通信电子线路第3章_正弦波振荡器

1、第3章 正弦波振荡器第第3章章 正弦波振荡器正弦波振荡器3.1 反馈式振荡的基本原理反馈式振荡的基本原理3.2 LC正弦波振荡器正弦波振荡器3.3 RC正弦振荡器正弦振荡器3.4 振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度 3.5 石英晶体振荡器石英晶体振荡器3.6 负阻型负阻型LC正弦波振荡器正弦波振荡器3.7 振荡器中的寄生振荡和间歇振荡振荡器中的寄生振荡和间歇振荡第3章 正弦波振荡器3.1 反馈式振荡的基本原理反馈式振荡的基本原理 振荡器是一种无需外部输入信号而自行产生输出信振荡器是一种无需外部输入信号而自行产生输出信号的电路。号的电路。 图图3.1示出的是一个反馈式放大器的框图。它由基本示出

2、的是一个反馈式放大器的框图。它由基本放大器放大器A和反馈网络和反馈网络F组成，图中，组成，图中， 是放大器输出电压是放大器输出电压复振幅，复振幅， 是基本放大器输入电压复振幅，是基本放大器输入电压复振幅， 是反馈是反馈网络输出的反馈电压复振幅，网络输出的反馈电压复振幅， 是反馈放大器输入电是反馈放大器输入电压复振幅，其中基本放大器增益压复振幅，其中基本放大器增益(3.11) oUiUfUiUAjioAeUUA第3章 正弦波振荡器图图3.1 反馈放大器反馈放大器 AFUoUiUiUfFjofFeUUF反馈系数反馈系数(3.1-2)第3章 正弦波振荡器 A为为 超前超前 的相角的相角, F为为 超

3、前超前 的相角。的相角。 并且有，并且有， (3.13) oUiUfUoUoifiiUFUUUUFAAUUAiof1则则, 反馈放大器的增益反馈放大器的增益当当fAFAFA时即101因为因为Uo受电源电压限制为有限值受电源电压限制为有限值, 故故Ui趋于零趋于零, 说明此时说明此时反馈放大器无需输入信号便有输出反馈放大器无需输入信号便有输出, 成为振荡器。成为振荡器。第3章 正弦波振荡器 3.1.1 平衡条件平衡条件 根据式根据式(3.13)可见，振荡条件是可见，振荡条件是 ，这是，这是振荡的必要条件。它是一个复数方程，因此可以写成振荡的必要条件。它是一个复数方程，因此可以写成两个方程，一个是

4、振幅方程式，称为振幅平衡条件，两个方程，一个是振幅方程式，称为振幅平衡条件，可表示为可表示为1A F (3.14a) 另一个是相位方程式，称为相位平衡条件，可表示为另一个是相位方程式，称为相位平衡条件，可表示为 2,0,1,2,AFnn(3.14b) 1FA第3章 正弦波振荡器 1.振幅平衡条件振幅平衡条件 振幅平衡条件振幅平衡条件AF=1中，中，A=Uo/Ui，即，即Uo=AUi，根，根据第据第2章所学知识可知，章所学知识可知，Uo与与Ui的关系由放大特性曲线的关系由放大特性曲线决定，如图决定，如图3.2所示。反馈系数所示。反馈系数F=Uf/Uo，由于反馈网络，由于反馈网络常由恒参数线性网络

5、构成，所以，常由恒参数线性网络构成，所以，Uo、Uf的关系曲线的关系曲线为一直线，如图为一直线，如图3.3所示。这组曲线称为反馈特性曲线。所示。这组曲线称为反馈特性曲线。 根据根据A、F表示式，振幅平衡条件又可写成表示式，振幅平衡条件又可写成1ffoioiUUUAFUUU即即 fiUU第3章 正弦波振荡器图图3.2 放大特性曲线放大特性曲线Uo0Ui9090 第3章 正弦波振荡器图图3.3 Uo与与Uf的关系曲线的关系曲线 UfFUo0第3章 正弦波振荡器 这就是说，振幅平衡条件是反馈电压的幅值等于这就是说，振幅平衡条件是反馈电压的幅值等于放大器输入电压幅值。由此将图放大器输入电压幅值。由此将

6、图3.2、图、图3.3画在一个坐画在一个坐标上，凡是满足标上，凡是满足Uf=Ui的点即为满足振幅平衡条件的平的点即为满足振幅平衡条件的平衡点，对应这些点的输出电压衡点，对应这些点的输出电压Uo值，就是振荡器产生值，就是振荡器产生的电压幅值，如图的电压幅值，如图3.4所示。所示。 第3章 正弦波振荡器图图3.4 振荡器产生的电压幅值振荡器产生的电压幅值 UoABC0UicUi UfUi, Uf9090第3章 正弦波振荡器 2.相位平衡条件相位平衡条件 根据相位平衡条件根据相位平衡条件A+F=2n，（，（n为零和整数）为零和整数）说明反馈电压说明反馈电压 与输入电压与输入电压 同相，即正反馈。当同

7、相，即正反馈。当放大器是一个非线性工作的晶体管选频放大器时，输放大器是一个非线性工作的晶体管选频放大器时，输出电压为出电压为(3.15) 是集电极电流的基波分量是集电极电流的基波分量, ZL 是集电极负载阻抗，则是集电极负载阻抗，则(3.16) fUiULcoZIU11cIAZYjjLjmiLcioAeeZegUZIUUA1第3章 正弦波振荡器 其中其中A=Y+Z, Y是晶体管集电极电流基波分是晶体管集电极电流基波分量量 超前输入电压超前输入电压 的相角，的相角，Z是负载的相角，是负载的相角，即即 超前超前 的相角。因此相位平衡条件（的相角。因此相位平衡条件（n取零）取零）又可写为又可写为0A

