Chapter 4 正弦波振荡器111019

Chapter4

正弦波振荡器§4.1概述§4.2反馈型LC振荡器工作原理§4.3反馈型LC振荡器线路§4.4振荡器的频率稳定问题§4.5高稳定度LC振荡器§4.6石英晶体振荡器§4.7其他形式的振荡器习题还可用于：信号发生器数字时钟仪器中的振荡源┄┄§4.1概述

注：本章讨论的是自激式振荡器，它是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅度的交变能量电路。二、振荡器的分类：按波形分：正弦波振荡器和非正弦波振荡器按工作方式：负阻型振荡器和反馈型振荡器按起振方式：自激式振荡器和它激式振荡器按选频网络所采用的元件分：

LC振荡器、RC振荡器和晶体振荡器等类型

一、振荡器的功能：

振荡电路的功能：在没有外加信号的条件下，自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。三、振荡器的主要性能指标：振荡频率、频率稳定度、振荡幅度和振荡波形等。§4.2反馈型振荡器基本工作原理--------------------正反馈放大器（如图）一、反馈型振荡器电路组成反馈型

正弦

振荡器的电路构成：

1)放大电路

2)反馈回路

3)选频回路反馈型正弦

振荡器原理电路+

–

uf

uc

L

C

+

–

+

ui

K

1

2

Rb2

Re

Ce

+VCCM

+

–

–

us

uf反馈型正弦

振荡器原理电路+

–

uf

uc

L

C

+

–

+

ui

K

1

2

Rb2

Re

Ce

+VCCM

+

–

–

us

uf要让起振信号由小到大不断增长，即：起振条件

二、工作过程分析

1.振荡的建立与起振条件

①

起振：·在电源开关闭合的瞬间，产生冲击电流ic；·ic流经LC回路，在谐振点ω0

产生正弦波电压uo·uo经反馈网络形成反馈电压uf作为信号源送往基级·电压uf馈入晶体管基极，晶体管放大形成ic；反馈型正弦

振荡器原理电路+

–

uf

uc

L

C

+

–

+

ui

K

1

2

Rb2

Re

Ce

+VCCM

+

–

–

us

uf②增长：起振信号十分微弱，若经(放大—选频—反馈)多次循环，∴一个与谐振回路固有频率相同的自激振荡便由小到大地增长起来。

③

振荡建立条件起振时振荡信号很小,放大器工作于线性状态。

2、振荡的平衡与平衡条件且∵A0>1/F，∴信号幅度由小到大不断地增长起来。信号振幅↑到一定幅度后,晶体管进入非线性状态，θc

随振幅增大而↓；此时放大器增益A：1)放大器工作状态：A

表达式讨论：①2)反馈网络通常是线性网络，F不变③

∴

A幅度随θc↓而减小②可见：随着振荡幅度增加，电压增益A随之减小。3）振荡平衡建立：（1）振幅平衡过程：\幅度平衡条件为：放大与反馈增益

随振荡幅度变化图

起振A>1/F→U0m↑→进入非线性放大→

A↓→

A=1/F

→振荡平衡。(2）相位平衡条件讨论：∴相位平衡条件可写成：∴正反馈必须满足∴振荡平衡条件为：

2、振荡的平衡与平衡条件

（3）相位平衡时谐振回路工作特性讨论：相位平衡时：在实际高频电路中，∴要保证相位平衡条件，必须满足:根据谐振回路相频特性可见，实际振荡频率为ωc

(如图)反馈型正弦

振荡器原理电路+

–

uf

uc

L

C

+

–

+

ui

K

1

2

Rb2

Re

Ce

+VCCM

+

–

–

us

uf1）振荡器幅度稳定平衡条件讨论：①分析振荡平衡稳定条件：振荡电路有：当Ucm因某原因变化时，要使其重新恢复到平衡点，须AF反方向变化。∵F不变，则A须反方向变化，②验证Q

点的稳定性3、振荡平衡状态稳定的条件稳定平衡:振荡平衡遭破坏时，线路本身能重新恢复到平衡状态的称之。2）相位平衡稳定条件：振荡电路相位:在较窄频率范围内，§4.3反馈型LC正弦振荡器线路LC振荡器按其反馈网络的不同分为:三点式振荡器作为重点。互感耦合振荡器电感反馈式振荡器电容反馈式振荡器一、互感耦合振荡器1）组成：互感耦合振荡器是依靠线圈之间的互感耦合实现正反馈的，耦合线圈同名端的正确选择，是正反馈的的保证。2）分类：

