第三章高频正弦波振荡器

1、第三章 正弦波振荡器振振荡荡器器非正弦波非正弦波正弦波正弦波反馈型振荡器反馈型振荡器负阻型振荡器负阻型振荡器LC振振荡器荡器RC振振荡器荡器石英晶体石英晶体振荡器振荡器3.1 反馈型正弦波振荡器的工作原理主网络主网络反馈反馈网络网络)(jA)(jFfViVoViifVjTVjFjAV)()()(iifVjTVjFjAV)()()(一、起振条件一、起振条件二、平衡条件二、平衡条件1)(oscTnoscT2)(1)(oscTnoscT2)()(oivv)(oscT1起振起振平衡平衡必须有非必须有非线性环节线性环节三、稳定条件三、稳定条件幅度稳幅度稳定条件定条件0oscivTT1 增幅增幅频率稳定条

2、件频率稳定条件0oscosc 0，超前，频率升高，超前，频率升高四、基本组成及分析方法 组成组成1、放大器、放大器2、反馈网络、反馈网络环路增益可变环路增益可变相移网络相移网络:具有选频特性具有选频特性要要求求内稳幅内稳幅: 放大管固有的非线性放大管固有的非线性外稳幅外稳幅: 线性线性+非线性非线性 LC、RC 分析方法分析方法起振时，小信号状态起振时，小信号状态T（ ）1用小信号模型求用小信号模型求)(jT T（ ）=2n 振荡频率振荡频率起振的幅度条件起振的幅度条件振荡电路包括振荡电路包括: 可变增益放大器可变增益放大器 负斜率变化的相移网络负斜率变化的相移网络 正反馈正反馈3.2 LC正

3、弦波振荡器一、变压器耦合式一、变压器耦合式LC正弦波振荡器正弦波振荡器VccR3.LCbTR2R1C注意同名端注意同名端保证正反馈保证正反馈二、三点式LC正弦波振荡器电路组成法则电路组成法则与发射极相接的两个元件为同性质的与发射极相接的两个元件为同性质的电抗元件，第三个元件电抗性质相反电抗元件，第三个元件电抗性质相反该法则与组态无关该法则与组态无关C2TC1LC2C1LTL2TCL1CL2TL1三点式振荡器的三点式振荡器的交流通路交流通路实际电路实际电路交流通路与直流偏置电路的结合交流通路与直流偏置电路的结合当交流通路与直流通路发生矛盾时，当交流通路与直流通路发生矛盾时，用用隔直电容隔直电容或

4、或扼流圈扼流圈解决解决C2TC1LC2TC1LRcTCeLCbReC2R1R2VccC1Z1Z3Z2TZ1、Z2为电抗性质相同为电抗性质相同Z3电抗性质与电抗性质与Z1、Z2不同不同若若Z1、Z2、Z3为为LC复合元件，如何判断？复合元件，如何判断？三点式正弦波振三点式正弦波振荡器构成原则荡器构成原则f01 f02 f03 ，电路是否满足振荡器的相位条件？，电路是否满足振荡器的相位条件？SZo90o-90o容性容性感性感性纯电阻纯电阻PZo90o-90o感性感性容容性性纯电阻纯电阻RLC并并联电路联电路RLC串串联电路联电路电容元件电容元件ZCoCCCjZ901190o-90o容容性性90o-

5、90o感性感性电感元件电感元件ZLoLLLjZ90RLC并并联复合联复合元件元件ZPo感性感性容性容性纯阻性纯阻性ZP电抗性质线电抗性质线PZo90o-90o感性感性容容性性纯电阻纯电阻RLC并联复合元件并联复合元件ZPo感性感性容性容性纯阻性纯阻性ZS电抗性质线电抗性质线RLC串串联复合联复合元件元件ZSSZo90o-90o容性容性感性感性纯电阻纯电阻RLC串联复合元件串联复合元件ZSo感性感性容性容性纯阻性纯阻性ZP电抗性质线电抗性质线(RLC并联并联)o感性感性容性容性纯阻性纯阻性ZS电抗性质线电抗性质线(RLC串联串联)S形形Z1Z3Z2TZ1、Z2为电抗性质相同为电抗性质相同Z3电抗

6、性质与电抗性质与Z1、Z2不同不同Z1、Z2的电抗性质线用实线画的电抗性质线用实线画Z3的电抗性质线用虚线画的电抗性质线用虚线画两条两条实线在横轴的同一侧实线在横轴的同一侧，且，且虚线在横轴的另一侧虚线在横轴的另一侧，则满足振荡器的构成原则，否则不满足构成原则则满足振荡器的构成原则，否则不满足构成原则振荡器构成原则振荡器构成原则f01 f02 f03 ，电路是否满足电路是否满足振荡器的相位振荡器的相位条件？条件？ Z1 Z2 Z3电抗性质线电抗性质线ff01f02f03Z1Z2Z3只有在只有在f03 f02的频率范围，才满足振荡器的构成原则的频率范围，才满足振荡器的构成原则电路要么不振荡，一旦

