通信电子线路第05章正弦波振荡器

第5章正弦波振荡器5.1概述5.2反馈型振荡器的基本工作原理5.3反馈型LC

振荡器线路5.4振荡器的频率稳定问题5.5石英晶体振荡器5.6其他形式的振荡器5.7RC

正弦波振荡器通信电子线路第5章正弦波振荡器15.1概述自激式振荡器：不需外加输入信号，能自行产生输出信号的电路。振荡器的分类：正弦波振荡器非正弦波振荡器：方波、三角波等反馈式振荡器负阻式振荡器LC

振荡器：频率较高RC

振荡器：频率较低晶体振荡器：频率较高，稳定性好按产生的波形按工作的方式按选频的元件通信电子线路第5章正弦波振荡器25.2反馈型振荡器的基本工作原理一、自激振荡建立的物理过程和电路基本构件反馈的概念：先修课程组成放大环节反馈环节：正反馈谐振环节：选频分析起振条件平衡条件稳定条件通信电子线路第5章正弦波振荡器35.2反馈型振荡器的基本工作原理二、振荡器的起振条件开环增益反馈系数反馈量起振条件闭环增益振幅起振条件相位起振条件环路增益通信电子线路第5章正弦波振荡器45.2反馈型振荡器的基本工作原理三、振荡器的平衡条件对于晶体管振荡器振幅平衡条件相位平衡条件通信电子线路第5章正弦波振荡器55.2反馈型振荡器的基本工作原理三、振荡器的平衡条件对于晶体管振荡器振幅平衡条件相位平衡条件振荡回路处于微失谐状态通信电子线路第5章正弦波振荡器6四、振荡器平衡状态的稳定条件平衡的概念稳定的概念振荡特性

(A~Vom)；反馈特性

(1/F~Vom)

Q：稳定平衡点；B：不稳定平衡点振幅平衡 稳定条件5.2反馈型振荡器的基本工作原理硬激励A1FVomVomQQ软激励A1FVomVomQQB用非线性放大器实现通信电子线路第5章正弦波振荡器75.2反馈型振荡器的基本工作原理相位平衡的稳定条件振荡器相位平衡条件：

=Y+Z+F=0：相位稳定与频率稳定的实质相同要求：窄带：结论：只有当谐振回路的相频特性曲线Z()

在工作频率附近具有负的斜率，才能满足频率稳定条件。

=0外界因素稳定不稳定稳定不稳定若内部电路使之通信电子线路第5章正弦波振荡器85.2反馈型振荡器的基本工作原理LC并联谐振回路的相频特性就具有负的斜率并联谐振回路不仅决定振荡频率，而且保证相位稳定外部因素：YF

增加YF

为YF'，导致频率从01增加谐振回路：频率从01增加，导致Z沿曲线下降Z

结果会在01'

点重建相位平衡，此时

|Z

|=|YF|

回路Q值越高，频率偏差越小Z-YF'-YF0101'0ZYFYF'YF0YF=

YF

+

Z相位稳定过程分析通信电子线路第5章正弦波振荡器95.3反馈型LC

振荡器线路选频网络：采用LC

谐振回路作为选频网络的反馈式振荡器称为LC

正弦波振荡器。反馈网络：互感耦合振荡器电感反馈式振荡器电容反馈式振荡器三端式振荡器通信电子线路第5章正弦波振荡器105.3反馈型LC

振荡器线路一、互感耦合振荡器反馈网络：互感线圈同名端：决定正反馈耦合量：决定反馈系数分析方法：直流通路交流通路：振荡频率：特点：改变M可调整反馈，不影响频率因分布电容影响，频率不宜过高放大器组态同名端分析通信电子线路第5章正弦波振荡器115.3反馈型LC

振荡器线路三种形式：根据谐振回路的位置调集电路：工作稳定、幅度较大、谐波较小调基电路：发射结输入阻抗较小，采用部分耦合调发电路：发射结输入阻抗较小，采用部分耦合通信电子线路第5章正弦波振荡器125.3反馈型LC

振荡器线路二、三端式LC振荡器分类：电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)电容三端式，又称考毕兹振荡器(Colpitts)串联型改进电容三端式，又称克拉泼振荡器(Clapp)并联型改进电容三端式，又称西勒振荡器(Sellier)组成：三个电抗元件x1、x2、x3

