高频电子线路：第四章 正弦波振荡器

1、高频电子线路第四章 正弦波振荡器24.1 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 负阻振荡器4.7 压控振荡器4.8 振荡器中的几种现象3引言振荡器是一种不需外加信号激励而能自动将直流能量变换为周期性交变能量的装置从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控制下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号规律变化的交变能量的电路。而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地将直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变能量的电路。4振荡器分类按振荡波形分类正弦波振荡器、非正弦波振荡器按工作机理分类反馈振荡器、负阻振荡器按选频网络分类L

2、C振荡器、RC振荡器、晶体振荡器压控振荡器、压控晶体振荡器集成振荡器、开关电容振荡器5振荡器应用通信系统中有广泛的应用混频器的本振信号调制的载波信号，解调的本地载波信号时钟、定时电路，电子测量设备的基准信号工业生产部门广泛应用的高频电加热设备微波炉，电疗设备6对正弦波振荡器的分析正弦波振荡器是一个含有非线性元件和储能元件的闭环系统，它是一个非线性动态网络，可采用求解非线性微分方程或计算机辅助分析法。本章定性分析阐明振荡器的振荡特性，在进行电路分析时，仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法。在振荡的初始阶段，系统内流通的信号比较微弱，因此，可以引用线性系统的分析方法，来确定这一时期振荡器的工

3、作状态。振荡建立后，用准线性方法（如用平均跨导代替跨导，采用线性方法）分析，获得重要的具有指导意义的结论。74.1 反馈振荡器的原理 LC谐振回路是LC 振荡器的重要组成部分，正弦波振荡器则是基于二阶RLC回路的自由振荡现象。 考虑了回路损耗后，回路将产生振幅衰减的阻尼振荡4.1.1 反馈振荡器的原理与分析8维持等幅振荡措施： 适时地补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。 反馈振荡器 采用负阻器件，抵消回路存在损耗，如隧道二极管 。 负阻振荡器 从能量角度：振幅衰减由于回路存在损耗。维持等幅振荡9起振条件：首先，要让振荡器自己振起来（自激振荡）。平衡条件：其次，保证振荡器环路中的能量补

4、充恰好抵消能量消耗，达到环路平衡。稳定条件：最后，还要保证振荡器是稳定的，如果外加干扰使得振荡器偏离了环路平衡状态，振荡器系统应能自动恢复到原来的平衡状态。 反馈型正弦波振荡器达到稳定振荡的三个基本条件：10反馈振荡器的工作原理只有当反馈放大器的反馈增益为无穷大时，它才能成为一个振荡器。满足A(j)F(j)=1, 无需加输入信号。正反馈放大网络反馈网络11正弦波振荡器需要选频网络反馈振荡器中，放大器单元的输入就是反馈网络的输出电压（反馈电压）。正弦波振荡器要求输出角频率为osc的正弦波，即只能在频率osc上满足A(josc)F(josc)=1。 为此，在振荡回路中，必须有选频网络给予保证。 这

5、个选频网络的选频特性越好，振荡器频谱就越纯。（开环）环路增益平衡条件振幅平衡条件：开环增益的模为1相位平衡条件：VF与Vi同相，满足正反馈4.1.2 平衡条件13形成增幅振荡形成减幅振荡14举例 当工作频率较高时，引起环路传输系数和相移的因素是很多的： 晶体管正向转移导纳 谐振回路阻抗 反馈参数振荡平衡条件表示为：16 上式中， 随频率的变化十分明显，而其余相角随频率变化较缓慢。 谐振回路阻抗如令：则上式为：17相位平衡条件决定振荡频率相位平衡条件 并联谐振回路的相频特性18图解19讨论：反馈振荡器的相位平衡条件，决定了它的振荡频率。反馈振荡器的相频特性主要由环路中的选频回路决定。选频回路的Q

6、值越大，相频特性的斜率越陡，选频回路的选频功能就越好，反馈振荡器的振荡频率OSC就越接近于选频回路的中心频率0振荡器的振荡频率近似等于选频回路的中心频率 在平衡状态中，电源供给的能量正好抵消整个环路损耗的能量，平衡时输出幅度将不再变化，因此振幅平衡条件决定了振荡器输出振幅的大小。20起始信号：振荡器接通电源瞬间产生电流突变；电路内存在各种微弱噪声。 特点：很微弱，占据频带很宽。电扰动通过振荡环路选频、放大、反馈而形成振荡。 为了保证输出信号从无到有，幅度不断增长，在振荡建立过程中，反馈电压VF和原输入电压Vi(电扰动)必须同频同相，并且|VF|Vi|。4.1.3 振荡器的起振条件21反馈振荡器

