第4章 正弦波振荡器

第4章正弦波振荡器

4.1概述

4.2反馈型LC振荡原理

4.3反馈型LC振荡电路

4.4振荡器的频率稳定原理

4.5高稳定度的LC振荡器

4.6晶体振荡器4.7负阻振荡器4.8集成压控振荡器主要内容

4.1概述一、振荡电路的功能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。二、振荡电路的分类正弦波振荡器非正弦波振荡器：产生三角波、锯齿波、矩形波等反馈型负阻型(100MHz以上)振荡器RC振荡器LC振荡器晶体振荡器按波形分按原理分按元件分负阻器件+振荡回路

四、主要技术指标

1、振荡频率；

2、频率稳定度；

3、振荡幅度；

4、振荡波形；首要指标三、正弦波振荡器的用途高频加热设备医疗仪器发射机(载波频率fC)接收机(本地振荡频率fL)数字系统：时钟信号通信系统：测量仪器：信号源高频能源：4.2反馈型LC振荡原理一、组成反馈型LC振荡器是由调谐放大器和正反馈网络构成.调谐放大器正反馈网络条件①放大器必须是调谐放大器,具有选频滤波的功能②反馈网络必须是正反馈，一般由无源器件组成定义：从放大器的输出信号中取出一部分反馈到输入端作为输入信号，无需外部提供激励信号，能产生等幅正弦波输出称为反馈型振荡器。Pspice仿真振荡器输出波形

二、振荡的建立与起振条件从无到有由弱到强由增到稳起振条件平衡条件稳定条件信号源来自何处？－＋－＋－＋调谐放大器反馈网络环路增益－＋调谐放大器反馈网络－＋－＋1、起振过程微小的扰动电压经放大选频反馈再放大再选频再反馈‥‥如此循环,振荡电压就会增长起来,建立了振荡.起振条件

2、起振条件

A0F＞1

(n=0，1，2，…，n)

物理意义：振荡为增幅振荡物理意义：振荡器闭环相位差为零，即为正反馈。振幅起振条件相位起振条件其中，A0为当电源接通时的电压增益。刚起振时，起始偏压为正偏置IEUB+UE_+UBE_电路的偏置电压为：－＋－＋三、振荡的平衡与平衡条件U0OA振荡特性反馈特性（n=0,1,2…）振幅平衡条件相位平衡条件1.平衡条件：输出信号的振幅丙类乙类甲乙类甲类®®®

放大器进入平衡的原因：（1）放大器固有的非线性特性（2）自给偏压效应

从起振到平衡，放大器工作状态的变化:最后工作于什么状态完全由A0F的值来决定。(A0F=2时，放大器工作于乙类；A0F>2时，放大器工作于丙类；1<A0F<2时，放大器工作于甲乙类。）输出信号的频率

晶体管

反馈网络

LC选频网络2.平衡条件的另一种表示形式（用电路参数表示的平衡条件）振幅平衡条件:相位平衡条件:四、振荡器平衡状态的稳定条件1)稳定平衡与不稳定平衡2)振荡器的稳定平衡因某一外因的变化，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。满足这样条件的平衡称为稳定平衡。3）振幅平衡的稳定条件U0OAQ外因变化F1/FQ1AF>1（增幅振荡）输出增大Q1点达到新的平衡外因消失FAF<1（减幅振荡）输出减小回到原平衡状态Q点1/F稳定B点不稳定：外因变化AF>1（增幅振荡）输出增大Q1点达到新的平衡F1/FQ1外因消失AF<1（减幅振荡）输出减小回到Q点达到平衡FQ点稳定：软激励

硬激励振幅的稳定条件：（应避免）tui4）相位平衡的稳定条件频率随相位变化的关系：频率与相位的关系：（频率的稳定条件）信号周期信号频率信号频率信号周期Oωωo0)(<¶¶@¶++¶\wjwjjjZFZY

