路特点523.2.1 C1C2VTL3C3L1L2L3C2C1L1VTVTa）b）c）答：答：由图a可知， X1为电容， X2为电容，X3为电感，不符合三点式电路的组成原则-射同它异射同它异，故图a）不能振荡。 由图b可知，X1为电感，X2为电感，X3为电容，符合三点式电路的组成原则，故b）的电路能振荡。 由图c可知X2为电容，X3为电感，若X1支路中L1C1呈容性时，则图c）的电路符合三点式电路的组成原则，故能振荡。例题分析例题分析回路总导纳回路总导纳LCLCRBGY1jj Is C L Rp 1) p时

35、，时， B p时，时， B 0呈容性。呈容性。电纳性质随频率变化的规律：电纳性质随频率变化的规律：并联选频电路：电纳性质随频率变化规律注意与串联注意与串联谐振的区别谐振的区别谐振时，电感、电容消失了！呈纯电阻特性谐振时，电感、电容消失了！呈纯电阻特性53LCB10回路失谐（回路失谐（）时，串联回路阻抗增加，相移值）时，串联回路阻抗增加，相移值( )0 00( )0 时，时，串联回路阻抗呈容性。，串联回路阻抗呈容性。当当54XRZj)1( jCLR + C Vs L R CLX1551) 0时，时， X 0时，时， X 0呈感性。呈感性。阻抗性质随频率变化的规律：阻抗性质随频率变化的规律：谐振时

36、，电感、电容作用抵消！呈纯电阻特性谐振时，电感、电容作用抵消！呈纯电阻特性阻抗性质随频率变化规律LCLCBGY1jrj)1( jjCLRXRZB 0呈容性。呈容性。电纳性质随频率变化的规律：电纳性质随频率变化的规律：串联串联并联并联LCB1CLX1 例例 3.2.2 在例图3.2.4所示振荡器交流等效电路中，三个LC并联回路的谐振频率分别是： 1111(2)fLC2221(2)fL C3331(2)fL C试问 1f2f3f、 、 满足什么条件时该振荡器能正常工作？ 图3.2.4 例3.2.2图56思路：设L1C1支路的串联谐振频率为f01，其他类推，振荡回路的总频率f0看成工作频率f，因为是

37、并联选频电路，当f f0 1时，一支路为容性，其他类推 。解解：由图可知，只要满足三点式组成法则，该振荡器就能正常工作。 一、若组成电容三点式， 则在振荡频率 处 1oscf11CL回路与 22CL回路应呈现容性， 33CL回路应呈现感性。所以应满足 1213oscffff或 2113oscffff二、若组成电感三点式，则在振荡频率 2oscf处， 11CL回路与 22CL回路应呈现感性， 33CL回路应呈现容性，所以应满足 1223oscffff2123oscffff或 57在这里，振荡频率f0sc1是工作频率58 评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与评价振荡器频率的主要指标有两个，

38、即：准确度与稳定度。振荡器实际工作频率稳定度。振荡器实际工作频率f与标称频率与标称频率 f 0之间的偏之间的偏差，称为振荡频率准确度。差，称为振荡频率准确度。 通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为达式为 振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化。度的变化。3.4振荡器的改进：频率稳定问题定义：书P6959根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。频率稳定度、短期频率稳定

39、度和瞬间频率稳定度三种。影响振荡频率的有如下三种因素：影响振荡频率的有如下三种因素：）振荡回路参数）振荡回路参数与与;）回路电阻）回路电阻；）有源器件的参数。）有源器件的参数。频率稳定问题60提高频率稳定度的措施 两方面入手（含电路设计和元器件的选择） ：减少外界干扰；提高自身电路的标准性 1. 提高振荡回路的标准性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。 2. 减少晶体管的影响减少晶体管的影响 极间电容将影响

40、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。 书P6961提高频率稳定度的措施3. 提高回路的品质因数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。4. 减少电源、负载等的影响减少电源、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

41、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,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。 5.使用改进电路使用改进电路（此为课程研究重点详见下面改进电路叙述）改进电路改进电路1 -晶体振荡器；改进电路晶体振荡器；改进电路2-克拉泼电路；克拉泼电路；改进电路改进电路3-西勒电路西勒电路62 尽管电容尽管电容三端式振荡器较三端式振荡器较电感电感三端式振荡器的稳定性好，三端式振荡器的稳定性好，但是它是调节但是它是调节电容电容C1C1和和C2C2使频率改变，而调使频率改变，而调C1C1，C2C2会使反会使反馈系数改变馈系数改变 （F= F= C1/C2 C