构成选频网络，与晶体管(场效应管、运放)的三个电极对应连接起来，构成反馈式正弦振荡器电路。振荡频率：通信电子线路第5章正弦波振荡器135.3反馈型LC

振荡器线路1.LC

三端式振荡器组成法则振荡条件：xbe

+

xce

+

xcb

=

0相位平衡：正反馈瞬时极性分析如图射同它反－晶体三极管源同它反－场效应管同相端相同，反相端相反－运算放大器注意：若x

是组合的电抗元件，则 需要根据频率确定其电抗性质。vivovf要实现正反馈，必须使xce与xbe为同性质电抗为满足振荡条件，xcb

须与上两者电抗性质相反必须通信电子线路第5章正弦波振荡器145.3反馈型LC

振荡器线路2.电感反馈三端式振荡器(哈特莱电路)反馈系数：起振条件：振荡频率：理想耦合时：ZiFPbe

Zi'通信电子线路第5章正弦波振荡器155.3反馈型LC

振荡器线路3.电容反馈三端式振荡器(考毕兹电路)反馈系数：起振条件：振荡频率：通信电子线路第5章正弦波振荡器165.3反馈型LC

振荡器线路变形三端式振荡器的分析：设wg

为实际工作频率；w0

为回路谐振频率LC串联：wg>w0

时，呈感性；wg<w0

时，呈容性LC并联：wg>w0

时，呈容性；wg<w0

时，呈感性(a)

电容三端式；w02<wg<w01

(b)

不能振荡；(c)

电感三端式；wg<w01，wg<w02；wg<min(w01,w02)通信电子线路第5章正弦波振荡器175.3反馈型LC

振荡器线路例：例：已知：L1C1>L2C2>L3C3问能否起振?若可，等效为哪种 类型的振荡电路，其振荡频率与 各回路固有谐振频率的关系。L3C3C1C2Rb1Rb2CcCcRcL1CVCCebcReCeC2C3L3C1L1通信电子线路第5章正弦波振荡器185.3反馈型LC

振荡器线路电容三端式与电感三端式振荡器的比较：调整方便：改变C

调整工作频率，不影响反馈系数波形差：输出和反馈取自电感，对高次谐波阻抗大，高次谐波的反馈电压大，波形质量差。工作频率低：极间电容与回路电感并联，形成多回路电路，高频时其影响可能破坏相位平衡条件。仅几十兆Hz频率稳定性差调整不便：改变C

调整工作频率，但反馈系数也改变波形好：输出和反馈取自电容，对高次谐波阻抗小，滤除高次谐波的能力强，波形质量好。工作频率高：极间电容

Cb'e、Cce与回路电容并联，仅用极间电容做回路电容时，振荡频率可达千兆Hz。频率稳定性好电容三端式电感三端式通信电子线路第5章正弦波振荡器195.3反馈型LC

振荡器线路4.串联改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)目的：减小晶体管寄生参量的影响，可以提高稳定性手段：加入一个小电容，减小晶体管各端的接入系数C3C1；C3C2工作频率：通信电子线路第5章正弦波振荡器205.3反馈型LC

振荡器线路接入系数：C3

越小，晶体管各端的接入系数越小，寄生参量Cbe、Cce

对选频回路的影响越小，振荡器稳定性越高。调整

C3

即可改变

0

，对反馈系数无影响调整

C1

、C2

可以改变反馈系数，但对

0

的影响很小。存在的问题：C3愈小，P愈小，但起振条件愈 难满足。特别是波段工作时，在 高频端放大器放大倍数严重下降， 可能停振。故克拉拨电路常用做

固定频率或窄带的振荡器电路。 波段覆盖系数小：通信电子线路第5章正弦波振荡器215.3反馈型LC

振荡器线路5.并联型改进电容三端式振荡器(西勒电路)振荡频率： C=C1&

C2&

C3+

C4

C

C3+

C4改变C4

可调整频率；因C3不变，反馈系数、接入 系数不变，从而工作频率范围 展宽；在保证起振情况下，取

C3尽量小，稳定性得以提高。西勒电路可用作波段振荡器， 波段覆盖系数为：1.6

~

1.8通信电子线路第5章正弦波振荡器225.4振荡器的频率稳定问题一、频率稳定度定义频率准确度：绝对准确度相对准确度 实际频率f 标称频率f0频率稳定度：长期频率稳定度：一天以上；衡量时基、标准原因：器件老化短期频率稳定度：一天之内；衡量仪器设备的主振原因：温度变化、电源电压变化、电路参数不稳定瞬间频率稳定度：秒、毫秒；频域指标~相位噪声原因：内部噪声引起的频率起伏一定时间间隔内通信电子线路第5章正弦波振荡器235.4振荡器的频率稳定问题常见电路的频率稳定度：RC振荡器：10

