第7章正弦波振荡器

7正弦波振荡器7.1概述7.2LCR回路中的瞬变现象7.3LC振荡器的基本工作原理7.4由正反馈的观点来决定振荡的条件7.5振荡器的平衡与稳定条件7.6反馈型LC振荡器线路7.7振荡器的频率稳定问题7.8石英晶体振荡器7.9负阻振荡器7.10几种特殊振荡现象7.11集成电路振荡器7.12RC振荡器7正弦波振荡器倍频中间放大调制器话筒声音发射天线调幅发射机方框图

低频电压放大主振缓冲受调放大器功放推动

低频功放末级低频功放末级高频功率放大7.1概述

超外差式接收机方框图7.1概述2.振荡器的分类正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器波形产生机理反馈式振荡器负阻式振荡器反馈型LC振荡器反馈型RC振荡器本章主要介绍反馈型RC、LC振荡器和石英晶体振荡器的工作原理。石英晶体振荡器7.1概述7.2LCR回路中的瞬变现象 由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。图7.2.1LCR自由振荡电路所谓“谐振”，就能量关系而言，是指：回路中储存的能量是不变的，只是在电感与电容之间相互转换；外加电动势只提供回路电阻所消耗的能量，以维持回路的等幅振荡。7.2LCR回路中的瞬变现象图7.2.1LCR自由振荡电路图7.2.1，S先放于1，C充电至V，S转换到2，则上式微分，得（7.2.1）称为回路的衰减系数。称为回路的固有角频率。图7.2.4δ2＜ω2时产生振荡电流的情形7.2LCR回路中的瞬变现象称为回路的衰减系数。7.2LCR回路中的瞬变现象如何维持回路产生等幅振荡

实际上，回路中总是有电阻存在的，因此为了维持回路产生等幅振荡，就必须不断地在正确的时间补充由于回路电阻所耗去的电能，这就需要采用有源器件与正反馈电路来完成这一任务。7.3LC振荡器的基本工作原理1）一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。2）一个能量来源，补充由振荡回路电阻所产生的能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电源。3）一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件和正反馈电路完成的。 由于大多数振荡器都是利用LC回路来产生振荡的，因此应首先研究LC回路中如何可以产生振荡，作为研究振荡器工作原理的预备知识。图7.3.1互感耦合调集振荡器7.3LC振荡器的基本工作原理-+图7.4.1反馈振荡器方框图7.4由正反馈的观点来决定振荡的条件由图7.4.1，得在产生振荡时，应等于。因此振荡条件为反馈系数或（7.4.1）放大器的闭环增益为（7.4.2）当时，放大器变成了振荡器。图7.4.2调集振荡器的交流等效电路7.4由正反馈的观点来决定振荡的条件图7.3.1互感耦合调集振荡器7.5振荡器的平衡与稳定条件7.5.1振荡器的平衡条件7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件7.5.1振荡器的平衡条件1、问题：振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？来自振荡器接通电源后产生的瞬变电流。瞬变电流所包含的频带极宽，但由于谐振回路的选择性，它只选出了本身谐振频率的信号。由于正反馈作用，谐振频率信号越来越强，即形成稳定的振荡。瞬变电流中所包含的其他频率被振荡电路滤掉，不被放大，并逐渐消失。

