高频电子线路正弦波振荡器

1、高频电子线路正弦波振荡器第1页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四晶体管混II型等效电路第2页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四第3页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四发射装置：接收装置：发射装置：接收装置：第4页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四第4章 正弦波振荡器 概念（能量角度）：一种能自动地将直流电源能量转换为一 定波形的振荡信号能量的转换电路与功放比较(从能量角度)：振荡器概述：功率放大器被动能量转换，需输入信号控制振荡器自动能量转换，无需输入信号控制（自激振荡）按工作原理分类：反馈型振荡器（重点介

2、绍） 负阻型振荡器第5页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四按波形分类：正弦波振荡器正弦波（重点介绍） 非正弦波振荡器矩形波、 三角波、 锯齿波等振荡器 晶体振荡器振荡器正弦波振荡器构成：谐振放大器（含选频网络）决定振荡频率 正反馈网络产生自激振荡产生高频正弦波（重点介绍）产生低频正弦波正弦波振荡器分类（依据选频网络）：第6页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四正弦波振荡器应用： 发射机中的载波振荡器、接收机的本地振荡器不同类型振荡器的频段：第7页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.1 反馈振荡器的原理 （重点）4.2 LC 振

3、荡 器（重点）4.3 频率稳定度4.4 LC振荡器的设计考虑4.5 石英晶体振荡器（重点） 4.6 振荡器中的几种现象（自学）4.7 RC振荡器（自学）4.8 负阻振荡器（自学）本章主要内容：第8页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.1 反馈振荡器的原理 4.1.1 反馈振荡器的原理分析调谐放大器无源线性网络与Us(s) 同相正反馈自激振荡基本思想：正反馈方法来获得等幅的正弦振荡（自激振荡）构成：放大器和反馈网络组成的一个闭合环路第9页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四电冲击或热噪声 频谱分量很宽，存在很小的电冲击或热噪声定性分析（时域）：上电瞬间

4、：上电后： 电冲击或热噪声消失，新输出：上电一段时间后：新输出：幅度建立频率确定由放大器的选频网络建立有用频率分量幅度单调谐放大器起振平衡第10页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四其中： 原理分析（S域和频域）：闭环电压放大倍数：放大器增益：反馈系数：环路增益S域：第11页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四环路增益为1形成增幅振荡 形成减幅振荡频域：时：振荡器平衡条件：等幅振荡第12页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四T(j)具体形式：谐振回路阻抗ZL ：晶体管的正向转移导纳Yf(j) ： 晶体管谐振回路反馈网络放大器增益：与F

5、(j)反号的反馈系数：单调谐放大器环路增益：第13页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四Yf晶体管正向转移导纳的模，与晶体管参数、输入信号有关 L振荡回路相移，与输入信号频率有关 f晶体管相移，与晶体管参数、输入信号有关F反号反馈系数的模，一般不随输入信号变化线性 F反馈网络相移，一般不随输入信号变化线性RL谐振回路阻抗的模，与输入信号频率有关单调谐放大器第14页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.1.2 起振条件 1起振过程分析刚通电：电路中存在很宽的频谱的电的扰动，幅值很小 1）谐振回路的选频功能，从扰动中选出 osc 分量(osc 0) 2）放

6、大器工作在线性放大区， |T (josc)|1 ，形成增幅振荡单调谐放大器 T (josc) =0，相移为零通电后：起振状态：振荡器产生确定频率、相位、振幅不断增长的正弦 波信号3）忽略晶体管内部相移： f 0 回路谐振： L0 F0第15页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四2. 起振条件：起振的相位条件 正反馈条件起振的振幅条件：起振的相位条件：单调谐放大器起振的振幅条件表示一：表示二：第16页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.1.3 平衡条件1. 平衡过程分析1）随输入信号振幅增加，放大器由放大区进入饱和区和截止区，放大器增益| K (jos

