高频电路原理与分析第四版电子课件教案-第4章-正弦波

第4章正弦波振荡器

4.1反馈振荡器的原理4.2LC振荡器4.3频率稳定度4.5LC振荡器的设计考虑4.5石英晶体振荡器

4.6振荡器中的几种现象第4章正弦波振荡器4.1反馈振荡器的原理§

4.1反馈振荡器的原理自激振荡器：

将直流电能——转换为—→交变振荡能量

1.按波形分类：

(1)简谐波振荡器：产生波形近似为正弦波

高频：LC振荡器(较稳定)

石英晶体振荡器(最稳定)

低频：RC振荡器(稳定性差)(2)张弛振荡器：产生非正弦波

2.研究方法：正反馈方法(多采用)负阻方法(简介)重点：正弦波振荡器工作原理；

起振条件、平衡条件、稳定条件；

电路的判别原则。§4.1反馈振荡器的原理自激振荡器：

将直流电能——转一、问题的引入调谐放大器和自激振荡器一、问题的引入高频电路原理与分析第四版电子课件教案-第4章-正弦波自激振荡器条件：

1.有正反馈电路，满足：相位条件：与

同相幅度条件：足够大2.有选频电路，以产生正弦或余弦信号；3.有非线性部件，将直流电能转为交流信号能量。反馈振荡器模型自激振荡器条件：1.有正反馈电路，满足：与

同相幅度条件：二、振荡器的平衡条件反馈振荡器模型二、振荡器的平衡条件反馈振荡器模型(4─1)(4─2)(4─3)(4─4)(4─5)(4─6)由得其中(4─1)(4─2)(4─3)

自激振荡的条件就是环路增益为1,即(4─7)通常又称为振荡器的平衡条件。由式(4─5)还可知形成增幅振荡形成减幅振荡(4─8)自激振荡的条件就是环路增益为1,即(4─§

4.1.2平衡条件振荡器的平衡条件即为也可以表示为(4─9a)(4─9b)式(4─9a)和(4─9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。现以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义。若由式(4─2)可得§4.1.2平衡条件也可以表示为(4─9a)(4─(4─10)

式中,ZL为放大器的负载阻抗(4─11)Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳。(4─12)(4─10)式中,ZL为放大器的负载阻抗(4

与F(jω)反号的反馈系数F′(jω)(4─13)这样,振荡条件可写为(4─15)振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为(4─15a)(4─15b)与F(jω)反号的反馈系数F′(jω§4.1.3起振条件为了使振荡过程中输出幅度不断增加,应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大,即振荡开始时应为增幅振荡,因而由式(4─8)可知称为自激振荡的起振条件,也可写为(4─16a)(4─16b)式(4─16a)和(4─16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件,其中起振的相位条件即为正反馈条件。§4.1.3起振条件称为自激振荡的起振条件,也可写为

图4─2振幅条件的图解表示图4─2振幅条件的图解表示§

4.1.5稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。振幅稳定条件为(4─17)由于反馈网络为线性网络,即反馈系数大小F不随输入信号改变,故振幅稳定条件又可写为(4─18)§4.1.5稳定条件(4─17)由于反馈网络为线1．幅度稳定条件A点:软激励状态(初始静态工作点在放大区)两曲线交点A，为平衡稳定点B点:硬激励状态(静态工作点靠近截止区)两曲线交点B，为平衡不稳定点1．幅度稳定条件A点:软激励状态(初始静态工作点在放大区)幅度稳定条件为：且相差越大越好。即：振幅稳定是利用放大器的非线性，使Av与振幅的变化成反比。内稳幅：

加大放大器的非线性，和自给偏压效应。外稳幅：

放大器为线性时，另插入非线性环节。幅度稳定条件为：且相差越大越好。

一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间的关系(4─19a)(4─19b)

相位稳定条件为(4─20)2．相位稳定条件(频率稳定性)

当相位平衡条件φa+φf=2nπ被破坏时，振荡器本身应能重新建立起相位稳定点。

某原因(温度、电压等)引起：

Vf超前Vs

△φ，使周期缩短(f↑)Vf滞后Vs

-△φ，使周期加大(f↓)

LC回路(稳频机构)可抵消引入的相位变化：

f↑，(容性)产生-△φLCf↓，(感性)产生+△φLC一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间设:系统原工作频率f01对应φLC(A点)，

某原因引起△φ,使f↑(f01→f02)，这时LC回路产生-△φLC；若：△φ-△φLC=0，系统在f02(B点)达到新的相位平衡。即：①若扰动保持，系统稳定在f02(B点)，频率稳定度下降；注意：①相频曲线负斜率越大，f02偏离f01越小，频率稳定度越高。提高回路Q值可加大负斜率，石英晶体Q值极高，故频率稳定性好；

②使固有φLC→0，即原f01接近f0(负斜率，且越大越好)②若扰动消除，返回f01(A点)。则相位稳定条件为：设:系统原工作频率f01对应φLC(A点)，

某原因引起△§

4.1.6偏置电路对振荡性能的影响

1)自给偏压效应§4.1.6偏置电路对振荡性能的影响图中:则:初始工作点VBEQ较高,在放大区:

VBEQ=VBB-IB0Rb-IE0Re

接通后:β高,ic大,Av高,软自激状态

正反馈使vs(vf)↑→IB0,IE0↑→

工作点左移(甲→甲乙→丙)→VBE0

在VBE0处，达到平衡条件AvFv=1,vs(vf)s(vf)不变,IB0、IE0为常数，VBE0不变。(可通过测IE0，判断是否起振)图中:则:初始工作点VBEQ较高,在放大区:VBEQ=VB2）自给偏压电路引起的间歇振荡原因：(1)丙类工作时，管子正半周φ角导通，向回路提供能量，若CbRb,CeRe时间常数过大，导通时间↓，回路得不到足够的能量补充；

