正弦振荡器的结构与实现

第四章正弦振荡器的结构与实现 这类电路在通信中常用来产生周期性的标准信号，如载波发生电路，时钟信号电路等。4.1概述4.2反馈型正弦振荡器的结构和原理4.3反馈型LC振荡电路分析4.4振荡器的频率稳定性分析4.5*反馈型RC振荡电路分析4.6*振荡器的负阻特性及其负阻振荡器4.7振荡频率可调的压控振荡器4.1概述 振荡器输出的交流信号波形是由电路本身的参数和加于电路的直流电源所决定的，它的输出交流电能是由直流电能转换而来。 振荡器的种类很多。从振荡电路中有源器件的特性和形成振荡的原理来看，可把振荡器分为反馈型和负阻型两大类。前者是振荡回路通过正反馈网络与有源器件连接成的振荡电路；后者是把一个呈现负阻特性的二端有源器件直接与谐振电路连接构成的振荡电路。4.2反馈型正弦振荡器的结构和原理 反馈型正弦振荡器的原理框图如图4-2-1所示。其中，“反馈网络”是以放大部分为中心来命名的，即放大部分的输出信号经回送后反回到放大的输入端，构成放大的输入。图4-2-1反馈型正弦振荡器框图4.2.1振荡器的构成特点 第一，按信号传递规律，环路只适应单一频率正弦波的生存，即只有该频率的正弦波能通过闭合环路得以传递、维持和输出。 第二，按能量的观点，放大部分不应单纯理解为电压或者电流的放大，还应看到放大部分所具有的将直流电能转换为交流电能的功能。 第三，对信号环路具有的选择性和能量补充的“同步”性要求都是以时域电压或者电流波形的正弦变化规律为基础来讨论的。4.2.2起振过程和条件 前者称为起振的相位条件，后者称为起振的幅频条件，两者同时满足方能起振。4.2.3平衡和平衡条件 也就意味着放大器的增益(基波增益)与输入信号振幅有关，当vbe的振幅较大时，放大器的增益随vbe振幅的增加而降低。 既要保证振荡器容易起振，同时又要保证振幅增大以后不致进入饱和工作状态，这就要在振荡电路上采取措施。 因此，当这一平均反馈过程平衡时，工作点Q也就稳定在某一新值V′BEQ上，从而达到稳幅的目的。 通过上述分析可知，振荡器平衡时的信号条件为 通常称这一条件为平衡条件，又称为巴克豪森(BarkhauSen)准则。它对于导出振荡频率和振荡起振条件是很有用的。 应强调的是：起振时的起振增益A(jω)是小信号的放大增益，而平衡时的增益A（jω）为大信号时的基波增益。4.2.4抗干扰的稳定条件 所谓稳定平衡是指：外界因素使系统状态稍微偏离原平衡时，系统具有依靠自身的潜能恢复原平衡的能力。图4-2-5(a)给出了小球的稳定平衡状态，图(b)给出了小球的不稳定平衡状态。图4-2-5稳定平衡与不稳定平衡图4-2-6放大特性和反馈特性1.振幅平衡的稳定条件 若认为振荡器反馈网的F(ω)是恒定的，则稳定平衡时放大器的A(ω)～Vi

m关系可用平衡点Q来表示，如图4-2-6所示。图中A(ω)～Vim关系称为放大特性，1/F(ω)～Vim关系称为反馈特性。 由此，可得振幅稳定的幅频条件为 通常将图4-2-6(a)对应的振荡器称为软激励振荡方式。它在A(ω)F(ω)＞1条件下，无需外加激励信号，便可产生振荡。图4-2-6(b)对应的振荡器称为硬激励振荡方式。这种振荡器不能自行起振，要预先加一定幅度的激励信号，使之冲过Q′点对应的Vim后，振荡才可能稳定在Q点上。2.频率稳定的相位条件 不稳定因素除了破坏信号幅度外，也会破坏振荡频率。电路的所谓频率稳定功能是指平衡条件下的相位变化规律遭到破坏时，电路本身具有恢复原相位变化规律的能力。 