第4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高频电子线路高频电子线路1第4章 正弦波振荡器 引言4.1 反馈振荡器的原理 4.2 LC 振 荡 器4.3 振荡器的频率稳定度4.4 LC振荡器的设计方法4.5 石英晶体振荡器 4.6 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高频电子线路高频电子线路 引言引言LCR电路的瞬变现象电路的瞬变现象当开关当开关S S合上时，可得回路电流方程：合上时，可得回路电流方程：求解微分方程得到电流为求解微分方程得到电流为其中其中 ，222dd10ddiRiitLtLC222200220()2tVieeeL 2RL 01LC 第第4 4章章 正弦波振荡

2、器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路3 时电流振荡波形：时电流振荡波形：220 可见，要维持等幅振荡，可见，要维持等幅振荡，有两种方法：有两种方法：1. 使回路电阻为零；使回路电阻为零；2. 定时补充能量。定时补充能量。对应两类振荡器：对应两类振荡器：1. 负阻振荡器；负阻振荡器；2. 正反馈振荡器。正反馈振荡器。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路44.1 反馈振荡器的原理 一、反馈振荡器的原理分析一、反馈振荡器的原理分析 1、反馈振荡器的组成、反馈振荡器的组成：放大器和反馈网络两部分。放大器和反馈网络两部分。 反馈型振荡器的原理框图如图反馈型振荡器的原理框图如

3、图4-1所示。反馈型振荡器所示。反馈型振荡器是由是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是放大器通常是以某种选频网络以某种选频网络(如谐振回路如谐振回路)作负载作负载, 是一调谐放大器是一调谐放大器, 反反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路5第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路6( )( )( )isiU sUsU s( )( )( ) ( )( )iiU sT sK s F sU s (4-1) (4-2) (4

4、-3) (4-4) (4-5) (4-6)得 T(s)为环路增益为环路增益： 2、自激振荡的条件分析、自激振荡的条件分析 闭环电压放大倍数闭环电压放大倍数Ku(s)： ( )( )ouSUsKUs( )( )( )ioU sF sUs( )( )( )oiUsK sU s电压反馈系数为电压反馈系数为F(s)，则开环电压放大倍数开环电压放大倍数K(s)：由( )( )( )1( ) ( )1( )uK sK sKsK s F sT s第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路7自激振荡的条件：就是环路增益为自激振荡的条件：就是环路增益为1, 即即 1)()()(jFjKjT

5、(4-7) 通常又称为振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件。 由式(4-5)还可知,)()(,1)(,)()(,1)(sUsUjTsUsUjTiiii形成增幅振荡增幅振荡 形成减幅振荡减幅振荡(4-8)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路8二、平衡条件二、平衡条件 根据前面分析，振荡器的根据前面分析，振荡器的平衡条件平衡条件为：为：()() ()1()120,1,2TKFT jK jF jT jKFnn 也可以表示为：(4-9a) (4-9b) 式(4-9a)和(4-9b)分别称为振幅平衡条件振幅平衡条件和相位平衡条件相位平衡条件。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振

6、荡器高频电子线路高频电子线路9三、起振条件三、起振条件 为了起振为了起振, , 即从即从0 0到开始振荡，应使振荡开始时反馈到开始振荡，应使振荡开始时反馈回来的信号比输入到放大器的信号大回来的信号比输入到放大器的信号大, , 即应为增幅振荡即应为增幅振荡, , 因而由式因而由式(4-8)(4-8)可知可知1)(jT称为自激振荡的起振条件, 也可写为 ()120,1,2,TKFT jKFnn (4-16a) (4-16b) 式(4-16a)和(4-16b)分别称为起振的振幅条件起振的振幅条件和相位条件相位条件, 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路10四、稳定条件 1

7、、振荡器稳定概念的提出振荡器稳定概念的提出： 2、振荡器的稳定条件振荡器的稳定条件 (1) 振幅稳定条件振幅稳定条件 要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅要使振幅稳定，振荡器在其平衡点必须具有阻止振幅变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因变化的能力。具体来说，就是在平衡点附近，当不稳定因素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。反素使振幅增大时，环路增益将减小，从而使振幅减小。反之振幅减小时，环路增益将增大，从而使振幅增大。即之振幅减小时，环路增益将增大，从而使振幅增大。即振振幅稳定条件为：幅稳定条件为： 0iiQUUiKU第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高