(2)回路Q值低，能量损耗大。若：提供的能量=回路能量损耗,电路可维持振荡。否则：电路产生间歇(衰减)振荡甚至停振。因此要求R,C,Q的选取应满足：2）自给偏压电路引起的间歇振荡因此要求R,C,Q的选取应满足§4.1.7

振荡线路举例——互感耦合振荡器反馈网络由L和L1间的互感M担任,因而称为互感耦合式的反馈振荡器,或称为变压器耦合振荡器。

共基组态§4.1.7振荡线路举例——互感耦合振荡器共基组态共射组态共射组态起振与平衡条件的参数表示:

图(d)等效电路已知:设:振荡器的负载阻抗为Zc有:起振与平衡条件的参数表示:已知:设:振荡器的负载阻抗为Zc有a.判断Uf和Ui是否同相

b.判断是否为正反馈①相位条件：②起振条件：③振荡频率：a.判断Uf和Ui是否同相①相位条件：②起振条件：③振荡§4-2LC正弦波振荡器三端式振荡器的组成

变压器耦合振荡器

三点式LC正弦波振荡器工作频率

几百kHz~几MHz

几MHz~几百MHz

频率稳定度

10e-2

10e-3~10e-4§4-2-1三点式振荡器的组成原则三点式振荡器的一般形式(如图)振荡器的三极分别与回路的三点相连接，故称三点式振荡器。§4-2LC正弦波振荡器三端式振荡器的组成

根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯电阻性,因而有(4─21)一般情况下,回路Q值很高,因此回路电流远大于晶体管的基极电流İb

、集电极电流İ

c以及发射极电流İe,故由上图有(4─22a)(4─22b)

因此X1、X2应为同性质的电抗元件。根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯

三端式振荡器有两种基本电路,如图所示。图(a)中X1和X2为容性,X3为感性,满足三端式振荡器的组成原则,反馈网络是由电容元件完成的,称为电容反馈振荡器,也称为考必兹(Colpitts)振荡器两种基本的三端式振荡器(a)电容反馈振荡器;(b)电感反馈振荡器三端式振荡器有两种基本电路,如图所

一些常见振荡器的高频电路,判断它们是由哪种基本线路演变而来的。

几种常见振荡器的高频电路一些常见振荡器的高频电路,判断它们是

§4-2-2电容反馈振荡器（考毕滋电路）

图a是一电容反馈振荡器的实际电路,图(b)是其交流等效电路。§4-2-2电容反馈振荡器（考毕滋电路）电容反馈振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路;(c)高频等效电路电容反馈振荡器电路电路的振荡频率为(4─23)(4─25)C为回路的总电容

由图(c)可知,当不考虑gie的影响时,反馈系数F(jω)的大小为(4─25)(4─26)（忽略Cie、Coe对C1、C2的影响）电路的振荡频率为(4─23)(4─25)C为回

将gie折算到放大器输出端,有(4─27)因此,放大器总的负载电导gL为则由振荡器的振幅起振条件YfRLF′>1,可以得到(4─28)(4─29)将gie折算到放大器输出端,有(4─27

可见:Fv不可过大或太小

工程上Fv=C1/C2=1/2~1/8优点：①波形好；②频率稳定度高；③工作频率高。缺点：频率不易调整，改变C1、

C2时会改变Fv

,改进方法之一

可见:Fv不可过大或太小§4-2-3

电感反馈振荡器（哈特莱电路）

下图是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。§4-2-3电感反馈振荡器（哈特莱电路）电感反馈振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路;(c)高频等效电路

电感反馈振荡器电路

同电容反馈振荡器的分析一样,振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示,即

式中的L为回路的总电感,由图有(4─30)(4─31)由相位平衡条件分析,振荡器的振荡频率表达式为(4─32)同电容反馈振荡器的分析一样,振荡

工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响,反馈系数的大小为(4─33)

由起振条件分析,同样可得起振时的gm应满足(4─35)工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响,

Fv的取值：

过小：反馈量小，不易起振；

过大：Ri经N2影响回路Q值及频率稳定度，严重时不起振。工程上一般：Fv=N2/N1=1/3~1/8谐振频率：优点：

易起振，易调整(调C基本上不影响Fv)缺点：

①波形差；

②工作频率低：

f↑,L1和L2的匝数↓，L2不能<1匝，一般

f工作<几十MHz。Fv的取值：谐振频率：优点：§4-2-4两种改进型电容反馈振荡器

1.克拉泼振荡器

下图是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路。克拉泼振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路§4-2-4两种改进型电容反馈振荡器克拉泼振荡器电路

由上图可知,回路的总电容为(4─35)(4─36)(4─37)(4─38)(4─39)由上图可知,回路的总电容为(4─C=C1串C2串C3，

C3<<C1、

C2时：即：调整C3不影响fo，起振条件同考毕兹电路。另外：若C3过小，回路能量下降，不利于起振。起振条件可推导为：可见：hfe∝ω3，故频率覆盖系数下降，

fH/fL=1.2~1.3。优点：除考毕兹电路优点外，且频率易于调整。缺点：频率覆盖系数小，振幅不匀，起振较难。C=C1串C2串C3，

C3<<C1、

C2时：即：调整2.西勒振荡器

下图是西勒振荡器的实际电路和交流等效电路。它的主要特点,就是与电感L并联一可变电容C5。西勒振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路2.西勒振荡器西勒振荡器电路