因此，频率处于稳定平衡的电路条件，即频率稳定的相位条件为 式中Q可以理解为平衡时的信号频率ωosc，即振荡信号频率。 ①为了提高频率的稳定性，应尽可能提高图4-2-7所示曲线在Q点斜率的绝对值；图4-2-7频率稳定的相频特性 ②考虑到振荡回路的选频特性，在ω远离ωosc后电路A(jω)F(jω)不能满足振幅的平衡条件，所以我们实际只应考虑ωosc附近的频相特性； ③考虑到外界干扰的不可避免性，实际的振荡频率ω′osc与上述振荡频率ωosc总存在差异。4.3反馈型LC振荡电路分析 反馈型LC振荡器与其它反馈型振荡器的显著差异在于它的信号环路中存在一个由LC元件构成的选频谐振回路。这类振荡器按LC谐振回路引出端的个数不同可以分为两点式振荡器和三点式振荡器两类。4.3.1互感耦合振荡电路 互感耦合振荡器的LC是作为整体运用于振荡环路的，它有两个引出端，因而也称为两点式振荡电路。1.差分对管式互感耦合振荡电路 图4-3-1(a)中差分对管VT1、VT2构成了振荡电路的放大部分。图4-3-1差模传输特性2.单管式互感耦合振荡电路 图4-3-2(a)所示电路就是由单晶体三极管作为非线性放大元件来构成的一例振荡电路。图4-3-2互感耦合型单管集电极 通常称这种跨导gm为平均基波跨导，它与gie和goe都与环路信号大小、放大器工作点的位置有关。 式(4-3-10)说明，回路的损耗r1、r2越大，线圈耦合M越弱，则电路起振时所需的跨导gm值就应越大。 式(4-3-11)说明，振荡电路的振荡频率的大小不完全取决于LC并联回路。在上述条件下，振荡器的角频率ωosc略高于谐振回路的固有振荡角频率 。

图4-3-4给出了不同的单管振荡器。从选频回路所在的电极来看，它们都不利于及时滤出三极管集电极输出的谐波电流成分。从而使电路的电磁干扰加大，集电极电压增大。图4-3-4互感耦合振荡电路举例利用非线性的场效应管作为放大元件也能构成振荡电路，图4-3-5为一结型场效应管振荡电路。在振荡开始时，栅源间的PN结近似为零偏压，这时场效应管的漏极能允许通过较大的电流，有利于刚加上的直流电压源在LC回路中形成原始的振荡波；随着振荡的进行，场效应管的栅源偏压由近似为零向负值增大，场效应管的漏极电流就可能在信号周期内的部分时间为零，LC回路的交流能量补充受到限制，即场效应管栅漏极间的基波跨导相应减小，直至最终达到平衡。图4-3-5为结型场效应管振荡3.集成放大器组成的振荡器 图4-3-6(a)所示电路是由集成放大器CX1550构成的振荡电路。 综上所述，选取不同非线性放大元器件所形成的振荡电路，其基本工作原理是相同的。图4-3-6CX1550高频振荡器4.3.2三点式振荡电路 三点式电路是指谐振回路引出的三个端点与非线性增益元器件的三个信号端相连接而成的电路整体。1.三点式振荡电路的相位构成原则 在不失一般性的前提下，我们将非线性放大元器件用受控电源来代替，则三点式交流电路的一般构成形式如图4-3-7(b)所示。图4-3-7三点式电路的交流模型 这就说明LC三点式振荡电路的Xce、Xbe必须是同性质的电抗，即同为感性或同为容性；Xcb与Xce和Xbe必须是相反性质的电抗，即你为感性我为容性，或你为容性我为感性。图4-3-8的电路就是满足这些关系的实例。通常称这些关系为三点式振荡电路的相位组成原则。