8、频电子线路高频电子线路11(2)、相位稳定条件、相位稳定条件 一个正弦信号的瞬时相位一个正弦信号的瞬时相位和它的瞬时频率和它的瞬时频率之间有关之间有关系：系：( )dtdt (4-19) 考虑简谐振动：考虑简谐振动：( )cos ( )mu tUt0100( )( )ttt dt 两边微分得两边微分得( )dtdt第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路12(2)、相位稳定条件、相位稳定条件正弦信号的相位正弦信号的相位和它的频率和它的频率之间的关系是之间的关系是ddt若外因引起相角变化若外因引起相角变化 ，则会有，则会有 ， 即振即振荡频率增加，因此相位变化引起频率变化

9、的趋势是：荡频率增加，因此相位变化引起频率变化的趋势是：00dd(4-20) 0 00dd因此，为了使振荡器相位平衡，必须使频率变化时产因此，为了使振荡器相位平衡，必须使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。生相反方向的相位变化，以补偿外因引起的相位变化。因此相位稳定条件是：因此相位稳定条件是：第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路振荡器的完整框图为：振荡器的完整框图为：振荡器的相移为：振荡器的相移为：式中，式中， 为晶体管正向传输导纳的相移；为晶体管正向传输导纳的相移； 是负载回路是负载回路的相移；的相移； 为反馈网络的相移。所以有：为反馈网络

10、的相移。所以有：一般有一般有13KFYLF YZFYLFYLFL因此相位的稳定条件是：因此相位的稳定条件是：0L第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路14图图 4-4 谐振回路的相频特性谐振回路的相频特性稳频机构：稳频机构：负载谐振回路，其相频曲线如图。负载谐振回路，其相频曲线如图。稳频机理：稳频机理：1()0YLF 若振荡器在若振荡器在 时处于平衡态，时处于平衡态，则有：则有：1若干扰使频率变化为若干扰使频率变化为由图可得由图可得21 21()() 故有故有2()0YLF 由频率与相位的关系知，频率会降低，直至回到由频率与相位的关系知，频率会降低，直至回到 ，并且并

11、且Q值越高，相位稳定性越高。值越高，相位稳定性越高。1第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路154.2 LC 振 荡 器 一、一、振荡器的组成原则 1、振荡基本电路、振荡基本电路三端式的概念三端式的概念 基本电路就是通常所说的三端式基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式又称三点式)的振荡器的振荡器, 即即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路, 如图如图4-5所示。所示。 Ic.VUb.Uc.X2X1X3I.图 4-5三端式振荡器的组成 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路

12、16 2、三端式振荡电路的构成原则、三端式振荡电路的构成原则 根据谐振回路的性质根据谐振回路的性质, 谐振时回路应呈纯电阻性谐振时回路应呈纯电阻性, 因而因而有：有：0321XXX(4-21) 因此三个电抗元件不能是同性质元件三个电抗元件不能是同性质元件。一般情况下, 回路Q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21bcUjX IUjX I (4-22a) (4-22b) 因此X1、 X2应为同性质的电抗元件应为同性质的电抗元件。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路17 综上所述，从综上所述，

13、从相位平衡条件判断图相位平衡条件判断图4-5电路能否振荡的原电路能否振荡的原则为：则为： (1) X1、 X2应为同性质的电抗元件应为同性质的电抗元件。 即与晶体管发射极相连的两个电抗元件性质相同，要么均为感性元件，要么均为容性元件。 (2) X3与与X1、 X2的电抗性质相反。的电抗性质相反。即与晶体管基极相连的两个电抗元件性质相反。 可以简称为：可以简称为：“射同余异射同余异”或或“射同基反射同基反”。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路18 三端式振荡器有两种基本电路三端式振荡器有两种基本电路, 如图如图4-6所示。所示。 图图4-6 (a)中中X1和和X2为

