笫5章 正弦波振荡器1

笫5章正弦波振荡器

本章要点一、振荡器概述、LC

振荡器的基本工作原理LC振荡器的基本构成振荡的三大条件三、LC振荡器的电路分析三点式振荡器电路（考毕兹、哈特莱、改进型）四、振荡器的频率稳定度频率稳定度的计量导致振荡频率不稳定的原因及主要稳频措施晶体振荡器石英谐振器的基本特性晶体振荡器电路2001年9月--12月1《通信电路原理》--无九一、振荡器概述

（1）定义：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(一定频率，一定幅度）交变能量的装置。（2）分类：

按振荡波形分类：振荡器分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。输出波形接近于理想正弦波的称为正弦波振荡器，波形为方波、矩形波或其它波形的称为非正弦波振荡器。

按工作机理分类：根据产生振荡的机理，正弦振荡器还可分为反馈振荡器和负阻振荡器。

按选频网络分类：分为RC振荡器、LC振荡器、晶体振荡器以及压控振荡器（VCO）、压控晶体振荡器（VCXO）等。随着集成技术的发展，相继又出现了集成振荡器、开关电容振荡器等。2001年9月--12月2《通信电路原理》--无九S120t

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（当从能量角度：振幅衰减由于在回路存在损耗。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。－－反馈振荡器抵消回路存在损耗，采用负阻器件如隧道二极管

。－负阻振荡器）2001年9月--12月3《通信电路原理》--无九振荡器概述（续1）（3）应用：

无线电发射机用它产生载荷信息的载波信号。

超外差接收机用它产生本地振荡信号。

各种电子测量设备和计时仪表用它产生各种频率信号和频率（或时间）基准信号。

工业生产部门广泛应用的高频电加热设备等。（4）基本构成：

一个由储能元件构成的决定振荡频率的选频网络。

一个在规定频段内具有能量变换（或放大）作用的换能机构。（有源器件--放大器）

一个有助于补充元器件能量损耗和保证振荡器工作稳定的反馈电路。

一个对振荡强度具有自动调整作用的非线性元件。事实上，在晶体管正弦振荡器中，晶体管既起着能量变换的作用，又起着调整和控制振荡强度的非线性作用。2001年9月--12月4《通信电路原理》--无九振荡器概述（续2）（5）分析方法：

由于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，或者说是一个非线性动态网络，因此要对它进行分析，至少需求解一个二阶以上的非线性微分方程。但这类方程的求解是很烦冗的。

求解一个二阶以上的非线性微分方程，需采用CAD方法。

为便于定性分析阐明振荡器的振荡特性，本章在进行电路分析时，仍采用电路参数的准线性分析法和零极点分析法。

反馈振荡器是一个非线性闭环系统，其特性需用非线性系统的分析方法来加以分析。

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作状态。2001年9月--12月5《通信电路原理》--无九二、LC

振荡器的基本工作原理互感耦合LC振荡电路（1）

工作原理：MM返回正弦波振荡器工作是基于二阶RLC回路的自由振荡。反馈振荡器是靠正反馈补充必要的交变能量，以维持回路内部的能量平衡。讨论工作原理－－揭示环路产生等幅持续振荡条件。互感耦合LC振荡器靠变压器初、次级线圈同名端保证正反馈。2001年9月--12月6《通信电路原理》--无九（p261）0t

谐振放大器相移放大倍数A

反馈电路相移反馈系数F振荡是如何产生的？电路接通瞬间加于晶体管基极的阶跃输入电压或电扰动包含许多谐波分量谐振回路选出谐振频率分量反馈到输入端放大回路选频反馈输入端放大，反复循环振荡进入平衡状态。振荡为什么会进入平衡状态？2001年9月--12月7《通信电路原理》--无九互感耦合LC振荡电路（续）

返回反馈振荡器振荡必须满足三大条件：起振条件：指振荡电压从无到有逐步增长的条件。平衡条件：指使振荡幅度和频率维持在相应的平衡值上的条件稳定条件：指受外界不稳定因素的影响，振荡器平衡状态破坏，能使振荡器恢复平衡状态的条件。由以上分析得到：振荡建立过程中管子工作状态是变化的：A类AB

