第4章正弦波振荡器

第4章正弦波振荡器

4.1反馈振荡器的原理4.2LC振荡器4.3振荡器的频率稳定度4.4LC振荡器的设计方法4.5石英晶体振荡器

4.6振荡器中的几种现象1概述1.作用及分类

振荡器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变振荡信号能量的转换电路。它与放大器的区别:无需外加激励信号,就能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交流信号。根据所产生的波形不同,可将振荡器分成正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。前者能产生正弦波,后者能产生矩形波、三角波、锯齿波等。本章仅介绍正弦波振荡器。常用正弦波振荡器主要由决定振荡频率的选频网络和维持振荡的正反馈放大器组成,这就是反馈振荡器。按照选频网络所采用元件的不同,正弦波振荡器可分为ＬＣ振荡器、ＲＣ振荡器和晶体振荡器等类型。2其中ＬＣ振荡器和晶体振荡器用于产生高频正弦波,ＲＣ振荡器用于产生低频正弦波。正反馈放大器既可以由晶体管、场效应管等分立器件组成,也可以由集成电路组成。另外还有一类负阻振荡器,它是利用负阻器件所组成的电路来产生正弦波,主要用在微波波段,本书不作介绍。

2.应用

无线电发射机中的载波；超外差接收机中的本地振荡；电子测量仪器中的信号源；数字系统中的时钟信号等。3振荡器正弦波非正弦波：三角波、锯齿波、矩形波等反馈型振荡器负阻振荡器互感耦合LC三点式电容三点式电感三点式改进型三点式克拉泼西勒LC振荡器晶体振荡器串联型并联型皮尔斯密勒RC振荡器移相式RC串并联网络（文氏电桥）导前型滞后型开关电容振荡器44.1反馈振荡器的原理

一、反馈振荡器的原理分析

1、反馈振荡器的组成

反馈振荡器由放大器和反馈网络两大部分组成。反馈型振荡器的原理框图如图4-1所示。由图可见,反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路,放大器通常是以某种选频网络(如振荡回路)作负载,是一调谐放大器,反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。56(4-1)(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)得其中T(s)称为环路增益：2、自激振荡的条件分析

根据图4.1.1，闭环电压放大倍数Ku(s)：电压反馈系数为F(s)，则开环电压放大倍数为K(s)：由7自激振荡的条件：就是环路增益为1,即(4-7)通常又称为振荡器的平衡条件。由式(4-5)还可知形成增幅振荡形成减幅振荡(4-8)8二、平衡条件根据前面分析，振荡器的平衡条件即为也可以表示为：(4-9a)(4-9b)式(4-9a)和(4-9b)分别称为振幅平衡条件和相位平衡条件。

现以单调谐谐振放大器为例来看K(jω)与F(jω)的意义。若由式(4-2)可得

这个条件是在其振荡频率上才满足的，其他频率不满足，因此可由平衡条件求出振荡频率。9(4-10)式中,ZL为放大器的负载阻抗(4-11)Yf(jω)为晶体管的正向转移导纳。(4-12)10现引入与F(jω)反号的反馈系数F′(jω)(4-13)这样,振荡条件可写为

(4-14)振幅平衡条件和相位平衡条件分别可写为

(4-15a)(4-15b)值得说明的是：（1）平衡时电源供给的能量等于环路消耗的能量；（2）通常环路只在某一特定频率上才满足相位条件。11三、起振条件

振荡电路一般在起振开始时，产生的信号电压较小，故为了使振荡过程中输出幅度不断增加,应使反馈回来的信号比输入到放大器的信号大,即振荡开始时应为增幅振荡,因而由式(4-8)可知称为自激振荡的起振条件,也可写为(4-16a)(4-16b)式(4-16a)和(4-16b)分别称为起振的振幅条件和相位条件,其中起振的相位条件即为正反馈条件。12图4-2振幅条件的图解表示起振过程：开始增幅振荡放大器非线性稳幅振荡注意：该过程很短暂K，1/F13四、稳定条件