8、FYZF(3.17) 若令若令Y+F=E，则，则 ZE (3.18) 1cIiUoU1cI第3章 正弦波振荡器 相位是频率的函数，在晶体管的特征频率相位是频率的函数，在晶体管的特征频率fT远大于远大于振荡器工作频率时，可近似认为振荡器工作频率时，可近似认为Y与频率无关，且数与频率无关，且数值很小。反馈网络的相移值很小。反馈网络的相移F通常在窄带范围内也可认通常在窄带范围内也可认为与频率无关，所以为与频率无关，所以E E为一常数。为一常数。 负载的相角负载的相角Z与负载的形式有关，若采用与负载的形式有关，若采用LC并联并联振荡回路，它的相角与频率的关系如图振荡回路，它的相角与频率的关系如图3.5

9、中曲线中曲线所所示。示。 第3章 正弦波振荡器 将将E和和LC并联振荡回路相频特性曲线同时画在一并联振荡回路相频特性曲线同时画在一个坐标中，两条曲线的相交点即满足相位平衡条件。个坐标中，两条曲线的相交点即满足相位平衡条件。如图如图3.5所示，所示，A点即为相位平衡点，对应的角频率点即为相位平衡点，对应的角频率g即为振荡器的工作频率，所以，相位平衡条件决定了即为振荡器的工作频率，所以，相位平衡条件决定了振荡器的工作频率。正弦波振荡器的工作频率是唯一振荡器的工作频率。正弦波振荡器的工作频率是唯一的，所以满足相位平衡条件的平衡点只能有一个。的，所以满足相位平衡条件的平衡点只能有一个。 另外注意，振荡

10、器的工作频率另外注意，振荡器的工作频率g 在考虑了在考虑了E这个这个因素之后，不等于因素之后，不等于 LC回路的谐振频率回路的谐振频率0 0第3章 正弦波振荡器图图3.5 LC并联振荡回路负载相角与频率的关系并联振荡回路负载相角与频率的关系 EAg0Z第3章 正弦波振荡器 3.1.2 稳定条件稳定条件 由于振荡电路中存在各种干扰，如温度变化、电压由于振荡电路中存在各种干扰，如温度变化、电压波动、噪声、外界干扰等，这些干扰会破坏振荡的平衡波动、噪声、外界干扰等，这些干扰会破坏振荡的平衡条件，因此，为使振荡器的平衡状态能够存在，只有使条件，因此，为使振荡器的平衡状态能够存在，只有使它成为稳定的平衡

11、它成为稳定的平衡具有返回原先平衡状态能力的平具有返回原先平衡状态能力的平衡。鉴于此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。稳定衡。鉴于此，除了平衡条件外还必须有稳定条件。稳定条件同样分成振幅稳定条件和相位稳定条件。条件同样分成振幅稳定条件和相位稳定条件。第3章 正弦波振荡器 1. 起振过程与起振的幅度条件起振过程与起振的幅度条件 从图从图3.6可以看出，当可以看出，当90时，放大特性与反馈特时，放大特性与反馈特性有两个交点性有两个交点O、A。当电源接通瞬间，。当电源接通瞬间， =0, =0，由于外界电磁感应或者在电路的瞬态，由于外界电磁感应或者在电路的瞬态电流冲击下电流冲击下,在放大器输入端产生一个

12、微小的在放大器输入端产生一个微小的Ui1电压，电压，此电压经放大后，输出为此电压经放大后，输出为Uo1，经过反馈网络，反馈电压，经过反馈网络，反馈电压为为Uf1，如果，如果Uf1与与Ui1同相并且大于同相并且大于Ui1，则放大器又产生，则放大器又产生幅度大于幅度大于Uo1的第二的第二 次输出次输出Uo2,如此不断循环如此不断循环,振荡器就振荡器就会脱离开原点而振荡起来。会脱离开原点而振荡起来。 可见起振的幅度条件为可见起振的幅度条件为 UfUi 即即FA1oUiU第3章 正弦波振荡器 图图3.6 90时的放大特性与反馈特性时的放大特性与反馈特性 UoUoAUo3Uo2Uo10(O)UiUf1U

13、f2Uf3Ui, UfA起起振振过过程程第3章 正弦波振荡器稳定过程稳定过程: 在在Uo到达到达A点后点后(Uo=UoA),若振荡器受到干扰后若振荡器受到干扰后UoUi,故故Uo要增大或要增大或者说减少了者说减少了Uo小于小于UoA的程度的程度;反之则反之则Uo要减小或者说要减小或者说减少了减少了Uo大于大于UoA的程度的程度,可见可见A点是一个稳定平衡点。点是一个稳定平衡点。观察到在该点有放大特性斜率小于反馈特性斜率的特点，观察到在该点有放大特性斜率小于反馈特性斜率的特点，即即11ooppiffoppiofiUUUUUUUUUU第3章 正弦波振荡器 Uf=AFUi，两边对，两边对Ui求偏导得

14、求偏导得10PiPiPiiPPiiFAAFU AU FUUFAAFUU1. 当当F=常数时，振幅稳定条常数时，振幅稳定条件为件为 0iAU在平衡点在平衡点P上上AF|P=1,则则根据此条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点附近，根据此条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点附近，放大器的增益应随输入电压的增大而减小。放大器的增益应随输入电压的增大而减小。第3章 正弦波振荡器 当输出电压当输出电压Uo增加时，因增加时，因F=常数，故反馈电压常数，故反馈电压Uf增增加，由于加，由于Uf=Ui, Ui增加，增加，A减小，使减小，使Uo的增加受到抑制，的增加受到抑制，达到稳幅。要使放大器增益达到稳幅。要使放