7、c) |下降2）环路增益T (josc)下降， |T (josc)|=1 时，等幅振荡，振荡器达到平衡状态单调谐放大器通电一段时间后：3）忽略晶体管内部相移： f 0 回路谐振： L0 F0 T (josc) =0，相移为零平衡状态：振荡器产生确定频率、相位、振幅的正弦波信号第17页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四振幅平衡条件：相位平衡条件：决定振荡幅度决定振荡频率在回路谐振频率附近平衡时的能量转换：电源供给的能量正好抵消环路损耗的能量 输出幅度不再变化相位平衡条件2. 平衡条件单调谐放大器振幅平衡条件表示一：表示二：第18页，共90页，2022年，5月20日，18点3

8、2分，星期四起振过程平衡状态平衡状态起振过程输出波形：振幅起振、平衡条件的图解表示：第19页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四 4.1.4 稳定条件 1.平衡状态稳定分析： 外部：电源电压、温度、湿度的变化，引起管子和回 路参数的变化。 内部：存在固有噪声(起振时的原始输入电压,进入平 衡后与输入电压叠加引起波动)。（1）振荡电路中存在干扰单调谐放大器第20页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四通过放大和反馈的反复循环： 振荡器远离原平衡状态，导致停振或突变到新的平衡状态原平衡状态不稳定干扰造成 T(osc) 和 T(osc) 变化破坏平衡条件 振荡器

9、有回到平衡状态的趋势。在原平衡点附近建立新的平衡状态，当干扰消失后，能回到原平衡状态 原平衡状态稳定单调谐放大器（2）平衡状态稳定性分析振幅、频率、相位发生变化振幅、频率、相位不变第21页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四（1）振幅稳定过程 原平衡态：外界干扰后： 2. 振幅稳定条件消除干扰后：新的平衡态原平衡态放大器的非线性放大器的非线性单调谐放大器第22页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四反馈网络为线性网络时：（2） 振幅稳定条件单调谐放大器由平衡态时放大器的非线性实现第23页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四正弦信号相位和

10、频率的关系：3.相位(频率)稳定条件振荡器的角频率 增大导致相位不断超前相位 的不断超前表明角频率 增大相位稳定条件和频率稳定条件实质上是一回事 第24页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四（1）相位(频率)稳定过程原平衡态：外界干扰后：下降振荡回路相频特性外界干扰消失后： 升高下降达到新的平衡相位滞后 相位 降低升高振荡回路相频特性升高回到原平衡 0 = 0相位超前 相位单调谐放大器第25页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四（2）相位(频率)稳定条件Q值越大， 值越大，其相位稳定性越好单调谐放大器由振荡回路相频特性实现第26页，共90页，2022年，

11、5月20日，18点32分，星期四自激振荡形成过程：起振条件电的扰动 选出 f0增幅振荡 等幅振荡 平衡状态外界因素影响 新的平衡态外界因素消除放大器线性区谐振回路放大器饱和、截止区稳定条件起振条件：保证接通电源后能逐步建立起振荡平衡条件：保证进入维持等幅持续振荡的平衡状态稳定条件：保证平衡状态不因外界不稳定因素影响而受到破坏平衡条件第27页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.1.5 振荡线路举例互感耦合振荡器第28页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四晶体管、电抗元件X1、X2、X34.2 LC振荡器 1. 三端式振荡器的组成交流通路放大器LC 正弦

12、波振荡器：采用 LC 谐振回路作为相移网络的振荡器。种类：变压器耦合振荡电路、三端式振荡电路属反馈型振荡器4.2.1 振荡器的组成原则 选频网络反馈网络第29页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四因谐振时，不考虑晶体管相移f, 应有F=0振荡频率上回路谐振：回路Q值很高： İ İb、İ İ c 、İ İe 能否振荡的原则(射同余异原则) ：X1、X2应为同性质的电抗元件 X3与X1、X2电抗性质相反2. 三端式振荡器组成原则正反馈相位平衡条件：与 反相第30页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四电感反馈振荡器哈特莱（Hartley）振荡器 3. 三端式振

13、荡器两种基本电路电容反馈振荡器考必兹(Colpitts)振荡器反馈网络是由电容元件完成反馈网络是由电感元件完成晶体管放大器的增益随输入信号振幅变化满足振幅条件组成原则满足相位条件第31页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.常见振荡器的高频电路第32页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四实际电路：4.2.2 电容反馈振荡器 交流等效电路：耦合电容旁路电容扼流圈对高频振荡信号： 旁路电容、耦合电容近似为短路 高频扼流圈近似为开路也可用R代替，但将引入损耗，使回路有载Q值下降，所以R值不能过小。 第33页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星