14、容性为容性, X3为感性为感性, 满足三端式振荡器满足三端式振荡器的组成原则的组成原则, 反馈网络反馈网络是由是由电容元件完成电容元件完成的的, 称为称为电容电容反馈振荡器反馈振荡器, 也称为也称为考必兹考必兹(Colpitts)振荡器。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 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路19 图图4-6 (b)中中X1和和X2为感性为感性, X3为容性为容性, 满足三端式振荡满足三端式振荡器的组成原则器的组成原则, 反馈网络反馈

15、网络是由是由电感元件完成电感元件完成的的, 称为称为电感电感反馈振荡器反馈振荡器, 也称为也称为哈特莱哈特莱(Hartley)振荡器。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 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路20例例4-14-1： 下图是一个三回路振荡器的等效电路，试分析下述四种情况是否都能振荡，振荡频率f1与回路谐振频率有何关系？属于何种类型的振荡器？解：解：根据“射同余异”原则，回路1,2的电抗性质应该相同，并与3相反。于是谐振频率必须满足：或11

16、2233112233112233112233(1) (2) (3) (4) LCL CL CLCL CL CLCL CL CLCL CL C030102max(,)fff030102min(,)fff第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路21二、二、电容三点式振荡器考毕兹振荡器 图图 4-8(a)是一是一电容反馈振荡器的实际电路电容反馈振荡器的实际电路, 图图(b)是是其其交流等效电路交流等效电路。 1、元器件作用分析、元器件作用分析 CbR1R2CeReC1C2EcLLc(a)VLC2C1V(b)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路22

17、图 4-9电容反馈振荡器电路(a) 实际电路; (b) 交流等效电路; (c) 高频等效电路2、电路的振荡频率及起振条件、电路的振荡频率及起振条件 电路的高频小信号等效电路如图电路的高频小信号等效电路如图4-9(c)所示。其中做了如所示。其中做了如下简化：下简化： 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路23 A、忽略了晶体管内部反馈的影响，即、忽略了晶体管内部反馈的影响，即Yre=0 B、忽略了晶体管的输入输出电容的影响、忽略了晶体管的输入输出电容的影响 C、忽略了晶体管集电极电流对输入信号的的相移，将、忽略了晶体管集电极电流对输入信号的的相移，将Yfe用跨导用跨导g

18、m表示。表示。（1）振荡频率）振荡频率 由由4-9可得：可得：消去上式中的消去上式中的 ，令多项式虚部为零可得振荡频率：令多项式虚部为零可得振荡频率：2221bCiemboCoeIUUj CgIg UUUj LIgj C ,bUI第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路241212C CCCC(4-23) (4-24) 其中其中：C为谐振回路的总电容 21211()1bcUCCKF jUCC（2）起振条件）起振条件 由图4-8(c)可知, 当不考虑不考虑gie的影响的影响时, 反馈系数反馈系数F(j)的大小为(4-25) (4-26) 101LC112()1ieoeLg

19、ggLCC C第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路252112moeieCCgggCC令前述多项式的实部为令前述多项式的实部为0，可以求得振荡平衡条件：，可以求得振荡平衡条件：由于反馈系数K为 (4-27) (4-28) 1moeieggKgK故有起振条件为：故有起振条件为：12CKC第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路26三、三、电感反馈振荡器哈特莱振荡器 下图是电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。下图是电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。 1、元器件作用分析、元器件作用分析 CbR1R2CeReL1CEc(a)VL2Ucb.U

20、b.CL2L1V(b)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路27 图图4-10 电感反馈振荡器高频等效电路电感反馈振荡器高频等效电路1mbieoegUIg g第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路28由基尔霍夫定律列写网孔方程：由基尔霍夫定律列写网孔方程：MLLL221(4-30) (4-31) 令上式系数行列式的虚部为零，即可解得振荡频率为令上式系数行列式的虚部为零，即可解得振荡频率为 12121()ieoeLCg gL LM 211211()()01()()()()20bbcieccboebcbcIj L IIj M IIgIj L II