15、大器增益A随随Ui变化，放大器需要工变化，放大器需要工作在非线性状态。作在非线性状态。 如果振幅稳定是由放大器的非线性工作实现的，如果振幅稳定是由放大器的非线性工作实现的，称这种振幅稳定方式叫内稳幅方式。称这种振幅稳定方式叫内稳幅方式。 2. 当当A=常数时，振幅稳定条件为常数时，振幅稳定条件为0piFU第3章 正弦波振荡器 根据这个条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡根据这个条件可知，要使振幅稳定，在稳定平衡点上，反馈网络的反馈系数应随输入电压的增大而减点上，反馈网络的反馈系数应随输入电压的增大而减小。当小。当Ui增加时，因增加时，因A=常数，故常数，故Uo增加，增加，F减小，减小，Uf减小，

16、由于减小，由于Uf=Ui，Ui减小，使输出的增加受到抑制，减小，使输出的增加受到抑制，达到振幅稳定。达到振幅稳定。 如果反馈网络的反馈系数如果反馈网络的反馈系数F随输入电压随输入电压Ui变化，则变化，则反馈网络只能是非线性网络或时变网络。称这种振幅反馈网络只能是非线性网络或时变网络。称这种振幅稳定方式叫外稳幅方式。稳定方式叫外稳幅方式。 第3章 正弦波振荡器 2. 相位稳定条件相位稳定条件 维持维持 或者说维持或者说维持 与与 同相的条件。方法：如果能实现同相的条件。方法：如果能实现的变化引起的的变化引起的变化与外界因素引起的变化与外界因素引起的变化相反，变化相反，则相位稳定平衡就可实现。以则

17、相位稳定平衡就可实现。以n=0为例，这一过程可用为例，这一过程可用如下流程关系表示：如下流程关系表示： fUiUnFZY2第3章 正弦波振荡器 由此可得相位稳定条件为由此可得相位稳定条件为 ()0YFZPPPP (3.112) 在窄带情况下，均可认为在窄带情况下，均可认为则相位稳定条件为则相位稳定条件为 0,0FY0ZP(3.113) 第3章 正弦波振荡器 3.1.3 起振条件起振条件 电源刚一接通的瞬间，振荡器起始振荡，起始振电源刚一接通的瞬间，振荡器起始振荡，起始振荡的条件应为荡的条件应为1()2fiA FUUn(3.114a) (3.114b) 式式(3.114a)为振幅起振条件，式为振

18、幅起振条件，式(3.114b)为相位为相位起振条件。由于起振条件。由于UfUi，所以在极其微小的电磁感应激励，所以在极其微小的电磁感应激励下，通过选频网络就可取出振荡信号电压，形成增幅振下，通过选频网络就可取出振荡信号电压，形成增幅振荡，直至在稳定平衡点工作。荡，直至在稳定平衡点工作。 第3章 正弦波振荡器 根据振荡器的振荡条件，可归纳如下：根据振荡器的振荡条件，可归纳如下： (1)振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。幅的稳定。 (2)相

19、位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。频率的稳定。 (3)在在F为常数的条件下，振荡幅度的稳定是由放大为常数的条件下，振荡幅度的稳定是由放大器件的非线性保证的，所以许多振荡器是非线性电路。器件的非线性保证的，所以许多振荡器是非线性电路。第3章 正弦波振荡器 (4)振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。来保证的。 (5)振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网

20、络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。 (6)利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。第3章 正弦波振荡器 另外，根据振荡条件，振荡器应包括放大器、选另外，根据振荡条件，振荡器应包括放大器、选频网络，反馈网络。放大器采用的有源器件，频网络，反馈网络。放大器采用的有源器件， 可以是可以是晶体三极管、场效应管、差分放大器、运算放大器等。晶体三极管、场效应管、差分放大器、运算放大器等。选频网络可以是选频网络可以是LC并联谐振回路，也可以是并联谐

21、振回路，也可以是RC选频选频网络，还可以是晶体滤波器等。反馈网络可以是网络，还可以是晶体滤波器等。反馈网络可以是RC移移相网络，也可以是电容分压网络、电感分压网络、变相网络，也可以是电容分压网络、电感分压网络、变压器耦合反馈网络或电阻分压网络等。压器耦合反馈网络或电阻分压网络等。 由此可见，振荡器电路形式不胜枚举，本章将对由此可见，振荡器电路形式不胜枚举，本章将对LC振荡器、晶体振荡器、振荡器、晶体振荡器、RC振荡器的电路组成、工振荡器的电路组成、工作原理分别予以介绍。作原理分别予以介绍。第3章 正弦波振荡器3.2 LC正弦波振荡器正弦波振荡器 3.2.1 LC正弦波振荡器电路构成的原则正弦波

22、振荡器电路构成的原则 凡采用凡采用LC谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为称为LC正弦波振荡器。正弦波振荡器。LC振荡电路的形式很多，按振荡电路的形式很多，按反馈网络的形式来分，有变压器耦合反馈式及电感或反馈网络的形式来分，有变压器耦合反馈式及电感或电容反馈式振荡电路两种。电容反馈式振荡电路两种。第3章 正弦波振荡器 1.变压器耦合振荡器变压器耦合振荡器 变压器耦合反馈振荡器采用变压器耦合反馈振荡器采用LC谐振回路作为选频谐振回路作为选频网络，并利用变压器耦合电路作为反馈网络。网络，并利用变压器耦合电路作为反馈网络。 按照同样的分析方法可知，图按照同样的分析

23、方法可知，图3.7(b)、3.7(c)所示所示的振荡器电路中，变压器初、次级绕组应对地具有相的振荡器电路中，变压器初、次级绕组应对地具有相同的同名端，才能满足相位平衡条件。可见，变压器同的同名端，才能满足相位平衡条件。可见，变压器耦合振荡器的相位平衡条件是依靠变压器的初、次级耦合振荡器的相位平衡条件是依靠变压器的初、次级绕组具有合适的同名端来保证的。绕组具有合适的同名端来保证的。第3章 正弦波振荡器图图3.7 变压器耦合振荡器变压器耦合振荡器 TrUfUoUi(a)(b)TrUfUoUiTrUfUoUi(c)共射接法共射接法共基接法共基接法第3章 正弦波振荡器 2. 三点式振荡器三点式振荡器

