模电-第3章正弦波振荡器

3.2

LC正弦波振荡器LC正弦波振荡器：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点式振荡电路差分对管振荡电路（用于集成电路中）*23.2.1

三点式振荡电路一、电路组成法则电路两种基本类型三点式振荡器的原理电路(交流通路)。组成法则：交流通路中，三极管的三个极与谐振回路的三个引出端相连接。其中，与发射极相接的为两个同性质电抗，接在集-基间的为异性电抗。3三点式振荡电路组成法则:射同基反可证，此法连接必满足相位平衡条件，实现正反馈。二、三点式振荡器电路1．电容三点式(1)电路RB1、RB2

和RE

：分压式偏置电阻；CC、CB、CE

：旁路和隔直流电容；RC

：集电极直流负载电阻；RL：输出负载电阻；L、C1、C2

：并联谐振回路。(2)组成

可变增益器件：三极管

T；相移网络：LC并联谐振。交流通路：发射极：为两同性质容性电抗；集-基：感性电抗。（注意：大电容应短路，小电容应4

留着）5交流通路：C1C2121,

C

C

CLC

osc（近似为并联谐振回路的谐振角频率）6(3)

——起振与平衡T

为可变增益器件，增益随振幅增大而减小。同时，随vi

的增大产生自给偏置效应，加速放大器增益的下降。以共B电容三点式电路为例，其直流偏置电路如图。刚起振时，发射结直流偏置为静态偏置电压，VBE0=

VBEQ

=VBB

IBQRB

IEQRE反馈

vi

vi

一部分进入截止区iC为失真的脉冲波，其平均值

IC0

将＞ICQ

VBE0

增益

平衡所以，振荡振幅增大时，加在结上的偏置电压将自静态值向截止方向移动，使环路增益进一步下降，增加环路增益下降速度，从而提高了振荡振幅的稳定性。72．电感三点式振荡器电路(1)电路组成

(2)组成法则判断1

28LCosc

1

,

L

L

L

2ML1和L2通常绕在一个线圈架，

M为二者之间的互感。三、举例例1：判断图示交流通路能否满足相位平衡条件？解：若L、C3

串联支路呈感性，则符合相位平衡条件条件：当osc3时，L、C

串联支路呈感性。33>

1LC感性容性纯阻且：由电路知，电路总电容为C1~C3的串联，因此必有osc0例2：图为三回路振荡器交流通路，f01，f02，f03分别为三个回路的固有谐振频率，写出它们之间能满足相位平衡条件的两种关系式，并两种情况下振荡频率处在什么范围内。解：已知串、并联谐振回路电抗特性曲线如图(b)、(c)

串联中，

>0，X

>0，呈感性；

<0，X

<0，呈容性并联中，

>0，X

<0，呈容性；

<0，X

>0，呈感性101．若构成电容三点式电路L1C1、L2C2

回路呈容性失谐，L3C3

回路呈感性失谐。容性失谐：fosc

<

f01

,

fosc

>

f02；f02

fosc

f01,

f03感性失谐：fosc

<f032．若构成电感三点式电路L1C1、L2C2

回路呈感性失谐，L3C3

回路呈容性失谐。11感性失谐：fosc

>f01，fosc

<f02f01,

f03

fosc

f02容性失谐：fosc

>f03(b)能，考虑极间电容Cb’c。(d)不能，不满足“源同栅反”。（在FET电路中，三点式组成法则为：与源极相连的为同性质电抗，不与源极相连的为异性质电抗）12例3-2-3

试

图示振荡电路中的错误，并改正（注：未标符号的电容为旁路或耦合电容）方法：检查直流偏置是否正常：保证晶体管工作在放大区，注意L对直流短路，C对直流开路；检查交流电路是否满足三点式法则；再次检查直流情况，避免因交流的修改影响直流。13Q0：固有品质因数。14三、电容三点式振荡电路的起振条件(相位与振幅)1．等效电路(以图3-2-1b

为例)推导环路增益Tj

时，应将闭合环路断开。(1)改画电路断点左面加环路的输入电压Vi(j)断点右边(与C2

并联)接入自断点向左看进去的阻抗ZiRe0

：L、C1、C2

并联谐振回路的固有谐振电阻。0rCR

L

LQe0

0(2)用混合

型等效电路表示设fosc<<fT

(管子的特性频率)，忽略rbb

、ree和Cbc

，得简化的等效电路：由图可见，在×处呈现的输入阻抗。其中Zi

=RE

//re

//(1/jCbe)，re

=26

mV1/I5EQ16令C2

C2

CbeRi

1/

gi

RE

//

re

reRL

RL

//

Re0

1/

gL且设1

1jC1321

Lgi

jC2

g

1/

jL，Z

，Z

1Z

则反馈电压Vf(j)为：(Z1、Z2

串与Z3

并)Z1

Z2Z2gmVi(j

)f1

1Z3

Z1

Z2V

(j

)