14、期四振荡频率振荡幅度电容反馈振荡器分析:由组成原则保证平衡时，晶体管非线性特性保证起振时，线性区，由晶体管小信号Y参数 等效电路分析起振时，线性区，由晶体管小信号Y参数等效电路和相位条件求解平衡时，非线性区，通过实验确定振幅平衡条件振幅起振条件相位起振条件相位平衡条件第34页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四振荡器高频等效电路：晶体管Y参数等效电路：第35页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四由相位平衡条件：约等于回路的谐振频率T(jw)的虚部为零,得:振荡频率：反馈系数：第36页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四放大器总的负载电

15、导gL为：则由振幅起振条件YfRLF1, 得：将gie折算到放大器输出端, 有：振幅起振条件：YfRLF 1第37页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四实际电路： 4.2.3 电感反馈振荡器 交流等效电路：高频等效电路：第38页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四回路总电感由相位平衡条件，得振荡器的振荡频率： 约等于回路的谐振频率第39页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响, 反馈系数的大小: 由振幅起振条件分析, 同样可得起振时的gm应满足第40页，共90页，2022年，5月20日，18点32

16、分，星期四共同缺点：晶体管输入输出电容影响回路的等效电抗元件参数, 从而影响振荡频率两种振荡器频率稳定度不高特点分析：电容反馈振荡器电感反馈振荡器频率高低工作频率可以较高工作频率不能过高频带宽度一般工作在固定频率频带比电容反馈振荡器宽波形质量输出波形好输出波形较差共同优点：线路简单，容易起振第41页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四克拉泼振荡器：4.2.4 两种改进型电容反馈振荡器1. 克拉泼振荡器改进目的：提高频率稳定度，增大工作频带宽度交流等效电路：改进方法：在L上串联一可变电容，减弱级间电容对回路总电 容的影响，提高频率稳定度第42页，共90页，2022年，5月20

17、日，18点32分，星期四回路总电容：优点：3决定振荡频率，极间电容影响小，频率稳定度提高缺点：3改变时，负载电阻RL也随之变化，放大器增益也将 变化，太小将影响振荡器的起振 适用于固定频率或波段较窄的场合晶体管接入系数：等效到ce两端的负载电阻：振荡频率：反馈系数：第43页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四2. 西勒振荡器 克拉泼振荡器：西勒振荡器：改进方法：在L上并联一可变电容C4，用来改变振荡器的工作波 段，C3起频率微调交流等效电路：第44页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四回路的总电容： 振荡频率：优点：C3、C4决定振荡频率，极间电容影响小

18、，频率稳定度提高 改变4改变振荡频率，不影响接入系数p，负载电 阻RL不 变，放大器增益不变 ，不影响起振，适用于较宽波段工作晶体管接入系数：等效到ce两端的负载电阻：反馈系数：第45页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四各种LC振荡器比较：第46页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.2.5 场效应管振荡器 第47页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四第48页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.3 频率稳定度 1.意义： 由于外界条件的变化, 引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度。振荡器的一个很重要的

19、指标4.3.1 频率稳定度的意义和表征 2.表征：绝对频差：相对频差：实际工作频率标称频率常用的是相对频率差，简称频率稳定度。相对频率差越小，频率稳定度越高。 第49页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四3. 种类 按经过的时间的长短不同，频稳度可分为： 长期频稳度：一天以上乃至几个月内频率相对变化量。 因元器件老化而引起短期频稳度：一天内频率相对变化量。 因温度、电源电压等外界因素变化而引起瞬时频稳度：秒或毫秒时间间隔频率相对变化量。 电路内部噪声引起第50页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四中波广播电台发射机：210-5/日；电视发射台：510-7