振荡器起振后，振荡振幅便有小到大增长起来，当7.5.1振荡器的平衡条件它不可能无限制地增长，而是在达到一定数值后，自动稳定下来。7.5.1振荡器的平衡条件由上节可知，正反馈放大器产生振荡的条件：或（7.5.1）式（7.5.1）没考虑电子器件的非线性。即假定晶体管放大器是工作于小信号线性放大状态，放大器的增益A0为常数。事实上，放大器的增益A0是振幅的函数。因为由于自给偏压的作用，振荡器起振后，随着振荡幅度的不断增大，放大器便由线性工作的甲类状态迅速过渡到非线性的甲乙类以至丙类工作状态。这时晶体管就是非线性器件。2、振荡器的起振条件和平衡条件7.5.1振荡器的平衡条件2、振荡器的起振条件和平衡条件起振后晶体管作为非线性器件的工作特点：需引入准直线性理论的平均放大倍数（或折合放大倍数）的概念。平均电压放大倍数：负载谐振阻抗上的基波电压与基极输入电压之比。（7.5.2）（7.5.3）7.5.1振荡器的平衡条件2、振荡器的起振条件和平衡条件（7.5.2）（7.5.3）式（7.5.3）代入（7.5.2），得（7.5.4）式中为小信号线性放大倍数；为余弦脉冲分解系数。7.5.1振荡器的平衡条件2、振荡器的起振条件和平衡条件（7.5.4）为余弦脉冲分解系数。乙类工作状态丙类工作状态即振荡器在起振之后，随着振幅的不断增长，使振荡管的工作状态逐渐向乙类以至丙类过渡，因而A值也不断下降。反馈系数F，完全是由无源线性网络所决定的比例系数，与振荡幅度的大小无关。7.5.1振荡器的平衡条件2、振荡器的起振条件和平衡条件或（7.5.1）要维持一定振幅的振荡，F应设计的比式（7.5.1）中的F大一些。一般取F=1/2～1/8，这样，就可以在A0F>1的情况下起振，而后随着振幅的增强A0就向A过渡。直到振幅增大到某一程度，出现AF=1时，振荡就达到平衡状态。振荡器的起振条件为：振荡器的平衡条件为：（7.5.5）（7.5.6）式（7.5.6）中，其中，称为工作强度系数。一般取7.5.1振荡器的平衡条件2、振荡器的起振条件和平衡条件振荡器的平衡条件为：（7.5.6）将振荡器平衡条件分别用模和相角来表示，即将模和相角分开，有（7.5.7）（7.5.8）振幅平衡条件：相位平衡条件：7.5.1振荡器的平衡条件2、振荡器的起振条件和平衡条件振荡器的起振条件和平衡条件的另一种形式：振幅平衡条件：（7.5.13）相位平衡条件：（7.5.14）为其模。为其相角。为谐振回路的基波谐振阻抗。实际上，则从而一般振荡器的振荡回路总是处于微小失谐状态。7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件，产生等幅振荡的平衡条件。实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件。稳定条件也分为振幅稳定与相位稳定两种。以下分别讨论之。1）振幅平衡的稳定条件要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，AF的大小朝反方向变化。图7.5.2软自激的振荡特性图7.5.3硬自激的振荡特性7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件（7.5.16）2）相位平衡的稳定条件相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。外部扰动

稳定原理：

频率ω相位φ频率ω7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件图7.5.4并联谐振回路的相频特性2）相位平衡的稳定条件7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件（7.5.21）放大电路3）基本组成部分正反馈网络选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈网络合二为一。）稳幅环节稳定环节从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：从回到幅度稳定相位稳定7.5.2振荡器平衡状态和稳定条件7.6反馈型LC振荡器线路7.6.1互感耦合振荡器7.6.2电感反馈式三端振荡器

(哈特莱振荡器)7.6.3电容反馈式三端振荡器

(考毕兹振荡器)7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件 的判断准则7.6.1互感耦合振荡器

放大器与振荡器本质上都是将直流电能转化为交流电能，不同之处在于：放大器需要外加控制信号而振荡器不需要。因此，如果将放大器的输出正反馈回输入端，以提供控制能量转换的信号，就可能形成振荡器。如果由LC谐振回路通过互感耦合将输出信号送回输入回路，所形成的是互感耦合振荡器。由互感耦合同名端定义可判知，反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件。如果再满足起振条件，就符合基本原理。7.6.1互感耦合振荡器判断电路是否满足产生振荡相位条件的方法：切环注入法1）在电路中某一个合适的位置（往往是放大器的输入2）在断开处的一侧（往往是放大器的输入端）对地端）把电路断开（用×号表示）。引入一个外加电压源该电压源的频率从低到高覆盖回路的谐振频率。3）看经过放大器反馈网络之后转回到断开处的另一侧对地的电压是否与同相，若同相则其中必有某一频率满足自激振荡的相位条件（注意这里是实际方向），电路有振荡的可能。图7.3.1互感耦合调集振荡器7.6.1互感耦合振荡器为正反馈图7.6.1互感耦合调基、调发振荡器电路由于三极管结电容和其它分布电容的存在，在频率较高而LC回路电容较小时，将影响稳定性,一般用于中短波波段。7.6.1互感耦合振荡器7.6.2电感反馈式三端振荡器(哈特莱振荡器) 如果正反馈网络由LC谐振回路中的电感分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电感反馈式三端振荡器。L1两端电压大约是L2的2～5倍。图7.6.2电感反馈式三端振荡器L1L2C电路的特点:容易起振变电容而不影响F。调整频率方便振荡波形不够好 高次谐波反馈较强，波形失真较大。不适于很高频率工作分布电容和极间电容并联于L1与L2两端，F随频率变化而改变，严重时可使F减小到满足不了起振条件。其工作频率虽然可达到甚高频波段，但在甚高频波段里，优先选用的还是电容反馈振荡器。L1L2C7.6.2电感反馈式三端振荡器(哈特莱振荡器)7.6.3电容反馈式三端振荡器(考毕兹振荡器)图7.6.3电容反馈式三端振荡器 如果正反馈网络由LC谐振回路中的电容分压电路将输出信号送回输入回路，所形成的是电容反馈式三端振荡器。C2/C1取1/2～1/8较为适宜。C1C2LC1C2L电路的特点:变电容影响F，变电感不便。调整频率不太方便输出波形较好 高次谐波反馈较弱，波形接近正弦波。频率稳定度较好分布电容和极间电容并联于C1与C2两端，被较大C1与C2