由上图可知,回路的总电容为

(4─50)(4─51)振荡器的振荡频率为

可调整C4来改变频率。因C3可比克拉泼电路取值大，故频率覆盖系数较大，

fH/fL=1.6~1.8，且：易调整，频率稳定度高，实际应用较多

由上图可知,回路的总电容为(4─50)

§4-2-5场效应管振荡器

场效应管功耗低，且Ri大，对振荡回路影响小。波形好、频率稳定，基极自给偏压可自动稳频。§4-2-5场效应管振荡器场效应由场效应管构成的振荡器电路互感耦合场效应管振荡器;(b)电感反馈场效应管振荡器;(c)电容反馈场效应管振荡器由场效应管构成的振荡器电路

§4-2-6压控振荡器

压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量,用S表示,即(4─52)

图示出了一压控振荡器的频率-控制电压特性,一般情况下,这一特性是非线性的,非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。§4-2-6压控振荡器(4─52)压控振荡器线路

压控振荡器的频率与控制电压关系压控振荡器线路压控振荡器的频率与控制电压关系

§4-2-7E1658单片集成振荡器

§4-2-7E1658单片集成振荡器E1658内部原理图及构成的振荡器

E1658内部原理图及构成的振荡器E1658单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和12脚之间的外接振荡电路的L、C值决定,并与两脚之间的输入电容Ci有关,其表达式为E1658单片集成振荡器的振荡频率§4-3

LC波振荡器的频率稳定度一、频率稳定度概述长期：一天~几个月，标准设备的频率稳定度指标；短期：几小时~一天，通信机、仪器的频率稳定度指标。(长期、短期为元器件老化引起)

瞬时：ms~s，瞬时无规则变化。(温度、电源、元器件参数变化引起)

设：标称频率fo,实际工作频率f

可定义：

绝对频率准确度：△f=f-fo

相对频率准确度：△f/fo=(f-fo)/fo

(加时间限定后为频率稳定度)§4-3LC波振荡器的频率稳定度一、频率稳定度概述例：工作频率fo=1MHz,

一天内最大偏差fomax=1.0006MHz，则频率稳定度为：

△f/fo=(1.0006-1)/1=6×1e-4/日一般：LC振荡器：1e-2~1e-5/日晶体振荡器：1e-4~1e-11/日

常温：1e-4~1e-7/日

恒温：1e-8~1e-11/日(其它措施)

中波台：2×1e-5/日

电视台：5×1e-7/日

一般信号源：1e-4~1e-5/日

高精度信号源：1e-7~1e-8/日

宇宙通信：1e-11/日例：工作频率fo=1MHz,

一天内最大偏差fomax=二、频率不稳定的分析(频率变化直接与相位变化相关)相位平衡条件：φa+φf=2nπ∵φa=φfe+φLC∴φfe+φLC+φf=2nπ即：φfe、φLC、φf的变化均可使频率发生变化。①由于固有的φfe≠0,φf≠0,

即：φLC=-(φfe+φf)≠0

则实际工作为

f01

；

②变化后

+△φ(f↑)-△φ(f↓)

LC回路

-△φLC

+△φLC

在f02处重新达到相位平衡；③Q↑，f01、f02更接近f0。二、频率不稳定的分析(频率变化直接与相位变化相关)①由于固有1.回路参数变化的影响

△ωo/ωo=-1/2(△L/L+△C/C)

(负号表示L、C增加时，△ωo下降)2.温度变化的影响①引起L、C变化(L,△C);②工作点偏移(△φfe)；3.Q值的变化

负载和参数变化，工作点偏移；4.电源不稳定

工作点偏移。1.回路参数变化的影响三、提高频率稳定度的措施1.恒温、电磁屏蔽、高稳定电源、射随缓冲、减小机械振动；2.提高LC回路的标准性

振荡回路的标准性是指回路元件和电容的标准性。温度是影响的主要因素:温度的改变,导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化,而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也将变化,从而使电感、电容值改变。

L、C的稳定性，以提高Q值，安装的结构工艺(紧固、短引线(镀银))，减小对LC回路的影响(部分接入等)；3.减小φfe：选f工作<<fT，

减小φf：减小Ri、Ro的影响，降低回路的损耗；4.补偿法

若：△C/C=-△L/L，则：△ωo/ωo=0

即L为正温度系数时，选负温度系数的C。三、提高频率稳定度的措施

6.减少晶体管的影响在上节分析反馈型振荡器原理时已提到,极间电容将影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外,应选择fT较高的晶体管,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;而且fT越高,晶体管内部相移越小。7.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。

8.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,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。6.减少晶体管的影响7.提高回路的品质因数8.减§4-4正弦波振荡器的设计考虑一、选择振荡电路

振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。在短波范围,电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。在中、短波收音机中,常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。§4-4正弦波振荡器的设计考虑一、选择振荡电路二、选择振荡管从稳频的角度出发,应选择β大，fT>(2~10)fo较高的晶体管,这样晶体管内部相移较小。通常选择fT>(3～10)f1max。同时希望电流放大系数β大些,这既容易振荡,也便于减小晶体管和回路之间的耦合。

三、偏置电路的确定

静态应靠近截止区,以利于进入平衡状态时,管子处于截止状态(输出阻抗大),对网络影响小。一般：IcQ=1~4mA四、振荡回路参数的确定

L/C=10e-5~10e-6；三点式:Fv=0.4~0.1。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,体积大,分布电容大,L过小,回路的品质因数过小,因此应合理地选择回路的C、L。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。二、选择振荡管三、偏置电路的确定四、振荡回路参数的确定五、直流馈电线路的选择为保证振荡器起振的振幅条件,起始工作点应设置在线性放大区;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。所以,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。