42、1/C2 ）克拉泼电路克拉泼电路（也称串联改进型振荡电路也称串联改进型振荡电路 ） 3.4.1改进电路改进电路1-克拉泼电路克拉泼电路振荡电路改进电路改进电路该电路的特点是在电感支路中串接一个容量较小的电容C3。此电路又称为克拉泼电路。其交流通路见图63克拉泼电路特点（调（调f时，反馈系数不变，但时，反馈系数不变，但接入系数会变接入系数会变 ） 3211111CCCC21CCF131ceCCCCp232beCCCCp311LCLCn回路总电容C为031122fLCLC64VC1C2LC3ReRb2CbRb1Rc(a)UCCLC3C1C2CbeCceVCcb(b)图 克拉波电路及交流通路克拉波电

43、路及交流通路65 2.2.西勒电路西勒电路（并联改进型振荡电路） LC1C2C3C4AB3.4.2改进电路改进电路2-西勒电路西勒电路 通常,C3大于C4，但为同一数量级的电容，故回路总电容CC3+C4。西勒电路的振荡频率为)(1143CCLLC131ceCCCCp232beCCCCp改进电路改进电路2-西勒（Selier）电路（也称（也称并联改进型振荡电路书P74） 西勒电路是在克拉泼电西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感两端并联路基础上，在电感两端并联了一个小电容了一个小电容C4 回路等效电容回路等效电容 123434122313C C CCCCCC CC CC C振荡频率振荡频率3411

44、22()oscfLCL CC3.3.4 通常,C3大于C4，但为同一数量级的电容，故回路总电容CC3+C4。西勒电路的振荡频率为由于调频率时，C1C2不变，所以反馈系数不变；又C4与L并联且C3大于C4 ，所以接入系数也不变，故此电路反馈系数和接入系数均不变，目前实际电路最常采用。图3.3.3 西勒振荡电路6667西勒电路西勒电路电路特点（调（调f时，反馈系数和时，反馈系数和接入系数均接入系数均不变）不变）)(1143CCLLC131ceCCCCp232beCCCCp 与克拉泼电路相比，西勒电路不仅频率稳定性高，频率调节方便，而且调频率时，反馈系数和接入系数均不变 ，因此，是目前应用广泛的一种

45、三点式振荡电路。 4332141111CCCCCCC21CCF68图 西勒振荡电路及交流通路VC1C2LC3ReRb2CbRb1RcC2C4(a)UCCLC3C1C2CbeCceVC4(b)西勒振荡电路及交流通路693.4.3改进电路改进电路3 -晶体振荡器石英谐振器的特性 石英谐振器（简称晶体）是利用石英晶体（二氧化硅）的压电效应而制成的一种谐振元件。它的内部结构如图所示，在一块石英晶片的两面涂上银层作为电极，并从电极上焊出引线固定于管脚上，通常做成金属封装的小型化元件。 70图 石英谐振器 晶片石英谐振器结构71q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b)基次和泛音谐振的示意图基次谐振的示

46、意图基次和泛音谐振的示意图72图 晶体的阻抗频率特性感性Xe容性容性ps晶体的阻抗频率特性73n1.并联型晶体振荡电路n 并联型晶振电路的工作原理和一般三点式LC振荡器相同，只是把其中的一个电感元件用晶体置换，目的是保证反馈电压中仅包含所需要的基音频率或泛音频率，而滤除其它的奇次谐波分量。n由于晶体很稳定，由于晶体很稳定，Q值极高，通频带很窄，值极高，通频带很窄，使得输出的频率非常稳定。使得输出的频率非常稳定。 具体晶体振荡电路74UCCVC1C2R3CbLcR1BCcR2C1C2LR3C0LqCqrqV晶 体RLRL(a)(b)晶体振荡实例：并联型图皮尔斯晶体振荡电路见书P76

47、并联型晶体三点式振荡电路，晶体当电感用75泛音泛音：晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音-基次基频（n-1）f0等。 q1q3q5C0LqCqrqC0(a)(b)76 从基次和泛音谐振的示意图 中可以看到, 在石英晶振的完整等效电路中, 不仅包含了基频串联谐振支路, 还包括了其它奇次谐波的串联谐振支路, 这就是前面所说的石英晶振的多谐性。但泛音晶体所工作的奇次谐波频率越高, 可能获得的机械振荡和相应的电振荡越弱。 在工作频率较高的晶体振荡器中, 多采用泛音晶体振荡电路。泛音晶振电路与基频晶