24、晶体管有三个电极晶体管有三个电极c,b,e，由三个电抗元件，由三个电抗元件x1、x2、x3构成的选频网络也有三个引出端，把它们对应连接起构成的选频网络也有三个引出端，把它们对应连接起来构成反馈式正弦振荡器电路，如图来构成反馈式正弦振荡器电路，如图3.8(a)所示。这种所示。这种振荡器称为三点式振荡器。振荡器称为三点式振荡器。x1 、 x2、x3三个电抗元件应三个电抗元件应如何选取才能满足相位平衡条件呢如何选取才能满足相位平衡条件呢?在晶体管特征频率在晶体管特征频率fT远大于振荡器工作频率远大于振荡器工作频率fg和窄带工作频率的条件下，和窄带工作频率的条件下，可认为可认为E0，根据相位平衡条件，

25、根据相位平衡条件E=-Z，则，则Z0。因。因此由此由x1、x2、x3构成的回路可认为是谐振工作状态。谐构成的回路可认为是谐振工作状态。谐振工作的条件是回路的电抗之和等于零，即振工作的条件是回路的电抗之和等于零，即x1+x2+x3=0 (纯电阻纯电阻) 。晶体三极管三个电极之间交流电压间的关系。晶体三极管三个电极之间交流电压间的关系如图如图3.8(a)所示。所示。 第3章 正弦波振荡器 图图3.8 三点式振荡器组成三点式振荡器组成 x3x2x1cbeLC2cbeC1L2CcbeL1(a)(b)(c)I2I1UfUce忽略忽略Ib,且且 x2+x3=-x1所以所以I1=-I2;Uf=Ube, Ub

26、e与与Uce反反相相; I1I2I1I2UfUce I1I2Uce I2I1Uf第3章 正弦波振荡器 根据上述电压电流的矢量关系根据上述电压电流的矢量关系,可得到两种三点式震荡可得到两种三点式震荡电路电路,如图如图3.8(b)(c)所示所示,分别叫做电容三点式分别叫做电容三点式( 使用两个使用两个电容和一个电感电容和一个电感)和电感三点式和电感三点式(使用两个电感和一个电使用两个电感和一个电容容),它们必然满足起振的相位条件它们必然满足起振的相位条件,由于射极接的是相由于射极接的是相同性质的电抗元件同性质的电抗元件,而基极接的是相反性质的电抗元件而基极接的是相反性质的电抗元件,故概括为一句话故

27、概括为一句话“射同基反射同基反”,据此原则可判断三点式据此原则可判断三点式振荡电路是否满足相位起振条件。振荡电路是否满足相位起振条件。*多回路三点式震荡电路的起振相位条件判断多回路三点式震荡电路的起振相位条件判断 根据根据“射同基反射同基反”的原则和所要求的振荡工作频的原则和所要求的振荡工作频率对各回路的电抗性质提出要求，或是容性失谐或是率对各回路的电抗性质提出要求，或是容性失谐或是感性失谐。感性失谐。第3章 正弦波振荡器图图3.9 多回路三点式振荡器组成多回路三点式振荡器组成 (a)C1C2C3LRGgds(b)L2C3C2C1L1(02)(01)(c)L2L3C2C1L1(01)(02)第

28、3章 正弦波振荡器 3.2.2 三点式振荡器电路分析三点式振荡器电路分析 1. 电容三点式振荡器电路分析电容三点式振荡器电路分析 图图3.10(a)示出某振荡器电路。下面从示出某振荡器电路。下面从4个方面对该个方面对该振荡器的性能加以分析。振荡器的性能加以分析。 第3章 正弦波振荡器图图3.10 电容三点式振荡器电容三点式振荡器 (a)电路图电路图(a)RLC1C2CC1000 pFRE700 RB22 kCB0.033 FRB1*L1.3 H0.033 FEC(15 V)2000 pF第3章 正弦波振荡器 1)画出该振荡器的交流等效电路，判断其电路画出该振荡器的交流等效电路，判断其电路类型类

29、型 图中图中RB1、RB2、RE为直流偏置电阻。为直流偏置电阻。CB是基极是基极偏置的滤波电容，偏置的滤波电容，CC是集电极耦合电容，它们对振是集电极耦合电容，它们对振荡交流信号应当等效短路。直流电源荡交流信号应当等效短路。直流电源EC对于交流等对于交流等效短路接地。效短路接地。RB1、RB2被交流短路。由此可画出该被交流短路。由此可画出该电路的交流等效电路，如图电路的交流等效电路，如图3.10(b)所示。所示。 第3章 正弦波振荡器图图3.10 电容三点式振荡器电容三点式振荡器 (b)交流通路交流通路(b)REUiUoLRe0C1C2UfRL第3章 正弦波振荡器 2) 求该振荡器的工作角频率

30、求该振荡器的工作角频率g 在工程设计的近似条件下，可认为振荡器的工作在工程设计的近似条件下，可认为振荡器的工作频率频率g等于由等于由L、C1、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 012121gC CLCC(3.21) 第3章 正弦波振荡器 3 )求反馈系数求反馈系数F 共基组态放大器从射极和基极之间输入，集电极和共基组态放大器从射极和基极之间输入，集电极和基极之间输出。输出电压基极之间输出。输出电压 经由电容组成的反馈网络，经由电容组成的反馈网络，从从C2两端取得反馈电压两端取得反馈电压 ，把它加到放大器的输入端，把它加到放大器的输入端