BC，放大倍数是变化的。振荡器是闭环反馈环路，由放大器演变而来。2001年9月--12月8《通信电路原理》--无九1、起振条件：相位起振条件：正反馈，幅度起振条件：AF>1。

系统将由微小的电冲击而产生增幅振荡

2.振荡的平衡条件从非线性的角度定性分析：振荡是如何平衡的？

由于AF>1，振荡幅度不断增长，晶体管进入非线性区。

是尖顶余弦脉冲，谐振回路选出余弦脉冲基波分量。放大器的放大倍数A

减小。0AF=1

AF=1，振荡进入平衡。线性反馈特性：振荡特性曲线：振荡的起振、平衡和稳定条件的分析反馈特性振荡特性平衡条件？2001年9月--12月9《通信电路原理》--无九2.振荡的平衡条件（续1）从等效电路角度定量分析：M晶体管等效电路。

振幅平衡条件：

相位平衡条件：对于所有的振荡器，得出的振荡平衡条件为：ebc或2001年9月--12月10《通信电路原理》--无九2.振荡的平衡条件（续2）

当工作频率较高时，引起回路传输系数和相移的因素是很多的：

晶体管输入阻抗

晶体管电流增益

谐振回路阻抗

反馈系数振荡平衡条件表示为：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。如令则上式为：2001年9月--12月11《通信电路原理》--无九2.振荡的平衡条件（续3）讨论：（1）振荡器要产生振荡，必须同时满足振荡的起振条件和平衡条件。平衡条件是产生振荡必要条件。（2）若假设：

振荡频率远小于晶体管的截止频率（），。

晶体管输入阻抗是纯阻，。

反馈回路：。振荡器工作于LC并联谐振回路的谐振频率处，。振荡器的振荡频率=并联谐振回路的谐振频率。这是理想情况：2001年9月--12月12《通信电路原理》--无九2.振荡的平衡条件（续4）（3）实际情况分析：，不是零，不是。当、、的数值已知时，振荡器的实际振荡频率也就确定了。实际振荡频率由相位平衡条件决定但由于Q高，计算时可近似认为回路频率为振荡频率。为满足相位平衡条件，回路必须有相移2001年9月--12月13《通信电路原理》--无九3.振荡的稳定条件振荡的稳定条件包含振幅稳定条件和相位稳定条件。（1）振幅稳定条件振幅稳定条件是指振荡器的工作状态在外界各种干扰的作用下（如在电压波动、温度变化、噪声等作用下）偏离平衡状态时，系统自动恢复到原来的平衡状态所应具备的条件。

P点是一个稳定的平衡点。

平衡点附近振荡特性斜率的变化应小于反馈线斜率的变化。

稳定点的条件为：2001年9月--12月14《通信电路原理》--无九（1）振幅稳定条件（续）

另一振荡器的振荡特性讨论：与上图不同，该振荡器晶体静态工作点位于转移特性接近截止的非线性区。

如图所述两平衡点中，只有P点是稳定的，故常称P点为稳定的平衡点，B点为不稳定的平衡点。这种起振时需要外加冲击的电振荡称为“硬激励”，那些不需冲击而能自由产生振荡的现象称为“软激励”。若要使该振荡器能进入稳定的平衡点，在起振时应给晶体管加一电冲击，并使冲击.电压大于，这样自由振荡就可以产生。2001年9月--12月15《通信电路原理》--无九（2）相位稳定条件相位稳定条件是指：当处于平衡状态的系统受到某一外来因素的干扰，相位平衡状态受到破坏，总相移角大于或小于时，环路是否具有自动恢复平衡状态重新回到的条件。系统相位平衡时振荡频率为。

当外来干扰使环路总相移增加即产生超前相位增量+时，这就意味着反馈电压超前于原有输入电压（前一次反馈电压）一个相角。

相位超前就意味着周期缩短，故环路的振荡频率也因而有所提高，若有一特性能产生一滞后的相移增量，则将阻止频率的升高。2001年9月--12月16《通信电路原理》--无九（2）相位稳定条件（续）