-3LC振荡器：10

-4晶体振荡器：10

-6铯原子钟或氢原子钟：10

-15不同用途对频率稳定度的要求：中波广播发射机：10

-5电视广播发射机：10

-7卫星通信发射机：10

-9

~10

-11国家时间标准：10

-12普通信号源：10

-4

~10

-5高精度信号源：10

-7

~10

-9通信电子线路第5章正弦波振荡器245.4振荡器的频率稳定问题二、影响频率稳定度的因素①振荡回路参数 L，C的影响：②有源器件参数：h③回路品质因数：r

~

Q三、振荡器稳定频率的方法①减小外因变化、根除“病因” 如温度、湿度、电源电压、磁场、振动、负载变化等②提高回路的标准性(L，C)③减小相角YF

及变化量YF Z

=

-YF,YF

=

Y

+

F,Y

<0F

>0电容三端式F

<0电感三端式通信电子线路第5章正弦波振荡器255.5石英晶体振荡器一、石英晶体及其特性石英晶体产品：

晶体谐振器、晶振石英谐振器的电特性： 动态电感Lq

约10-3~102H；动态电阻rq

约几十~几百 动态电容Cq

约10-4~10–1pF；安装电容C0

约1~10pF晶体振荡器：晶振&半导体等晶体滤波器：带通、带阻符号基频等效电路完整等效电路JT通信电子线路第5章正弦波振荡器265.5石英晶体振荡器品质因数高 可达104~106接入系数很小 外电路影响小串联谐振频率 自然谐振频率并联谐振频率：用途：回路电感、串联谐振状态、泛音振动状态容性容性感性qp0X通信电子线路第5章正弦波振荡器275.5石英晶体振荡器二、晶体振荡器电路并联型晶体振荡器：晶体等效为电容三点式中的电感－皮尔斯振荡电路晶体等效为电感三点式中的电感－密勒振荡电路串联型晶体振荡器：晶体串联谐振时等效为短路线1.皮尔斯(Pierce)

振荡电路晶体等效为电容三点式中的电感通信电子线路第5章正弦波振荡器285.5石英晶体振荡器类似于克拉泼振荡电路振荡回路与晶体管、负载的耦合很弱，不受外界影响振荡频率稳定rp=2/rq极大，等效到放大器负载阻抗大，易于起振通信电子线路第5章正弦波振荡器295.5石英晶体振荡器例：一个数字频率计晶振电路，分析其工作情况0.01F电容较大，作为高频旁路电路，V2

管是射随器。V1

管的c、e

极之间有一LC

回路，谐振频率为4MHz，在晶振工作频率5MHz处，此回路等效为一个电容。共集电极皮尔斯振荡器：晶振等效为电感，调整微调电容3~10pF，使电路工作在晶振的标称频率5MHz上。C+VCC20k5.6k20p10/3p330p5MHz200pV14.7H20p10/3p200pV1330p4.7HCL0.012.7k1.5kV2通信电子线路第5章正弦波振荡器305.5石英晶体振荡器2.米勒(Miller)

振荡电路石英晶体作为电感三端式的电感元件极间电容

Cgd

作为振荡电路的电容因

Cgd

又称米勒电容，故此称为米勒振荡电路LC

并联回路等效为电感采用输入阻抗高的场效应管 减小对晶体的影响Cgd300p61~122mH0.02m2.2kVDD10MW1MHz通信电子线路第5章正弦波振荡器315.5石英晶体振荡器3.泛音晶体振荡电路采用选频回路代替某电抗元件：①使基频和低次泛音不满足三端式振荡条件；②且使更高次泛音不满足起振条件。例：五次泛音晶振，标称频率：5MHz，基频：1MHz，使

L1C1

回路调谐在三次和五次泛音频率之间。通信电子线路第5章正弦波振荡器325.5石英晶体振荡器3.泛音晶体振荡电路采用选频回路代替某电抗元件：①使基频和低次泛音不满足三端式振荡条件；②且使更高次泛音不满足起振条件。例：五次泛音晶振，标称频率：5MHz，基频：1MHz，使

L1C1

回路调谐在三次和五次泛音频率之间。在5MHz频率，L1C1

呈容性，构成电容三点式振荡器。在七次及其以上泛音频率，L1C1回路虽呈现容性，但等效容抗减小，使电路的电压放大倍数减小，环路增益小于1，不满足振幅起振条件。对于基频和三次泛音频率，L1C1回路呈感性，不符合三端式组成法则，不能起振。通信电子线路第5章正弦波振荡器335.5石英晶体振荡器4.串联型晶体振荡器Cb、C

为交流旁路电容。L、C1、C2

和C3

并联谐振回路调谐在工作频率g

上当工作频率g=q

时，晶体的阻抗近似为零；当频率偏离q

时，晶体的阻抗骤然增加，近乎开路。只有等于q

的分量才有反馈，形成g=q

的振荡。g=q通信电子线路第5章正弦波振荡器345.6其他形式的振荡器一、压控振荡器(VCO)VCO:VoltageControlledOscillator1.变容二极管压控振荡器的基本工作原理隔直流通信电子线路第5章正弦波振荡器355.6其他形式的振荡器2.VCO的实际电路彩色电视接收机VHF调谐器中6~12频段的本振电路属于西勒振荡电路，振荡管呈共集电极组态电调谐：控制电压

VC为

0.5~30V振荡频率约为170~220MHz18pF6pFL47pFCj15pF6pFD1.5pF47pF1000pF5.6kW15pF18pF1.2kW15kWL47kWVc0.5~30V+VCCL通信电子线路第5章正弦波振荡器365.6其他形式的振荡器二、集成电路振荡器外接元件少、稳定性高、可靠性好、调整使用方便最高工作频率、电压和功率达不到分立元件的水平1.差分对管振荡电路E1648共集－共基反馈电路通信电子线