六、振荡回路元件选择从稳频出发,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,体积大,分布电容大,L过小,回路的品质因数过小,因此应合理地选择回路的C、L。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。五、直流馈电线路的选择六、振荡回路元件选择§4-5石英晶体振荡器与RC振荡器§4-5-1石英晶体振荡器石英是矿物质硅石的一种,化学成分是ＳiＯ2,形状是呈角锥形的六棱结晶体。石英晶体具有压电效应。石英晶体谐振器与一般的谐振回路相比具有优良的特性,具体表现为:(1)石英晶体谐振器具有很高的标准性。

(2)石英晶体谐振器与有源器件的接入系数p很小,一般为10-3~10-5。

(3)石英晶体谐振器具有非常高的Q值。

Q值：LC

几十~200

晶体

105~106§4-5石英晶体振荡器与RC振荡器§4-5-1石英晶体振一、石英谐振器

1.电抗特性2.等效电路

3.石英谐振器在电路中的应用(1)电感元件的作用：fo在fs与fp之间(2)短路元件的作用：fo=fs(串连谐振)一、石英谐振器高频电路原理与分析第四版电子课件教案-第4章-正弦波高频电路原理与分析第四版电子课件教案-第4章-正弦波二、石英晶体振荡电路1．并联型晶体振荡电路

石英谐振器等效为电感元件(1)电容三点式（皮尔斯振荡电路）图中C1、L回路的谐振频率为f，要求：f1>fo

即:C1L回路对f0严重失谐，等效为电容。二、石英晶体振荡电路图中C1、L回路的谐振频率为f，要求：f

皮尔斯电路是最常用的振荡电路之一。由图可以看出,皮尔斯电路类似于克拉泼电路,但由于石英晶振中Ｃq极小,Ｑq极高,所以皮尔斯电路具有以下一些特点：（１）振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱。晶体管ｃ、ｂ端,ｃ、ｅ端和ｅ、ｂ端的接入系数分别是:皮尔斯电路是最常用的振荡电路之一。由图可以看高频电路原理与分析第四版电子课件教案-第4章-正弦波

以上三个接入系数一般均小于１０-3～１０-4,所以外电路中的不稳定参数对振荡回路影响很小,提高了回路的标准性。（２）振荡频率几乎由石英晶振的参数决定,而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。振荡频率以上三个接入系数一般均小于１０-3～１０-

其中ＣL是和晶振两端并联的外电路各电容的等效值,即根据产品要求的负载电容。在实用时,一般需加入微调电容,用以微调回路的谐振频率,保证电路工作在晶振外壳上所注明的标称频率ｆN上。（３）由于振荡频率ｆ0一般调谐在标称频率ｆN上,位于晶振的感性区内,电抗曲线陡峭,稳频性能极好。（４）由于晶振的Ｑ值和特性阻抗ρ=都很高,所以晶振的谐振电阻也很高,一般可达1010Ω以上。这样即使外电路接入系数很小,此谐振电阻等效到晶体管输出端的阻抗仍很大,使晶体管的电压增益能满足振幅起振条件的要求。其中ＣL是和晶振两端并联的外电路各电容的

例图(ａ)是一个数字频率计晶振电路,试分析其工作情况。解:先画出V1管高频交流等效电路,如图(ｂ)所示,0.01μF电容较大,作为高频旁路电路,V2管作射随器。由高频交流等效电路可以看到,V1管的c、e极之间有一个ＬＣ回路,其谐振频率为:

所以在晶振工作频率５MHz处,此ＬＣ回路等效为一个电容。可见,这是一个皮尔斯振荡电路,晶振等效为电感,容量为３pF～１０pF的可变电容起微调作用,使振荡器工作在晶振的标称频率５MHz上。例图(ａ)是一个数字频率计晶振电路,试高频电路原理与分析第四版电子课件教案-第4章-正弦波(2)电感三点式（密勒振荡电路）

要求：f1<fo,

即:C1L回路对f0严重失谐，等效为电感。(2)电感三点式（密勒振荡电路）要求：f1<fo,

即:2．串联型晶体振荡电路

石英谐振器等效为短路元件,要求LC回路的f0与fs一致一般f>20MHz时采用，频率稳定度好，七次泛音以上较少应用。实际工作中，并电感使晶体工作于泛音的fs2．串联型晶体振荡电路一般f>20MHz时采用，频率稳分析：设晶体的基频为1MHZ，为了获得五次(5MHZ)泛音振荡,LC谐振频率在3～5MHz之间。对于五次泛音频率，LC呈容性，电路满足振荡条件，可以振荡。而对于基频和三次泛音，LC呈感性，电路不符合三点式组成原则，不能振荡。3、泛音晶体振荡器基本原理：利用晶体的泛音振动（泛音晶体）来实现。有串联型和并联型两种。一种并联型泛音晶体振荡器举例：分析：设晶体的基频为1MHZ，为了获得五次(5MHZ)泛音振三、晶体振荡电路举例1.1MHz场效应管密勒电路

电感元件

三、晶体振荡电路举例2.串联型晶体振荡器2.串联型晶体振荡器3.CMOS微功耗晶体振荡器

电感元件3.CMOS微功耗晶体振荡器§4-5-2RC正弦波振荡器

以RC选频网络为负载的振荡器,几Hz~几百KHz(LC、晶振难以实现)。1、RC串并联网络的频率特性图中电压传输系数为：①幅频特性：②相频特性：R1=R2=R

C1=

C2=C§4-5-2RC正弦波振荡器1、RC串并联网络的频率特性图2、基本RC桥式振荡器(1)相位条件(2)振幅条件(3)振荡频率根据AuFu＞1，而谐振时Fu=1/3，则与反相同相，处）。则与满足相位条件。（在与同相，振幅起振条件：Au

