通信电路与系统：第三章 振荡电路

1、1第三章 振荡电路23-1 LC正弦波振荡器3-2 LC正弦振荡电路的频率稳定性3-3 石英晶体振荡器主要内容3内容要点正反馈自激 (起振)与平衡原理、条件基本型的LC三点式振荡器原理与分析改进型的LC三点式振荡器原理与分析晶体振荡器原理 4谐振功率放大器与LC正弦波振荡器的共同特点：1、工作于丙类工作状态2、负载都是并联 LC谐振回路非线性器件带通滤波器正反馈网络 3、都是非线性电路51、在谐振放大器中引入正反馈，以自激方式产生振荡电压（正反馈的原理；自激条件；振荡电路结构） 2、基本型的LC三点式振荡器（三点式振荡器组成原则；LC电容/电感三点式振荡器分析） 建立正反馈振荡基本理论如何提高

2、振荡器输出信号的频率稳定性（影响频稳度的因素与改进频稳度的措施） 提高频稳度的电路措施 建立基本的振荡电路概念 63、改进型的LC三点式振荡器（振荡器组成特点、原理分析） 还需进一步提高振荡器频稳度 4、晶体振荡器（晶体谐振特性；基音与泛音晶振） 继续提高频稳度的电路措施 7 引入“反馈”的放大器：要么负反馈放大；要么正反馈自激 主放大器反馈网络3-1-1 反馈型振荡器的工作原理3-1 LC正弦波振荡器8环路回归比定义为：若同时满足平衡条件： 9 则： 反馈电压Uf 与净输入电压Ui 幅度和相位完全相等，振荡电路工作处于稳态，或平衡状态。这时完全可以不需要输入电压源Us 而维持振荡电压输出。自

3、激产生的交流振荡输出电压，是经过放大器这一换能装置将直流电源能量换成了交流输出能量。10从振荡电路上电到处平衡状态之间的暂态是什么？有什么特殊要求？上电时刻起振阶段暂态平衡阶段稳态t11在起振阶段，振荡输出电压从无到有、从小到大建立起来。如果“主放大器”的电压增益Au0固定，只有净输入电压（即正反馈电压）不断增加，就是说，在 ，必须有：输出电压才能增加，所以，回归比必须满足：12此外，回归比的总相移还应满足正反馈的要求，即综合起来，有自激条件（起振条件）为13当振荡电路中的反馈系数B确定后，要求主放大器电压增益必须满足才保证电路可能起振 14反馈型振荡器起振机理15上电瞬间，集电极电流波形非常

4、杂乱，正是这些“杂乱波形”包含了丰富的频率分量，其中就包含有谐振频率分量，该分量经正反馈选频放大，振荡电压逐步建立起来。 16问题分析 1、刚起振时，交流振荡电压幅度很小，主放大器设计得有电压增益(共基、共射组态放大器的Au0 1) ，显然此时的放大器就是模电中讲过的小信号线性交流放大器，分析方法相同，都用“微变等效电路”。2、“自激条件”是如何过渡到“平衡条件”的呢？随着输出幅度的变大，正反馈到输入的电压也在增大，直到振荡管进入非线性区，尤其是截止区，晶体管工作在大信号非线性状态，放大器将工作在丙类状态，最终使输出平衡在某一输出电平上。17三点式(三端式)振荡器电路组成原则 回路部分的特点：

5、三个抽头；与振荡管的三个极e、b、c相连 ebcbec3-1-2 电路组成原则18回顾不同组态放大器的特点：1、共射放大器：输入-输出反相，电压增益 1参考点GND：射极；输入：基极；输出：集电极。2、共集放大器(射随器)：输入-输出同相，电压增益 1参考点GND：基极；输入：射极；输出：集电极。 19无论放大器是何组态(共基/共射/共集)，就交流电压的瞬时极性而言，射极与集电极相位相同，基极与集电极和射极相位相反。iXceXebXcb20iXceXebXcb-Ueb+Ube-Uce+21 电容上：电流超前电压90 电感上：电压超前电流90 Xce和Xeb必为同性电抗元件，才能保证正反馈的瞬时

6、极性。 谐振时，XceXebXcb=0；从而有：XceXeb=Xcb 22对于电容三点式振荡器 谐振时满足：XceXebXcb=0 谐振时满足： XceXebXcb=0对于电感三点式振荡器 ebcbec23三点式振荡器的电路组成原则与射极相连的两个电抗元件(Xce, Xeb)同性质电抗元件，分别与基极和集电极相连的两组电抗元件(Xce, Xcb) 、(Xeb, Xcb)互为异性电抗元件。 24等效原则：电容和电感视为理想元件，电容开路，电感短路。直流等效电路(dc equivalent circuit) 1 直流等效电路及等效原则一 、晶体管振荡器的等效电路 3-1-3 基本三点式振荡电路25