1、振荡器稳定概念的提出：

振荡器在工作过程中,不可避免地要受到各种外界因素变化的影响,如电源电压波动、温度变化、噪声干扰等。这些不稳定因素将引起放大器和回路的参数发生变化,结果使Ｔ（ω0）或φT（ω0）变化,破坏原来的平衡条件。如果通过放大和反馈的不断循环,振荡器越来越偏离原来的平衡状态,从而导致振荡器停振或突变到新的平衡状态,则表明原来的平衡状态是不稳定的。反之,如果通过放大和反馈的不断循环,振荡器能够产生回到原平衡点的趋势,并且在原平衡点附近建立新的平衡状态，则表明原平衡状态是稳定的。

142、振荡器的稳定条件

当外界因素，如温度、湿度、电源电压等都将使振荡器的工作状态受到影响，改变平衡条件，使振荡器的频率不稳定或者停振。因此必须考虑振荡器的稳定工作条件。

稳定：当干扰时，经过放大器内部循环，能在原来的平衡点附近建立起新的平衡，干扰消失后，又回到原来的平衡点。

不稳定：当干扰时，使其偏离原来的平衡点，或者干脆停振，而当干扰消失后，不能使其回到原来的平衡点。(1)振幅稳定条件要达到振幅稳定，振荡器在平衡点处的环路增益应该是随输入负斜率变化。15UiT(ω)UiBUiAAB1

斜率越大，越稳定。例如图4-3如果A点是原来的平衡点，当干扰过后，它必将稳定在A点，因此，A点是稳定的，而如果原来在B点，正向干扰后它将在A点建立新的平衡，负向可能使之停振，所以B点是不稳定的。(4-15)图4-3振幅稳定示例16(2)相位稳定条件

当外界因素使振荡不满足φ（ω）=0时，此时产生一个ΔφT>0,则表明反馈后的相位超前，振荡频率将增加,如ΔφT<0,则表明反馈后的相位滞后，使振荡频率减小。因此要稳定的相位条件，必须是一个Δφ随ω而下降的相位特性。即：可见，振荡反馈回路的Q值越高，相位与频率越稳定。稳定不稳定ω0(4-15)图4-4相位稳定的相频特性17小结：起振条件：KF>1，正反馈；平衡条件：KF=1，正反馈；3.稳定条件：分压式偏置，并联谐振回路。18五、振荡线路举例——互感耦合振荡器图4-4是一LC振荡器的实际电路,图中反馈网络由L和L1间的互感M担任,因而称为互感耦合式的反馈振荡器,或称为变压器耦合振荡器。

19有关同名端的极性同名端的极性20

变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为:21二、工作原理LC+–+–CBE变压器反馈式振荡器交流通路N1N2M+–22例4.1.1试分析下图电路是否可能产生振荡解：该电路由共基放大电路和LC反馈选频网络构成，在LC回路的谐振频率上构成正反馈，满足相位平衡条件。而共基放大电路具有较大增益，又具有内稳幅作用，因此合理选择电路参数可满足振幅起振和平衡调节故此电路可能产生振荡。23图4─7是一些常见振荡器的高频电路。图4─7几种常见振荡器的高频电路244.2LC振荡器

一、振荡器的组成原则

1、振荡基本电路——三端式的概念

基本电路就是通常所说的三端式(又称三点式)的振荡器,即LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路,如图4-5所示。图4-5三端式振荡器的组成

25

2、三端式振荡电路的构成原则根据谐振回路的性质,谐振时回路应呈纯电阻性,因而有：(4-21)因此三个电抗元件不能是同性质元件。一般情况下,回路Q值很高,因此回路电流远大于晶体管的基极电流İb、集电极电流İ

c以及发射极电流İe,故由图4-5有(4-22a)(4-22b)因此X1、X2应为同性质的电抗元件。26综上所述，从相位平衡条件判断图4-5电路能否振荡的原则为：(1)X1、X2应为同性质的电抗元件。——即与晶体管发射极相连的两个电抗元件性质相同，要么均为感性元件，要么均为容性元件。(2)X3与X1、X2的电抗性质相反。——即与晶体管基极相连的两个电抗元件性质相反。可以简称为：“射同余异”或“射同基反”。27总结LC振荡电路工作判断方法：判断振荡器是否可能振荡：

1.