＞3振幅平衡条件：Au=32、基本RC桥式振荡器(1)相位条件(2)振幅条件(3)外稳幅原理：通过非线性器件Rf2自动调整反馈强弱。3、文氏电桥振荡器由图根据起振条件有：因而可得：振幅起振条件：振幅平衡条件：可见，要求Rf2在起振过程中要由＞2Rf1→=2Rf1即要求Rf2具有负温度系数。随着时间进行，电路温度上升，则Rf2将减小，并最终达到平衡状态。外稳幅原理：通过非线性器件Rf2自动调整反馈强弱。3、文氏电

§4-5-3石英晶体谐振器的使用与高稳定度晶体振荡器一、使用石英晶体谐振器时应注意以下几点

(1)石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前,在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使用时也必须外加负载电容,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。(3)在并联型晶体振荡器中,石英晶体起等效电感的作用,若作为容抗,则在石英晶片失效时,石英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,石英晶体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。§4-5-3石英晶体谐振器的使用与高稳定度晶体振荡器二、高稳定晶体振荡器

影响晶体振荡器频率稳定度的因素仍然是温度、电源电压和负载变化,其中最主要的还是温度的影响。

AT切片的频率温度特性二、高稳定晶体振荡器AT切片的频率温度特性

下图是一种恒温晶体振荡器的组成框图。它由两大部分组成:晶体振荡器和恒温控制电路。

恒温晶体振荡器的组成下图是一种恒温晶体振荡器的组成框图。

温度补偿晶振的原理线路温度补偿晶振的原理线路

§4-6

振荡器中的几种现象§4-6-1间歇振荡

LC振荡器在建立振荡的过程中,有两个互有联系的暂态过程,一个是回路上高频振荡的建立过程;另一个是偏压的建立过程。回路有储能作用,要建立稳定的振荡器需要有一定的时间。间歇振荡时Ub与Eb的波形§4-6振荡器中的几种现象§4-6-1间歇振荡间歇§4-6-2频率拖曳现象变压器反馈振荡器(a)实际电路;(b)耦合回路的等效电路§4-6-2频率拖曳现象变压器反馈振荡器

由图可以看出以下几点:(1)ωII始终大于ωI,且有ωII>ω01,ωI<ω01;(2)当ω02远低于ω01时,ω02对ωI影响较大;当ω02远大于ω01时,ω02对ωII影响较大。阻抗ZL的幅角φL的频率特性由图可以看出以下几点:阻抗ZL的幅角φL的频率特性ωI、ωII与ω02的关系曲线及拖曳

ωI、ωII与ω02的关系曲线及拖曳

§4-6-3振荡器的频率占据现象在一般LC振荡器中,若从外部引入一频率为fs的信号,当fs接近振荡器原来的振荡频率f1时,会发生占据现象,表现为当fs接近f1时,振荡器受外加信号影响,振荡频率向接近fs的频率变化,而当fs进一步接近原来f1时,振荡频率甚至等于外加信号频率fs,产生强迫同步。

占据现象§4-6-3振荡器的频率占据现象占据现象说明占据过程的瞬时电压矢量图

(a)fs小于f1;(b)占据时的矢量说明占据过程的瞬时电压矢量图

由图(b)可知,因由上式三个矢量构成的平行四边形关系,可得(4─57)通常回路失谐不大(失谐很大时振幅条件也将不能满足)时,φL不大,因此有下列近似关系:再考虑并联回路(4─58)由图(b)可知,因由上式三个矢量构成的平行四边

当ES不大时,可以用Ub代替U′b,式(5─57)可写为(4─59)(4─60)

可能得到的最大占据频带2Δf出现在sinφ的最大值1处,因此可得相对占据频带当ES不大时,可以用Ub代替U′b,式(5─57)可写为(§4-6-4寄生振荡在高频放大器或振荡器中,由于某种原因,会产生不需要的振荡信号,这种振荡称为寄生振荡。如第3章介绍的小信号放大器稳定性时所说的自激,即属于寄生振荡。产生寄生振荡的形式和原因是各种各样的,有单级和多级振荡,有工作频率附近的振荡或者是远离工作频率的低频或超高频振荡。§4-6-4寄生振荡低频寄生振荡的等效电路和波形低频寄生振荡的等效电路和波形电源去耦举例电源去耦举例§4-6-5压控振荡器（VCO）

以电压变化控制频率(相位)变化的振荡器，用于直接FM、PLL、AFC等。一、变容二极管压控振荡器工作原理

1）变容二极管特性可见：Cj(小)串C4(很大),约等于Cj

则:C总=Cj+(C1串C2串C3)=Cj+C'§4-6-5压控振荡器（VCO）以电压变化控例：电视甚高频段VHFfmin=52.5MHz(1频道的fo)fmax=219MHz(12频道的fo)

令：C'=0Kf2=fmax2/fmin2=Cjmax/Cjmin=17.4

显然Cj难以实现。为此：分为两段

VHF-L(1~5频道)