7、考比兹振荡器原理电路(The schematic diagram of Colpitts oscillator)26直流等效电路(dc equivalent circuit)由直流等效电路可以看出：通过合理设计三个偏置电阻，可以达到合理选择晶体管静态工作点的目的。27注意：在起振阶段，随着集电极电流振幅的增加，在部分时间内管子将可能进入截止区（集电极电流波形下半部削波），从而导致集电极电流平均分量从原来的静点ICQ的基础上开始增加，从而使发射结偏压将向负偏变化，进入截止区后，主放大器的电压增益将逐渐下降。这种“直流负反馈”的内在动因可以看成导致振荡器最终保持“振荡平衡状态”的原因。 28实际上

8、： 反馈型振荡器中的直流反馈是负反馈，而对交流信号的反馈为正反馈。 为了保证起振时的放大器电压增益，直流偏置设计应保证晶体管正偏，使其工作在线性放大区，但应保证较小的正偏电流。 292、交流等效电路(ac equivalent circuit)及等效原则 注意：1、所谓“交流”是指在振荡频率上的交流振荡电压。2、“交流等效电路”是指在振荡频率上对振荡电路的等效。3、“交流等效电路”中的电抗(电感与电容)是在振荡频率上呈现的电抗。30交流等效原则：1、电容按照电容值大小和功能分为耦合电容和回路电容。耦合电容短路，回路电容保留。2、电感按照电感值大小和功能分为射频扼流圈(R.F.C.)和回路电感。

9、射频扼流圈开路，回路电感保留。31交流等效电路32C3C2C1L33电容三点式振荡器近似计算二 电容反馈三点式振荡电路（考比兹振荡器）共基放大器：输入-输出同相，电压增益 1参考点GND：基极b；输入：射极e；输出：集电极c。34C3C2C1LUfUoUo1、振荡频率的近似计算忽略管子分布参数，振荡频率近似为 352、反馈系数的近似计算忽略管子各极的分流作用，反馈系数的近似为 、起振需要的主放大器电压增益近似计算 C3C2C1LUfUoUo共基放大器：输入-输出同相，电压增益 1参考点GND：基极b；输入：射极e；输出：集电极c。36gm：晶体管跨导37共基组态的振荡器反馈系数：B = 0.1

10、250.5；Au0 1共射组态的振荡器反馈系数 1共集组态的振荡器反馈系数 1；Au0 1 38实际中，特别是高频振荡，一般不使用该电路，因为电感元件对谐波的反馈要比电容强，容易造成输出谐波分量增加，使正弦波失真。电感三点式振荡器(Hartely Oscillator)39振荡器偏置问题 起振时：放大器必须是正偏，放大管处于放大区。 这时的振荡器将处于“软激励状态”。40应避免晶体管进入饱和区工作，因为处于饱和区时，直接与LC回路耦合的发射结与集电结均为正偏，极间阻抗很低，将使回路有载Q值严重下降，选频效果降低，输出波形失真。晶体管应设置相对较小一些的正偏，既有利于起振，也能保证振幅增大后的一

11、个振荡周期内，部分时间管子处于截止区、另外的时间内处于放大区。这时的振荡器将处于“截止平衡状态”平衡时：41通常振荡管集电极静态电流为 IeQ=(0.54)mA4212V例题：正弦波振荡电路如图所示。 试求：（1）画出交流等效电路；（2）振荡频率；（3）反馈系数值。 43解：UfUo（1）12V44(2)(3)UfUo共集放大器(射随器)：输入-输出同相，电压增益 1参考点GND：集电极；输入：基极；输出：射极。453-2-1 频稳度(Frequency Stability)定义3-2 LC正弦振荡电路的频率稳定性短期频稳度(一天、几小时)内的频率的相对变化量；瞬时频稳度(秒、毫秒量级)内的频

12、率的相对变化量。 在规定时间内，振荡频率的相对变化量，包括：长期频稳度(数天、几个月、一年或数年内)的频率的相对变化量；46振荡频率受各种因素影响，是一个随机过程(随时间改变的随机变量)，故应采用统计方式定量分析。随机变量偏离统计均值的程度(频率的绝对变化量)一般可以用标准偏差表示，而且应该是长时间的统计结果。 47统计意义上的绝对频率变化量（标准偏差）为 f0：振荡频率的算术平均值，以代替统计平均值；fi：第i次测量的振荡频率实测值。 统计意义上的相对频率变化量 ：振荡标称频率 48实际中不同振荡器的频稳度数量级 基本三点式振荡器：10-310-4普通低频信号源输出频率：10-410-5普通

13、晶体振荡器：10-510-6AM广播发射载频：10-5 电视发射载频：10-7恒温晶体振荡器：10-9铯原子钟频标：优于10-10国际原子时(atomic time)：10-13 49频稳度较差(相位噪声大、谐波失真)的振荡信号频谱示意： fc2fc3fc0相位噪声谐波失真503-2-2 影响频稳度因素及改进措施 1 减小外界因素的变化2 提高振荡回路的标准性3 选用低噪声有源器件51提高振荡回路的标准性52如果电感制作的工艺非常讲究，其相对变化量非常小，则 是接入回路的不稳定电容(晶体管结电容)，导致振荡输出频率稳定度恶化。 53C3C2C1LCbeCceCcbAB54为了反映各个结电容占回