7、振荡，其电路要么不振荡，一旦振荡，其振荡频率一定介于振荡频率一定介于f03 f02之间之间ff01f02f03Z1Z2Z3电容三点式电容三点式（共射）（共射）三点式振荡器电路CC、CB、CE足够足够大，视为短路大，视为短路电容三点式的交流电容三点式的交流通路（共射）通路（共射）CB、CC足够大，足够大，视为短路视为短路电容三点式电容三点式（共基）（共基）电容三点式的交流电容三点式的交流通路（共基）通路（共基）保证静态（未振荡）时，电路工作保证静态（未振荡）时，电路工作于放大区，满足起振的幅度条件于放大区，满足起振的幅度条件静态偏置电路的作用静态偏置电路的作用共射电容三点式共射电容三点式共基电容

8、三点式共基电容三点式自给偏置电路自给偏置电路振荡幅振荡幅度增加度增加放大器放大器进入非进入非线形区线形区自给反偏自给反偏压增加压增加工作工作点下点下移移放大放大倍数倍数降低降低从起振条件转入平衡条件，幅度不再增加从起振条件转入平衡条件，幅度不再增加共射电容三点式共射电容三点式共基电容三点式共基电容三点式振荡的建立过程振荡的建立过程自给反偏压效应自给反偏压效应利用是否存在自给反偏压效应可用万用利用是否存在自给反偏压效应可用万用表判断（直流电压档）电路是否振荡表判断（直流电压档）电路是否振荡正常状态下正常状态下人为破坏振荡条件人为破坏振荡条件（不影响直流通路）（不影响直流通路）分别测直分别测直流工

9、作点流工作点有差异有差异电路已振荡电路已振荡无差异无差异电路已停振电路已停振自给偏置电路能够起到稳定幅度的作用自给偏置电路能够起到稳定幅度的作用平衡时平衡时 TAF1若振幅发若振幅发生波动生波动Vo非线性非线性自给反偏压自给反偏压工作点降低工作点降低AT1nCCCVVFof211iLmiognggVVA2iLmnggng112iLmgnggn1、关于振荡频率、关于振荡频率讨 论021201211iLiLoscg gg gLCC CC C 严格计算严格计算 工程估算：工程估算：LCoosc1nCCCF211iLmgnggA2提高反馈系数并不一定能够提高环路增益提高反馈系数并不一定能够提高环路增益

10、AF提高工作点电流（提高工作点电流（gm加大）可提高环路增益，但加大）可提高环路增益，但过高的工作点会导致过高的工作点会导致LC回路回路Q值降低，使波形失真值降低，使波形失真2、关于起振的幅度条件、关于起振的幅度条件小结：用工程估算法（近似计算）小结：用工程估算法（近似计算） 求起振条件求起振条件画交流通路画交流通路画小信号等效电路画小信号等效电路断开环路（要考虑放大器输入阻抗的影响）断开环路（要考虑放大器输入阻抗的影响）高高Q条件下，忽略反馈电路中电阻的影响，认为条件下，忽略反馈电路中电阻的影响，认为 反馈系数近似为电抗元件的分压比反馈系数近似为电抗元件的分压比经等效变换，将放大器的经等效变

11、换，将放大器的LC回路等效为纯粹的并回路等效为纯粹的并联（串联）电路，假设联（串联）电路，假设 其谐振，放大器的负载即为其谐振，放大器的负载即为LC回路的谐振阻抗（纯电阻），据此可求放大倍数回路的谐振阻抗（纯电阻），据此可求放大倍数画直流通路，求画直流通路，求IEQ差分对管振荡电路 （索尼振荡电路Sony Oscillator）集成电路中广泛使用集成电路中广泛使用交流交流通路通路举例一判断图示振荡电路（交流通路）判断图示振荡电路（交流通路）能否满足相位平衡条件能否满足相位平衡条件LC3串联呈感性即可串联呈感性即可举例二举例二试求图示电路的振幅起振条件试求图示电路的振幅起振条件解：解：开开环环电

12、电路路增加了一个极小的电容增加了一个极小的电容C3C2=C2+Cbe ri=RE/re RL=RL/Reo高高Q条件下条件下222 /nRRnrrLLii12332211CCCnCCCnC2=C2+Cbe ri=RE/re RL=RL/ReoiLmLimgnnggRrgA222/ ) /(Fn1/ 222ngnnggAFTiLm222 /nRRnrrLLii12332211CCCnCCCniLmLimgnnggRrgA222/ ) /(Fn1/ 222ngnnggAFTiLm12332211CCCnCCCn增加了一个极小的电容增加了一个极小的电容C31因此，增加了一个极小的电容因此，增加了一个