直流电路供电是否正确:发射结正偏，集电结反偏；2.是否满足相位平衡条件：互感耦合振荡器用瞬时极性法判断正反馈，注意同名端、交流接地点；三端式振荡器用“射同余异”判断，注意交流接地点、晶体管的三个极，尤其是发射极。判断振荡器是否能起振：在满足相位平衡的条件下，还得判断是否满足振幅起振条件。28

3.三端式振荡器有两种基本电路如图4-6所示。图4-6(a)中X1和X2为容性,X3为感性,满足三端式振荡器的组成原则,反馈网络是由电容元件完成的,称为电容反馈振荡器,也称为考必兹(Colpitts)振荡器。

图4-6两种基本的三端式振荡器(a)电容反馈振荡器;(b)电感反馈振荡器29图4-6(b)中X1和X2为感性,X3为容性,满足三端式振荡器的组成原则,反馈网络是由电感元件完成的,称为电感反馈振荡器,也称为哈特莱(Hartley)振荡器。

图4-6两种基本的三端式振荡器(a)电容反馈振荡器;(b)电感反馈振荡器30图4-7是一些常见振荡器的高频电路.图4-8几种常见振荡器的高频电路31二、电容反馈振荡器

图4-8(a)是一电容反馈振荡器的实际电路,图(b)是其交流等效电路。

1、元器件作用分析

323334三、电感反馈振荡器

图4-9是一电感反馈振荡器的实际电路和交流等效电路。1、振荡频率353、电容反馈式振荡器与电感反馈式振荡器特点比较

（1）两种线路都简单，容易起振。电感反馈振荡器只要改变抽头位置就可以改变反馈值F，而电容反馈振荡器需要改变C1、C2的比值。（2）晶体管在稳定振荡时工作在非线性状态，因此在回路上存在少量谐波电压。对于电容反馈振荡器，由于反馈是由电容产生的，所以，高次谐波在电容上产生的反馈压降较小；而对于电感反馈振荡器，反馈是由电感产生的，所以，高次谐波在电感上产生的反馈压降较大。因此电容反馈振荡器的输出波形比电感反馈振荡器的输出波形要好。36（3）由于晶体管存在极间电容，对于电感反馈振荡器，极间电容与回路电感并联，在频率高时极间电容影响大，有可能使电抗的性质改变，故电感反馈振荡器的工作频率不能过高；电容反馈振荡器，其极间电容与回路电容并联，不存在电抗性质改变的问题，故工作频率可以较高。（4）改变电容能够调整振荡器的工作频率。电容反馈振荡器在改变频率时，反馈系数也将改变，影响了振荡器的振幅起振条件，故电容反馈振荡器一般工作在固定频率；电感反馈振荡器改变频率时，并不影响反馈系数，工作频带较电容反馈振荡器的宽。需要指出的是，电感反馈振荡器的工作频带也不会很宽，这是因为改变频率，将改变回路的谐振阻抗，可能使振荡器停振。综上所述，由于电容反馈振荡器具有工作频率高、波形好等优点，在许多场合得到了应用.37四、两种改进型电容反馈振荡器前面分析了电容反馈振荡器和电感反馈振荡器的原理和特点：对于电容反馈振荡器：输出波形较好、输出频率较高，但振荡频率调节不方便；对于电感反馈振荡器：振荡频率调节比较方便，但输出波形较差、输出频率不能太高。无论是电容反馈振荡器还是电感反馈振荡器，晶体管的极间电容均会对振荡频率有影响，而极间电容受环境温度、电源电压等因素的影响较大，故他们的频率稳定度不高，需要对其进行改进，因此得到两种改进型电容反馈振荡器——克拉泼振荡器和西勒振荡器。381.克拉泼振荡器图4-10是克拉泼振荡器的实际电路和交流等效电路。它是用电感L和可变电容C3（C3<<C1、C2）的串联电路代替原来电感。图4-11克拉泼振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路