吸收。适用于较高的工作频率甚至可只利用器件的输入电容和输出电容。7.6.3电容反馈式三端振荡器(考毕兹振荡器)7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则

回顾LC三端式振荡器的基本电路，发现其电路结构存在一个规律：晶体管的集电极—发射极（ce）之间和基极—发射极（be）之间回路元件的电抗性质相同;它们与集电极—基极之间(bc)回路元件的电抗性质相反。它具有普遍意义吗？下面就此证明。L1L2CC1C2L为简便起见，我们假定谐振回路三个元件都是纯电抗，即振荡器的振荡频率等于回路的固有谐振频率，即结论:7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则三端式振荡器的构成法则：与符号相同，的符号相反。例7.6.1:7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则振荡器电路如图7.6.5所示，图中C1=100pF,图7.6.5C2=0.0132μF，L1=100μH,L2=300μH。1）试画出交流等效电路；2）求振荡频率；3）用矢量图判断是否满足相位平衡条件；4）求电压反馈系数F；5）当放大器的电压放大系数A=(hfe/hie)R/p，hie=3kΩ，回路有载品质因数QL=20时，求满足振荡条件所需hfe的最小值。7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则图7.6.5图7.6.6例7.6.1:解：1）交流等效电路如图7.6.6所示。2）振荡角频率为7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则例7.6.1:支路的谐振角频率为图7.6.67.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则例7.6.1:图7.6.6由于因此L1C1在时呈电容性，可用一等效电容表示。图7.6.6所示电路即成为电容三端式振荡器。3）矢量图如图7.6.7所示，画出的次序是：以输入电压为准，图7.6.7回路电压与倒相由于L1C1为容性支路，因此L2C2支路必为电感性，由在L2C2支路内所产生的电流应滞后电压7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则例7.6.1:图7.6.6图7.6.7在电容C2上所产生的反馈电压应滞后于由图可见，与同相，满足了相位平衡条件，可以产生振荡。4）电压反馈系数为7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则例7.6.1:图7.6.6图7.6.7所以5）回路波阻抗为7.6.4LC三端式振荡器相位平衡条件的判断准则例7.6.1:图7.6.6图7.6.7接入系数与振荡管输出端耦合的回路等效谐振阻抗为振荡条件为由于因而求得所以满足起振条件所需的最小为13.7。7.7振荡器的频率稳定问题评价振荡器频率的主要指标有两个，即：准确度与稳定度。振荡器实际工作频率f与标称频率f

0之间的偏差，称为振荡频率准确度。通常分为绝对频率准确度与相对频率准确度两种，其表达式为振荡器的频率稳定度是指在一定时间间隔内，频率准确度的变化。

根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳定度三种。

影响振荡频率的有如下三种因素：１）振荡回路参数Ｌ与Ｃ;２）回路电阻ｒ；３）有源器件的参数。7.7振荡器的频率稳定问题图7.7.1克拉泼电路的交流等效电路

尽管电容三端式振荡器较电感三端式振荡器的稳定性好，但是它是以较大的电容C1和C2，即以下降最高工作频率上限为代价。此外，输入、输出电阻的界入也会降低谐振回路的Q值，降低选频特性，造成输出波形偏离正弦波。

1.克拉泼电路7.7振荡器的频率稳定问题图7.7.1克拉泼电路的交流等效电路图7.7.2实际的克拉泼电路7.7振荡器的频率稳定问题1.克拉泼电路7.7振荡器的频率稳定问题1.克拉泼电路图7.7.1克拉泼电路的交流等效电路克拉泼电路的优缺点：优点：适当解决了频率稳定性的问题。不稳定电容与C1，C2并联，不影响谐振频率。缺点：即电极—发射极两端的接入系数下降，使等效负载阻抗减小，振荡幅度降低。幅度不平稳。