根据振荡回路所在位置分：有三种形式：调基电路、调集电路和调发电路；根据其中放大器电路形式分：有三种形式：共基电路、共集电路和共射电路；3）特点：互感耦合振荡器在调整反馈(改变M)时，基本上不影响振荡频率。但由于分布电容的存在，在频率较高时，难于做出稳定性高的变压器。因此，它们的工作频率不宜过高，一般应用于中、短波波段。4）“瞬时极性法”判别振荡的相位条件：│AF│>1判别振幅条件

5）振荡频率：(a)

共射调基电路（b）共射调集电路（c）共基调射电路二、电容反馈式振荡器（考毕兹电路、也称电容三端式振荡器）三点式LC振荡电路工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度比变压器耦合振荡电路高一些，约为10–3~10–4量级，采取一些稳频措施后，还可以再提高一点。1.基本电路2.振荡的相位条件判断

(“瞬时极性法”判别)3.交流等效电路基本电容三点式振荡器(考毕兹电路)3.起振振幅条件分析①等效电路(如下图)起振时：②分析：放大器增益：③讨论*输出总电导越小，Au0越大，越容易起振。*F

越大，越小，但Fgo越大，越不易起振，∴并非越大越好。*振荡频率为：反馈系数：

Lp2gie1

goe

+–UcCRLΣ4.考毕兹电路的特点：1）电容反馈三端电路的优点是振荡波形好。2）电路的频率稳定度较高，适当加大回路的电容量，就可以减小不稳定因素对振荡频率的影响。3）电容三端电路的工作频率可以做得较高，可直接利用振荡管的输出、输入电容作为回路的振荡电容。它的工作频率可做到几十MHz到几百MHz的甚高频波段范围。电路的缺点：调C1或C2来改变振荡频率时，反馈系数也将改变。但只要在L两端并上一个可变电容器，并令C1与C2为固定电容，则在调整频率时，基本上不会影响反馈系数。电路的优点：③振荡频率为三、电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路)

(a)共发电感反馈三端式振荡器电路(b)电感三端式等效电路1.基本电路①相位条件判断(“瞬时极性法”判别)2.起振条件:②振幅条件电路的优点：1）L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；2）振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。

而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。电路的缺点：

1）振荡波形不好，因为反馈电压是在电感上获得，而电感对高次谐波呈高阻抗，因此对高次谐波的反馈较强，使波形失真大；2）电感反馈三端电路的振荡频率不能做得太高，这是因为频率太高，L太小且分布参数的影响太大。3、哈特莱电路的优点：四、LC三端式振荡器组成法则(相位平衡条件的判断准则)三端式LC振荡器是一种反馈式LC振荡器,如图;总结电路规律，得出其振荡的相位条件：

3、在振荡频率点，电路必须满足：

xbe+xce+xcb=0(c)三端式振荡器的原理电路

1、为保证uf=-uo、Xce与Xbe要为同性质电抗。电容/电感三端式振荡器皆满足。

2、为满足振荡条件：

Xbc要与Xbe、Xce为异性质电抗。(a)(b)§4.4振荡器频率稳定原理一、基本概念：频率稳定度：一段时间内，振荡器的实际工作频率与标称频率间相对偏差的最大值。长期频率稳定度：时间在一天以上的稳定度。主要检测元器件老化特性引起的频率稳定度。短期频率稳定度：时间在一天以内的稳定度。主要检测温度、电源电压和电路参数不稳定性等引起的频率稳定度。瞬间频率稳定度：时间在一秒以内的稳定度。主要检测由于频率源内部噪声而引起的频率起伏，，二、频率稳定度分析1)

求ωC：由于φYZ

的存在,引起振荡器的工作频率ωc偏离谐振频率ω0

。设：ωc偏离谐振回路的ω0

有Δωc。先求Δωc：二、频率稳定度分析上式表明，振荡器的工作频率ωc

是ω0、φYF、Q、的函数。这三者的变化都将会引起振荡器的工作频率不稳定。∴求其全微分：

→02)引起ωC不稳定因素上式表明，要工作频率ωc

稳定，应使φYF尽量小、Q尽可能大；且Δω0

、ΔφYF、ΔQ、尽量小，三、稳频措施：(一)减小外因的变化

影响Δω0、ΔφYZ、ΔQ

的外部因素包括温度变化、电源电压变化、振荡器负载变动、机械震动、湿度和气压变化及外界电磁场影响等。它们作用于回路元件LC及晶体管工作点等，引起频率不稳。措施：恒温---使温度变化尽可能小；采用稳压电源提高电压稳定度；采用射随器以减小负载变化对振荡器的影响；将电感线圈密封或者固化以减小湿度变化；采用减震措施减小机械震动；可用屏蔽措施等减小电磁场影响等等。(二)提高电路参数抗外因变化的能力