相位平衡的稳定条件：

即要求选频网络的相频特性曲线在工作频率附近应具有负斜率。实际中的并联LC谐振回路正好具有这种相频特性。

总结:起振条件平衡条件平衡的稳定条件

4.3反馈型LC振荡电路反馈型LC振荡器是由调谐放大器和正反馈网络构成.按反馈网络形式可以分为：互感耦合振荡器

通过电感线圈L1与L2

的互感M实现反馈。三端（点）式LC振荡器电感三端式，又称哈特莱振荡器(Hartley)；电容三端式，又称考毕兹振荡器(Coplitts)；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(Selier)。

一、互感耦合振荡电路②通过与的互感M实现反馈。①放大器为共基调谐放大。③正反馈由耦合线圈的同名端决定。1、电路形式判断相位平衡条件是否满足，通常可以采用瞬时极性法判断是否是正反馈。2、判断振荡的方法++++⊕①共基调集型

②共射调基型“共射”电路输入阻抗较低，晶体管与回路采用部分接入+++-⊕

③共基调射型+++--+⊕

3、电路的振荡频率4、互感耦合振荡电路的特点优点：互感耦合振荡电路在调整反馈（改变M）时，基本不影响振荡频率缺点：工作频率不易过高，应用于中短波段

二、三端（点）式LC振荡器1、电路形式三端式LC振荡电路是经常被采用的，其工作频率约在几MHz到几百MHz的范围，频率稳定度也比变压器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。分析前提：①回路元件的电阻很小，可以忽略其影响；②忽略三极管的输入阻抗与输出阻抗的影响。则电路要振荡必须满足条件：Xbe和Xce应为同性质电抗Xcb应和Xbe、Xce电抗性质相反

2、三端式电路组成原则1、Xce与Xbe的电抗性质相同；2、Xcb与Xce、Xbe的电抗性质相反；3、对于振荡频率，满足Xce+Xbe+Xcb=0。射同余异源同余异

三、电容反馈振荡电路1、电路形式晶体管的三个极（c.e.b）分别连接于回路电容的三端，称为电容三点式振荡器，也称为考比兹振荡器。ceb

2、相位平衡条件（正反馈）振荡器的等效电路电压向量图

3、起振条件a、振荡要建立必须满足 。由于外部反馈作用远大于内部反馈，忽略的作用，

ceb

电路的反馈系数F（忽略各个g的影响）b、起振条件得即:电压增益其中:

c、结论（1）满足起振条件是选取晶体管的

（2）晶体管一旦选定(参数一定)可以改变F和来保证起振。F一般选取0.1-0.5。即适当选择C1和C2的值4、振荡频率的估算其中：

四、电感反馈振荡电路它是利用并联谐振回路中的电感分压实现正反馈的。由于晶体管的三个极分别连接于回路电感的三端，称为电感三点式振荡器，也称为哈特莱（Hartley）振荡器。1、电路形式

2、相位平衡条件（正反馈）

①振荡的建立必须满足 。②反馈系数在不考虑晶体管参数的影响时可得：当线圈绕在磁环上时，线圈两部分为紧耦合，则：③由 ，忽略、的影响，可得3、起振条件4、振荡频率的估算其中：

五、电感三点式与电容三点式振荡电路的比较电容三点式电感三点式波形较好较差频率较高较低频率稳定度较好较差起振、调节较难较易

试分析上述四种情况是否可能振荡?振荡频率f0与回路谐振频率有何关系?例题:图示为三回路振荡器的等效电路，设有以下四种情况：

4.4振荡器的频率稳定原理一、频率稳定度的定义

3、频率稳定度的定义:

在一定时间间隔内，振荡器相对频率偏差的最大值，用表示。频率稳定度在数量上通常用频率偏差来表示。频率偏差是指振荡器的实际工作频率和标称频率之间的偏差。它可分为绝对偏差和相对偏差。设f为实际振荡频率，fc为指定标称频率，则

1、绝对频率偏差：2、相对频率偏差绝对频率准确度相对频率准确度

4、三种常用的频率稳定度

长期频率稳定度：一般指一天以上甚至数月的时间间隔内的相对频率变化的最大值。这种变化通常是由振荡器中元器件老化而引起的。短期频率稳定度：一般指一天以内，以小时、分或秒计算的时间间隔内的频率相对变化。产生这种频率不稳的因素有温度、电源电压等。瞬时频率稳定度：一般指秒或毫秒时间间隔内的频率相对变化。引起这类频率不稳定的主要因素是振荡器内部噪声。

