高频电子线路设计与实践项目教程

第四单元

高频振荡电路知识目标：熟悉振荡的工作原理；掌握三端式振荡器的工作原理和电路；理解石英谐振器及其特性。技能目标：会分析振荡电路的平衡和起振条件；会设计一种三端式振荡器。高频电子线路设计与实践项目教程书名：高频电子线路设计与实践项目教程书号：978-7-111-51095-6作者：张培苏品刚出版社：机械工业出版社配套模拟试卷，习题及答案反馈式振荡器的工作原理(1)组成(2)分类振荡的建立过程:当接通电源时，回路内的各种电扰动信号经选频网络选频后，将其中某一频率的信号反馈到输入端，再经放大→反馈→放大→反馈的循环，该信号的幅度不断增大，振荡由小到大建立起来。随着信号振幅的增大，放大器将进入非线性状态，增益下降，当反馈电压正好等于输入电压时，振荡幅度不再增大进入平衡状态。

4.1项目一：初识振荡电路

4.1.1实物与测试4.1.2什么是振荡电路振荡电路的功能是在没有外加输入信号的条件下，电路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。正弦波振荡电路的功能是在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定振幅的波形为正弦波的信号输出。即电路在没有输入信号的条件下，接通电源VCC后，电路输出的信号u(t)=umsin(wt+f)，

或u(t)=umcos(wt+f)，从频谱的角度看，正弦波振荡器输出信号的频率大小为w。振荡器的频率稳定度振荡器的频率稳定度是振荡器的一项重要指标。所谓频率稳定度，就是在各种外界条件发生变化的情况下，振荡器的实际工作频率与标称频率之间的偏差。这种偏差越小，电路性能越好。振荡器的频率稳定度主要取决于振荡回路的标准性和品质因数。LC振荡器由于受到LC回路的标准性和品质因数的限制，其频率稳定度只能达到10-4量级，很难满足实际应用的要求。石英晶体振荡器为采用石英晶体谐振器作为选频回路的振荡器，其振荡频率主要由石英晶体决定。与LC回路相比，石英晶体谐振器具有很高的标准性和品质因数，使石英晶体振荡器可以获得极高的频率稳定度。由于采用石英晶体的精度和稳频措施不同，石英晶体振荡器可以获得高达10-4～10-11量级的频率稳定度。4.1.3如何判断反馈型振荡电路的平衡和起振条件

1.振荡的建立与起振条件2.振荡的平衡与平衡条件3.振荡平衡状态的稳定条件所谓稳定平衡是指因某一外因的变化，振荡的原平衡条件遭到破坏，振荡器能在新的条件下建立新的平衡，当外因去掉后，电路能自动返回原平衡状态。平衡的稳定条件也包含振幅稳定条件和相位稳定条件。图示是反馈型振荡器的放大器的电压增益A与振幅u。的关系。Q点是稳定平衡点。振荡器的平衡稳定条件：有稳定平衡和不稳定平衡，振荡器工作时要处于稳定平衡状态。（1）振幅稳定条件：AF与Ui的变化方向相反。（2）相位稳定条件：相位与频率的变化方向相反。4.1.4认识互感耦合振荡电路反馈型振荡电路的正反馈信号是通过电感L1和L2之间的互感M来耦合，所以通常称为互感耦合振荡器。判断互感耦合振荡器是否可能振荡，通常是以能否满足相位平衡条件，即是否构成正反馈为判断准则。判断方法是采用瞬时极性法。互感耦合振荡器的振荡频率可近似由调谐回路的L和C决定。共基调集型互感耦合振荡电路4.1.5知识链接——三端式振荡器相位平衡条件的判断准则三端式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的反馈型振荡器。三端式振荡电路用电感耦合或电容耦合代替变压器耦合，可以克服变压器耦合振荡器只适宜于低频振荡的缺点，是一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可从几兆赫到几百兆赫。4.2项目二：基本型电容反馈式三端振荡器的分析与设计

4.2.1认识电容三端式振荡器

分析起振条件起振条件包括振幅条件和相位条件。起振的相位条件已经满足，若判断能否起振，要解决的关键问题就是推导出反馈放大器的环路增益。电容三端式振荡电路的优、缺点优点：由于反馈电压取自电容，而电容对晶体管的非线性产生的高次谐波呈现低阻抗，能有效地滤除高次谐波，因而输出波形好。晶体管的极间电容与回路电容并联，可并入回路电容中考虑。若直接用极间电容代替回路电容，工作频率可大大提高。缺点是反馈系数与回路电容有关。如果用改变电容的方法来调整振荡频率，将改变反馈系数，甚至可能造成电路停振。4.2.2动手任务——电容三端式振荡器（考毕兹振荡器）的设计4.3项目三：改进型电容三端振

4.3.1认识克拉泼(Clapp)振荡电路考毕兹振荡器虽然有电路简单，波形好的优点，在许多场合得到应用，但从提高振荡器频率稳定性的角度考虑，仍然存在以下不足之处。在考毕兹电路中，晶体管的极间电容直接和谐振回路电抗元件并联，极间电容（即结电容）是随环境温度、电源电压和电流变化的不稳定参数，它的变化会导致谐振回路谐振频率的变化，因为振荡器的振荡频率基本上由谐振回路的谐振频率决定，回路谐振频率的不稳定，将直接影响振荡器频率的稳定性。由于考毕兹电路的频率稳定性不高，一般在