31、(晶体管的射极晶体管的射极)，构成正反馈。放大器的输入电阻，构成正反馈。放大器的输入电阻ri是放是放大器负载的一部分，放大器输入端的电容大器负载的一部分，放大器输入端的电容Cbe与与C2并联。并联。所以反馈网络是由所以反馈网络是由C1和和C2+Cbe分压构成。在忽略与反馈分压构成。在忽略与反馈网络各端点相并联的电阻影响的条件下，反馈系数可近网络各端点相并联的电阻影响的条件下，反馈系数可近似为似为112b eCFCCC(3.22a) oUfU第3章 正弦波振荡器 当当CbeC2时时 112CFCC(3.22b) 4)起振条件分析起振条件分析 在直流电源刚刚接通的瞬间，振荡器应满足起振条件。在直流

32、电源刚刚接通的瞬间，振荡器应满足起振条件。由于起始振荡振幅很小，所以振荡器处于线性小信号状态由于起始振荡振幅很小，所以振荡器处于线性小信号状态下工作，通角下工作，通角=180。随振荡幅度的增加，振荡逐步进。随振荡幅度的增加，振荡逐步进入到非线性大信号状态下工作，通角入到非线性大信号状态下工作，通角1达到达到AF=1，实现平衡。可以通过起振条，实现平衡。可以通过起振条件的研究，找到影响振荡器起振的各种因素，从而指件的研究，找到影响振荡器起振的各种因素，从而指导正确进行振荡器的设计、装配和调试。由于起振的导正确进行振荡器的设计、装配和调试。由于起振的一刻是线性小信号状态工作，所以晶体管可以用微变一

33、刻是线性小信号状态工作，所以晶体管可以用微变等效电路去等效，如图等效电路去等效，如图3.11所示。所示。 第3章 正弦波振荡器图图3.11 图图3.10所示电路起振时交流等效电路所示电路起振时交流等效电路 (a)晶体管等效电路晶体管等效电路eUbereCbe gmUbebc(a)第3章 正弦波振荡器图图3.11 (b) 图图3.10所示电路起振时所示电路起振时 交流等效电路交流等效电路ereCbe gmUibUbe(Ui)UoRLLreC1C2RECbe Ufce(b)第3章 正弦波振荡器 根据图根据图3.11可以看出可以看出RL、Re0 (图中未标图中未标, 隐含在隐含在LC中中)并接在并接

34、在c、b两端，输入电阻两端，输入电阻ri=REre处于处于e、b两端。两端。为了反映该闭环电路的输入电阻对晶体管负载的影响为了反映该闭环电路的输入电阻对晶体管负载的影响, 通常用功率守恒的方法通常用功率守恒的方法, 即即ri在在e,b之间消耗的功率应等之间消耗的功率应等于把于把ri折合到折合到c、b之间的等效电阻之间的等效电阻Ri所消耗的功率，所消耗的功率，即即2222222,/ebcbiEeiicboiiiiebiUUrRrrRUUrRrrUUF (3.23)第3章 正弦波振荡器 所以，所以，RL应等于应等于RL、Reo、Ri三者的并联，即三者的并联，即 /1LLeoimLRRRRg R F

35、(3.24) (3.25) 在负载和反馈系数已知的条件下，由上式可以导出满在负载和反馈系数已知的条件下，由上式可以导出满足起振条件要求的晶体管跨导足起振条件要求的晶体管跨导gm的范围。的范围。 AF=第3章 正弦波振荡器111111111(1)(1)(1)mLLeoimmLeoEeLeomLeoEFgR FR FR FrFFgg FR FR FRrR FR FFgR FFR FFRF(3.26) +ERF由式由式(3.26)可确定满足起振条件的晶体管跨导范围。可确定满足起振条件的晶体管跨导范围。晶体管的静态工作点电流晶体管的静态工作点电流IEQ越大，越大，gm越大越大(re越小越小)，振荡器越

36、容易起振；振荡器越容易起振；RL越大、越大、Reo越大、越大、RE越大越容越大越容易起振；而易起振；而F既当分子既当分子, 又当分母又当分母, 故应有一个适当的故应有一个适当的数值，太小不容易起振，太大也不容易起振。数值，太小不容易起振，太大也不容易起振。第3章 正弦波振荡器 在晶体管跨导和负载已知的条件下，同样可以导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。出满足起振条件的反馈系数范围。2111mLmLmeom iFFg Rg Rg Rg r(3.27) 第3章 正弦波振荡器 当当F1时，随时，随F的增加，的增加，F2/gmri项的影响会项的影响会越来越大，以致

37、使不等式越来越大，以致使不等式211m imLmeoFFg rg Rg R不成立不成立振荡器不能起振振荡器不能起振第3章 正弦波振荡器 在晶体管跨导和反馈系数已知的条件下，同样可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导出满足起振条件的负载电阻RL的范围。的范围。11()LmreiRFF gR Fr(3.29a) 在在RiRL，ReoRL的条件下，的条件下，RLRL,则则1LmRFg(3.29b) 第3章 正弦波振荡器 2. 电感三点式振荡器电路分析电感三点式振荡器电路分析 图图3.12(a)所示振荡器电路中，电阻所示振荡器电路中，电阻RB1、RB2、RE为基极直流

38、偏置电阻；为基极直流偏置电阻；CB、CC1、CC2、CE分别为耦合分别为耦合电容和旁路、滤波电容，它们对交流均可认为短路；电容和旁路、滤波电容，它们对交流均可认为短路；LC为集电极直流馈电扼流圈，对交流可认为开路；为集电极直流馈电扼流圈，对交流可认为开路；L1、L2、C为振荡器的选频网络；电感为振荡器的选频网络；电感L1、L2构成反馈网构成反馈网络，反馈电压络，反馈电压 取自取自L2两端。由此可画出该电路的两端。由此可画出该电路的交流等效电路，如图交流等效电路，如图3.12(b)所示。由图可见，该振荡所示。由图可见，该振荡器是电感回授三点式振荡器，放大器为共射组态电路。器是电感回授三点式振荡器