21、j M IIUgIj L IIj L IIj MIj MIjMIj C 其中其中L是回路总电感：是回路总电感：第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路292、起振条件、起振条件令上式系数行列式的实部为零，即可解得平衡条件：21fFoULMKULM(4-33) 于是起振条件为：1moeieFFggg KK (4-34) 通常情况下有：212()ieoeLCg gL LM所以有101LC 1221moeieLMLMgggLMLM反馈系数为：(4-32) 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路30 3 3、电容三点式与电感三点式振荡器比较、电容三点式

22、与电感三点式振荡器比较 电容三点振荡器电容三点振荡器 优点：优点：输出波形好，工作频率可以做得较高；输出波形好，工作频率可以做得较高； 缺点：缺点：调整频率困难，不易起振。调整频率困难，不易起振。 电感三点振荡器电感三点振荡器 优点：优点：起振容易，调整频率方便。起振容易，调整频率方便。 缺点：缺点：输出波形不好，频率较高时不易起振。输出波形不好，频率较高时不易起振。 应用：实用中较多应用应用：实用中较多应用电容三点式振荡器。电容三点式振荡器。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路31四、四、两种改进型电容反馈振荡器u无论是电容反馈振荡器还是电感反馈振荡器，晶体管的极

23、间电容均会对振荡频率有影响，而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，故他们的频率稳定度不高。如图，振荡频率为：112121()()/()oeieoeieL CCCCCCCC 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路32 1. 克拉泼振荡器克拉泼振荡器 图图4-11是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路 。它在。它在 电感支路上串联一个很小的可变电容电感支路上串联一个很小的可变电容C3（C3C1、C2）。）。R2R1ReCbEcRc(a)LC1C2C3(b)LRoC1C2C3V 图 4-11 克拉泼振荡器电路(a) 实际电路;

24、 (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高频电子线路高频电子线路谐振回路的总电容谐振回路的总电容为：为： 33332111111213CCCCCCCC因此振荡器的因此振荡器的振荡频率为：振荡频率为：12311LCLC 特点：特点： （1）由于电容）由于电容C3远小于电容远小于电容C1、C2，所以电容，所以电容C1、C2对对 振荡器的振荡频率影响不大，因此振荡器的振荡频率影响不大，因此可以通过调节可以通过调节C3 调节振荡频率调节振荡频率； （2）由于反馈回路的反馈系数仅由）由于反馈回路的反馈系数仅由C1与与C2的比值决定，的比值决定， 所以所以调节振荡频率不会影响反馈系

25、数调节振荡频率不会影响反馈系数； （3）由于晶体管的极间电容与）由于晶体管的极间电容与C1、C2并联，因此并联，因此极间电极间电 容的变化对振荡频率的影响很小容的变化对振荡频率的影响很小。 (4-35) 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路343111CCpCC (4-36) (4-37) 负载特性负载特性 接入系数接入系数（指晶体管（指晶体管c-e接入谐振回路）：接入谐振回路）：223001()LCRp RRC 设并联谐振回路设并联谐振回路(电感两端）的谐振阻抗为电感两端）的谐振阻抗为R0，则等，则等 效到晶体管效到晶体管ce两端的两端的负载电阻负载电阻为：为：因

26、此，负载电阻因此，负载电阻RL随随C3变化，由变化，由C3调节频率时可能调节频率时可能发生发生（1）振荡器停振，（振荡器停振，（2）输出波形振幅变化大。）输出波形振幅变化大。因此因此克拉泼振荡器克拉泼振荡器主要用于固定频率或窄带的场合。主要用于固定频率或窄带的场合。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路35 2. 西勒振荡器西勒振荡器 西勒振荡器是在克拉泼振荡器基础上改进的。西勒振荡器是在克拉泼振荡器基础上改进的。 它的主要特点它的主要特点 就是在电感就是在电感L上再并联一可变电容上再并联一可变电容C4，同样有同样有C3C1、C2 。 R2R1ReCbEcRc(a)L

27、C1C2C4(b)LC1C2C3VC3C4V 图 4-12 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高频电子线路高频电子线路36 由图由图4-11可知可知, 回路的总电容为回路的总电容为 )(1111114321434321CCLLCCCCCCCC(4-40) (4-41) 振荡器的振荡频率振荡器的振荡频率为 特点特点： (1) 通过调节通过调节C4实现实现振荡频率的调节振荡频率的调节； (2) C4的改变不会影响接入系数和反馈系数的改变不会影响接入系数和反馈系数； (3) 振荡频率可调范围宽（最高振荡频率振荡频率可调范围宽（最高振荡频率