7、的起振条件 振幅条件 相位条件以互感耦合LC振荡器为例，系统传输函数的极点位于S平面的右半部，系统不稳定。=+=L2,1,02)(0nnFApjjwj1)()(00FAww22起振过程中的信号分析起振初始，放大器工作于小信号状态 线性工作状态，可用晶体管小信号等效电路计算其增益A。为了获得较高的增益A，要适当设置晶体管工作点。振荡建立过程中，环路增益T恒大于1，放大器的输入Vi不断增大，放大器从小信号工作状态进入大信号工作状态。 非线性工作状态（出现饱和/截止） ，此时放大器增益A的估算一般采用大信号平均参数（如平均跨导 ）。23 大信号非线性工作： 晶体管集电极有丰富的谐波分量，输出信号通过

8、选频增益下降。平均跨导小于静态跨导斜率g24附：平均跨导小于静态跨导的证明取值为时，平均跨导取得最大值证明：25此时：26稳幅措施起振条件为T=AF1，输出信号幅度的不断增长，而后必须限制其增长，使其达到平衡，满足平衡条件T=AF=1。环路中必须有一个非线性器件，其参数随信号的增大而变化，达到限幅的目的。 特别是不要让晶体管工作于饱和区，因为饱和区的晶体管输出阻抗很低，并联在选频环路上，将使回路的Q值降低，影响频率的稳定度。 晶体管本身的非线性，使得放大器的放大倍数A随输入信号的增大而减小。27 振荡器进入平衡状态后，假设受到外界的扰动，将会破坏其原来的平衡状态。干扰消失后，振荡器若能自动恢复

9、到原来的平衡状态，则称之为是稳定的平衡状态。否则，称之为是不稳定的平衡状态。 自然界中处于平衡状态的物体都有稳定平衡和不稳定平衡之分。4.1.4 稳定条件28振幅稳定条件某个平衡点上，若外界扰动使得振荡器的输入幅度增大，环路增益减小，反馈电压减小；若外界扰动使得振荡器的输入幅度减小，环路增益增大，反馈电压增大，为稳定的平衡状态，反之为不稳定的平衡状态。 振荡器平衡时，环路增益为1，反馈电压VF等于放大器输入电压Vi。平衡点增益具有负斜率 有自偏置效应的振荡器，振幅稳定性更好。 自给偏置29振幅稳定条件的讨论随着振荡幅度加大，放大器增益（以及环路增益）将自动降低；反之，振荡幅度减小放大器增益增大

10、，以保证T=AF=1。 如果反馈F不随输入变化而变化，则： 并非所有的平衡点都是稳定的。30当晶体管起始偏置电压取得比较低，使静态工作点接近于截止，则跨导小，增益小。当输入增大后，平均跨导变大，增益增加。输入进一步增大，进入饱和区，平均跨导变小，增益随之减小。无法起振，需要硬冲击。31相位稳定条件正弦振荡的角频率是相位随时间的变化率， 相位的瞬时变化必然引起频率的变化。相位超前（周期缩短），意味频率上升；相位滞后 ，意味频率下降，相位稳定条件即是频率稳定条件。在频率OSC处(平衡点)，经过一个循环，反馈电压与输入电压相位差2（2n）。假设外界扰动，使得振荡器的频率上升了，经过环路后，反馈电压的

11、相位应该滞后，才能使外界干扰消除；同理，若振荡器的频率下降了，经过环路后，反馈电压的相位应该超前，达到相位稳定。32相位稳定条件的讨论 LC并联谐振环路恰好具有负斜率相频特性，因而以LC并联谐振回路作为振荡器的选频回路，一定是相位稳定的（频率稳定的）。 振荡器相位稳定（即频率稳定），环路中应含有一负斜率变化的相频特性，即：33 w oZj 1Q 2Q 2p 2p- 0w 假设外界扰动，使得振荡器的频率上升了，经过环路后，反馈电压的相位会滞后；若振荡器的频率下降了，经过环路后，反馈电压的相位会超前，达到相位稳定。34 自给偏置 （加固定偏置）起振时，晶体管处于A类放大，增益高 起振后，随着Vi的