39由图4-10可知,回路的总电容为：(4-35)(4-36)(4-37)晶体管以部分接入的形式接入回路，减少了晶体管与回路间的耦合，其接入系数为：设并联谐振回路(电感两端）的谐振阻抗为R0,则等效到晶体管ce两端的负载电阻为：40因此，C1过大，负载电阻RL将很小，放大器的增益就低，环路增益就小，可能导致振荡器停振。振荡器的振荡频率和反馈系数分别为：(4-38)(4-39)41

由上面分析可得：（1）由于电容C3远小于电容C1、C2，所以电容C1、C2对振荡器的振荡频率影响不大，因此可以通过调节C3调节振荡频率；（2）由于反馈回路的反馈系数仅由C1与C2的比值决定，所以调节振荡频率不会影响反馈系数；（3）由于晶体管的极间电容与C1、C2并联，因此极间电容的变化对振荡频率的影响很小；（4）由(4-37)可知，当通过调节C3调节振荡频率时，负载电阻RL将随之改变，导致放大器的增益变化，因此调节频率时有可能因环路增益不足而停振，故主要用于固定频率或窄带的场合。422.西勒振荡器

图4-11是西勒振荡器的实际电路和交流等效电路。它的主要特点,就是与电感L并联一可变电容C4，同样有C3<<C1、C2。图4-12西勒振荡器电路(a)实际电路;(b)交流等效电路

43由图4-11可知,回路的总电容为(4-40)(4-41)振荡器的振荡频率为特点：(1)通过调节C4实现振荡频率的调节；(2)C4的改变不会影响接入系数和反馈系数；(3)适合于振荡频率需要在较宽范围内可调的场合（最高振荡频率/最低振荡频率可达1.6~1.8)。(4)其他同克拉泼电路。44五、场效应管振荡器原则上说，各种晶体管振荡线路，都可以用场效应管构成，可以根据振荡原理导出用场效应管参数表示的振荡条件，即“源同余异”。4546六、压控振荡器1、压控振荡器的基本原理：通过改变控制电压改变变容二极管的电容，从而改变振荡频率。可用于电调谐，调频，调相，锁相环中，一般采用的元件是变容二极管。2、压控振荡器的主要性能指标：压控灵敏度和线性度。压控灵敏度定义为单位控制电压引起的振荡频率的变化量,用S表示,即(4-42)图4-14示出了一压控振荡器的频率-控制电压特性,一般情况下,这一特性是非线性的。压控特性的非线性程度：与变容管变容指数及电路形式有关。47七、E1648单片集成振荡器举例

1、E1648图4—20E1648内部原理图V10~V14偏置电路10、12脚外接谐振回路V1~V5输出放大电路V6~V9基本振荡电路482.实际使用时的接线图为：特点：连接简单，易于起振，频带较宽，形成的振荡频率很高，可达到几百兆49E1648单片集成振荡器的振荡频率是由10脚和12脚之间的外接振荡电路的L、C值决定,并与两脚之间的输入电容Ci有关,其表达式为504.3振荡器的频率稳定度

一、频率稳定度的意义和表征

1、频率稳定度的概念：振荡器的频率稳定度是指由于外界条件的变化,引起振荡器的实际工作频率偏离标称频率的程度,它是振荡器的一个很重要的指标。

2、频率稳定度的描述：(4-44)(4-43)绝对频率偏差：相对频率偏差：51三、提高频率稳定度的措施1.提高振荡回路的标准性

振荡回路的标准性：是指回路元件和电容的标准性。温度是影响的主要因素:温度的改变,导致电感线圈和电容器极板的几何尺寸将发生变化,而且电容器介质材料的介电系数及磁性材料的导磁率也将变化,从而使电感、电容值改变。故应该选用温度系数较小的电感和电容。522.减少晶体管的影响在上节分析反馈型振荡器原理时已提到,极间电容将影响频率稳定度,在设计电路时应尽可能减少晶体管和回路之间的耦合。另外,应选择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,电路易于起振;而且fT越高,晶体管内部相移越小。533.提高回路的品质因数要使相位稳定,回路的相频特性应具有负的斜率,斜率越大,相位越稳定。根据LC回路的特性,回路的Q值越大,回路的相频特性斜率就越大,即回路的Q值越大,相位越稳定。从相位与频率的关系可得,此时的频率也越稳定。544.减少电源、负载等的影响