西勒电路的交流等效电路

2.西勒电路7.7振荡器的频率稳定问题LC1C2C3C4AB7.7振荡器的频率稳定问题2.西勒电路

西勒电路的交流等效电路西勒电路的优缺点：优点：1）适当解决了频率稳定性的问题。不稳定电容与C1，C2并联，不影响谐振频率。2）振荡幅度比较平稳，克服了克

拉泼电路使振荡幅度减小的缺陷。LC1C2C3C4AB与无关。调节改变振荡频率时，不变。7.8石英晶体振荡器7.8.1并联谐振型晶体振荡器7.8.2串联谐振型晶体振荡器7.8.3泛音晶体振荡器

一般LC振荡器的频率稳定度Δf

/f0只能达到10-3

～10-5。若要求频率稳定度超过10-5，需用石英晶体振荡器。１）石英晶体的物理和化学性能都十分稳定；２）晶体的Ｑ值可高达数百万数量级；３）在串、并联谐振频率之间很狭窄的工作频带内，具有极陡峭的电抗特性曲线，因而对频率变化具有极灵敏的补偿能力。1.石英晶体滤波器的特点7.8石英晶体振荡器

优点：用石英晶体作为振荡回路元件，就能使振荡器的频率稳定度大大提高。缺点：单频性，即每块晶体只能提供一个稳定的振荡频率，不能直接用于波段振荡器。2.石英晶体滤波器的应用

O

容性

容性

感性

作电感用工作于串联谐振状态 因此，振荡电路可分为两类：一类是作为等效电感元件，称为并联谐振型晶体振荡器；另一类是作为串联谐振元件，称为串联谐振型晶体振荡器。7.8石英晶体振荡器2.石英晶体滤波器的应用石英晶体谐振器

(a)符号(b)基频等效电路(c)完整等效电路除了以上基频振动模式外，石英片的振动还会产生奇次（2n-1）谐波的泛音振动。基频振动模式时，产生奇次谐波谐振的支路因阻抗较高可忽略。奇次谐波的泛音振动

7.8石英晶体振荡器7.8.1并联谐振型晶体振荡器

这类晶体振荡器的振荡原理和一般反馈式LC振荡器相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡回路之中，作为一个感性元件，并与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据这种原理，在理论上可以构成三种类型基本电路。但实际常用的只是图7.8.1所示的两种基本类型。图7.8.1并联谐振型晶体振荡器的两种基本形式皮尔斯电路密勒电路图7.8.2并联谐振型晶体ｃ－ｂ型振荡器电路7.8.1并联谐振型晶体振荡器图7.8.3并联谐振型晶体b－e型振荡器电路7.8.1并联谐振型晶体振荡器7.8.1并联谐振型晶体振荡器b-c型和b-e型振荡电路比较：

b-e型电路的输出信号较大，L1C1回路还可以抑制其他谐波，但频率稳定度不如b-c型电路。在频率稳定度要求较高的电路中，几乎都采用b-c型电路。石英晶体与LC三端电路稳频方面比较：石英晶体在稳频方面有一显著特点，即一旦因外界因素变化而影响到晶体的回路固有频率时，还具有力图使频率保持不变的电抗补偿能力。7.8.2串联谐振型晶体振荡器图7.8.4串联谐振型正弦波晶体振荡器电路7.8.3泛音晶体振荡器