经过若干个周期后，该滞后增量逐渐增加，最终等于外界因素引起的超前增量+时，使环路总相移重新恢复：

由以上分析可知，具有如上图所示相位关系的系统，其相位是稳定的，故相位稳定条件为：系统内应含有某一相频特性具有负斜率的单元，在LC振荡器中恰好可以由LC并联谐振回路来完成。

为了抵消不稳定因素引入的相移增量，要求系统的振荡频率有相应的偏移，两者之间产生了频差

。

显然，这是不希望的。为此必须加大LC回路的有载Q值，因为当Q值提高时，回路相频特性斜率也相应加大。这样，要产生同样的相位增量，只需较小的频率偏移，从而提高了系统的频率稳定性。2001年9月--12月17《通信电路原理》--无九振荡的三大条件小结：1、起振条件：振幅起振条件：AF>1相位起振条件：2、平衡条件：振幅平衡条件：相位平衡条件：或分析问题用3、稳定条件：振幅稳定条件：相位稳定条件：2001年9月--12月18《通信电路原理》--无九自给偏置对振荡状态的影响00振荡器一般采用自给偏置和固定偏置相结合的混合偏置电路。CeCb起振过程2001年9月--12月19《通信电路原理》--无九自给偏置对振荡状态的影响（续1）

合理选择元件的参数值，使起振前电路的静态工作点Q位于伏安特性段的中点。

在振荡最初阶段，由于振荡幅度较小，振荡器工作于A类状态，偏置电压基本上为一与振荡幅度增长无关的恒定值。

随着振荡幅度的增加，即动态特性区域扩大，振荡将部分进入非线性区，导致基极电流、集电极电流畸变，而形成直流电流增量，并导致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。

随着振荡幅度的增加，通角将减小，将减小，从而使得基波电流幅度和晶体管增益A减小，直至AF=1，电路进入平衡状态。上图示出振荡器的起振过程。

自给偏置的设置加速了振荡进入平衡状态的过程。2001年9月--12月20《通信电路原理》--无九举例：习题5-4画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。图（A）图（B）2001年9月--12月21《通信电路原理》--无九画高频（交流）等效电路的原则：1、高频扼流圈开路，滤波电容短路2、电源交流接地3、旁路电容、耦合电容一般情况下短路关于互感耦合振荡器符合相位平衡条件同名端的判断：1、共基接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相同的同名端。2、共发接法振荡器：耦合线圈初、次级绕组必须对地具有相反的同名端。2001年9月--12月22《通信电路原理》--无九举例：5-4（续）画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。图（C）2001年9月--12月23《通信电路原理》--无九习题：5-2，5-3，5-8（c）、（d）2001年9月--12月24《通信电路原理》--无九举例：5-4（A）画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。返回图（A）2001年9月--12月25《通信电路原理》--无九举例：5-4（B）画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。返回图（B）2001年9月--12月26《通信电路原理》--无九举例：5-4（C）画出互感反馈振荡器的高频等效电路。要使电路能产生振荡，请注明互感线圈各同名端的位置。返回图（C）2001年9月--12月27《通信电路原理》--无九附录：第二、第三章部分习题答案2－3答：取f0=1/T0,滤波器的通频带应该略大于f0+3f0,以保证f0和3f0频率分量通过，而高于3f0的分量被滤除。假定f0分量的延时为0，为使3f0分量产生T0/12的延时，在该频率分量处，滤波器的相位－频率特性应该具有2

f0T0/12=/6的相移。2－6通带扩大4倍，在回路两端并一个阻尼电阻R。例1：L=253.3uH,Q=100,Z为Rx和C串联，Rx=15.9欧姆C=200PF或Z＝（15.9-j795.8)欧姆。例2：等效谐振电阻不接RL,Bw将变窄。2001年9月--12月28《通信电路原理》--无九2－8幅频特性：相频特性：2－9答：巴特沃斯逼近，在通带内的幅度－频率特性起伏最小；切比雪夫逼近，在通带内的幅度－频率特性以振荡的形式起伏；贝塞尔逼近，在通带内的群延时特性最好；椭圆函数逼近，幅度－频率特性的通带到阻带过渡带窄。2001年9月--12月29《通信电路原理》--无九RS＝600L1=600