二、振荡器频率稳定度的表示式1、振荡频率的表示式

（由相位平衡条件决定）

振荡器的相位平衡条件

2、频率稳定度的表示式总结：谐振频率的变化、相角的变化和有载品质因数Q的变化都会引起频率稳定度的变化。

1、温度变化会引起L、C和晶体管y参数变化。2、湿度变化会引起L、Q变化。3、电源电压变化会引起晶体管参数变化。4、机械振动会引起L的变化。三、引起频率不稳的原因结论：引起振荡器频率不稳定的外部因素是温度、湿度、电源电压波动和机械振动。这些外因变化会引起、、的变化。因此产生频率不稳定。

四、提高频率稳定度的措施1、减小外因的变化

温度变化可以采用恒温措施；

湿度变化采用将电感线圈密封或固化；

电源电压变化采用稳压电源；

机械振动采用减震措施；

负载变化采用射随器隔离。2、提高电路参数抗外因变化的能力①选用正温度系数的电感和负温度系数的电容组成谐振回路进行温度补偿。②减小晶体管极间电容不稳定量、对回路总电容的影响，可采用部分接入方式的克拉泼电路、西勒电路和晶体振荡器。③选用高Q的元件。选用小的电容三点式振荡电路形式。

一、一般电容三点式振荡电路频率稳定性的分析4.5高稳定度的LC振荡器当、没变化时，回路总电容对应振荡频率为:当变化ΔCoe，变化ΔCi时，总电容的增量:

而、与晶体管工作状态和外界条件有关。结论：一般电容三点式振荡电路p1

、p2

不可能同时减小，故频率稳定度不可能做得较高。

二、克拉泼（Clapp）振荡电路①在电感支路串接小电容C3②满足C3＜＜C1，C3＜＜C2

③回路总电容为：1、电路特点

2、相位平衡条件（正反馈）为容抗，为容抗同性质。可等效为感抗，与、反性质。满足电容三点式振荡器相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。

3、振荡频率因为所以克拉泼（Clapp）振荡器的振荡频率为：

4、稳频原理总的电容增量为：其中①p1

、p2可以同时减小，可很小，故频率稳定度比一般电容三点式要高。结论：②p1

、p2

的减小受到电路起振条件的限制，频率稳定度不可能很高。③克拉泼电路主要用作固定频率振荡器。

三、西勒（Siler）振荡电路

2、相位平衡条件（正反馈）为容抗，为容抗同性质。可等效为感抗，与、反性质。满足电容三点式振荡器的相位平衡条件判断准则，为电容三点式振荡电路。3、振荡频率1、电路特点：西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联一个电容。电路条件仍是C3＜＜C1，C3＜＜C2，与同数量级回路总电容为：4、总结

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。调频时，输出振荡电压幅度基本平稳，可作为变频振荡器。1、电路特点：西勒电路是在克拉泼电路基础上，在电感L两端并联一个电容。电路条件仍是C3＜＜C1，C3＜＜C2，与同数量级回路总电容为：

4.6晶体振荡电路一、石英晶体介绍石英晶体是SiO2的结晶体，具有压电和反（逆）压电效应。一般LC振荡器的频率稳定度只能达到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、压电效应和反压电效应所谓压电效应是指当晶体受外力（压力或张力）作用而变形时，会在对应表面上产生正、负电荷，呈现出电场。所谓反压电效应是指当晶体表面加上电压时，晶体会出现弹性变形。若在晶体两端加上周期交变电压，由于反压电效应，晶体就会出现周期的机械振动，振动的幅度基本正比于外加电压的幅值。同时，由于压电效应，晶体的机械振动又会使晶体表面的电荷周期变化，相当于有交流电流流过晶体，感应出周期的交变电压。

石英晶体和其它弹性体（如弹簧）一样，有固有的机械谐振频率（自然频率），此频率与晶体的材料、几何形状、尺寸等有关。当加上交变电压频率与晶体的自然频率相等时，晶体就会发生机械谐振，此时，机械振动幅度最大。故由压电效应感应出的电流幅值最大，表现出电谐振。利用晶体的这一特性，就可以做成谐振回路，称为石英晶体谐振器（晶振）。2.石英晶体谐振器的制作方法