图4-3-8三点式振荡电路的正反馈构成情况 由此可见，近似地将图4-3-7中的放大部分去掉后，令串联谐振回路的电抗为零的方法就能很方便地求得ωosc，这与式(4-3-14)的结论相同，即振荡电路的振荡频率近似等于串联谐振回路的谐振频率。2.电容反馈三点式振荡电路 电容反馈三点式振荡电路如图4-3-10所示，图(a)为原理电路，图(b)为交流等效电路。该电路也称为“考毕兹”(colpitts)电路。图4-3-10单管电容三点式振荡器3.电感反馈三点式振荡电路电感反馈三点式振荡电路如图4-3-13所示。图(a)为三极管振荡电路的原理电路，这种电路也叫哈特雷(Hartley)电路，其工作原理与电容三点式电路相似。由图可见，这种电路的串联LC谐振回路引出的三个端点，分别与放大元件的三个电极相连接，所以它属于三点式电路。又因其满足三点式振荡电路的相位组成原则，即谐振回路的ce端口有电感L1显感性，be端口有电感L2显感性，cb端口有电容C显容性，因此叫它为电感三点式振荡器。图4-3-13电感反馈三点式振荡电路 (1)图4-3-10的电容反馈三点式电路ce端的电容对非线性放大元器件的输出谐波电流有较好的滤除作用；同时，be端口的电容也不利于谐波电压的存在，因此由非线性放大元器件产生的谐波信号不易在环路中保存，振荡器输出谐波分量小，输出波形较好，波形更接近理想正弦波。 (2)图4-3-13的电感反馈三点式电路ce端的电感不利于滤除非线性放大元器件的输出谐波电流，be端口的电感也不利于滤除谐波电压，因此振荡回路中存在较多的谐波成分，输出谐波分量大，输出波形不好。4.3.3直接反馈振荡器 这类振荡器属LC两点式振荡电路。它的LC回路作为整体运用于振荡环路中。4.4振荡器的频率稳定性分析 首先对频率稳定的度量标准进行说明如下。 振荡频率的稳定性常用频率准确度和稳定度两个指标来衡量。其中，频率准确度分为绝对频率准确度，又称频偏。用振荡器的实际工作频率fosc与标称频率f0之间的偏差Δf，即Δf=fosc-f0来表示。相对频率准确度用Δf/f0来表示，即Δf/f0=(fosc-f0)/f0 而频率稳定度是指：在规定的时间间隔内，频率准确度的最大绝对值。具体可分为绝对频率稳定度，即|fosc-f0|max|特定时间间隔和相对频率稳定度，即δ=|fosc-f0|max/f0|特定时间间隔 按照观测时间间隔的不同，频率稳定度又分为长期、短期和瞬时三种。长期频率稳定度是指一天以上乃至几个月内频率变化的最大值。短期频率稳定度是指在一天以内频率相对变化量的最大值。瞬时频率稳定度是对秒钟以内频率随机变化情况，也就是瞬间频率无规则变化的情况提出的。4.4.1LC反馈型振荡器的稳频方法分析 (1)元器件参数对ωosc的影响。由式(4-4-6)和品质因素的表达式可得 显然，上式中的ge、Ce、φy和L都受增益元器件参数的影响，对此我们应尽量减少外界因素对增益元器件参数的影响，并同时减小参数对ge、Ce、φy和L的贡献。 (2)在增益元件参数不变情况下，来说明外接LC回路性能对ωosc的影响。 对上述两点，我们一般用回路标准性来衡量振荡频率不受外界因素影响的能力。标准性越高，回路的Q越高，ω0越稳定。 (3)减小负载变化对ωosc的影响。为此可由式Q=Ceω0/ge和式(4-4-6)得 由此在振荡器与负载之间应加入隔离缓冲放大器，如跟随器等电路。 综上所述，减小ωosc波动的关键是：减小外界电磁干扰，提高直流电源的稳定性；优选电路结构；选择稳定性能好的电路元器件，选用φy小的增益和反馈元件；采用高Q的谐振选频回路。4.4.2改进的三点式电路结构1.串联改进型电容三点式振荡电路，即克拉泼振荡电路(Clapp电路) 克拉泼电路的振荡频率为ωosc≈(LC)-0.52.并联改进型电容三点式振荡电路，即西勒振荡电路(Shelle电路) 西勒电路振荡频率为ωosc≈[L(C4＋C3)]-0.5