量级，为提高频率稳定度，必须从电路形式上对其进行改进，改进的方法就是设法减小晶体管极间电容的不稳定性对振荡器频率稳定度的影响，所以产生了串联改进型电容三端式振荡器——克拉泼（Clapp）振荡电路。克拉波振荡电路与考毕兹电路相比，其特点是在振荡回路中加一个与电感串接的小电容C3。回路总电容为我们知道串联电容的总电容取决于小电容，而并联电容的总电容取决于大电容。所以，振荡频率主要决定于C3，在电路中C1、C2可以取得较大，解决了一般电容三端式不能解决的难题。克拉泼电路的主要用作固定频率振荡器。电路振荡频率的估算可近似为克拉泼振荡电路的缺点4.3.2认识西勒(Siler)振荡电路西勒振荡器是另一种改进型的电容反馈振荡器，它可以认为是克拉泼电路的改进电路。特点就是与电感L并联一可变电容C4，且满足C1

、C2

远远大于C3

，C4，这就是并联改进型电路命名的来由。这种电路保持了克拉泼电路中晶体管与回路耦合弱的特点，频率稳定度高。因为用C4改变振荡频率，且接入系数不受C4的影响，所以在整个波段中振荡振幅比较平稳。这使西勒电路能在较宽范围内调节频率，在实际运用中较多采用这种电路。西勒振荡电路的振荡频率可近似认为是其中因此，西勒振荡器的振荡频率为4.3.3动手任务——克拉泼振荡器的设计4.3.4动手任务——西勒振荡器的设计4.3.5知识链接——设计LC振荡器时需考虑的问题频率稳定度频率稳定度是振荡器的一项十分重要的技术指标，这表示在一定的时间范围内或一定的温度、湿度、电源、电压等变化范围内振荡频率的相对变化程度、振荡频率的相对变化量越小，则表明振荡器的频率稳定度越高。频率稳定度通常定义为在一定时间间隔内，振荡器频率的相对偏差的最大值。这个数值越小，频率稳定度越高。目前，一般的短波、超短波发射机的相对频率稳定度约在10-4～10-5量级，一些军用、大型发射机及精密仪器的振荡器的相对频率稳定度可达10-6量级甚至更高。4.4项目四：石英晶体振荡电路的分析与设计石英晶体具有十分稳定的物理和化学特性，在谐振频率附近，晶体的等效参量Lq很大，Cq很小，Rq也不大，因此晶体Q值可达百万数量级，所以晶体振荡器的频率稳定度比LC振荡器高很多。石英晶体振荡器是采用石英谐振器作为振荡回路的元件的电路。因为石英谐振器具有极高的Q值和良好的稳定性，它具有很高的频率稳定度，一般在10-4～10-11量级范围内。4.4.1认识晶体振荡电路晶体振荡电路可分为两大类：一种是晶体工作在它的串联谐振频率上，作为高Q的串联谐振元件串接于正反馈支路中，称为串联型晶体振荡器；另一种是晶体工作在串联和并联谐振频率之间，作为高Q的等效电感元件接在振荡电路中，称为并联型晶体振荡器。1.并联型晶体振荡器并联型晶体振荡器的工作原理和一般三点式LC振荡器相同，只将其中的一个电感元件用晶体置换，通常将晶体接在晶体管的c-b或b-e之间，如图所示，分别称为皮尔斯晶体振荡器和密勒晶体振荡器。并联型晶体振荡器的两种基本类型晶体管的基极对高频接地，晶体接在集电极与基极之间。只有当振荡器工作频率在晶体串联谐振频率与并联谐振频率之间时，晶体才呈现感性。C1和C2为回路的另外两个电抗元件。振荡回路的等效电路如图b所示。由图可知，只要将石英晶体等效为电感，就是电容三点式振荡电路。实用的皮尔斯晶体振荡电路图示为采用微调电容的皮尔斯晶体振荡电路，适当调节图中的C4值，可以使振荡器工作在晶体的标称频率上，使外接电容更接近出厂时规定的负载电容值。2.串联型晶体振荡器串联型晶体振荡的特点是，晶体工作在串联谐振频率上并作为短路元件串接在三点式振荡电路的反馈支路中。这种振荡器与三端式振荡器基本类似，只不过在正反馈支路上增加了一个晶体。Ｌ、C1

、C2和C3组成并联谐振回路，而且调谐在晶体的串联谐振频率上。结论在晶体振荡器中，把石英晶体谐振器用作等效感抗，振荡频率必处于

和

之间的狭窄频率范围内。由于石英晶体的高Q特性，等效感抗随f的变化率极其陡峭，它对频率的变化非常敏感。因而如果在晶体振荡器的振荡系统中出现频率不稳定因素影响，使振荡系统的电抗不等于零时，石英晶体具有极高的频率补偿能力，晶体振荡器的振荡频率只要有极微小的变化，就足以保持振荡系统的电抗等于零。因此，晶体振荡器的工作频率非常稳定。4.4.2动手任务——皮尔斯晶体振荡器的设计本章小结反馈式正弦波振荡器主要