从石英晶体上按一定角度切下一片正方形、长方形或圆形的薄片（称为晶片），在晶片的两个对应面上图上银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线作为管脚，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器。品质因数：很高，达～量级

3.石英晶体的等效电路动态电感

:很大，几十毫亨到几十亨动态电容

:很小，一般为PF量级；动态电阻

:很小，一般为几欧~几百欧静态电容Co

：

很小，约2～5PF。特点：①晶体的参数值十分稳定，因此它的等效谐振回路有很高的标准性②具有极高的Q值③Cq<<C0,因此晶体的接入系数很小，外电路对它的影响很小。

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。

石英晶体谐振器完整等效电路

4、晶体管等效电路有两个谐振频率①串联谐振频率②并联谐振频率两个频率之差很小：二、石英晶体的阻抗特性1、忽略时，总阻抗为

2、阻抗频率特性①当和时，

，晶体等效为电容；②当时，，晶体等效为短路；③当时，，晶体等效为电感；④当时，，晶体为并联谐振。总结：晶体使用的两种模式：时，晶体短路线时，晶体电感

三、晶体振荡电路根据晶体在振荡器中的作用原理可分为两类：并联型晶体振荡器：晶体作为高品质的电感工作频率：串联型晶体振荡器：晶体作为高选择性的短路元件工作频率：并联泛音振荡器米勒（Miller）振荡器：晶体接在e、b之间皮尔斯（Pierce）振荡器:晶体接在c、b之间

1、并联型晶体振荡器——晶体在电路中等效为高Q电感①两种基本类型电路图（a）电容三点式振荡电路图（b）电感三点式振荡电路皮尔斯振荡器密勒振荡器

②并联型晶体振荡器（以皮尔斯振荡器为例）

A、相位平衡条件由于容抗，容抗，晶体等效为感抗，满足三点式振荡器相位平衡条件的判断准则。电路为正反馈。B、振荡频率令称为负载电容。由等效电路可得故总结：①振荡频率与和负载电容有关。②振荡频率一定在与之间，晶体等效为电感。

③因串、并联频率相差很小，因此振荡器频率稳定度高。

C、稳频原理由等效电路可知其中，和很小，不稳定电容、的影响非常小。关键很小，的Q很高。晶体的参量具有高稳定性，晶体回路的标准性很高。振荡回路与晶体管之间的耦合很弱，晶体管极间电容的不稳定性对它的影响很小。晶体具有极其灵敏的电抗补偿能力。总结：由于以上三个因素，晶体振荡器具有很高的频率稳定度

2、串联型晶体振荡器串联型晶体振荡电路①电路特点:晶体在电路中等效为短路元件

回路谐振在上,即振荡频率为:

②稳频原理当时,晶体在电路中相当于短路元件,满足相位平衡条件当时,晶体在电路中相当于电感,馈支路中引入一个附加相移，使，从而将偏离频率调整联谐振频率上。当时,晶体在电路中相当于电容,馈支路中引入一个附加相移，使，从而将偏离频率调整联谐振频率上。总结：串联型晶体振荡器的振荡频率及频率稳定度是由晶体的串联谐振频率所决定，而不取决于振荡回路，但振荡回路的谐振频率应与晶体的串联频率相一致。当时,晶体在电路中相当于电感,馈支路中引入一个附加相移，使，从而将偏离频率调整联谐振频率上。

3、泛音晶体振荡器①在工作频率较高的晶体振荡器中，多采用泛音晶体谐振器②组成泛音晶体振荡器的原则；确保振荡器的谐振回路准确地调谐在所需的奇次泛音频率上抑制基音和低次泛音频率

4.7负阻振荡器一、负阻的概念

1、负阻器件是指它的增量电阻为负值的器件。

隧道二极管特性

2、上图所示是隧道二极管的伏安特性若将静态工作点设置在负阻区（AB段）的Q点，并加上微弱正弦信号电压