13、极小的电容C3后，整个环路的增益后，整个环路的增益T会下降会下降举例三举例三振荡器交流通路如图，振荡器交流通路如图，f01、f02、f03分别为三个回路的分别为三个回路的谐振频率、试写出他们之谐振频率、试写出他们之间能够满足相位平衡条件间能够满足相位平衡条件的关系式，并指出振荡频的关系式，并指出振荡频率处在什么范围。率处在什么范围。解：解： f01、f02、f03之间的大小关系有六种情况之间的大小关系有六种情况 Z1Z2Z3f01 f02 f03ff01 f03 f02 f不能振荡不能振荡f01 f03 fosc f02 能振荡能振荡f02 f01 f03ff02 f03 f01 ff02 f

14、osc f01 f03能振荡能振荡f02 fosc f03 f01 能振荡能振荡f03 f01 f02ff03 f02 f01 ff03 f01 fosc f02 能振荡能振荡不能振荡不能振荡f01 f03 fosc f02 能振荡能振荡f02 fosc f01 f03能振荡能振荡f02 fosc f03 f01 能振荡能振荡f03 f01 foscCq, ,外电路对晶体电特外电路对晶体电特性的影响便显著减小。如同性的影响便显著减小。如同上述克拉泼电路中上述克拉泼电路中C3C3小来减小来减小晶体管结电容对回路谐振小晶体管结电容对回路谐振频率的影响频率的影响Q=WLq/rq值很大，参数稳定值很大

15、，参数稳定石英晶体振荡器具有很高的频率稳定度（可达石英晶体振荡器具有很高的频率稳定度（可达109）Lq很大很大rq很小很小Cq很小很小C0很大很大rq很小，近似为很小，近似为022/1/11)(psocrcrCjjXjZLq很大很大rq很小很小Cq很小很小oqoqqCCCCL1qqsCL122/1/11)(psocrcrCjjXjZ1sqqL C1qoqqoC CLCC并联谐振频率并联谐振频率串联谐振频率串联谐振频率qqsCL1soqsoqoqqCCCCCCL11容容性性容容性性感感性性 s与与 p之间为感性区，该区域很窄之间为感性区，该区域很窄并联谐振频率并联谐振频率串联谐振频率串联谐振频率

16、容容性性容容性性感感性性在每次泛音频率处都有一个很窄的感性区在每次泛音频率处都有一个很窄的感性区补充：石英晶体的电抗性质线补充：石英晶体的电抗性质线 s p 33s55s 033p55pqqsCL1oqsCC1晶体并联电容晶体并联电容CL（负载电容）（负载电容）并联谐振并联谐振频率变为频率变为LoqsNCCC1晶体并联电容晶体并联电容CL（负载电容）（负载电容）并联谐振并联谐振频率变为频率变为LoqsNCCC1fN 晶体的晶体的标称频率标称频率，介于，介于fs与与fp之间之间改变改变CL可微调振荡频率可微调振荡频率通过与晶体串联电容也可微调振荡频率通过与晶体串联电容也可微调振荡频率晶体振荡电路

17、晶体振荡电路并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器串联型晶体振荡器串联型晶体振荡器晶体工作于串联谐振频晶体工作于串联谐振频率，接入正反馈电路中率，接入正反馈电路中（晶体只能工作在（晶体只能工作在Ws的频率点上，的频率点上，作为高选择性的短路元件作为高选择性的短路元件 ）晶体工作于感性区，替晶体工作于感性区，替代代 LC振荡器中的电感振荡器中的电感（晶体工作在（晶体工作在Ws Wp的感性频段的感性频段 ）晶体呈感性才能振荡晶体呈感性才能振荡,因此，因此，晶体应工作在晶体应工作在Ws Wp的感性频段的感性频段 并联型晶体振荡器交流通路交流通路石英晶体在基频及泛音频率石英晶体在基频及泛音频率都呈感性，满足

18、都呈感性，满足相位条件相位条件基频振荡基频振荡幅度最大，满足起振的幅度条件幅度最大，满足起振的幅度条件泛音振荡泛音振荡幅度逐步减小，不满足起振的幅度条件幅度逐步减小，不满足起振的幅度条件泛音晶体振荡器获得更高的振荡频率获得更高的振荡频率必须破坏基频及低次泛音的相位振荡条件必须破坏基频及低次泛音的相位振荡条件f N3 3 f N5 5 f N f07 7 f N f 01五次泛音振荡器：五次泛音振荡器： 3 3 f N f 01 geo幅度平衡条件幅度平衡条件：要求：要求a a为为0，等幅振荡，等幅振荡gn (av) geo起振条件：起振条件： gn (av)产生的功率大于产生的功率大于geo消耗的功率消耗的功率平衡条件：平衡条件： gn (av)产生的功率等于产生的功率等于geo消耗的功率消耗的功率电压控制型负阻振荡器为例，电压控制型负阻振荡器为例， 讨论振荡条件讨论振荡条件()0n avmgV起振时，振荡频率为起振时，振荡频率为平衡时，振荡频率为平衡时，