Kf2=2.81VHF-H(6~12频道)Kf2=1.64二、应用实例

1.电视接收机VHF本振

2.FM立体声解码集成电路中的VCO3.集成运放VCO例：电视甚高频段VHF§4-6-6负阻振荡器一、概述

1.特性

§4-6-6负阻振荡器2.等效电路2.等效电路3.原理

串联型

并联型起振条件：

r>rL

R>Re平衡条件：

-1/RC+1/Re+jωoC+1/jωoL=0-r+rL+jωoL+1/jωoC=0谐振频率：

r=rL

和

R=Re

时：

3.原理

二、用负阻观点讨论LC反馈振荡器二、用负阻观点讨论LC反馈振荡器第4章正弦波振荡器

4.1反馈振荡器的原理4.2LC振荡器4.3频率稳定度4.5LC振荡器的设计考虑4.5石英晶体振荡器

4.6振荡器中的几种现象第4章正弦波振荡器4.1反馈振荡器的原理§

4.1反馈振荡器的原理自激振荡器：

将直流电能——转换为—→交变振荡能量

1.按波形分类：

(1)简谐波振荡器：产生波形近似为正弦波

高频：LC振荡器(较稳定)

石英晶体振荡器(最稳定)

低频：RC振荡器(稳定性差)(2)张弛振荡器：产生非正弦波

2.研究方法：正反馈方法(多采用)负阻方法(简介)重点：正弦波振荡器工作原理；

起振条件、平衡条件、稳定条件；

电路的判别原则。§4.1反馈振荡器的原理自激振荡器：

将直流电能——转一、问题的引入调谐放大器和自激振荡器一、问题的引入高频电路原理与分析第四版电子课件教案-第4章-正弦波自激振荡器条件：

1.有正反馈电路，满足：相位条件：与

同相幅度条件：足够大2.有选频电路，以产生正弦或余弦信号；3.有非线性部件，将直流电能转为交流信号能量。反馈振荡器模型自激振荡器条件：1.有正反馈电路，满足：与

同相幅度条件：二、振荡器的平衡条件反馈振荡器模型二、振荡器的平衡条件反馈振荡器模型(4─1)(4─2)(4─3)(4─4)(4─5)(4─6)由得其中(4─1)(4─2)(4─3)

自激振荡的条件就是环路增益为1,即(4─7)通常又称为振荡器的平衡条件。由式(4─5)还可知形成增幅振荡形成减幅振荡(4─8)自激振荡的条件就是环路增益为1,即(4─§

4.1.2平衡条件振荡器的平衡条件即为也可以表示为(4─9a)(4─9b)式(4─9a)和(4─9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。现以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义。若由式(4─2)可得§4.1.2平衡条件也可以表示为(4─9a)(4─(4─10)

式中,ZL为放大器的负载阻抗(4─11)Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳。(4─12)(4─10)式中,ZL为放大器的负载阻抗(4

与F(jω)反号的反馈系数F′(jω)(4─13)这样,振荡条件可写为(4─15)振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为(4─15a)(4─15b)与F(jω)反号的反馈系数F′(jω§4.1.3起振条件为了使振荡过程中输出幅度不断增加,应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大,即振荡开始时应为增幅振荡,因而由式(4─8)可知称为自激振荡的起振条件,也可写为(4─16a)(4─16b)式(4─16a)和(4─16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件,其中起振的相位条件即为正反馈条件。§4.1.3起振条件称为自激振荡的起振条件,也可写为

图4─2振幅条件的图解表示图4─2振幅条件的图解表示§

4.1.5稳定条件振荡器的稳定条件分为振幅稳定条件和相位稳定条件。振幅稳定条件为(4─17)由于反馈网络为线性网络,即反馈系数大小F不随输入信号改变,故振幅稳定条件又可写为(4─18)§4.1.5稳定条件(4─17)由于反馈网络为线1．幅度稳定条件A点:软激励状态(初始静态工作点在放大区)两曲线交点A，为平衡稳定点B点:硬激励状态(静态工作点靠近截止区)两曲线交点B，为平衡不稳定点1．幅度稳定条件A点:软激励状态(初始静态工作点在放大区)幅度稳定条件为：且相差越大越好。即：振幅稳定是利用放大器的非线性，使Av与振幅的变化成反比。内稳幅：

加大放大器的非线性，和自给偏压效应。外稳幅：

放大器为线性时，另插入非线性环节。幅度稳定条件为：且相差越大越好。

一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间的关系(4─19a)(4─19b)

相位稳定条件为(4─20)2．相位稳定条件(频率稳定性)

当相位平衡条件φa+φf=2nπ被破坏时，振荡器本身应能重新建立起相位稳定点。

某原因(温度、电压等)引起：

Vf超前Vs

△φ，使周期缩短(f↑)Vf滞后Vs

-△φ，使周期加大(f↓)

LC回路(稳频机构)可抵消引入的相位变化：

f↑，(容性)产生-△φLCf↓，(感性)产生+△φLC一个正弦信号的相位φ和它的频率ω之间设:系统原工作频率f01对应φLC(A点)，

某原因引起△φ,使f↑(f01→f02)，这时LC回路产生-△φLC；若：△φ-△φLC=0，系统在f02(B点)达到新的相位平衡。即：①若扰动保持，系统稳定在f02(B点)，频率稳定度下降；注意：①相频曲线负斜率越大，f02偏离f01越小，频率稳定度越高。提高回路Q值可加大负斜率，石英晶体Q值极高，故频率稳定性好；

②使固有φLC→0，即原f01接近f0(负斜率，且越大越好)②若扰动消除，返回f01(A点)。则相位稳定条件为：设:系统原工作频率f01对应φLC(A点)，

某原因引起△§

4.1.6偏置电路对振荡性能的影响

1)自给偏压效应§4.1.6偏置电路对振荡性能的影响图中:则:初始工作点VBEQ较高,在放大区:

VBEQ=VBB-IB0Rb-IE0Re

接通后:β高,ic大,Av高,软自激状态

正反馈使vs(vf)↑→IB0,IE0↑→

工作点左移(甲→甲乙→丙)→VBE0

在VBE0处，达到平衡条件AvFv=1,vs(vf)s(vf)不变,IB0、IE0为常数，VBE0不变。(可通过测IE0，判断是否起振)图中:则:初始工作点VBEQ较高,在放大区:VBEQ=VB2）自给偏压电路引起的间歇振荡原因：(1)丙类工作时，管子正半周φ角导通，向回路提供能量，若CbRb,CeRe时间常数过大，导通时间↓，回路得不到足够的能量补充；

(2)回路Q值低，能量损耗大。若：提供的能量=回路能量损耗,电路可维持振荡。否则：电路产生间歇(衰减)振荡甚至停振。因此要求R,C,Q的选取应满足：2）自给偏压电路引起的间歇振荡因此要求R,C,Q的选取应满足§4.1.7

振荡线路举例——互感耦合振荡器反馈网络由L和L1间的互感M担任,因而称为互感耦合式的反馈振荡器,或称为变压器耦合振荡器。

共基组态§4.1.7振荡线路举例——互感耦合振荡器共基组态共射组态共射组态起振与平衡条件的参数表示:

图(d)等效电路已知:设:振荡器的负载阻抗为Zc有:起振与平衡条件的参数表示:已知:设:振荡器的负载阻抗为Zc有a.判断Uf和Ui是否同相

b.判断是否为正反馈①相位条件：②起振条件：③振荡频率：a.判断Uf和Ui是否同相①相位条件：②起振条件：③振荡§4-2LC正弦波振荡器三端式振荡器的组成

变压器耦合振荡器

三点式LC正弦波振荡器工作频率

几百kHz~几MHz

几MHz~几百MHz

频率稳定度

10e-2

10e-3~10e-4§4-2-1三点式振荡器的组成原则三点式振荡器的一般形式(如图)振荡器的三极分别与回路的三点相连接，故称三点式振荡器。§4-2LC正弦波振荡器三端式振荡器的组成

根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯电阻性,因而有(4─21)一般情况下,回路Q值很高,因此回路电流远大于晶体管的基极电流İb

、集电极电流İ

c以及发射极电流İe,故由上图有(4─22a)(4─22b)

因此X1、X2应为同性质的电抗元件。根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯

三端式振荡器有两种基本电路,如图所示。图(a)中X1和X2为容性,X3为感性,满足三端式振荡器的组成原则,反馈网络是由电容元件完成的,称为电容反馈振荡器,也称为考必兹(Colpitts)振荡器两种基本的三端式振荡器(a)电容反馈振荡器;(b)电感反馈振荡器三端式振荡器有两种基本电路,如图所

一些常见振荡器的高频电路,判断它们是由哪种基本线路演变而来的。

几种常见振荡器的高频电路一些常见振荡器的高频电路,判断它们是

§4-2-2电容反馈振荡器（考毕滋电路）

图a是一电容反馈振荡器的实际电路,图(b)是其交流等效电路。§4-2-2电容反馈振荡器（考毕滋电路）电容反馈振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路;(c)高频等效电路电容反馈振荡器电路电路的振荡频率为(4─23)(4─25)C为回路的总电容

由图(c)可知,当不考虑gie的影响时,反馈系数F(jω)的大小为(4─25)(4─26)（忽略Cie、Coe对C1、C2的影响）电路的振荡频率为(4─23)(4─25)C为回

将gie折算到放大器输出端,有(4─27)因此,放大器总的负载电导gL为则由振荡器的振幅起振条件YfRLF′>1,可以得到(4─28)(4─29)将gie折算到放大器输出端,有(4─27

可见:Fv不可过大或太小

工程上Fv=C1/C2=1/2~1/8优点：①波形好；②频率稳定度高；③工作频率高。缺点：频率不易调整，改变C1、

C2时会改变Fv

,改进方法之一

可见:Fv不可过大或太小§4-2-3

电感反馈振荡器（哈特莱电路）

下图是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。§4-2-3电感反馈振荡器（哈特莱电路）电感反馈振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路;(c)高频等效电路

电感反馈振荡器电路

同电容反馈振荡器的分析一样,振荡器的振荡频率可以用回路的谐振频率近似表示,即

式中的L为回路的总电感,由图有(4─30)(4─31)由相位平衡条件分析,振荡器的振荡频率表达式为(4─32)同电容反馈振荡器的分析一样,振荡

工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响,反馈系数的大小为(4─33)

由起振条件分析,同样可得起振时的gm应满足(4─35)工程上在计算反馈系数时不考虑gie的影响,

Fv的取值：

过小：反馈量小，不易起振；

过大：Ri经N2影响回路Q值及频率稳定度，严重时不起振。工程上一般：Fv=N2/N1=1/3~1/8谐振频率：优点：

易起振，易调整(调C基本上不影响Fv)缺点：

①波形差；

②工作频率低：

f↑,L1和L2的匝数↓，L2不能<1匝，一般

f工作<几十MHz。Fv的取值：谐振频率：优点：§4-2-4两种改进型电容反馈振荡器

1.克拉泼振荡器

下图是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路。克拉泼振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路§4-2-4两种改进型电容反馈振荡器克拉泼振荡器电路