28、/最低振最低振 荡频率比可达荡频率比可达1.61.8)。 (4) 其他特点同克拉泼电路其他特点同克拉泼电路。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路374.3 振荡器的频率稳定度 一、振荡器评价指标：准确度，稳定度一、振荡器评价指标：准确度，稳定度 1、频率准确度、频率准确度：振荡器实际工作频率与标称频率的偏差振荡器实际工作频率与标称频率的偏差。 绝对偏差绝对偏差： 相对偏差相对偏差：001001ffffffff(4-44) (4-43) 2、频率稳定度、频率稳定度：指一定时间间隔内，频率准确度的变化。指一定时间间隔内，频率准确度的变化。3、稳定度重要性：、稳定度重要

29、性：设频率相对误差用设频率相对误差用r表示，有表示，有 GPS定位：定位： 火星通信：火星通信： ，金星定位：，金星定位：1110r1210r1210r第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路383、频率稳定度的分类、频率稳定度的分类 长期稳定度长期稳定度：一般是指一天以上甚至几个月的时间间隔：一般是指一天以上甚至几个月的时间间隔内频率的相对变化。用于评价高精度频率和时间的稳定性。内频率的相对变化。用于评价高精度频率和时间的稳定性。 短期稳定度短期稳定度：一般是指一天以内，秒以上的时间间隔内：一般是指一天以内，秒以上的时间间隔内频率的相对变化。又称频率漂移，用于评价测量

30、仪器或通频率的相对变化。又称频率漂移，用于评价测量仪器或通信设备中的主振器的频率稳定性。信设备中的主振器的频率稳定性。 瞬时稳定度瞬时稳定度：一般是指秒或毫秒的时间间隔内频率的相：一般是指秒或毫秒的时间间隔内频率的相对变化。此时频率是无规则变化的，又称相位抖动。对变化。此时频率是无规则变化的，又称相位抖动。一般短波、超短波发射机的的频率稳定度为一般短波、超短波发射机的的频率稳定度为10-410-5 ,电电视发射台的频率稳定度为视发射台的频率稳定度为5*10-7左右。当前世界上最精密左右。当前世界上最精密的原子钟的稳定度达到的原子钟的稳定度达到1*10-18。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振

31、荡器高频电子线路高频电子线路39二、二、振荡器的稳频原理 由相位平衡条件：式由相位平衡条件：式(4-9b)有有 ()LYF 设回路回路Q值较高值较高, 根据第2章并联谐振回路的讨论(2-12)式可知, 振荡回路在振荡回路在0附近的幅角附近的幅角L可以近似表示可以近似表示为：00)(2tanLLQ因此相位平衡条件相位平衡条件可以表示为：1002()tan ()LYFQ (4-45) 010tan()2YFLQ (4-46)即：第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路40111100()()LYFLYFQQ(4-47)对式(4-46)两端对 0求偏导数，求偏导数，考虑到QL

32、值较高,可得：0010122()tan()2cos ()2YFYFLYFLQQQ (4-48)由上式可得，振荡频率是振荡频率是 0、QL和和 Y+ F的函数，即它们的的函数，即它们的变化将导致振荡频率的变化变化将导致振荡频率的变化。因而有：由式(4-46)和(4-47),有1011tan()12YFLQ 上式反映了振荡器频率的不稳定因素上式反映了振荡器频率的不稳定因素，如图如图4-20所示所示。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路41图4-20 从相位平衡条件看振荡频率的变化 (a)相位平衡条件;(b)0的变化;(c) fFLQ、(a)01(fF ) L(b)01(