由上式知：Δω0

,ΔQ

越小,Q

越大，频率稳定度越高。Δω0取决于ΔL和ΔC，ΔQ决于LC的稳定。措施如下：

1）可选高稳定性LC,并用正温度系数电感和负温度系数回路电容进行温度补偿。

2）减少晶体管的影响：

①采用部分接人方式减小Cie不稳定量对C2影响。这是提高频率稳定度的主要方式

②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,而且fT越高,晶体管内部相移φY越小。通常选择fT

>(3～10)fCmax。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。

3)选用高品质因数Q的电感和参数稳定的电容，以减小外因变化而引起的ΔQ。(三)选用φYF小的电路形式电容三点式的反馈支路是电容，其φYF比采用电感反馈的电感三点式要小，∴高稳定度振荡器选用电容三点式电路。§4.5高稳定度LC振荡器一、基本电容三点式振荡电路稳定性的分析：在电容三点式电路中：晶体管的输出电容Coe和输人电容Cie分别与回路电容C1、C2相并联。这些电容变化直接影响振荡频率。∵Coe、Cie与工作状态和外界条件有关，当外因引起Coe、Cie变化时，将会引起回路总电容发生变化。从而引起振荡频率的变化。当Coe变化ΔCo

,Cie

变化ΔCi

时，总电容的最大变化：电容三点式电路稳定度较高，∴高频时多选用电容三点式电路上式讨论：由上式知：要提高频率稳定度可选择高fT晶体管、减小接入系p1、p2

和增大总电容量。但基本电容三点式振荡器的p1、p2不可能同时减小；而在振荡频率一定时增大总电容量就要减小回路L，这将会使谐振阻抗RP下降,可能使振荡器不满足振幅起振条件而停振(A0=gcRp)。∴基本电容三点式振荡器频率稳定度不可能太高。要提高频率稳定度可从电路形式上改进。二、克拉泼电路1。总等效电容：∴克拉泼电路的振荡频率几乎与C1、C2无关。（a）克拉泼电路的实用用电路（b）高频等效电路2。因为小C3接入，使接入系数p1、p2减小，稳定性提高。同时，C1或C2可以增大，使Coe、Cie的影响进一步减小。但p1、p2减小,电感损耗电导g0及负载RL折合到ce两端的RΣ’增大，不利于起振。分析：改进电路：交流等效电路：通常C3远远小于C1或C2，三、西勒(Seiler)电路振荡频率:(a)实际电路(b)高频等效电路电路特点：电路：1.电感L并联可变电容C4,其回路等效电容:2.C4改变振荡频率不影响p1、p2，∴能在较宽范围内调节频率。可见：保持了晶体管输入输出电容与回路弱耦合，频率稳定度高。交流等效电路：一、石英晶振性能复习§4.6晶体振荡器1)

石英晶体振谐器的等效电路和频率特性2)石英晶体的特点：∴石英晶体的Q值很大，一般为几万到几百万。这是普通LC电路无法比拟的。②等效电感Lq很大，约20mH～5H。Cq很小，石英晶体的Q值为：①等效电路中很小，∴外电路的影响很小。

（C0约2～5PF，但动态电容Cq特别小，约10-3~10-4

PF）

1．并联型晶体振荡器（皮尔斯振荡电路）

1）电路：典型电路如图,晶体工作在fq和fp之间，呈感性。该电路满足三端式振荡器的组成原则,并采用电容反馈。二、晶体振荡器电路

晶体振荡器的电路类型很多,但根据晶体在电路中的作用,可以将晶体振荡器归为两大类:并联型晶体振荡器和串联型晶体振荡器。②由等效电路可见：③由于晶振的Q

值和特性阻抗

都很高，所以晶振的谐振电阻也很高，一般可达1010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。2）特点

由于高接入系数，外电路对振荡频率的影响很小。振荡频率基本由石英晶振参数决定，而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。①频率并联型晶体振荡器的实用线路3)实际电路200W12VC1V168kW3/15pF20pF15kW33kW750W3DG6C300pF4700pF30W1kWC2f1(MHz)1515C1(pF)600350120C2(pF)750510320C1C1RL