12、不断增高，晶体管进入非线性区，从A类到B类、C类，电流的正负半周不对称，于是平均电流IB0、IC0增大，Re上的压降将增大。35自给偏置加速了振荡进入平衡状态的过程。 合理设置Q点，避免管子进入饱和状态。 工作点向负偏压方向移动，集电极电流由余弦形变为余弦脉冲形。导通角减小，平均跨导减小，增益减小，达到AF=1。 36小结：反馈振荡器振荡的三大条件分析的角度从：正反馈（或负阻）适时补充能量；选频回路（移相网络）使得特定频率才能得以放大和正反馈；非线性器件使得幅度受限，最终到达平衡；负斜率环路增益（对输入幅度）和负斜率相频特性保证幅度和频率的稳定性回答的问题是：振荡是如何产生的？又是如何平衡的？

13、平衡是否是稳定的？ 起振条件 平衡条件 稳定条件37（1）互感耦合LC振荡器为了保证正反馈(输入与反馈同相)，互感耦合线圈的同名端必须正确共基同极性共发反极性 共发电路输出电压与输入电压反相，而共基同相。共基电路，从集电极引回到发射极的反馈本身就是正反馈；而共发电路，直接从集电极引回到基极的反馈是负反馈，为了满足正反馈，反馈电压的极性要改变。4.1.5 振荡电路举例互感耦合振荡器38画交流通路：例1、旁路、耦合电容短路39例2、耦合、旁路电容短路40例3、大电阻开路41（2）晶体管输入电阻对回路Q值的影响LC谐振回路两端一般接在集电极输出端，晶体管的输入阻抗很低（共基、共发放大器），如果直接从

14、集电极输出端（LC回路两端）取电压反馈回输入端，小的晶体管输入电阻并联在LC谐振回路两端，会大大降低回路的谐振电阻和Q值。42 为此，必须提高放大器输入端对LC并联谐振回路的接入阻抗，在反馈支路上进行阻抗变换。 阻抗变换的方法： 一是采用变压器、互感耦合，二是采用部分接入。 对应的LC反馈放大器分为互感耦合振荡器和三点式振荡器两种。降低Q值的直接后果：降低了放大器的增益（谐振电阻减小），可能使得环路增益小于1而无法起振；降低了振荡器的频率稳定度43 三点式振荡器采用LC回路部分接入的形式，降低晶体管的输入阻抗对回路的影响。4.2 LC振荡器4.2.1 LC振荡器（三点式振荡器）的组成原则44

15、与发射极相联的两个电抗元件必须是同性质的，另一个是异性（满足相位平衡条件）电容三点式：考毕兹振荡器（a）电感三点式：哈特莱振荡器（b）（a）（b） 三点式振荡器：LC回路的三个电抗元件分别接于三极管的三个电极之间。三点式振荡器的组成法则 (Rp:谐振电阻)45()113322 6CLCLCL()332211 5CLCLCL=()332211 3CLCLCL=()332211 2CLCLCL 1w 2w 3w 3w 2w 1w 321www= 321www= 123www(310)f1max，f1max为振荡器最高工作频率。683. 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

16、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。从相位与频率的关系可得，此时的频率也越稳定。前面介绍的电容、电感反馈的振荡器，其频率稳定度一般为103量级，两种改进型的电容反馈振荡器克拉泼振荡器和西勒振荡器，由于降低了晶体管和回路之间的耦合，频率稳定度可以达到104量级。对于LC振荡器，即使采用一定的稳频措施，其频率稳定度也不会太高，这是由于受到回路标准性的限制。要进一步提高振荡器的频率稳定度就要采用其它的电路和方法。69 4. 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，

17、从而改变晶体管的参数，降低频率稳定度。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。为了减小其影响，应减小负载对回路的耦合，可以在负载与回路之间加射极跟随器等措施。另外，为提高振荡器的频率稳定度，在制作电路时应将振荡电路安置在远离热源的位置，以减小温度对振荡器的影响；为防止回路参数受寄生电容及周围电磁场的影响，可以将振荡器屏蔽起来，以提高稳定度。70两种改进型电容反馈振荡器（4.2.4）减小振荡管的输入、输出阻抗对回路性能（谐 振频率）的影响，提高振荡器频率稳定性。特别是在三点式振荡电路中，器件三个端口的等效阻抗

18、直接与回路三个电抗元件相连接，由于器件端口等效阻抗的稳定性很差，且随工作状态改变而改变，振荡器的频率稳定度很难提高。 为了改善普通三点振荡电路的频率稳定性而提出的两种改进型的电路：克拉泼电路和西勒电路。 也可用晶体特有的谐振特性，消除振荡管的影响。复习：电容反馈型三点式振荡器 晶体管的输出输入电容影响振荡频率和反馈系数。反馈系数会影响振荡波形的幅度和起振。 不易调节频率。改进的思考： 把决定振荡频率的主要元件与决定反馈系 数F 的主要元件分开。 振荡频率不受晶体管的输出输入电容影响。72（1）串联改进型 电容三点式振荡器（克拉泼clapp电路）73显然： 减小 ， 增大， 减小，回路的标准性提

