高频电子线路(第七章 正弦波振荡器)

第七章正弦波振荡器基础知识：

LC回路的相位特性高频小信号放大器高频功放本章主要内容§7.1概述§7.2振荡的起振、平衡、稳定条件§7.3电感耦合型反馈振荡器§7.4三端式反馈振荡器§7.5振荡器的频率稳定性问题§7.6晶体振荡器§7.7振荡器中的几种常见的现象§7.8其他形式的振荡器简介重点§7.1概述1、什么是振荡器2、振荡器在无线通信中的作用3、振荡器的发展趋势4、稳定振荡的要素5、振荡器的主要类型1、什么是振荡器？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。它与放大器的区别在于,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。振荡器Vcc2、振荡器在无线通信中的作用在发射端负责生成载波（即用来承载有用信息的高频正弦波）在接收端负责生成本振信号（用于混频）3、振荡器的发展趋势振荡器的发展经历了以下几个阶段机电式振荡（机械振荡带动电子开关）LC/RC振荡器晶体振荡器激光振荡器总的说来，其发展趋势是精确化、稳定化、小型化4、稳定振荡的要素想象一个单摆，如何让它在有能量消耗的环境中稳定振荡？（1）最初的一个激励使振荡器从静态到动态（即起振）（2）能量源补偿振荡中的能量消耗（3）控制设备在适当的时候(即适当的相位)补充能量使振荡达到足够的幅度并能使之稳定下来（防止自激）5、振荡器的主要类型按输出振荡波形分正弦波振荡器非正弦波振荡器(如方波、锯齿波等)按工作原理分反馈式振荡器(如给电台打电话时的自激现象)负阻式振荡器(如“海盗船”)按器件分LC/RC振荡器石英晶体振荡器陶瓷振荡器（等）我们重点学习的是§7.2.1反馈型振荡器的原理由放大器与反馈网络构成一个环路最初激励信号us与反馈信号uf叠加进入放大器放大后信号经反馈网络反馈激励信号逐渐消失，而uf作为输入信号§7.2振荡的起振、平衡、稳定条件

放大器

A（jω）

反馈网络

F（jω）Σ起振平衡当AF=1时，振荡进入平衡状态§7.2.2起振条件在实际电路中，最初的那个激励信号往往是加电过程中自动产生的，所以其振幅往往很小。tui对应频谱ωF(ω)振荡器工作频率点振荡器输出频率越高，最初的激励就越小若想让振荡器输出一定幅度（如3V），起振的过程幅度必须逐渐增大mv甚至uV级§7.2.2起振条件（续）若使信号逐步增大，需要满足两个条件振幅方面，|A||F|必须大于1

（否则信号会逐渐衰减至消失）相位方面，

（否则信号不是标准的正弦波，甚至相互抵消。）F其物理意义是：振幅起振条件要求反馈电压幅度要一次比一次大;

而相位起振条件则要求环路保持正反馈。A§7.2.3平衡条件所谓“平衡”指起振一定时间后,输出振幅达到额定值时,恒定不变。此时不必再进行增幅振荡，而要维持等幅振荡。FA§7.2.4稳定条件所谓“稳定”是指振荡器具有如下的特点：当外界因素（如温度）导致输出振幅（或相位）增大时，振荡器内部机制可自动使输出振幅（或相位）减小，从而恢复到平衡状态；反之亦然。用放在凹或凸面上的小球来比喻最为恰当：不稳定状态稳定状态用数学语言描述“振幅稳定的机制”FA这就是振荡器的振幅稳定条件,即A随着Vom增大而减小软自激（软激励）软自激指振荡器不需要额外的大振幅激励源即可起振并自动达到平衡并稳定状态；软自激硬自激（硬激励）硬自激指必须向振荡器提供一个额外的大振幅激励源，才能使振荡器达到平衡并稳定的状态。硬自激BQFlash演示“放大器的放大倍数A随着Vom的增加而减小”------这一稳定机制是如何实现的?措施一：选择合适的直流工作偏置点，使刚起振时的A0足够大；并且在输出端使用LC回路。起振时输入信号很小由于|A0F|>1，所以信号逐渐增大必然进入非线性区，信号开始失真所以必须采用LC回路滤出标准正弦信号在滤波的过程中，由于能量的损失，导致放大倍数的下降“放大器的放大倍数A随着Vom的增加而减小”------这一稳定机制是如何实现的?措施二：引入负反馈电路相位的稳定性分析1、相位不稳定会导致什么后果？2、相位稳定条件3、LC回路的相位特性（第三章内容）4、以LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能1、相位不稳定会导致什么后果？相位平衡时当外界因素打破了相位的平衡状态，假设相位提前（Δφ>0）2、相位稳定条件由上面的分析可知，相位超前导致频率加快；因此如果想让频率恢复成振荡器额定频率（具有稳定性），振荡器内部应有这样的机制：当输入信号频率加快时，会形成相位的延迟。用符号表示这一稳定过程：3、LC回路的相位特性（第三章内容）以并联谐振回路为例4、以LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能由三极管组成的放大器4、以LC回路为负载的振荡器的相位自动稳定功能（续）反馈型振荡器起振、平衡、稳定条件的总结（重要知识点）振幅条件相位条件起振（由静到动）平衡（振幅恒定）稳定（维持平衡）§7.3电感耦合型反馈振荡器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位置的放置，选择合适的耦合量M，使之满足振幅起振条件很重要。互感耦合振荡器有三种形式：调基电路调集电路调发电路是根据振荡回路所在的位置来区分的。1、调基电路