39、，放大器为共射组态电路。fU第3章 正弦波振荡器图图3.12 电感回授三点式振荡器电路电感回授三点式振荡器电路(a)L1CC1RERB2CBRB1LC ECCEL2CCC2RLUiUf在在fTfg条件下，条件下，晶体管极间电容晶体管极间电容的影响可忽略不的影响可忽略不计。振荡器的工计。振荡器的工作频率作频率121()gLL C(3.210)第3章 正弦波振荡器图图3.12 电感回授三点式振荡器交流等效电路电感回授三点式振荡器交流等效电路RBRLcL1L2Cbe(b)(c)RBRLcL1L2CerbebUiUfgmUiI1I2第3章 正弦波振荡器 L1的匝数为的匝数为N1，L2的匝数为的匝数为N

40、2，在，在L1、L2相互相互独立，不存在互感并且忽略晶体管极间电容和并联电独立，不存在互感并且忽略晶体管极间电容和并联电阻影响的条件下，反馈系数阻影响的条件下，反馈系数2211LNFLN(3.211)证明证明:12212211,LLUUFIIILjUILjUceffce第3章 正弦波振荡器 起振瞬间振荡器的等效电路如图起振瞬间振荡器的等效电路如图3.12(c)所示。放所示。放大器的增益大器的增益A=gmRL。负载电阻。负载电阻RL应等于外负载电阻应等于外负载电阻RL、回路无载谐振阻抗、回路无载谐振阻抗Reo和放大器的输入电阻和放大器的输入电阻Ri折合折合到到c、e两端的等效输入电阻两端的等效输

41、入电阻Ri三者的并联。三者的并联。 /LLeoiRRRR(3.212) 其中，其中，Ri=(RBrbe)/F2，RB=RB1RB2，rbe=rbb+(1+)re，则起振条件，则起振条件gmRLF1可以写成可以写成11mLeoBbeFFgFRFRRr(3.213) 第3章 正弦波振荡器 电容三点式与电感三点式振荡器电路各有特点。电容三点式与电感三点式振荡器电路各有特点。电容回授三点式振荡器电路由于输出端和反馈支路都电容回授三点式振荡器电路由于输出端和反馈支路都是电容，对于高次谐波，容抗小，所以滤除高次谐波是电容，对于高次谐波，容抗小，所以滤除高次谐波的能力强；高次谐波的反馈电压小，振荡器的波形质

42、的能力强；高次谐波的反馈电压小，振荡器的波形质量好。对于电容三点式电路，晶体管极间电容量好。对于电容三点式电路，晶体管极间电容Cbe、Cce均与回路电容均与回路电容C2、C1并联，因此极间电容均可并入并联，因此极间电容均可并入回路电容中一起考虑。回路电容中一起考虑。 第3章 正弦波振荡器 电感回授三点式振荡器由于放大器输出和反馈电电感回授三点式振荡器由于放大器输出和反馈电压都取自于电感，电感对高次谐波呈现的阻抗大，所压都取自于电感，电感对高次谐波呈现的阻抗大，所以谐波的反馈电压大，波形失真也大。此外，晶体管以谐波的反馈电压大，波形失真也大。此外，晶体管极间电容极间电容Cbe、Cce分别与分别与

43、L2、L1并联。当工作频率较并联。当工作频率较高时，极间电容的影响不能忽略，晶体管高时，极间电容的影响不能忽略，晶体管c、e两极之两极之间外接的是由间外接的是由L1和和Cce组成的并联回路，组成的并联回路，b、e两极之间两极之间外接的是由外接的是由L2、Cbe并联组成的回路，振荡器成为多并联组成的回路，振荡器成为多回路电路，如图回路电路，如图3.9(c)所示。所示。 第3章 正弦波振荡器 3.2.3 其他其他LC振荡器电路振荡器电路 1.克拉拨振荡器和席勒振荡器克拉拨振荡器和席勒振荡器 晶体管极间的寄生参量，如极间电容、极间电阻晶体管极间的寄生参量，如极间电容、极间电阻等都与电压、温度、环境等

44、因素有关，因此晶体管寄等都与电压、温度、环境等因素有关，因此晶体管寄生参量的影响必然使振荡器的稳定性下降。为了减小生参量的影响必然使振荡器的稳定性下降。为了减小晶体管寄生参量的影响，提出了克拉拨振荡器和席勒晶体管寄生参量的影响，提出了克拉拨振荡器和席勒振荡器。其出发点就是减小晶体管各端极之间的接入振荡器。其出发点就是减小晶体管各端极之间的接入系数系数P。图。图3.13(a)所示为克拉拨振荡器电路，图所示为克拉拨振荡器电路，图3.13(b)是它的交流等效电路。是它的交流等效电路。第3章 正弦波振荡器图图3.13 克拉拨振荡器及交流等效电路克拉拨振荡器及交流等效电路 (a)原理图；原理图；(b)交

45、流等效电路交流等效电路(a)(b)RLC1C2RERB2CBRB1ECRCC3LABRCC1C2RECcbBCceCbeebRe0RLLcC3A第3章 正弦波振荡器 克拉拨振荡器与电容回授三点式电路的主要区别克拉拨振荡器与电容回授三点式电路的主要区别是在电感支路内串入了一个小电容是在电感支路内串入了一个小电容C3，且，且C3C1、 C3C3)。选频回路的谐振频率。选频回路的谐振频率043411()L CCLC(3.218) 振荡器工作频率振荡器工作频率g0，可通过调整，可通过调整C4实现频率调实现频率调整整, C4改变，而改变，而C3不变，接入系数也不变，从而振荡器不变，接入系数也不变，从而振