电源电压的波动,会使晶体管的工作点、电流发生变化,从而改变晶体管的参数,降低频率稳定度。为了减小其影响,振荡器电源应采取必要的稳压措施。负载电阻并联在回路的两端,这会降低回路的品质因数,从而使振荡器的频率稳定度下降。故应减小负载对回路的耦合，比如采用跟随器。554.5石英晶体振荡器

一、石英晶体及其特性

石英晶体具有压电效应。当交流电压加在晶体两端,晶体先随电压变化产生应变,然后机械振动又使晶体表面产生交变电荷。当晶体几何尺寸和结构一定时,它本身有一个固有的机械振动频率。当外加交流电压的频率等于晶体的固有频率时,晶体片的机械振动最大,晶体表面电荷量最多,外电路中的交流电流最强,于是产生了谐振。因此,将石英晶体按一定方位切割成片,两边敷以电极,焊上引线,再用金属或玻璃外壳封装即构成石英晶体谐振器（简称石英晶振）。56

石英晶振的固有频率十分稳定,它的温度系数（温度变化１℃所引起的固有频率相对变化量）在１０-6以下。另外,石英晶振的振动具有多谐性,即除了基频振动外,还有奇次谐波泛音振动。对于石英晶振,既可利用其基频振动,也可利用其泛音振动。前者称为基频晶体,后者称为泛音晶体。晶片厚度与振动频率成反比,工作频率越高,要求晶片越薄,因而机械强度越差,加工越困难,使用中也易损坏。由此可见,在同样的工作频率上,泛音晶体的切片可以做得比基频晶体的切片厚一些。所以在工作频率较高时,常采用泛音晶体。57泛音：指石英片振动的机械谐波。它与电气谐波的主要区别：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，且两者不能同时并存。标称频率：振荡器输出的中心频率或频率的标称值。

58下图是石英晶振的符号和等效电路。其中：

静态电容C0约１pF～１０ｐF

动态电感Lq约10-3H～102H

动态电容Cq约10-4pF～10-1pF

动态电阻rq约几十欧到几百欧

由以上参数可以看到：

(1)石英晶振的Ｑ值和特性阻抗都非常高。Ｑ值可达几万到几百万。

晶体三次泛音等效电路基频59（2）由于石英晶振的接入系数n=Cq／(C0+Cq)很小,一般为10-3~10-4,所以外接元器件参数对石英晶振的影响很小。故：石英晶体振荡器有较高的频率稳定度由上图可以看到,石英晶振可以等效为一个串联谐振回路和一个并联谐振回路。若忽略ｒq,则晶振两端呈现纯电抗,其电抗频率特性曲线如下图中两条实线所示。

串联谐振频率并联谐振频率60由于Cq／C0很小,所以ｆ0与ｆq间隔很小,因而在ｆ0～ｆq感性区间,石英晶振具有陡峭的电抗频率特性,曲线斜率大,利于稳频。61

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。1．并联型晶体振荡器（1）皮尔斯电路——电容反馈式并联晶体振荡器图4-17示出了一种典型的晶体振荡器电路,当振荡器的振荡频率在晶体的串联谐振频率和并联谐振频率之间时晶体呈感性,该电路满足三端式振荡器的组成原则,而且该电路与电容反馈的振荡器对应,通常称为皮尔斯(Pierce)振荡器。62图4-21皮尔斯振荡器(电容反馈式)63图4-23并联型晶体振荡器的实用线路(C1、C2与石英晶体构成谐振）64图4-24密勒振荡器（电感反馈式）（2）密勒电路——电感反馈式并联晶体振荡器65（3）泛音晶体振荡电路