20、 /日；频率稳定度用10的负数次方表示：一般LC振荡器：10-310-4/日；克拉泼和西勒振荡器：10-410-5/日。第51页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四提高回路电感和电容的标准性4.3.3 提高频率稳定度的措施 1. 提高振荡回路的标准性措施：（1）采用温度系数较小的电感和电容（2）用负温度系数的电容补偿正温度系数的电感的变化（3）将振荡器放在恒温槽中主要影响因素：温度温度的改变,导致电感、电容值改变第52页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四2. 提高回路的品质因数Q值越大， 值越大，其相位稳定性越好第53页，共90页，2022年，5月20

21、日，18点32分，星期四影响因素：极间电容3. 减少晶体管的影响措施：（1）尽可能减少晶体管和回路之间的耦合（2）择fT较高的晶体管 fT越高，晶体管内部相移越小 fT越高，高频性能越好,可以保证在工作频率范围内均有较高的跨导,电路易于起振第54页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四 电源电压的波动，会使晶体管的工作点发生变化，从而改变晶体管的参数，降低频率稳定度。 措施：振荡器电源应采取必要的稳压措施4.减少电源、负载等的影响 （1）电源：负载并联在回路的两端，降低回路的品质因数,从而使振荡器的频率稳定度下降。 措施：减小负载对回路的耦合（2）负载电阻5.其他措施远离热源

22、；屏蔽磁场第55页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四（1）短波范围：电感反馈振荡器、电容反馈振荡器（2）波段较宽的信号产生器中：电感反馈振荡器（3）频率稳定度较高、波段不很宽时：克拉泼、西勒振荡器（4）短波、超短波通信设备中：电容反馈振荡器（5）中、短波收音机中：为简化电路常用变压器反馈振荡器4.4 LC振荡器的设计考虑 1振荡器电路选择 主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择LC振荡器一般工作在几百千赫兹至几百兆赫兹范围（中波超短波）用得较多第56页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四（1）选择fT较高的晶体管 fT (310)f1max 晶体管内部

23、相移较小，频率稳定度提高 电流放大系数大，容易振荡（2）晶体管的额定功率应有足够的余量 2晶体管选择（从稳频角度考虑）第57页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四（1）为保证振荡器振幅起振条件，起始工作点应设置在 线性放大区（2）从稳频出发，稳定状态应在截止区，而不应在饱和 区，否则回路的有载品质因数QL将降低3直流馈电线路的选择通常应将晶体管的静态偏置点设置在小电流区,电路应采用自偏压。对小功率晶体管：静态电流14mA第58页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四从稳频出发：振荡回路中电容C应尽可能大，但C过大，不利于波段工作电感L也应尽可能大，但L大后

24、，体积大，分布电容大在短波范围：C一般取几十至几百皮法 L一般取0.1至几十微亨4振荡回路元件选择第59页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四 静态工作点确定后，Yf的值就一定，对于小功率晶体管可以近似为 为了保证振荡器有一定的稳定振幅以及容易起振,在静态工作点通常应选择反馈系数的大小应在下列范围选择5反馈回路元件选择第60页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四LC振荡器存在的问题：而对于LC振荡器，尽管采用各种稳频措施，但理论分析和实践都表明，其频率稳定度一般只能达到 10-5，原因主要是LC回路的Q 值不能做的很高。近代科学技术的发展对正弦波振荡器的

25、稳定度要求愈来愈高。例如，作为频率标准的振荡器的频率稳定度要求达到10-8 以上，解决办法：石英晶体振荡器的频率稳定度可达到 10-1010-11 数量级，所以得到极为广泛的应用。第61页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四基频上的等效电路：串并联的振荡回路C0pFF Lq 10-3H102 H Cq 10-4pF10-1pF rq 几十欧到几百欧阻抗的一般表示式：4.5 石英晶体振荡器 石英晶体谐振器知识回顾：石英晶体振荡器以石英晶体谐振器作为滤波元件构成的正弦波振荡器。第62页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四串联谐振频率并联谐振频率电抗特性曲线：