14、路总不稳定电容的比例(影响频稳度的份额)，必须将各个结电容统一折算到回路两端，即折算到电感两端。折算应按照功率等效的原则进行。55假定将Cce折算到电感两端，变为，则 C3C2C1LCbeCceCcbAB56若将CXY折算到电感两端，变为C ，由“功率等效”原则，得 57“接入系数”接入系数定义：从晶体管(x, y)极间到回路(A,B)两端的接入系数定义为： 58可求出共基组态的基本电容三点式振荡器接入系数 折算到回路两端的三个不稳定电容的并联值为 59若能一致减小接入系数，就可以一致减小总的不稳定电容。但是有关系： 显然 无法做到一致减小总的不稳定电容，必须设法改进电路结构！ 603-2-3

15、 改进型三点式振荡器 1、克拉拨电路(Clappe Circuit) 为了减小回路与晶体管各极间的耦合程度，可在回路上加入一个电容C3，且满足 61C362与考比兹电路比较，其接入系数发生变化 共基考比兹 共基克拉拨： 63注意：克拉拨电路的反馈系数与考比兹电路的完全相同(因为输出端与反馈端并未改变)。 只要减小C3，就可以一致减小接入系数，从而使回路两端的不稳定电容一致减小。但C3过小，可能造成振荡器停振。调节C3，可以改变振荡频率：64放大器的等效负载电阻放大器的电压增益Auo将随g升高而迅速降低,导致输出电压幅度Uo急剧减小,严重时在频率高端出现停振现象,因此克拉拨电路不适宜做波段振荡器

16、.65起振的幅度条件:Pcb过分减小时会导致gp加大,从而使Auo降低不利于起振662、西勒电路(Seiler Circuit) C3C4C3和C4是同参数量级的小电容，可变电容C4用于调节频率，西勒电路可以作为波段振荡器，其性能优于克拉拨电路。 改进型电容三点式振荡器(包括克拉拨电路和西勒电路)的频率稳定度较考比兹电路的改进了一个数量级。考比兹电路：10-310-4；克拉拨电路、西勒电路：10-410-567放大器的等效负载电阻68克拉拨电路:西勒电路:波段复盖系数69电容三点式振荡电路如图所示。试估算：（1）画出交流等效电路图（2）该振荡器的振荡频率值（3）满足起振幅度条件的主放大器电压增

17、益LC3C1C2CbR1R2+Vcc70(1)交流等效电路图如右图 LC3C1C2(2)振荡器的振荡频率 共集放大器(射随器)：输入-输出同相，电压增益 1参考点GND：集电极；输入：基极；输出：射极。+Uf-+Uo-71(3)满足起振幅度条件的主放大器电压增益LC3C1C2共集放大器(射随器)：输入-输出同相，电压增益 2530MHz)的晶体通常采用泛音振荡工作模式，即所谓“泛音晶振”。 88串联型晶体振荡器基音模式 利用晶体串联谐振频率fs处晶体阻抗近似为0的特性，将晶体串联在LC正弦波振荡器的反馈支路，使正反馈几乎只能在fs上进行。 在串联型晶振中，晶体的作用相当于短路元件。 89并联型

18、晶体振荡器基音模式 晶体阻抗特性感性区的频率范围非常窄，例如，2.5MHz晶体，其并联谐振频率与串联谐振频率的频差为 利用晶体的高Q值感性区，只要振荡频率满足 在并联型晶振中，晶体的作用相当于高Q值电感。 90泛音晶体振荡器 晶体的机械振动波是多谐的，在“正-逆压电效应”的互动中，振荡电压(电荷)也具有多谐性，除了基频(基音)fundamental frequency振荡模式外，还具有谐波(泛音)overtone振荡模式。对这泛音阶次的增加，振幅将越来越小。 91晶体最容易在基音模式上振动。泛音阶次越高振动越困难。由于晶体压电效应必须在晶片两个电极上感应或激励的电荷必须是异性的，故其振动的谐波

19、(泛音)模式中没有偶次泛音t基音2次泛音3次泛音Crystal Unit92泛音晶振的频率老化较慢，稳定度高。高稳定度标准晶体都采用泛音模式，如5MHz五次泛音。 显然，不采取一定的电路措施，晶体将直接振荡在基音上。注意到，LC并联谐振回路有这样的性质：如果外部注入信号频率高于回路谐振频率，回路呈容性，否则呈感性。 93例如：晶体JT为标称频率fN =15MHz的五次泛音晶体 C1C251pF390pFL3.6k6.2k5H+12V100H0.01F0.01F20pF输出JT1kCt交流GND？电容反馈三点式振荡器（克拉波振荡器）Ct为微调电容94回路呈电感特性的频率范围回路呈电容特性的频率范围 基音和3次泛音频率低于回路谐振频率，回路相当于电感，三点式组成