石英晶体的基频越高，晶片的厚度越薄。频率太高时，晶片的厚度太薄，加工困难，且易振碎。因此在要求更高频率工作时，可以在晶体振荡器后面加倍频器。另一个办法就是令晶体工作于它的泛音频率上，构成泛音晶体振荡器。所谓泛音，是指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别是：电气谐波与基波是整数倍关系，且谐波与基波同时并存；泛音则与基频不成整数倍关系，只是在基频奇数倍附近，且两者不能同时存在。由于晶体片实际上是一个具有分布参数的三维系统，它的固有频率从理论上来说有无限多个。泛音晶体谐振器在应用时需设计一种具有抑制非工作谐波的泛音振荡电路使其工作在指定的泛音频率上。图7.8.5泛音晶体振荡器交流等效电路若泛音晶体的标称泛音次数为5，相应的标称频率为5MHz，则L1C1谐振回路应调谐在3～5次泛音频率之间，如3.5MHz。在5MHz,L1C1谐振回路呈容性，满足相位平衡条件。而对于基频和3次泛音频率来说，L1C1回路呈感性，振荡器不满足相位平衡条件，不能产生振荡。而对于7次及其以上的泛音频率，L1C1回路呈容性，但其电容量过大，负载阻抗过小，，不能满足振幅平衡条件，也不能起振。7.8.3泛音晶体振荡器BwO电纳wCB=wC－1wL1Lw－感性容性wP7.9负阻振荡器 负阻振荡器是把一个呈现负阻特性的有源器件直接与谐振回路相接，以产生等幅振荡。图7.9.1正、负电阻的概念Ｒ上的电位降方向与电流方向相同，呈正电阻性,故此电阻相当于电动机作用，它从外界电源吸收功率。若Ｒ上的电位升方向与电流方向相同，呈负电阻性，故此负电阻相当于发电机作用，它不但不消耗功率，反而向外界输出功率。注意，以上针对交流电阻。 具有负阻的器件有两大类：电压控制型负阻和电流控制型负阻。图7.9.2负阻特性曲线的类型7.9负阻振荡器 负阻振荡电路也有两种基本类型，即串联型负阻振荡器线路和并联型负阻振荡器线路。图7.9.4负阻振荡器原理电路7.9负阻振荡器图7.9.5隧道二极管负阻振荡器举例：7.9负阻振荡器特点：适用于较高的工作频段（可在100MHz至10GHz波段内）。优点：噪声低，对温度变化、核辐射均不敏感，电路简单，体积小和成本低等。缺点：输出功率和电压都较低；在电路中使用起来不如反馈式振荡器方便；频率稳定和幅度稳定都不及反馈式振荡器。7.9负阻振荡器7.10几种特殊振荡现象7.10.1寄生振荡现象7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象7.10.1寄生振荡现象放大器工作不稳定被传输的信号产生失真引起晶体管的PN结被击穿或瞬时损坏1.寄生振荡的危害放大器中，即使没有输入信号，也有交流输出。这叫做产生了寄生振荡。１）反馈型寄生振荡2.寄生振荡的类型及产生原因由放大器的输出与输入间各种寄生反馈引起的。

A.外部反馈:主要是通过多级放大器的公共电源内阻、馈线或元件的寄生耦合以及输入端与输出端的空间电磁场的耦合引起的。

B.内部反馈:晶体管的极间电容产生的。7.10.1寄生振荡现象图7.10.1晶体管高频功率放大器由内反馈产生寄生振荡的等效电路7.10.1寄生振荡现象

2）负阻型寄生振荡2.寄生振荡的类型及产生原因 直接由器件的负阻现象产生的寄生振荡，主要有雪崩负阻振荡和过压负阻振荡两种。

A.雪崩负阻振荡：晶体管工作进入雪崩击穿区，这种寄生振荡一般只在信号的负半周才出现。

B.过压负阻振荡:晶体管工作于过压状态，它一般在信号的正半周出现。7.10.1寄生振荡现象3.寄生振荡的排除和防止措施图7.10.2晶体管高频功率放大器的各种稳定措施7.10.1寄生振荡现象7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象1.间歇振荡指振荡器工作时，时而振荡，时而停振的一种现象。这一现象产生的原因来自振荡器的自偏压电路参数选择不当。图7.10.5间歇振荡时的振荡电压波形2.自偏压的建立过程图7.10.3电容三端振荡器的自偏置电路 由于Re上的直流压降是由发射极电流IE建立的，而且随IE变化而变化，故称为自偏压。7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象2.自偏压的建立过程图7.10.3电容三端振荡器的自偏置电路

1)反馈电压正半周

2)反馈电压负半周起振过程中，输出信号越来越大，反馈信号也随之增强。 射极电流对射极电容充电 射极电容对射极电阻放电

充、放电节奏合适，实现增幅到稳幅。7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象图7.10.4自偏振荡器起振时激励电压和直流偏压的建立过程7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象3.频率占据（或牵引） 指外加电动势频率与振荡器自激频率接近到一定程度时，可以使振荡频率随外电动势频率的改变而改变。4.频率拖曳现象 发生于振荡器电路采用耦合回路时，如耦合系数过大，次级又是谐振回路，则调节次级回路时，振荡回路频率也随之改变，甚至产生频率跳变。7.10.2自偏压建立过程与间歇振荡现象7.11集成电路振荡器图7.11.1互感耦合