46、荡器稳定性得以提高稳定性得以提高, 并且工作频率范围得以展宽。并且工作频率范围得以展宽。 第3章 正弦波振荡器图图3.14 席勒振荡器及交流等效电路席勒振荡器及交流等效电路 (a)原理图；原理图；(b)交流等效电路交流等效电路RLC1C2RELVC4C3(a)(b)RLC1C2RERB2CBRB1 ECRCLVC4C3第3章 正弦波振荡器 2. LC差分振荡器差分振荡器 图图3.15(a)示出的是用差分放大器构成的示出的是用差分放大器构成的LC振荡器振荡器电路，图电路，图3.15(b)是该振荡器的交流等效电路。是该振荡器的交流等效电路。图图3.15 (a)差分振荡器原理图差分振荡器原理图CCC

47、2LRLRBV1V2UiCC1UfC1C2UoL ECCBRBV3IoRE EE(a)第3章 正弦波振荡器图图3.15 (b) 差分振荡器交流等效电路差分振荡器交流等效电路(b)CLRLV1V2UiUfC1C2Uo第3章 正弦波振荡器 振荡信号通过耦合电容振荡信号通过耦合电容CC2输出，外负载为输出，外负载为RL。V1集电极外接的集电极外接的LC回路作为输出带通滤波器，不参与振回路作为输出带通滤波器，不参与振荡器的工作，所以外负载不影响振荡器的工作，从而荡器的工作，所以外负载不影响振荡器的工作，从而提高了振荡器的稳定性。该振荡器的工作频率提高了振荡器的稳定性。该振荡器的工作频率12121gC

48、CLCC(3.219)反馈系数反馈系数 212CFCC(3.220) 第3章 正弦波振荡器 根据起振条件根据起振条件AF1，可求得满足起振条件的恒流，可求得满足起振条件的恒流源源Io的数值范围的数值范围(3.221)RL是是V2管集电极等效交流负载电阻管集电极等效交流负载电阻,ri是是V1管的基极输入管的基极输入电阻。差分振荡器与单个晶体管的振荡器相比，有很多优电阻。差分振荡器与单个晶体管的振荡器相比，有很多优点。参见书本点。参见书本P49。FRUILTo4eoiLRFrR/2其中其中第3章 正弦波振荡器 3.单片集成单片集成LC振荡器振荡器 单片集成单片集成LC高频振荡器高频振荡器E1648

49、内部电路如图内部电路如图3.16(a)所示，振荡电路部分如图所示，振荡电路部分如图3.16(b)所示，器件外部连接电所示，器件外部连接电路如图路如图3.16(c)所示。所示。 集成电路具有外接元件少、稳定性高、可靠性好、集成电路具有外接元件少、稳定性高、可靠性好、调整使用方便等优点。由于目前集成技术的限制，最高调整使用方便等优点。由于目前集成技术的限制，最高工作频率还低于分立元件电路，电压和功率也难以做到工作频率还低于分立元件电路，电压和功率也难以做到分立元件的水平。但是，集成电路依然是微电子技术的分立元件的水平。但是，集成电路依然是微电子技术的发展方向，其性能将会不断得到提高。发展方向，其性

50、能将会不断得到提高。第3章 正弦波振荡器 E1648内部电路由三个部分组成内部电路由三个部分组成: 第一部分是电源部分，由晶体管第一部分是电源部分，由晶体管V10V14组成直流电源电组成直流电源电路。第二部分是差分振荡器部分，由路。第二部分是差分振荡器部分，由V7、V8、V9晶体管晶体管和和12、10脚外接的脚外接的LC并联回路构成，并联回路构成，V9是恒流源电路。是恒流源电路。第三部分是输出部分，由第三部分是输出部分，由V4、V5构成共射构成共射共基组态放共基组态放大器，对大器，对V8集电极输出电压进行放大；再经集电极输出电压进行放大；再经V3、V2组成组成的差分放大器放大；最后经射随器的差

51、分放大器放大；最后经射随器V1隔离，由隔离，由脚输出。脚输出。 第3章 正弦波振荡器 图中图中V6是直流负反馈电路，是直流负反馈电路，脚外接滤波电容脚外接滤波电容 CB；当当V8输出电压幅度增加时，输出电压幅度增加时，V5射极电压增加，射极电压增加，V6集电集电极直流电压减小，从而使差分振荡器恒流源极直流电压减小，从而使差分振荡器恒流源Io减小，减小，跨导跨导gm减小，限制了减小，限制了V8输出电压的增加，提高了振幅输出电压的增加，提高了振幅的稳定性。该电路的工作频率的稳定性。该电路的工作频率1()giL CC第3章 正弦波振荡器 图图3.16 (a) E1648单片集成振荡器单片集成振荡器

52、内部电路内部电路 V14VD2V13V12V8V7IoV9VD1V6V5V4V11V10LCCB输出V3V2V1EC1214(a)第3章 正弦波振荡器 图图3.16 E1648单片集成振荡器单片集成振荡器 (b)振荡电路部分；振荡电路部分；(c)外接电路外接电路 EB ECLCV8V7Io输出1413121110981234567E1648LC0.1 F5 V9 V1 k0.1 FUo1(b)(c)第3章 正弦波振荡器3.3 RC正弦振荡器正弦振荡器 3.3.1 RC移相振荡器移相振荡器 RC移相振荡器是利用移相振荡器是利用RC网络的移相特性，网络的移相特性，使振荡器的使振荡器的 。 最简单的