33、fF )LL1001L(c)高QL低QL1(fF )第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路42 1. 回路谐振频率回路谐振频率0的影响的影响 0由构成回路的电感由构成回路的电感L和电容和电容C决定决定,它不但要考虑回路它不但要考虑回路的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件外的线圈电感、调谐电容和反馈电路元件外,还应考虑并在回路还应考虑并在回路上的其它电抗上的其它电抗,如晶体管的极间电容如晶体管的极间电容,后级负载电容后级负载电容(或电感或电感)等。等。设回路电感和电容的总变化量分别为设回路电感和电容的总变化量分别为L、C。 则由则由01/LC001()2LCLC (4-4

34、9) 000LCLC 330000221111(),()2222LCCLCLLLCC 而而因而有：因而有：由此可见：回路元件由此可见：回路元件L、C的稳定度将影响振荡器的频率稳定度的稳定度将影响振荡器的频率稳定度。可得：可得：第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路43三、提高频率稳定度的措施 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：振荡回路的标准性：是指回路元件和电容的标准性。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是影响的主要因素:温度的改变温度的改变,导致电感线圈和电容导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化器极板的几何尺

35、寸将发生变化,而且电容器介质材料的介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电系数及磁性材料的导磁率也将变化,从而使电感、电容从而使电感、电容值改变。值改变。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路44 2. 减少晶体管的影响减少晶体管的影响 在上节分析反馈型振荡器原理时已提到在上节分析反馈型振荡器原理时已提到,极间电容将极间电容将影响频率稳定度影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合之间的耦合。另外。另外,应选择应选择fT较高的晶体管较高的晶体管,fT越高越高,高频性能高频性能越好越好,可以保证

36、在工作频率范围内均有较高的跨导可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导,电路易于电路易于起振起振;而且而且fT越高越高,晶体管内部相移越小。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高频电子线路高频电子线路45 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我们先回顾一下相位稳定条件,要使相位稳定要使相位稳定,回路回路的相频特性应具有负的斜率的相频特性应具有负的斜率,斜率越大斜率越大,相位越稳定。相位越稳定。根据根据LC回路的特性回路的特性,回路的回路的Q值越大值越大,回路的相频特性斜率就越回路的相频特性斜率就越大大,即回路的即回路的Q值越大值越大,相

37、位越稳定相位越稳定。从相位与频率的关系。从相位与频率的关系可得可得,此时的频率也越稳定。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高频电子线路高频电子线路46 4. 减少电源、负载等的影响减少电源、负载等的影响 电源电压的波动电源电压的波动,会使晶体管的工作点、电流发生变会使晶体管的工作点、电流发生变化化,从而改变晶体管的参数从而改变晶体管的参数,降低频率稳定度降低频率稳定度。为了减小其。为了减小其影响影响,振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联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在回路的两端,这会降低回路的品质因数这会降低回路的品质因数,从而使振

38、荡器的从而使振荡器的频率稳定度下降。为了减小其影响，应该减小负载对回频率稳定度下降。为了减小其影响，应该减小负载对回路的耦合。可以在负载与回路间加射集跟随器。路的耦合。可以在负载与回路间加射集跟随器。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路47振荡器电路选择振荡器电路选择 LC振荡器振荡器一般工作在一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围几百千赫兹至几百兆赫兹范围。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。 在短波范围在短波范围：电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以：电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。采用。

39、 若要求输出频率调节范围较宽若要求输出频率调节范围较宽：选择电感反馈振荡器；：选择电感反馈振荡器； 若要求频率较高若要求频率较高：常采用克拉泼、西勒电路。：常采用克拉泼、西勒电路。 在在中、短波收音机中中、短波收音机中,为简化电路常用变压器反馈振荡为简化电路常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。器做本地振荡器。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路484.5 石英晶体振荡器 一、石英晶体振荡器频率稳定一、石英晶体振荡器频率稳定度度 石英晶体振荡器之所以能获得石英晶体振荡器之所以能获得很高的频率稳定度很高的频率稳定度,由第由第2章可知章可知,是由于石英晶体谐振器与一般的谐

40、振回路相比具有是由于石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性优良的特性,具体表现为具体表现为: (1) 石英晶体谐振器具有很高的标准性。石英晶体谐振器具有很高的标准性。 (2) 石英晶体谐振器与有源器件的接入系数石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小很小,一般一般 为为10-310-4。 (3) 石英晶体谐振器具有非常高的石英晶体谐振器具有非常高的Q值。值。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路49 二、二、 晶体振荡器电路晶体振荡器电路 根据晶体在电路中的作用根据晶体在电路中的作用,可以将晶体振荡器归为两可以将晶体振荡器归为两 大类大类:并联型晶体振荡器并