4.4.3石英晶体振荡电路1.石英晶体物理性能 石英晶体的化学成分是SiO2，形状为结晶六棱锥体。这种晶体的导电性能与金属导电性能不同，它与晶格方向有关。 把石英晶体切成片叫石英片，按一定方位可以分成AT、BT、CT、DT等各种切型。 一个石英谐振器既可利用基频振动，也可利用其泛音振动。专门用于基频振动的晶体称为基音晶体，专门用于泛音振动的晶体称为泛音晶体。2.石英晶体的阻抗特性 把晶体当作电路元件运用的基础是晶体的外特性具有LC谐振回路的特点。 为便于说明晶体的阻抗特性，我们对等效电路基波回路所对应的基波频率附近的阻抗特性进行分析，即对图4-4-6(a)进行分析。图4-4-6晶体的阻抗特性分析(不含谐波)3.石英晶体在振荡选频电路中的运用 (1)晶体作电感时，振荡电路的谐振频率往往由晶体外的电容来确定。 (2)晶体作串联选频网络运用时，它的选频特性和回路的标准性都很好。4.串联型晶体振荡电路 这类电路中的晶体是以串接的方式接于信号环路的，晶体所在支路被看成为串联谐振回路，并谐振于振荡器的振荡频率。5.并联型石英晶体振荡电路 并联型晶体振荡电路的晶体支路并不单独构成谐振回路，它往往与其它电容元件一起构成并联谐振回路。6.关于晶体的谐波及其利用 由于晶体的多谐性，在晶体振荡电路中还应考虑对奇次谐波的滤除问题。 但只要能满足起振条件，晶体的谐波有时也是有用的。我们将专门利用其谐波的晶体称为泛音晶体，它比具有相同频率的基波晶体更厚，机械强度更强，更不易老化，性能更稳定。4.5*反馈型RC振荡电路分析 正弦波振荡器的滤波电路除了采用LC回路外，还可以由RC元件来构成。通常称这类反馈型振荡器为RC振荡器。1.文氏电桥振荡器 文氏电桥振荡器选用的选频电路如图4-5-1所示，通常称它为RC串并联选频电路。图4-5-1反馈振荡器的RC串并联选频滤波环节2.移相振荡器 移相振荡器的最大特点是没有性能比较好的选频反馈网络，它的反馈网主要用于完成环路信号的正反馈需求。4.6*振荡器的负阻特性及其负阻振荡器1.负阻元件的特性 图4-6-1示出两种负阻器件的伏安特性，图(a)为电压控制器件特性，或称N型负阻器件特性，其电流为电压的单值函数。图4-6-1负阻特性的典型曲线 从能量的角度来看，具有上述特性的器件仍然是耗能器件，因为它的电压和电流真实方向在任何时间都是关联的。之所以将具有这样特性的器件叫负阻器件，是因为它的交流特性在特定的区域内具有交流负阻的功能。2.负阻振荡电路 由负阻器件取代反馈增益元器件形成的振荡电路包括负阻器件和选频网络两部分。 (1)起振和起振条件。由于电源的加入，谐振回路在获得能量的同时，也会产生一个交变的电压，若这时回路总的交流电阻满足R＝rdRL/(rd＋RL)＜0即rd＞-RL

则回路中的交流能量就会不断地增大，即由回路特性决定的正弦波振幅将增加。 (2)平衡的进入和平衡条件。由图4-6-4可知，随作回路(二极管上)电压振幅的不断增大，二极管的动态区域会扩大。 (3)抗干扰能力。根据上述平衡原理，我们不难理解回路所具有的振幅稳定特点，对于回路的频率稳定条件，也可以由谐振回路的频率与相移的单调减函数关系来