Z1Z2Z3可求得三点式振荡器的相位起振条件为17所以Z2

Z3

Z2

Z3gmVi

(j

)T

(j

)

Vf

(j

)

1

1

Z1将Z1、Z2、Z3

表达式带入，整理得

T

(

)ejT

(

)gmA

jBT

(j

)

T

(

)

(3-2-1)其中ATA2gm

B2，

(

)

-arctan

BL

2

g

C

/

C

g

/(

2

LC

)iL式中，

A

g

gLC

LC

11

i

1C21i

L1

1g

g

2B

C

谐振时满足虚部为0，即

B

=0，T(osc)=0起振时满足T(osc)>1(gm

>

A)181

2

1oscLC

C

C

C

Lg

g

0

2振幅起振条件为)11i1

osc2m

LLCC2

i

LC

2)

g

(1

g

g

(1

：1．振荡角频率osc振荡频率osc

由相位起振条件决定，求得0

1

201

2oscLC C

C1

gi

gL

gigL

2C

C

1

式中，(3-2-4)1

2C1C2C

CC

LC10：LC

回路总电容，

：固有谐振角频率。osc

0i

i与

(LC)

有关，还与

g

(R

)、gL(Re0、RL)有关，且osc

>0

。0

1

2

i

L

2C

C

g

g在实际电路中，一般满足工程估算时，(3-2-5)LC

1

osc

0

=192．振幅起振条件工程估算时，令

=

osc

0

，求得：2

C振幅起振设(3-2-8)n

为电容(3-2-7a)或-2-7b)2Ci若

g

<<

2，则由图可见，n

gii便是

g

经电容分压器折算到集电极上的电导值。因而回路谐振时集电极上的总电导为(

gL

+

n2gi)，gm

除以这个总电导就是回路谐振时放大器的电压增益

Av(0)，而n

则是反馈网络(C1、

C2

组成)的反馈系数

kf

，这样式(7b)1

又可表示为

Av(0)kf

>

1iLgmg

n2

gn2Ri

/n20：为满足振幅起振条件（T（OSC）为3~5），应增大

Av(0)和kf

。①增大kf

(=n)，但n2gi

增大，Av(0)减小；减小kf

，虽提高Av(0)，但回路增益T(0)受限。故n

取值应适中。②

提高

ICQ，可以增大

gm，从而提高

Av(0)

，但不宜过大，否则，gi(

1/re

)会过大，降低增益，且造成回路有载品质因数下降，影响频率稳定性。ICQ

一般取(1

5)mA。结论：若振荡管

fT

> 5fosc，RL

又不太小(>

1

k)，且n(两电容)取值适中，一般都满足起振条件。2122四、用工程估算法求起振条件将闭合环路断开，画出开环等效电路。求出固有谐振频率0，并令osc

0。将谐振回路的电导折算到放大器输出端（集电极）上，求放大器回路谐振时的增益和反馈系数，便可确定振幅起振条件。23五．电感三点式与电容三点式的比较电感三点式：优点：由于L1和L2之间有互感，易起振。且改变C调整fosc时，基本不影响电路的反馈系数，较方便。缺点：反馈支路为感性支路，对高次谐波呈高阻抗，即高次谐波反馈较强，波形失真较大。工作频率较高时，因为电感上的分布电容和晶体管的极间电容并联于L1和L2两端，分布参数影响严重，甚至使反馈系数下降到无法起振。24电容三点式：优点：反馈支路为容性支路，对高次谐波呈低阻抗，即高次谐波反馈较弱，波形较好。电路中的分布电容都是与C1、C2并联，因此可适当加大回路电容，以减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高频稳度。当工作频率较高时，甚至可以只利用器件的极间电容作为回路电容。所以适用于较高工作频率。缺点：不易起振。调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数会改变。