26、忽略rq：工作于 fq f0 之间为高 Q 电感工作于 fq 附近相当于短路。第63页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四品质因数：很大接入系数：很小石英晶体谐振器优良的特性：(1)并联谐振阻抗高(2) 与有源器件的接入系数p很小，10-310-4(3) 有非常高的Q值104106(4)有很高的标准性， fq和f0非常稳定第64页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.5.1 石英晶体振荡器频率稳定度电感、电容反馈振荡器频率稳定度10-3改进型电容反馈振荡器频率稳定度10-4采用各种稳频措施后，LC振荡器频率稳定度10-5石英晶体振荡器有很高的频率稳定度

27、10-5稳频措施后，石英晶体振荡器频率稳定度可达到 10-1010-11第65页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四4.5.2 晶体振荡器电路1并联型晶体振荡器（1）皮尔斯(Pierce)振荡器晶体呈感性晶体呈现大的电感特性，满足三端式振荡器的组成原则，且与电容反馈振荡器对应。第66页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四振荡频率：CL和晶体等效电路构成的回路的谐振频率晶体负载电容CL晶体管等效接入系数：振荡频率在振荡频率上：晶体谐振器接负载电容后的并联谐振频率第67页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四晶体负载电容在振荡频率上：反馈系

28、数：第68页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四晶体负载电容CL石英晶体谐振器两端并接某一规定负载电容L时，晶体谐振器的谐振频率。负载电容CL（ CL值载于生产厂家的产品说明书中）高频晶体通常为30pF低频晶体100pFfN = fq fo用于并联型晶体振荡器的晶振标称频率N：第69页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四晶体的物理、化学性能虽然稳定，但是温度的变化仍会改变它的参数，振荡频率不免有较慢的变化，一般不能正好等于石英谐振器产品给出的标称频率，有一个很小的差别，需要用负载电容进行校正。 可变电容C3的作用：晶体负载电容C3为微调电容，且C3fN第

29、72页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四场效应管并联型晶体振荡器： 满足“源同余异”的原则，类似于电容反馈振荡器第73页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四 在串联型晶体振荡器中，晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间，通常接在反馈电路中。2串联型晶体振荡器实际线路等效电路近似为短路线当回路的谐振频率等于晶体串联谐振频率时，晶体的阻抗最小，近似为一短路线，满足相位条件和振幅条件，正常工作。振荡频率第74页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四 石英谐振器的频率越高，则要求晶片越薄，则机械强度差，用在电路中易于振碎。一般晶体频率不超过 30

30、MHz3.泛音晶体振荡器: 泛音：指石英晶片振动的机械谐波。泛音晶体：为了提高晶振电路的工作频率可使电路振荡频率工作在晶体的谐波（一般在三、五、七次谐波）频率上，这是一种特制的晶体，叫做泛音晶体。与电气谐波的主要区别：电气谐波与基频是整数倍的关系，且谐波和基波同时并存；泛音是在基频奇数倍附近，且两者不能同时并存。 可利用几十MHz基频产生上百MHz的稳定振荡。第75页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四泛音晶体皮尔斯振荡器实例： LC1回路作用：用以破坏基频和低次泛音的相位条件，使电路工作在设定的泛音频率上。晶体第76页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期

31、四设：3次泛音f3，5次泛音f5回路谐振频率f0应满足：f3 f0 f5 回路在小等于f3时应呈感性，不满足组成原则，不能振荡回路在f5 上应呈容性，满足组成原则，能振荡在7次及其以上泛音频率，LC1回路虽呈现容性，但接入系数减小，晶体管输出端等效电阻减小，放大器增益降低，振荡器停振。 设：电路工作在5次泛音上，LC1固有谐振频率范围？第77页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四 (1)石英晶体谐振器实际使用时，必须外加负载电容，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内，过高的激励导致内部温度升高，使频率漂移增大。3使用注意事项使用石英晶体谐振器时应注意以下几点: (3) 若晶体在电路中作为容抗，晶片失效时, 谐振器的支架电容还存在，线路仍可能满足振荡条件而振荡, 谐振器失去了稳频作用。 (4)晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率，要得到多个频率，采用频率合成技术。第78页，共90页，2022年，5月20日，18点32分，星期四影响频率稳定度因素：温度、电源电压、负载变化AT切片的频率温度特性：4.5.3 高稳定晶体振荡器一般并联型、串联型