19、高 反馈系数F与振荡频率的调节互不影响。优点： 极间电容均直接并联在 和 上，不影响 的值 和 增加，可减小极间电容对谐振回路的影响克拉泼(clapp)电路74并联谐振回路的谐振电阻RP 等效到晶体管的C-E两端为：（C2上电压忽略） 克拉泼电路的振荡频率与晶体管的输出输入电容无关，频稳度比一般三点式电路高。缺点： 减小 ，提高频稳度，是以牺牲环路增益 为代价（太小会停振）。 调节频率，振荡器的振幅不稳定(不适合作波段振荡器)。75显然:（2）并联改进型 电容三点式振荡器（西勒shelle 电路）76 晶体管的输出输入电容影响较小。C4是与 L 并联的，调节 C4可调节振荡频率，对振荡幅度影响

20、较小。西勒电路的特点： 对C3 的选择： 不能太大（振荡频率 由 C4 调节)也不能太小，太小了， 接入系数小了，振荡幅度就小了。 一般取：20PF至200PF。77新技术的发展趋势 随着CMOS工艺水平的发展，深亚微米技术允许CMOS电路的工作频率超过1GHz，推动了CMOS射频集成电路的发展。 在锁相环的CMOS实现中，压控振荡器的性能在很大程度上决定了所设计锁相环的性能，CMOS压控振荡器采用LC振荡器具有较低的相位噪声和工艺上易于实现在近年得到了较好的发展。 传统的电感，损耗大，制造工艺比复杂，不易集成并且容易受到外界电磁场的干扰；目前片上电感（硅基片上螺旋电感）和可变电容得以实现，使

21、得模拟前端电路的振荡器单片集成成为可能。784.5 晶体振荡器 利用石英晶体的压电效应和反压电效应对正弦波振荡器进行控制的振荡器称为晶体振荡器晶体振荡器也是反馈振荡器，决定频率的元件是晶体而不是LC谐振回路 晶体振荡器突出的优点是可以产生频率稳定度和准确度很高的正弦波。 晶体振荡器可以比较容易地实现10-410-6的频率稳定度 对晶体施加恒温控制，还可提高到10-710-8数量级 目前晶体振荡器频率稳定度的极限是10-1210-1379 在通信系统和各种电子设备中，晶体振荡器是最常见的具有高稳高准频率的正弦波振荡电路。 在通信系统中，可满足电视台、广播电台发射信号的载波频稳度的要求。 石英钟。

22、 数字系统中的基准时钟源。晶体振荡器的应用80压电效应:按某种方式将石英晶体切割成一定厚度的薄片，对薄片施加机械力（压力、拉力、扭力等）时，会产生正负电荷的集聚；反之亦然。如果周期性地施加力，就会有周期性的电输出；反之，如果在晶体上施加变化的电压，并且电信号的频率和晶体的固有振荡频率接近，晶体就会产生机械振动。石英谐振器的基本特性(2.2.3)4.5.1 石英晶体振荡器频率稳定度81石英晶体的固有振荡频率石英晶体的固有振荡频率和薄片厚度有关系，而振荡频率的稳定性与石英片材料和切割方式有关。振荡频率越高，晶片就越薄。传统切割工艺晶体的谐振频率很难达到30MHz，晶片太薄，易损坏。可采用化学蚀刻方

23、法得到薄晶片，使谐振频率达到350MHz。82晶片越薄越易损坏，实用性不强。可采用让晶体工作于泛音方式。泛音方式采用基频的谐波振荡，频率为基频的3倍、5倍、7倍到9倍。采用泛音状态，普通晶体振荡器的工作频率可达200MHz。83（1）石英谐振器的等效电路（n 次泛音谐振） （基频谐振）机械系统电系统（对比）大小小晶体并联（极间）电容 几pF 到几十pF 晶体质量等效0.1H到百H晶体刚性等效小于1pF，一般为机械形变能耗84（2）晶体的谐振频率串联谐振呈现的电阻很小，并联谐振呈现的电阻值为最大。串联谐振频率并联谐振频率85晶体的等效电抗和阻抗相频特性 :晶体呈容性 :晶体等效为小电阻 :等效为