41、联型晶体振荡器和和串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器。 1并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器 （1）皮尔斯电路）皮尔斯电路电容反馈式并联晶体振荡器电容反馈式并联晶体振荡器 当振荡器的振荡频率当振荡器的振荡频率在晶体的串联和并联谐振频在晶体的串联和并联谐振频 率之间率之间时晶体呈感性，该电路满足三端式振荡的时晶体呈感性，该电路满足三端式振荡的 组成原则，而且该电路与电容反馈的振荡器对应，组成原则，而且该电路与电容反馈的振荡器对应， 通常称为通常称为皮尔斯皮尔斯(Pierce)振荡器。振荡器。 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路50 图4-21 皮尔斯振荡器(电容反馈式)

42、 CeEc(a)C1C2C3(b)C1VCEBC2Ub.gmUb.C3CqLqrqC0第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路51 A、 振荡频率振荡频率 皮尔斯振荡器的工作频率应由皮尔斯振荡器的工作频率应由C1、C2、C3及晶体构成的及晶体构成的回路决定回路决定,即由即由晶体电抗晶体电抗Xe与外部电容相等与外部电容相等的条件决定的条件决定,设外部设外部电容为电容为CL,则则1123101111eLLXCCCCC(4-52) (4-53) 由图有 1(1)2qqLoqLoqCCpCCCCCpff (4-55) (4-54) 实际上，CL与晶体的静电容C0并联，引入接入系

43、数p： 所以有 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路52图4-22 并联型晶体振荡器稳频原理Xq110Xe1CL1CL第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路53 B、 反馈系数反馈系数 反馈系数反馈系数F的大小为的大小为 由于由于晶体的品质因数晶体的品质因数Qq很高很高,故其并联谐振电阻故其并联谐振电阻Ro也很高也很高,虽然接入系数虽然接入系数p较小较小,但等效到晶体管但等效到晶体管CE两端的阻两端的阻抗抗RL仍较高仍较高,所以放大器的增益较高所以放大器的增益较高,电路很容易满足振电路很容易满足振幅起振条件。幅起振条件。 图图4-23为一实

44、际的并联晶体振荡电路。为一实际的并联晶体振荡电路。 12CFC(4-56) 第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路54图4-23 并联型晶体振荡器的实用线路(C1、C2与石英晶体构成谐振） 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高频电子线路高频电子线路55图4-24 密勒振荡器（电感反馈式） EcVC2LCeC1（2）密勒电路）密勒电路电感反馈式并联晶体振荡器电感

45、反馈式并联晶体振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路56图4-25 泛音晶体皮尔斯振荡器 VLC13/15 pF430 pF220 pF20 pF5.6 H（3）泛音晶体振荡器）泛音晶体振荡器第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路57 2串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器 在串联型晶体振荡器中在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间抗的两点之间,通常接在反馈电路通常接在反馈电路中。图中。图4-23示出了一串示出了一串联型晶体振荡器的实际线路和等效电路。联型晶体振荡器的实际线路和等效电路。 第第4 4章

46、章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路58 图4-27一种串联型晶体振荡器 (a)实际线路;(b)等效电路 EcVLC2C1(a)C1C2LVJT(b)第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路59 3使用注意事项使用注意事项 使用石英晶体谐振器时使用石英晶体谐振器时应注意以下几点应注意以下几点: (1) 石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前,在石英在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使用时实际使用时也必须外加负载电容也必须外加负载电容,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) 石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。内。 (3) 在在并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器中中,石英晶体起等效电感的作石英晶体起等效电感的作用用,若作为容抗若作为容抗,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石英谐振器的支架电容还存在容还存在,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,石英晶体谐振石英晶体谐振器失去了稳频作用。器失去了稳频作用。第第4 4章章 正弦波振荡器正弦波振荡器高频电子线路高频电子线路60 (4)晶体振荡器