48、振电路有些不同。在泛音晶振电路中, 为了保证振荡器能准确地振荡在所需要的奇次泛音上, 不但必须有效地抑制掉基频和低次泛音上的寄生振荡, 而且必须正确地调节电路的环路增益, 使其在工作泛音频率上略大于1, 满足起振条件, 而在更高的泛音频率上都小于1, 不满足起振条件。 泛音晶振电路条件泛音晶振电路条件77 在实际应用时, 可在三点式振荡电路中, 用一选频回路来代替某一支路上的电抗元件, 使这一支路在基频和低次泛音上呈现的电抗性质不满足三点式振荡器的组成法则, 不能起振； 而在所需要的泛音频率上呈现的电抗性质恰好满足组成法则, 达到起振。 图（）给出了一种并联型泛音晶体振荡电路。 假设晶体基频为

49、MHz,所需泛音晶振为五次泛音, 标称频率为MHz, 则1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。这样, 在 MHz 频率上, 1回路呈容性, 振荡电路满足组成法则。对于基频和三次泛音频率来说, 1回路呈感性, 电路不符合组成法则, 不能起振。 泛音振荡电路分析78 而在七次及其以上泛音频率, LC1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减小, 环路增益小于1, 不满足振幅起振条件。 LC1回路的电抗性如(b)图所示。 泛音振荡电路分析79泛音晶体振荡电路分析 a泛音晶体振荡电路 b图LC一支路的电抗频率特性（横坐标1、2、3为泛频次数） C1C2L1BV(a)012345

50、67fXe(b)加了限频电路加了限频电路L1C1，只有频率大于某值（为泛频）时，只有频率大于某值（为泛频）时，该电路呈容性，才满足射同它异。该电路呈容性，才满足射同它异。（基频和（基频和3次泛频时，一支路为感性，不满足振荡的相位条件）次泛频时，一支路为感性，不满足振荡的相位条件）按电抗频率特性图，本电路5次泛音时能够振荡而在七次及其以上泛音频率而在七次及其以上泛音频率, LC1回路虽呈现容性回路虽呈现容性, 但等效容抗减小但等效容抗减小, 从从而使电路的电压放大倍数减小而使电路的电压放大倍数减小, 环路增益小于环路增益小于1, 不满足振幅起振条件不满足振幅起振条件。 80n 2. 串联型晶体振

51、荡电路n 频率稳定度完全取决于晶体的稳定度。谐振回路的频率为012fLC串联型晶体振荡电路81VC1C2LC3ReCbR1UCCR2RC4VBBLC3C1C2Re(a)(b)串联型晶体振荡-晶体当导线用823.5 振荡电路振荡电路（本部分了解）（本部分了解） 当要求产生频率在几十千赫以下的正弦波信号时, 如仍采用回路作选频网络, 则所需回路电感量很大, 使元件体积增大, 且使用不方便。 这时, 可以改用电路作选频网络, 同时采用晶体管或集成电路作为放大器, 组成振荡器。振荡器也是一种反馈型振荡器, 用于产生低频正弦波信号。 下 图 是三种常用的选频网络电路及其电压传输系数（j）和频率特性。其中

52、, 导前移相电路和滞后移相电路分别具有高通滤波和低通滤波的特性, 其幅频特性分别是单调递增和单调递减曲线, 选频特性很差； 串并联选频电路具有类似回路的带通滤波特性, 但选择性能不如回路。 三种电路均具有负斜率的相频特性, 满足振荡器的相位稳定条件。 83三种常用选频网络频率特性84 由图可知, 串并联选频电路在=0处的相移为零, 所以, 为了形成正反馈, 必须采用同相放大器。通常可以采用两级共射电路组成, 或者采用同相集成运算放大器。后者所组成的振荡电路如图（）所示。（）图可以改画成如（）图所示的文氏电桥电路形式, 因而称为文氏电桥振荡器。 与振荡器相同, 振荡器也必须满足起振、 平衡和稳定

53、三个条件。 3.5.1文氏电桥振荡器文氏电桥振荡器85图文氏电桥振荡器图文氏电桥振荡器图86 文氏电桥振荡器的反馈系数（即串并联选频电路的传输系数）为：)(3100wwwwjF其中振荡角频率RCw10或RCf210所以200)(911wwwwF振荡器频率87 所以, 在N()= 处, 有1=0.30, 2=3.30。21 可见, 串并联选频电路的幅频特性不对称, 且选择性较差。 由于串并联选频电路组成的反馈网络在振荡频率0处的增益为, 所以同相运放的起始增益必须大于, 才能满足环路增益大于的振幅起振条件。振荡器的振幅平衡和稳定条件是依靠晶体管的非线性特性来满足的, 而文氏电桥振荡器由于串并联选