并联型泛音晶体振荡电路，假设泛音晶振为五次泛音，标称频率为5MHz，基频为1MHz，则LC1回路必须调谐在三次和五次泛音频率之间。

在5MHz频率上，LC1回路呈容性，振荡电路满足电容三端式组成法则，而对于基频和三次泛音频率来说，LC1回路呈感性，电路不符合组成法则，不能起振。而在七次及其以上泛音频率，LC1回路虽呈现容性，但等效容抗减小，从而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。

662．串联型晶体振荡器在串联型晶体振荡器中,晶体接在振荡器要求低阻抗的两点之间,通常接在反馈电路中。图4-23示出了一串联型晶体振荡器的实际线路和等效电路。67图4-27一种串联型晶体振荡器(a)实际线路;(b)等效电路晶体串联在谐振回路上，当f1=fq时，晶体相当于短路，构成一个电容三点式电路，而当频率偏离fq时，晶体相当于很大的阻抗，破坏了振幅条件，不能振荡。68串联型晶体振荡器

串联型晶体振荡器是将石英晶振用于正反馈支路中，利用其串联谐振时等效为短路元件，电路反馈作用最强，满足振幅起振条件，使振荡器在晶振串联谐振频率fq上起振。

693．使用注意事项使用石英晶体谐振器时应注意以下几点:(1)石英晶体谐振器的标称频率都是在出厂前,在石英晶体谐振器上并接一定负载电容条件下测定的,实际使用时也必须外加负载电容,并经微调后才能获得标称频率。(2)石英晶体谐振器的激励电平应在规定范围内。(3)在并联型晶体振荡器中,石英晶体起等效电感作用,若作为容抗,则在石英晶片失效时,石英谐振器支架电容还存在,线路仍可能满足振荡条件而振荡,石英晶体失去了稳频作用。(4)晶体振荡器中一块晶体只能稳定一个频率,当要求在波段中得到可选择的许多频率时,就要采取别的电路措施,如频率合成器,它是用一块晶体得到许多稳定频率。704－14泛音晶体振荡器和基频晶体振荡器有什么区别？在什么场合下应选用泛音晶体振荡器？为什么？答4-14所谓泛音，就是石英晶体振动的机械谐波，位于基频的奇数倍附近，且两者不能同时存在。在振荡器电路中，如果要振荡在某个泛音频率上，那么就必须设法抑制基频和其他泛音频率。而因为石英晶体的带宽很窄，所以在基频振荡时，肯定会抑制泛音频率。当需要获得较高的工作频率时，如果不想使用倍频电路，则可采用泛音振荡器直接产生较高的频率信号。71三、高稳定晶体振荡器

影响晶体振荡器频率稳定度的因素仍然是温度、电源电压和负载变化,其中最主要的还是温度的影响。

图4-29是一种恒温晶体振荡器的组成框图。它由两大部分组成:晶体振荡器和恒温控制电路。图4-29恒温晶体振荡器的组成恒温控制电路晶体振荡电路724.6振荡器中的几种现象一、间歇振荡时而振荡时而停振的现象，产生的原因主要是由于晶体管的非线性建立起的自偏压效应引起的。下面一电容反馈电路为例：(a)ReCeCbub(b)Eb0图4─30电容反馈振荡器的自偏压等效电路(a)实际电路；(b)偏置电路73从图中可以计算出(1)稳幅建立过程开始时，由于环路增益大于1，故电路增幅振荡,使集电极电流平均值IC0逐渐增大，即给电容Ce充电，Ue上升，使UBE减小，最后使晶体管进入非线性状态，即反馈电压的正半周电容充电，负半周晶体管截止，电容放电。达到平衡后，一个周期内的充放电相等，此时环路增益等于一，进入等幅振荡。(4-72)(4-73)(4-74)74（2）间歇原因如果电容Ce过大，Re、Ce在Ub的负半周晶体管截止时放电速度较慢，当uc(ub)开始下降时，UBE还处于较大的自偏压，不能跟随uc(ub)的变化，因此UBE会继续下降，从而也造成环路增益小于1的减幅振荡，直到使得在uc(ub)的正半周，晶体管依然截止，造成停振，然后Ce放电恢复到初始值，电路重新起振。752、防止产生间歇振荡