2．串联型晶体振荡器

1）电路：该电路满足三端式振荡器的组成原则,并采用电容反馈。石英晶体串接在反馈支路上，且工作在fq频率。VCCVLC2C1（a）C1C2LVJT（b）2）稳频原理：当振荡频率等于串联谐振频率时，晶体等效为短路。当振荡频率偏离串联谐振频率时，晶体不再等效为短路：频率偏低时等效为电容；频率偏高时等效为电感。这样在反馈支路中就要引入一个附加相移，从而将偏离频率调整到串联谐振频率上，确保有较高的频率稳定度。

3．泛音晶体振荡器泛音晶体皮尔斯振荡器VLC13/15pF430pF220pF20pF5.6mH电路实例（泛音晶体皮尔斯振荡器）CoLqC1C2rqbceCqaL如图电路振荡频率为5M（五次泛音），则采用一并联谐振回路LC1取代电容三点式振荡器的反馈支路中的C1，其谐振频率选在低于五次、高于三次泛音频率上。∴在五次泛音频率上，其等效为电容，满足相位平衡条件。而对于三次泛音频率和基频等效为电感，不满足相位平衡条件，不能振荡。要求：1.要确保振荡器准确地调谐在所需的奇次泛音频率上；

2.必须有效地抑制可能在基频或低次泛音上产生的振荡。为达此目的，常用并联谐振回路来代替反馈支路中的某一元件，以保证只在要求的奇次泛音上满足相位平衡条件，在基频和低次泛音上则不满足相位平衡条件。f01f3pf5pfp§4.7负阻振荡器一、负阻的概念负阻器件是指它的增量电阻为负值的器件。例隧道二极管：它的伏安特性如图所示。若将静态工作点设置在负阻区(AB)，并加上微弱正弦电压u＝Umsinωt，则：形成的电流为：交流电流与所加交流电压反相.平均功率为：管子两端电压为：这说明负阻器件的负阻区具有将直流功率的一部分转换为交流功率输出的作用。因此，可以利用负阻区的这一作用构成负阻振荡器。*负阻器件分电压控制型负阻器件和电流控制型负阻器件。二、负阻电路----电压控制型负阻振荡器（如图）：1）建立合适的静态工作点Q，并使rs=R1//R2远小于rd；2）隧道二极管与LC谐振回路以并联方式联接(∵电压控制型负阻)。3）从隧道二极管的特性曲线可见：在Q处，器件伏安特性负斜率较大，即有较小的负电阻值，可提供较大能量，补偿LC谐振回路RP消耗还有余；∴振荡幅度越来越大。随着信号幅度的加大，负电阻的绝对值也在加大，特别是在负阻区两端的弯曲部分，负阻增加得很快。负电阻的绝对值增大到rd=RP时，电路达到等幅振荡。4）1．负阻振荡器一般由负阻器件和LC选频网络两部分组成。2．建立合适的静态工作点，使负阻器件工作于负阻特性区域内。对于电压控制型负阻器件应该用低内阻的直流电压源(恒压源)来供电，而电源的内阻应远小于负阻器件的直流等效电阻。对于电流控制型负阻器件应该用高内阻的直流电流源(恒流源)来供电，而且电源内阻应比负阻器件的等效直流电阻要大。

3．负阻器件应和LC振荡回路正确联接。电压控制型负阻器件应与并联谐振回路相联接，电流控制型负阻器件应与串联谐振回路相联接。4．起振振幅条件：

电压控制型负阻振荡器：负阻器件与谐振回路以并联方式联接。设回路谐振电阻为Rp，负阻器件的负阻为-rd

。显然，│rd│＜RP时为增幅振荡。rd＝RP时为等幅振荡。│rd│＞RP时为衰减振荡。

∴其起振条件是│rd│＜RP，平衡条件是rd＝RP。

电流控制型负阻振荡器：负阻器件与谐振回路串联形式联接。设串联谐振回路总损耗电阻为r，负阻器件的负阻为-rd。显然，rd＞r时为增幅振荡，rd＝r时为等幅振荡，鞠＜r时为衰减振荡。其起振rd＞r为衰减振荡。

∴其起振条件是│rd│>r，平衡条件是rd＝r。三、负阻电路组成原则本章小结：

1．反馈式正弦振荡器的工作原理。----组成

；自激、平衡、稳定平衡条件；放大器在自激/平衡时的工作状态等。

2.反馈式正弦振荡器的基本分类3.互感耦合式振荡器、三点式振荡器的相位条件判断法。4.晶体振荡器工作特点

5.典型电路形式（交、直）思考题1：

1．反馈式正弦振荡器由

、

、