调基电路振荡频率在较宽的范围改变时，振幅比较平衡。

由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调基电路中，晶体管与振荡回路作部分耦合。交流接地2、调集电路调集电路在高频输出方面比其它两种电路稳定，而且幅度较大，谐波成分较小。3、调发电路

由于基极和发射极之间的输入阻抗比较低，为了避免过多地影响回路的Q值，故在调发电路中，晶体管与振荡回路也作部分耦合。互感反馈型电路例题分析判断下图所示两极互感耦合振荡电路能否起振。解：在的发射极与之间断开。这是一个共基—共集反馈电路。

振幅条件是可以满足的，所以只要相位条件满足，就可以起振。利用瞬时极性判断法，根据同名端位置，可以得到：可见电路是负反馈，不能产生振荡。如果把变压器次级同名端位置换一下，则可改为正反馈。而变压器初级回路是并联LC回路，作为的负载，考虑其阻抗特性满足相位稳定条件，因此电路有可能产生振荡。采用瞬时极性法判断互感耦合LC振荡器相位时的注意事项：（1）先看清是共基、共射还是共集电路；（2）把正确的信号输入端标上“+”，把地标上“―”；（3）通过瞬时电流的流向帮助中间点的极性判断；（4）有抽头电路时，先找到接地那一端，抽头处的极性与不接地的那一端极性相同。（5）循环一圈后，仍为“+”则符合起振相位条件，否则就不可能起振。§7.4三端式反馈振荡器三端式振荡器的优点其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比互感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。本节的主要内容：§7.4.1电感反馈式三端振荡器（HartleyOscillator）§7.4.2电容反馈式三端振荡器（ColpittsOscillator）§7.4.3三端振荡器相位平衡条件判断准则（重要）§7.4.1电感反馈式三端振荡器（HartleyOscillator）电感反馈三端式振荡器电路为了分析方便，画出交流等效电路电感反馈三端振荡器交流等效电路Ik电感反馈三端振荡器反馈系数F的计算Ik电感反馈三端振荡器振荡频率计算Ik电感反馈三端振荡器优缺点优点：1、L1、L2之间有互感，反馈较强，容易起振；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。2、振荡频率调节方便，只要调整电容C的大小即可。3、而且C的改变基本上不影响电路的反馈系数。§7.4.2电容反馈式三端振荡器（ColpittsOscillator）

电容反馈三端式振荡器电路电容反馈三端振荡器交流等效电路Ik电容反馈三端振荡器反馈系数F的计算Ik电容反馈三端振荡器振荡频率计算例题7.1已知一电容反馈三端振荡器交流图如下反馈系数F=1/3电感L=10uH振荡频率为19.4MHz求C1和C2电容反馈三端振荡器优缺点优点：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。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。§7.4.3三端振荡器相位平衡条件