24、电感 晶体在 附近晶体具有陡峭的相频特性（Q大）86（3）晶体谐振器的基本特性很高的等效品质因数: 104- 106石英谐振器最大的特点是具有很大的等效电感量和很小的损耗电阻。 具有两个谐振频率，且两个谐振频率十分接近 很小的接入系数: 10-3 - 10-4 当外界电抗元件与之相连接时，对石英谐振器的固有谐振特性的影响是十分微弱的。例：5MHz的晶体，接入系数为2.6 10-3 ，两频率差为6.5KHz87石英谐振器的两种工作方式高Q短路线 f=fq：串联型晶体振荡器等效L fqffp：并联型晶体振荡器4.5.2 晶体振荡电路88（1）串联型晶体振荡器：晶体等效为高Q短路器 晶体呈现纯电阻且

25、最小，正反馈最强，相移为零，满足振荡的振幅和相位平衡条件L要求LC回路谐振频率 严格等于晶体串联谐振频率 89 振荡的相位稳定条件：在振荡频率处，相频特性具有负斜率（晶体串联谐振：电流的相频特性具有负斜率） 陡峭的相频特性，可在环路中起到相位稳定的作用 晶体的作用在于选频和提高频稳度 振荡频率偏离太远，会如何？晶体的作用阻抗相频特性90提高频稳度的措施并联谐振， 的并联阻抗最大，近似开路，去除了 的影响。91 适用于频率较低的情况（几千赫至几百千赫）。 串联谐振，电流为正弦波。 实际的串联型晶振，振荡频率在串联谐振频率附近，为满足振荡器相位平衡条件的一个频率。92（2）并联型晶体振荡器：晶体等

26、效为高Q电感器 考毕兹 哈特莱 皮尔斯 密勒 密勒电路中，石英晶体被晶体管输入阻抗所并联，降低了有载品质因数， 也就降低了频率稳定度，故密勒电路使用不多。皮尔斯电路无需外接电感线圈，频率稳定，应用广泛。93 晶体起到选频和频率稳定的作用皮尔斯电路94负载电容（规定）标称频率 晶体的标称频率：（一般）既不是其串联谐振频率也不是其并联谐振频率，而是位于两者之间，考虑了负载电容的校准频率。需要微调电容负载电容CL（规定）：晶体并联电容95 串入小电容C3，负载电容更加稳定，频率更稳定。提高频稳度的措施克拉泼形式96L、C1回路振荡在频率f0处，使得泛音频率能够满足相位平衡条件和幅度平衡条件n次泛音振

27、荡器，f0应选择在(n-2)次和n次之间ff0，回路呈现容性，在n次泛音处可以满足振荡条件在(n+2)次泛音处，由于反馈系数太小，不易满足幅度平衡条件并联型泛音振荡器(5f)97例1：这是某广播发射机的主振器实际电路，试画出该振荡电路的交流等效电路，并分析该电路采用了哪几种稳频措施？ 具有克拉泼形式的并联型晶体振荡器晶体克拉泼形式恒温槽稳压跟随器输出98例2：这是某通信接收机的本振电路。试画出该振荡电路的交流等效电路，并说明这是什么形式的电路具有西勒形式的并联型晶体振荡器 99总结:电路可以被分为两大类：线性和非线性输入信号经非线性电路作用后，将产生新的频率分量线性电路具有叠加性和均匀性非线性

28、元件 元件参数与通过元件的电流或施加其上的电压有关非线性电路 至少包含一个非线性器件，且该器件工作于非线性状态。100元件的分类：线性元件元件参数与通过元件的电流或施加其上的电压无关R、L、C非线性元件元件参数与通过元件的电流或施加其上的电压有关二极管内阻rd、晶体管rbb、变容二极管Cj时变参量元件元件参数按照一定的规律随时间变化，这种变化与通过元件的电流或施加其上的电压无关变频器时变跨导g101一切实际的元件都是非线性的，绝对线 性的元件是不存在的。线性元件是有条件的。102电路分类:线性电路只由线性元件组成的电路谐振电路、无源滤波器、传输线、小信号放大器非线性电路至少含有一个非线性元件，且该元件工作于非线性状态振荡器、功率放大器、倍频器、调制解调器时变参量电路电路中仅有一个参量受外加信号的控制而按一定的规律随时间变化。外加信号称为控制信号。变频器、模拟相乘器103(1)线性电路 线性电路由线性元件构成 其输出输入关系用线性代数方程或线性微分方程表示 同时满足叠加性和均匀性104线性系统：系统函数叠加性均匀性105(2)非线性电路至少一个非线性元件其输出输入关系用非线性函数方程（非线性代数方程或超越方程）或非线性微分方程表示输出信号中将产生输入信号中没有的频率成分106(3)时变参量电路