由上图可知,回路的总电容为(4─35)(4─36)(4─37)(4─38)(4─39)由上图可知,回路的总电容为(4─C=C1串C2串C3，

C3<<C1、

C2时：即：调整C3不影响fo，起振条件同考毕兹电路。另外：若C3过小，回路能量下降，不利于起振。起振条件可推导为：可见：hfe∝ω3，故频率覆盖系数下降，

fH/fL=1.2~1.3。优点：除考毕兹电路优点外，且频率易于调整。缺点：频率覆盖系数小，振幅不匀，起振较难。C=C1串C2串C3，

C3<<C1、

C2时：即：调整2.西勒振荡器

下图是西勒振荡器的实际电路和交流等效电路。它的主要特点,就是与电感L并联一可变电容C5。西勒振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路2.西勒振荡器西勒振荡器电路

由上图可知,回路的总电容为

(4─50)(4─51)振荡器的振荡频率为

可调整C4来改变频率。因C3可比克拉泼电路取值大，故频率覆盖系数较大，

fH/fL=1.6~1.8，且：易调整，频率稳定度高，实际应用较多

由上图可知,回路的总电容为(4─50)

§4-2-5场效应管振荡器

场效应管功耗低，且Ri大，对振荡回路影响小。波形好、频率稳定，基极自给偏压可自动稳频。§4-2-5场效应管振荡器场效应由场效应管构成的振荡器电路互感耦合场效应管振荡器;(b)电感反馈场效应管振荡器;(c)电容反馈场效应管振荡器由场效应管构成的振荡器电路

§4-2-6压控振荡器

压控振荡器的主要性能指标为压控灵敏度和线性度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量,用S表示,即(4─52)

图示出了一压控振荡器的频率-控制电压特性,一般情况下,这一特性是非线性的,非线性程度与变容管变容指数及电路形式有关。§4-2-6压控振荡器(4─52)压控振荡器线路

压控振荡器的频率与控制电压关系压控振荡器线路压控振荡器的频率与控制电压关系

§4-2-7E1658单片集成振荡器

§4-2-7E1658单片集成振荡器E1658内部原理图及构成的振荡器

E1658内部原理图及构成的振荡器E1658单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和12脚之间的外接振荡电路的L、C值决定,并与两脚之间的输入电容Ci有关,其表达式为E1658单片集成振荡器的振荡频率§4-3

LC波振荡器的频率稳定度一、频率稳定度概述长期：一天~几个月，标准设备的频率稳定度指标；短期：几小时~一天，通信机、仪器的频率稳定度指标。(长期、短期为元器件老化引起)

瞬时：ms~s，瞬时无规则变化。(温度、电源、元器件参数变化引起)

设：标称频率fo,实际工作频率f

可定义：

绝对频率准确度：△f=f-fo

相对频率准确度：△f/fo=(f-fo)/fo

(加时间限定后为频率稳定度)§4-3LC波振荡器的频率稳定度一、频率稳定度概述例：工作频率fo=1MHz,

一天内最大偏差fomax=1.0006MHz，则频率稳定度为：

△f/fo=(1.0006-1)/1=6×1e-4/日一般：LC振荡器：1e-2~1e-5/日晶体振荡器：1e-4~1e-11/日

常温：1e-4~1e-7/日

恒温：1e-8~1e-11/日(其它措施)

中波台：2×1e-5/日

电视台：5×1e-7/日

一般信号源：1e-4~1e-5/日

高精度信号源：1e-7~1e-8/日

宇宙通信：1e-11/日例：工作频率fo=1MHz,

一天内最大偏差fomax=二、频率不稳定的分析(频率变化直接与相位变化相关)相位平衡条件：φa+φf=2nπ∵φa=φfe+φLC∴φfe+φLC+φf=2nπ即：φfe、φLC、φf的变化均可使频率发生变化。①由于固有的φfe≠0,φf≠0,

即：φLC=-(φfe+φf)≠0

则实际工作为

f01

；

②变化后

+△φ(f↑)-△φ(f↓)

LC回路

-△φLC

+△φLC

在f02处重新达到相位平衡；③Q↑，f01、f02更接近f0。二、频率不稳定的分析(频率变化直接与相位变化相关)①由于固有1.回路参数变化的影响

△ωo/ωo=-1/2(△L/L+△C/C)

(负号表示L、C增加时，△ωo下降)2.温度变化的影响①引起L、C变化(L,△C);②工作点偏移(△φfe)；3.Q值的变化

负载和参数变化，工作点偏移；4.电源不稳定

工作点偏移。1.回路参数变化的影响三、提高频率稳定度的措施1.恒温、电磁屏蔽、高稳定电源、射随缓冲、减小机械振动；2.提高LC回路的标准性

振荡回路的标准性是指回路元件和电容的标准性。温度是影响的主要因素:温度的改变,导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化,而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也将变化,从而使电感、电容值改变。

L、C的稳定性，以提高Q值，安装的结构工艺(紧固、短引线(镀银))，减小对LC回路的影响(部分接入等)；3.减小φfe：选f工作<<fT，

减小φf：减小Ri、Ro的影响，降低回路的损耗；4.补偿法

若：△C/C=-△L/L，则：△ωo/ωo=0

即L为正温度系数时，选负温度系数的C。三、提高频率稳定度的措施

6.减少晶体管的影响在上节分析反馈型振荡器原理时已提到,极间电容将影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外,应选择fT较高的晶体管,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;而且fT越高,晶体管内部相移越小。7.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。

8.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,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。6.减少晶体管的影响7.提高回路的品质因数8.减§4-4正弦波振荡器的设计考虑一、选择振荡电路

振荡器线路主要根据工作的频率范围及波段宽度来选择。在短波范围,电感反馈振荡器、电容反馈振荡器都可以采用。在中、短波收音机中,常用变压器反馈振荡器做本地振荡器。§4-4正弦波振荡器的设计考虑一、选择振荡电路