Clapp，Seiler电路。25第

3

章

正弦波振荡器3.3

LC振荡器的频率稳定度提高频稳度的基本措施电容三点式振荡电路的改进电路3.3

LC振荡器的频率稳定度一、定义：频率稳定度又称频稳度，为振荡器最重要的指标，指在规定时间内，规定的温度、湿度、电源电压等变化范围内，振荡频率的相对变化量。二、种类按规定时间的长短不同，频稳度可分：长期频稳度：一天以上乃至几个月内因元器件老化而引起的频率相对变化量。短期频稳度：一天内因温度、电源电压等外界因素变化而引起的频率相对变化量。——常用瞬时(秒级)频稳度：电路

噪声引起频率相对变化量。三、表达式2627绝对准确度：

Δfosc

f

foscfosc：标称频率

f：实测的振荡频率相对准确度：fosc

foscΔfosc

f

fosc将规定时间划分为n

个等间隔，各间隔内实测的振荡频i率为f

，短期频稳度的定义：2oscfosc

fosc

foscΔf

1

(Δf

)nosc

i

Δfosc

lim

[

]n

i

1n式中，(fosc

)i

fi

fosc

，第i

个间隔内实测的绝对准确度；为绝对准确度的平均值， 越小，osci

fosc

)nΔf

lim

1

(

f

n

n

i

1oscΔf频率准确度就越高。四、对频稳度的不同要求用途中波电台信号发生器电视发射机高精度信号发生器频稳度105104

105107107

109283.3.1

提高频稳度的基本措施首先分析外界因素对振荡频率变化的影响。一、频稳度的定性分析1．振荡频率的图解由相位平衡条件T(osc)=0即

T

(osc

)

A

(osc

)

f

(osc

)

Z

(osc

)

f

0说明：(1)A()主要取决于并联谐振回路的相移z()，它在谐振频率附近随

的变化十分剧烈；(2)f()随

的变化相对地要缓慢的多，可近似认为它与频率无关的常数，用f

表示。得：Z(osc)

=

f故：

z()

曲线与高度为

f

水平线相交点上所对应的角频率——振荡角频率

osc

。2．影响振荡频率osc

的参数00e由

Z

(osc)

arctanQ2(

)知：影响振荡频率

osc

的参数是

0、Qe

和f

。故 频稳度就是分析外界因素通过这三个参数对振荡频率变化的影响。谐振频率0

变化若L

、C

变化，0

产生0

的变化，则z()曲线沿横坐标平移0，曲线形状不变。osc=0,与f

无关。Qe

变化若负载和管子参数变化，使谐振回路Qe增加Qe，则z()曲线变陡。Qe

引起振荡频率的变化量与f

大小有关Δosc

Δosc。29(3)若f

产生f，则z()曲线形状不变，而交点移动。f

引起振荡频率的变化与f(同条曲线)、Qe

的大小有关。3．提高LC

振荡器频稳度的基本措施：①减小0、Qe

和f，故应减小外界因素变化引起0、Qe

和f

的变化。②减小f

和增大Qe

，以减小由Qe、f

引起的振荡频率变化量。二、提高频稳度的基本措施1．减小外界因素的变化外界因素：温度、湿度、大气压、电源电压、周围磁场、机械振动及负载变化等，其中尤以温度的影响最严重。30措施：减振、恒温、密封(湿度、大气压)、高稳定度电源、

罩、振荡器与负载间

跟随器。2．提高振荡回路标准性(1)标准性：振荡回路在外界因素变化时保持固有谐振频率不变的能力。标准性越高，0就越小。(2)0

与L、C

的关系)1(L

ΔL)(C

ΔC

)10

Δ0

0CΔCLΔL)(1

(1

将此式展开，忽略高阶小量，化简化为0

02L00

0

0

Δ

(1

ΔL

)(1

ΔC

)

1

ΔL

1

ΔC2C

2

L

2

C31L

C20

0Δ

1

（

ΔL

ΔC

）(3)分析可见，为提高回路标准性，须减小

L、

C

的相对变化量。措施：①温度补偿。电感和部分寄生参量有正值的温度系数，选用有负温度系数的陶瓷电容器，且数值合适，正负可补偿②缩短引线，采用贴片元器件，减小分布参数。③使用高稳定度的外接集总电容、电感，减小不稳定的寄生量及其在

L、C

中的

。(4)fosc=(LC)1/2一定时，C↑（减小分布电容在总电容中的比重）→L↓→Q0↓→Qe

↓→频稳度↓所以，增加总电容是有限度的。因此一般都串联电容，减小管子与回路间耦合的方法。如：clapp

电路32333.3.2

电容三点式振荡电路的改进电路一．Clapp电路2．特点