判断准则（重要）

分析电感/电容反馈三端振荡器用归纳法，不难得出结论：三极管be间阻抗Xbe与ce间阻抗Xce必须同性质且它们与bc间阻抗Xbc必须不同性质上述准则的理论依据Ik例题7.2(教材294页例题7.6.1)bec例题7.2(教材294页例题7.6.1)(解)bec例题7.2(教材294页例题7.6.1)(解)若用三端振荡器法则直接判断相位振荡条件bec例题7.2(教材294页例题7.6.1)(解)若用矢量法判断相位振荡条件bec例题7.2(教材294页例题7.6.1)(解)从上面两种方法的比较,我们可以看出:直接用三端式判断准则来判断相位条件既快又准；所以除非题面要求,否则建议大家不要用矢量法。例题7.2(教材294页例题7.6.1)(解)bec例题7.3(2007年期末考试题)试判断下列电路是否可能起振?如果可能,需要什么条件?属于何种类型的振荡器?(1)(2)(3)例题7.3(第一图解答)bec例题7.3(第二图解答)bec例题7.3(第三图解答)bec第9次作业教材329页(新书299页)习题6(此类题型是考试重点)§7.5振荡器的频率稳定性问题衡量振荡器的指标准确度离中心的偏离程度（体现指标是概率论中讲的“误差”）稳定度变化摆动的剧烈程度（体现指标是概率论中讲的“方差”）例如：一个振荡器标称1MHz，但是总是输出1.1M，称不准确（但稳定）一个振荡器标称1MHz，但是实际输出是0.99~1.01MHz中的一个随机变量，则称是不稳定的。准确度绝对准确度相对准确度人们更关心的是振荡器的频率稳定度稳定度

频率稳定，就是在各种外界条件发生变化的情况下，要求振荡器的实际工作频率与标称频率间的偏差及偏差的变化最小。

振荡器的频率稳定度则是指在一定时间间隔内，由于各种因素变化，引起的振荡频率相对于标称频率变化的程度。长期稳定度（一天以上）短期稳定度（一天以内）瞬间稳定度（1秒以内）体现器件的抗衰老能力体现电路的环境适应能力体现电路的抗干扰能力稳定度的测量与计算前面已经讲过它又方差来体现所以计算公式为影响频率稳定度的几个因素（1）LC器件的稳定度方法一：选择稳定度好的LC器件方法二：温度补偿法（如选用负温系数电容）（2）LC回路的Q值提高LC回路的Q指（3）回路电路r（实际通过Q来影响）尽量减小振荡器的负载（4）有源器件参数（如分布电容等）回路的Q值为什么会影响振荡器的稳定性？两种改进型的三端式LC振荡器克拉波(Clapp)电路电感支路上串联一个电容，降低三极管输出电容的接入系数，从而稳定频率。西勒(Seiler)电路电感支路上先并联一个电容、再串联一个电容，降低三极管输出电容的接入系数，从而稳定频率。串联型改进电容三端式振荡器(克拉泼电路)（a）克拉泼电路的实用用电路（b）高频等效（考虑分布电容）电路选取C3远远小于C1或C2，所以三电容串联后的等效电容改进后调节C3不会影响反馈系数C1/C2并联型改进电容三端式振荡器

即西勒(Seiler)电路(a)实际电路(b)高频等效电路§7.6晶体振荡器§7.6.1晶振内部原理§7.6.2并联型晶体振荡器§7.6.3串联型晶体振荡器§7.6.1晶振内部原理晶振的内部结构石英切片金属支架金属支架引线当外加电压时,石英切片会产生固定频率的机械振荡反之,石英如果存在机械振荡,会在金属支架上产生电压如果外加频率与晶振本身机械振荡频率相同,则产生持续振荡晶振的等效电路模型符号基频等效电路完整等效电路支架电容C0

约1~10pF动态电感Lq

约10–3~102H（由晶振的质量/惯性等效而来）动态电容Cq

约10–4~10–1pF（由晶振的弹性等效而来）动态电感rq

约几十~几百（由晶振的机械损耗等效而来）CoCgLgRgfqfp电容性电容性电感性fXqO国产B451MHz中等精度晶体的等效参数如下：Lq=4.00H，Cq=0.0063pF，

rq≤100～200Ω，Co=2～3pF。因而晶体的品质因数Qq很大，一般为几万至几百万

≥（12500～25000）

§7.6.2并联型晶体振荡器1.皮尔斯(Pierce)振荡电路即c-b型（晶体位于三机管cb之间）fqfp电容性电容性电感性fXqO皮尔斯(Pierce)振荡器等效电路

振荡回路与晶体管、负载之间的耦合很弱，提高了稳定性。(2)振荡频率几乎由石英晶振的参数决定，而石英晶振本身的参数具有高度的稳定性。(3)由于晶振的等效电感极大，所以LC回路的Q值极高，频率稳定作用很强。2、密勒(Miller)振荡电路

即b-e型（晶体位于三极管be之间）C1CcCeRb1Rb2ReL1LEcJTC2C1C2L1JT§7.6.3串联型晶体振荡器fqfp电容性