53、最简单的RC移相网络可用电阻和电容串联构移相网络可用电阻和电容串联构成，如图成，如图3.17所示。所示。 图图3.17(a)所示是超前移相网络。其传输特性频所示是超前移相网络。其传输特性频率响应为率响应为 ifUU第3章 正弦波振荡器图图3.17 RC串联移相网络串联移相网络 ICRUoUiICRUoUi(a)(b)jjCRjCRjUUjHio11)(3.3-1)第3章 正弦波振荡器 其中，时常数其中，时常数=RC。幅频特性。幅频特性 22( )1( )arctan2H 相频特性相频特性 (3.32) (3.33) 由上式可知，当由上式可知，当 一定时，输入信号频率一定时，输入信号频率 在在0

54、 之间之间变化时，该电路的输出信号与输入信号之间的相位差变化时，该电路的输出信号与输入信号之间的相位差为为900 0，即输出信号相位超前输入信号相位，即输出信号相位超前输入信号相位，不同频率对应不同的相移值；当信号频率一定时，调不同频率对应不同的相移值；当信号频率一定时，调整整 值在值在0 之间变化时同样也可以产生之间变化时同样也可以产生900的相的相移。移。第3章 正弦波振荡器图图3.18 RC串联超前网络频率特性串联超前网络频率特性 10.70C1450C90H()()c称为称为截止频率截止频率 第3章 正弦波振荡器 图图3.17(b)所示是滞后相移网络。其频率响应所示是滞后相移网络。其频

55、率响应(3.34)幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 如图如图3.19所示。由图可见，该电所示。由图可见，该电路可实现路可实现090之间的相移，截止频率之间的相移，截止频率 对应的相移对应的相移(C)=-45。1CCRjjH11)(第3章 正弦波振荡器图图3.19 RC串联滞后网络频率特性串联滞后网络频率特性 10.70C145090H()()C1第3章 正弦波振荡器 图图3.193.19为由运算放大器和为由运算放大器和RCRC超前移相网络构成的超前移相网络构成的振荡器，由于运算放大器是反向输入方式，所以移相振荡器，由于运算放大器是反向输入方式，所以移相网络需要对网络需要对U Uo o完成完

56、成180180 的相移才能使的相移才能使U Uf f和和U Ui i形成同相关形成同相关系系, ,又因为实际上单级又因为实际上单级RCRC串联网络完成的相移量小于串联网络完成的相移量小于9090 ，所以完成，所以完成180180 的相移至少需要三级的相移至少需要三级RCRC串联网络的串联网络的级联。简单起见级联。简单起见, ,取取R R1 1=R=R，由电路分析理论和振荡的起，由电路分析理论和振荡的起振条件，我们可以导出该振荡器的振荡频率和起振幅振条件，我们可以导出该振荡器的振荡频率和起振幅度条件分别为度条件分别为12311RRRCfg第3章 正弦波振荡器RR1RfCCCRRUfUiUo图图3

57、.19 3.19 由运算放大器和由运算放大器和RCRC超前移相网络超前移相网络 构成的振荡器构成的振荡器 第3章 正弦波振荡器图图3.22 RC有源移相正交振荡器有源移相正交振荡器RCR1R1A3R4R3A1A2uo1R2R2RCuo2第3章 正弦波振荡器 RCRC移相式振荡器电路结构简单，种类较多，改变移相式振荡器电路结构简单，种类较多，改变RCRC时间常数可调节频率，其范围在几赫到几十千赫兹，时间常数可调节频率，其范围在几赫到几十千赫兹，因选频性能不强，波形较差。因选频性能不强，波形较差。3.2.2 RC3.2.2 RC选频振荡器选频振荡器 RC RC选频振荡器是利用具有选频特性的选频振荡

58、器是利用具有选频特性的RCRC网络筛选网络筛选出满足起振条件的信号而实现振荡。图出满足起振条件的信号而实现振荡。图3.203.20为具有选为具有选频特性的频特性的RCRC串并联网络，设输入信号为串并联网络，设输入信号为 ， 输出信号为输出信号为 ，其电压传输系数为，其电压传输系数为 oUfU)(31)(ooofjUUjH第3章 正弦波振荡器UoRCCRUf( a )01RC13H (0( 90 90( b )( c )图图3.20 RC3.20 RC串并联网络串并联网络 第3章 正弦波振荡器幅频特性和相频特性表达式为幅频特性和相频特性表达式为 )4 . 2 . 3()(31arctan)()3

59、 . 2 . 3()(91)(2ooooHRCo1其中其中第3章 正弦波振荡器根据以上两式可画出相应的频率特性曲线如图根据以上两式可画出相应的频率特性曲线如图3.213.21所示所示, , UoRCCRUf(a)01RC13H(0(9090(b)(c)图图3.21 RCRC串并联网络的频率特性曲线串并联网络的频率特性曲线 第3章 正弦波振荡器 由图可见，由图可见，RC串并联网络具有选频特性，与串并联网络具有选频特性，与LC并联并联回路的频率特性相似。在谐振频率回路的频率特性相似。在谐振频率0=1/(RC)处，处，H(0)=1/3，(0)=0,无相移。当无相移。当0时，时，随随的增加，的增加，H

60、()减小并趋于零，减小并趋于零，()趋于趋于-90。 根根据带宽的定义据带宽的定义,由式由式(3.2.3)可求得带宽可求得带宽B 3 o,品质因素品质因素Q= o/B=1/3, 与与LC谐振电路相比，品质因数很低，带谐振电路相比，品质因数很低，带宽很宽，选频特性不如宽很宽，选频特性不如LC选频网络。这是选频网络。这是RC网络共网络共有的特点，所以用有的特点，所以用RC网络构成的振荡器波形质量较差。网络构成的振荡器波形质量较差。 第3章 正弦波振荡器 图图3.22(a)为由同相比例运放和为由同相比例运放和RC串并联网络组成的串并联网络组成的RC选频振荡器选频振荡器, 是放大器的输出电压也是是放大