54、频电路的选频特性差, 不能有效地滤除高次谐波分量, 所以, 放大器必须工作在线性区, 才能保证输出波形非线性失真小。为此,采用了以下两个方法：振荡器振幅起振条件88 () 引入负反馈以减小和限制放大器的增益, 使在开始时放大器增益略大于, 这样, 环路增益仅在振荡频率0及其附近很窄的频率段略大于, 满足振幅起振条件, 而在其余频段均不满足正反馈振幅起振条件。 () 在负反馈支路上采用具有负温度系数的热敏电阻（如图 (a)中的t）。 起振后, 振荡电压振幅逐渐增大, 加在t上的平均功率增加, 温度升高, 使t阻值减小, 负反馈加深, 放大器增益迅速下降。 这样, 放大器在线性工作区就会具有随振幅

55、增加而增益下降的特性, 满足振幅平衡和稳定条件。 振荡器分析89 可见, 文氏电桥振荡器是依靠外加热敏电阻形成可变负反馈来实现振幅的平衡和稳定, 这种方法称为外稳幅； 而像振荡器那样依靠晶体管本身的非线性特性来稳定振幅的方法称为内稳幅。 串并联选频电路的相频特性具有负斜率, 所以满足相位稳定条件。 振荡器相位稳定条件90 由下图可知, 一节导前移相或滞后移相电路实际能产生的相移量小于90(当相移趋近90时, 增益已趋于零）, 所以, 至少要三节移相电路才能产生180相移。由三节移相电路和反相放大器就可以组成正反馈振荡器。 图473给出了由三节导前移相电路和集成运放组成的相移振荡器。该振荡器的振

56、荡频率0和振幅起振条件分别为： RCf6210相移振荡器相移振荡器91图相移振荡器图相移振荡器图92 相移振荡器是采用内稳幅的振荡电路, 移相电路的选频性能又很差, 因而输出波形不好, 频率稳定度低, 只能用在性能要求不高的设备中。 29RRf相移振荡器特点933.6 章末小结章末小结 -本章重点本章重点重点：重点： 产生振荡的条件与原理以及判断准则（本课程是相产生振荡的条件与原理以及判断准则（本课程是相位条件的判断与分析），几种类型振荡器的典型电路分位条件的判断与分析），几种类型振荡器的典型电路分析和比较。析和比较。 本章重点介绍了反馈型正弦波振荡器原理和本章重点介绍了反馈型正弦波振荡器原理

57、和几种常用电路类型。几种常用电路类型。 分类：分类： 按输出波形分按输出波形分 正弦波振荡器非正弦波振荡器按选频回路元件分按选频回路元件分 RCLC振荡器振荡器按原理、性质分按原理、性质分 反馈振荡器负阻振荡器振荡器的定义振荡器的定义： 振荡器是一种能自动的将直流电源的能量振荡器是一种能自动的将直流电源的能量转变为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。转变为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。指标：输出f范围;输出幅度范围; 稳定度（特别是频率）。 943.1 概述定义、分类与指标定义、分类与指标95平平衡衡3. 2反馈型振荡器的基本工作原理反馈型振荡器的基本工作原理振荡器保证性能的三点要求（文

58、字描述的条件）起振起振稳定稳定振荡器振荡器工作示意图工作示意图n起振要求起振要求：(1) 接通电源后能够从无到有，从小到大建立起具有某一固定频率的正弦波输出。 (信号源信号源,正反馈正反馈,放大放大,选频选频)n平衡要求平衡要求： (2)振荡器在变大后能进入稳态，能维持一个等幅连续的振荡（从变大到保持不变）。(环路环路增益随着输增益随着输出出的增大而减小的增大而减小)n稳定要求稳定要求：(3)当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受到破坏（保持输出不变）。(负反馈负反馈)96振荡器的振荡条件振荡器的振荡条件（公式描述的条件）（公式描述的条件）1)()(00FA2)()(0f0an0omQomo

59、mVVVA起振条件起振条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan相位平衡条件相位平衡条件振荡器的振荡器的 稳定条件稳定条件0)(ZFZY 放大电路A选频网络0正反馈网络FUi Ui =AUi Ui =AUi Ui=AFUi 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幅稳定条件振幅稳定条件相位稳定条件相位稳定条件97振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？起振的信号源来自何处？接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内

60、部噪声等。 初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号被保的信号被保留（被选出），成为等幅振荡输出信号。留（被选出），成为等幅振荡输出信号。（从无到有）（从无到有）初始信号很微弱，一般电路是阻尼振荡，初始信号很微弱，一般电路是阻尼振荡，初始信号越初始信号越来越小直到消失。不能来越小直到消失。不能形成一定幅度的输出信号。但振荡器却越来越大，振荡器起振要求如下：形成一定幅度的输出信号。但振荡器却越来越大，振荡器起振要求如下：（由弱到强放大）（由弱到强放大） 起振条件起振条件1)()(00FA2)()(0f0an振荡器的起振条件小结与分析振荡器的起振条件小